EP2268803A2 - Neue 12alpha-hydroxysteroiddehydrogenasen, deren herstellung und verwendung - Google Patents

Neue 12alpha-hydroxysteroiddehydrogenasen, deren herstellung und verwendung

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Publication number
EP2268803A2
EP2268803A2 EP09724285A EP09724285A EP2268803A2 EP 2268803 A2 EP2268803 A2 EP 2268803A2 EP 09724285 A EP09724285 A EP 09724285A EP 09724285 A EP09724285 A EP 09724285A EP 2268803 A2 EP2268803 A2 EP 2268803A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
seq
sequence
hydroxysteroid dehydrogenase
nucleic acid
hsdh
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09724285A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arno Aigner
Ralf Gross
Rolf Schmid
Michael Braun
Steffen Mauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pharmazell GmbH
Original Assignee
Pharmazell GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pharmazell GmbH filed Critical Pharmazell GmbH
Priority to EP09724285A priority Critical patent/EP2268803A2/de
Publication of EP2268803A2 publication Critical patent/EP2268803A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P33/00—Preparation of steroids
    • C12P33/02—Dehydrogenating; Dehydroxylating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004—Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0006—Oxidoreductases (1.) acting on CH-OH groups as donors (1.1)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Y—ENZYMES
    • C12Y101/00—Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1)
    • C12Y101/01—Oxidoreductases acting on the CH-OH group of donors (1.1) with NAD+ or NADP+ as acceptor (1.1.1)
    • C12Y101/01176—12-Alpha-hydroxysteroid dehydrogenase (1.1.1.176)

Definitions

  • the present invention relates to novel 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenases, nucleic acid sequences, expression cassettes and vectors coding therefor; recombinant microorganisms containing corresponding coding nucleic acid sequences; Process for the preparation of such 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenases; A process for the enzymatic oxidation of 12 ⁇ -hydroxysteroids using such enzymes, processes for the enzymatic reduction of 12-ketosteroids using such enzymes; Method for the qualitative or quantitative determination of 12-ketosteroids or 12 ⁇ -hydroxysteroids using the 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenases according to the invention; and a process for the production of ursodeoxycholic acid comprising the enzyme-catalyzed cholic acid oxidation using the 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenases according to the invention.
  • the 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenase (12 ⁇ -HSDH) (E.C. 1.1.1.176) is one for stereospecific synthesis, e.g. the oxidation of cholic acid, important biocatalyst.
  • a suitably prepared 12 ⁇ -HSDH-containing protein extract from Clostridium group P was obtained from Sutherland et al. used in three different synthetic routes of ursodeoxycholic acid from cholic acid.
  • One of the synthetic routes involved the enzyme-catalyzed oxidation of cholic acid to 12-ketochenodeoxycholic acid (12-keto-CDCS) (Sutherland, J.D., et al, Prep Biochem, 1982. 12 (4): pp. 307-21).
  • the need for cofactor can be reduced by coupling with a cofactor regenerating enzyme.
  • GLDH glutamate dehydrogenase
  • the prior art teaches the use of glutamate dehydrogenase (GLDH) which is co-immobilized with a Clostridium Group P 12 ⁇ -HSDH-containing protein extract (Carrea, G., et al., Biotechnology and Bioengineering, 1984. 26 (5) : p. 560-563).
  • the GLDH reoxidizes NADPH to NADP + with simultaneous reductive amination of ⁇ -ketoglutarate to glutamate.
  • alcohol dehydrogenases ADH-Tb, ADH-Lb and ADH-ms are proposed for cofactor regeneration (Fossati, E., et al., Biotechnol Bioeng, 2006. 93 (6): p. 1216-20).
  • the ADH converts acetone into 2-propanol with regeneration of NADP + .
  • no pure protein was used there for the conversion on the 10 ml scale, but instead a 12 ⁇ -HSDH-containing protein fraction with a specific activity of 12 U / mg protein which was further enriched from a commercial preparation (from ASA Spezialenzymme, Wolfenbüttel, Germany) ,
  • a 12 ⁇ -HSDH in particular an NADP + -dependent enzyme
  • FIG. 1 shows the gene or protein sequence of the long version of 12 ⁇ -HSDH according to the invention (HSDH).
  • FIG. 2 shows the gene or protein sequence of the short version of the 12 ⁇ -HSDH according to the invention (HSDH_short) as well as, in comparison, the published incomplete partial sequence according to Braun, M. et al., supra
  • FIG. 3 shows the detail of a multi-sequence alignment of known microbial HSDH and the HSDH according to the invention.
  • the highly conserved positions are marked with "*", the variables with ":”.
  • Microbial hydroxysteroid dehydrogenases (left column shows the associated accession number and the source organism) whose function has been studied at the protein level or which possess orthologues in closely related species have been compared with the sequence HSDH_kurz (Csp2594) determined according to the invention.
  • the known HSDH are derived from Escherichia coli (ECOLI), Burkholderia mallei (BURM), Bacteroides fragilis (BACFR), Clostridium sordellii (CLOSO), Clostridium difficile (CLOD), Eubacterium sp. (EUBSP), Mycobacterium tuberculosis (MYCTU), Streptomyces exfoliatus (STREX).
  • ECOLI Escherichia coli
  • BURM Burkholderia mallei
  • BACFR Bacteroides fragilis
  • CLOSO Clostridium sordellii
  • CLOD Clostridium difficile
  • EUBSP Eubacterium sp.
  • MYCTU Mycobacterium tuberculosis
  • STREX Streptomyces exfoliatus
  • FIG. 4 shows the expression of inventive 12 ⁇ -HSDH enzymes in cell lysates of BL21 and Rosetta TM (DE3) cells after 4 and 22 h, respectively.
  • 12 ⁇ -HSDH (“long” and “short") were expressed at either 4 or 22 h. Subsequently, the cells were disrupted and 20 ug protein applied.
  • the target protein (12 ⁇ -HSDH) is found at 27 kDa.
  • Figure 5 shows the course of absorption at 340 nm during the preparation of 12K-CDCS on a 500 ml scale.
  • FIG. 6 shows a thin-layer chromatogram of reaction assays for confirming the regioselectivity of 12 ⁇ -HSDH, using cholic acid (1) and 12-ketochenodeoxycholic acid (2) as reference; Thus, the reactions were compared with HSDHJang (3) and HSDH_kurz (4).
  • Figure 7 shows protein and nucleic acid sequence of the 12 ⁇ -HSDH mutant 37D12
  • FIG. 8 shows the homology model of 12 ⁇ -HSDH from Clostridium sp. DSM 4029 with bound NADPH, bound substrate and mutation position 97 (Gln97).
  • Figure 9 shows a comparison of the activity of 12 ⁇ -HSDH and mutant 37D1.
  • Overall Figure 12 shows activity of 12 ⁇ -HSDH and mutant 37D12 at various percentages (% conversion) of cholic acid and 12-ketochenodeoxycholic acid (total concentration 5 mM). With 0.25 mM NADP + , the reaction was started. The change in absorbance was determined over 60 seconds, with the activity being calculated over the range of 30 seconds, which had the highest linearity (wild-type 0-30 seconds, 37D12 30-60 seconds).
  • a first subject of the invention relates to pure, in particular recombinantly produced 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenases (12 ⁇ -HSDHs) obtainable from Clostridium sp. having a molecular weight as determined by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) under reducing conditions in the range of greater than about 26 kD, in particular greater than about 26.5, such as 27 to 30 kD, and a calculated molecular weight greater than about 29 kD, in particular about 29.1 to 29, 5 kD, in particular 29.359 kD for HSDHJang and about 27.8 for (HSDH_kurz).
  • the molecular weight data refer to the molecular weight of the protein subunits of the enzyme; without being limited thereto, the native protein is e.g. of 4, in particular approximately the same size, such subunits.
  • such a protein is obtainable from Clostridium sp. group P strain 48-50 (DSM4029).
  • the enzyme may be e.g. in a specific activity in the range of greater than about 10, 15, 20 or 25 U / mg, e.g. 20 to 100 U / mg or 25 to 80 U / mg. The specific activity is determined under the standard conditions given in the experimental section.
  • the invention relates in particular to such pure, in particular recombinantly produced ⁇ 2 ⁇ -HSDHs comprising at least one of the following amino acid sequence motifs: a) LINN (SEQ ID NO: 5) b) RMGIFD (SEQ ID NO: 11) c) N-terminal sequence , selected under (1) MDFIDFKEMGRMGIFDGKVAIITGGGKAKSIGYGIAVAYAK (SEQ ID NO: 6)
  • FGDPELDI (SEQ ID NO: 13) or sequences derived therefrom, such as: GDPELDI, FGDPELD, DPELDI, FGDPEL, GDPEL, DPELD, GDPELD
  • the enzymes according to the invention are characterized in that they have no N-terminal, (ie in the region of the N-terminal end of about 1 to 30 amino acid residues) sequence motif of the type TGX 3 GXG, wherein X is any amino acid residues.
  • the invention relates in particular to pure, in particular recombinantly produced 12 ⁇ -HSDHs, a) comprising one of the amino acid sequences according to SEQ ID NO: 2 or 4, in each case starting at position +1 or +2; or b) comprising an amino acid sequence derived from a sequence according to a) having a percent sequence identity of at least 60%; or c) encodes a nucleic acid sequence encoding a protein according to a) and b); or d) encodes a coding nucleic acid sequence according to SEQ ID NO: 1 or 3; or from a sequence derived therefrom adapted to the particular codon usage of an organism used for expression; or e) encodes one of the nucleic acid sequences according to SEQ ID NO: 1 or 3 derived coding sequence having a percentage sequence identity of at least 60%.
  • Another object of the invention relates to 12 ⁇ -HSDH mutants with modified cosubstrate use and / or reduced product inhibition; and in particular those mutants derived from a 12 ⁇ -hydroxysteroid dehydrogenase as defined above, with at least one co-substrate-use-modifying mutation in the sequence motif VLTGRNE (SEQ ID NO: 12).
  • Non-limiting examples of such mutants include those having at least one of the following amino acid substitutions in SEQ ID NO: 12: G ->D; R ->A; and mutants having at least one product inhibition-reducing mutation in the region of the substrate binding pocket of the enzyme-forming amino acid residues; such as comprising at least the mutation of amino acid Q corresponding to position 97 and / or 99 of SEQ ID NO: 4 (corresponding to position 98 or 100 of SEQ ID NO: 22, respectively); in particular comprising a mutation corresponding to Q97H in SEQ ID NO: 4. (corresponding to Q98H in SEQ ID NO: 22).
  • amino acid substituents at position 98 include: A 1 N, D, C, E, G, H, M 1 S 1 T 1 V. Based on the homology model of HSDH of the invention, it is believed here a substitution leads to a weakening of the carboxyl bond of the product. Therefore, the adjacent position S100 (based on SEQ ID NO: 22) was also mutated to the following amino acids: A, N, D, C, Q, E, G, H, M, T, V, K.
  • a group of mutants of the invention thus comprises one or two mutations in position 97 or 99 (according to SEQ ID NO: 4) or in position 98 or 100 (according to SEQ ID NO: 22) selected from:
  • the invention particularly relates to 12 ⁇ -HSDHs as defined above, obtainable by heterologous expression of at least one of the above-described 12 ⁇ -HSDH-encoding nucleic acid sequences, in particular those recombinantly produced enzymes expressed in a non-pathogenic microorganism, such as expressed in a bacterium of the genus Escherichia , in particular the species E. coli.
  • the invention also nucleic acid sequences according to the above definition; Expression cassettes comprising at least one such coding nucleic acid sequence under the genetic control of at least one regulatory nucleic acid sequence; Vectors comprising at least one such expression cassette; as well as recombinant microorganisms which carry at least one such nucleic acid sequence or expression cassette or are transformed with at least one such vector.
  • the invention relates to a method for producing a 12 ⁇ -HSDH according to the above definition, wherein a recombinant microorganism according to the invention is cultivated and the expressed 12 ⁇ -HSDH isolated from the culture.
  • Another object of the invention is a process for the enzymatic oxidation of 12 ⁇ -hydroxysteroids, wherein reacting the hydroxysteroid in the presence of a 12 ⁇ -HSDH invention, and optionally isolated at least one formed oxidation product from the reaction mixture.
  • the reaction may be carried out aerobically (i.e., in the presence of oxygen) or anaerobically (i.e., substantially excluding oxygen), in particular aerobically.
  • the hydroxysteroid may be cholic acid (CS) or a cholic acid derivative, in particular a salt, amide or alkyl ester.
  • CS or a derivative thereof is converted to 12-ketochenodeoxycholic acid (12-keto-CDCS) or the corresponding derivative.
  • the reaction takes place in the presence and under stoichiometric consumption of NADP + or NAD + takes place.
  • Another object of the invention is a process for the enzymatic reduction of 12-ketosteroids, wherein reacting the ketosteroid in the presence of a 12 ⁇ -HSDH according to the invention and optionally isolating a formed reduction product from the reaction mixture.
  • the reaction can be carried out aerobically or anaerobically, in particular aerobically.
  • the ketosteroid is 12-keto-CDCS or a derivative thereof, such as particular a salt, amide or alkyl ester.
  • the ketosteroid or its derivative is reduced to the corresponding 12 ⁇ -hydroxysteroid or its derivative.
  • the reaction takes place in the presence of NADPH or NADH.
  • the consumed redox equivalents can be regenerated electrochemically or enzymatically.
  • Suitable enzymatic regeneration systems have already been described above. The disclosure of these documents is expressly incorporated by reference.
  • suitable enzymes are glutamate dehydrogenase, alcohol dehydrogenase and lactate dehydrogenase.
  • Electrochemical regeneration methods are based e.g. on hydridorhodium redox catalysts, e.g. described in WO-A-01/88172, to which reference is hereby made.
  • Another object of the invention is such a bioreactor for carrying out the above redox reactions, or of such partial reaction steps in the context of a synthetic overall process.
  • Another object of the invention relates to a method for the qualitative or quantitative detection of 12-ketosteroids or 12 ⁇ -hydroxysteroids, wherein one carries out the steroid of a 12 ⁇ -HSDH catalyzed by the invention redox reaction in the presence of redox equivalents, a change in the concentration of redox equivalents determined and determined therefrom the content of 12-ketosteroids or 12 ⁇ -hydroxysteroids qualitatively or quantitatively.
  • the invention furthermore relates to processes for the synthesis of ursodeoxycholic acid (UDCS) from cholic acid (CS), comprising at least one reaction step catalyzed by a 12 ⁇ -HSDH according to the invention.
  • This reaction step can be carried out aerobically or anaerobically, in particular aerobically.
  • Three suitable reaction sequences have been described, for example, by Sutherland et al., Supra, whereupon is hereby incorporated by reference.
  • the following synthetic routes 1 to 3 (where UCS stands for urochoic acid and CDCS stands for chenodeoxycholic acid) have been described:
  • R is alkyl, NR > 1 1 ⁇ R 2 ", H, an alkali metal ion or N (R 3 ) 4 + in which the radicals R 3 are identical or different and are H or alkyl, where you are
  • R has the abovementioned meanings and the R 3 radicals are identical or different and are H or acyl, in the presence of a 12 ⁇ -HSDH according to the invention to give the corresponding 12-keto-cetoxy-cholic acid (12-keto-CDCS) of the formula (3)
  • R and R 3 have the meanings given above, oxidized and then
  • R and R a have the meanings given above;
  • step a) can be carried out in particular in the presence of NAD (P) + .
  • spent NAD (P) + can be regenerated electrochemically or enzymatically in a manner known per se and / or the enzymes used can be in immobilized form.
  • the term "12 ⁇ -HSDH” refers to a dehydrogenase enzyme which catalyzes at least the stereospecific oxidation of cholic acid to 12-keto-chenodeoxycholic acid with stoichiometric consumption of NAD + and NADP + , respectively be a native or recombinantly produced enzyme.
  • the enzyme may in principle be mixed with cellular, such as protein contaminants, but preferably in pure form.
  • a “pure form” or a “pure” or “substantially pure” enzyme is understood according to the invention to mean an enzyme having a purity of more than 80, preferably more than 90, in particular more than 95, and especially more than 99,% by weight. %, based on the total protein content, determined by means of customary protein detection methods, such as, for example, the biuret method or the protein detection according to Lowry et al. (cf description in RK Scopes, Protein Purification, Springer Verlag, New York, Heidelberg, Berlin ( 1982).
  • the specific activity of a 12 ⁇ -HSDH enzyme according to the invention is in the range indicated above.
  • a “redox equivalent” is understood to mean a low molecular weight organic compound which is useful as electron donor or electron acceptor, for example nicotinamide derivatives such as NAD + and NADH + or their reduced forms NADH or NADPH.
  • a “cholic acid compound” or a “ursodeoxycholic acid compound” is also understood as meaning derivatives of the parent starting compound (such as cholic acid or ursodeoxycholic acid).
  • Such derivatives include “salts” such as alkali metal salts such as lithium, sodium and potassium salts of the compounds; and ammonium salts wherein the ammonium salt comprises the NH 4 + salt or ammonium salts wherein at least one hydrogen atom is replaced by a CrC 6 .
  • Typical alkyl radicals are in particular C 1 -C 4 -alkyl radicals, such as methyl, ethyl, n- or i-propyl, n-, sec- or tert-butyl, and n-pentyl and n-hexyl and the mono- or polysubstituted analogues thereof
  • Alkyl esters of compounds according to the invention are, in particular, lower alkyl esters, such as, for example, C 1 -C 6 -alkyl esters, nonlimiting examples of which may be mentioned methyl, ethyl, n- or i-propyl, n-, sec- or tert-butyl esters, or longer-chain esters such as n-pentyl and n-hexyl esters and the mono- or polysubstituted analogs thereof.
  • lower alkyl esters such as, for example, C 1 -C 6 -alkyl esters, nonlimiting examples of which may be mentioned methyl, ethyl, n- or i-propyl, n-, sec- or tert-butyl esters, or longer-chain esters such as n-pentyl and n-hexyl esters and the mono- or polysubstituted analogs thereof.
  • Amides are, in particular, reaction products of acids according to the invention with ammonia or primary or secondary monoamines
  • Such amines are, for example, mono- or di-C 1 -C 6 -alkyl-monoamines, where the alkyl radicals may be further substituted independently of one another, for example by Carboxy, hydroxy, halogen (such as F, Cl, Br, J), nitro and sulfonate groups.
  • Acyl groups are in particular nonaromatic groups having 2 to 4 carbon atoms, such as acetyl, propionyl and butyryl, and aromatic groups with optionally substituted mononuclear aromatic ring, suitable substituents being, for example, selected from hydroxy, halogen (such as F, Cl, Br , J) -, nitro and Ci-C ⁇ -alkyl groups, such as benzoyl or toluoyl.
  • hydroxysteroid compounds used or prepared according to the invention such as cholic acid, glycocholic acid, taurocholic acid ursodeoxycholic acid, 12-keto-chenodeoxycholic acid, chenodeoxycholic acid and 7-keto-lithocholic acid can be used in stereoisomerically pure form or in admixture with other stereoisomers in the process according to the invention or obtained therefrom.
  • the compounds used or the compounds prepared are used or isolated in essentially stereoisomerically pure form.
  • immobilization is understood to mean the covalent or noncovalent binding of a biocatalyst used according to the invention, for example a 12 ⁇ -HSDH, to a solid carrier material, that is to say essentially insoluble in the surrounding liquid medium.
  • Product inhibition of the 12 ⁇ -HSDH describes the reduction in enzymatic activity in the presence of a product formed in an enzymatic reaction catalyzed by the enzyme, for example inhibition by 12-keto-CDCS upon conversion to CS "describes the reduced percentage decrease in the enzyme activity of an enzyme mutant according to the invention in comparison to a reference system, such as the native HSDH enzyme, in each case based on the enzyme determined at 0% conversion (corresponding to 5 mM CS). Activity as 100% activity value.
  • This reduction can be determined as described in the experimental section or in the legend to FIG. 9.
  • Reductions in product inhibition according to the invention can also be expressed via the ratio of the residual activities of mutant to reference enzyme, each determined with the same percentage of sales.
  • the mutant according to the invention may have an activity increased by a factor of 1, 1 to 100, such as 1, 5 to 20 or 2 to 10.
  • the present invention is not limited to the specifically disclosed proteins or enzymes having 12 ⁇ -HSDH activity, but rather extends to functional equivalents thereof.
  • “Functional equivalents” or analogues of the specifically disclosed enzymes within the scope of the present invention are various polypeptides which further possess the desired biological activity, such as 12 ⁇ -HSDH activity.
  • functional equivalents enzymes which, in the assay used for 12 ⁇ -HSDH activity, are at least 1%, such as at least 10% or 20%, such as at least 50% or 75% or 90% higher or lower
  • functional equivalents are preferably stable between pH 4 to 11 and advantageously have a pH optimum in the range of pH 6 to 10, in particular 8.5 to 9.5, as well as an enzyme having an amino acid sequence as defined herein Temperature optimum in the range of 15 ° C to 80 0 C or 20 0 C to 70 0 C, such as about 45 to 60 ° C or about 50 to 55 ° C.
  • the 12 ⁇ -HSDH activity can be detected by various known tests. Without being limited to this, let a test be performed using a reference substrate, such as a reference substrate. Cholic acid, under standardized conditions as defined in the experimental section.
  • a test be performed using a reference substrate, such as a reference substrate.
  • Cholic acid under standardized conditions as defined in the experimental section.
  • “functional equivalents” are understood to mean, in particular, “mutants” which, in at least one sequence position of the abovementioned amino acid sequences, have a different amino acid than the one specifically mentioned but nevertheless possess one of the abovementioned biological activities.
  • “Functional equivalents” thus include the mutants obtainable by one or more amino acid additions, substitutions, deletions, and / or inversions, which changes can occur in any sequence position as long as they result in a mutant having the property profile of the invention Functional equivalence is also given in particular when the reactivity patterns between mutant and unchanged polypeptide match qualitatively, ie, for example, identical substrates are reacted at different rates.
  • Precursors are natural or synthetic precursors of the polypeptides with or without the desired biological activity.
  • Salts are understood as meaning both salts of carboxyl groups and acid addition salts of amino groups of the protein molecules of the invention
  • Salts of carboxyl groups can be prepared in a manner known per se and include inorganic salts such as, for example, sodium, calcium, ammonium, iron and zinc salts, as well as salts with organic bases such as amines such as triethanolamine, arginine, lysine, piperidine and the like, acid addition salts such as salts with mineral acids such as hydrochloric acid or sulfuric acid and salts with organic acids such as acetic acid and oxalic acid likewise the subject of the invention.
  • inorganic salts such as, for example, sodium, calcium, ammonium, iron and zinc salts
  • organic bases such as amines such as triethanolamine, arginine, lysine, piperidine and the like
  • acid addition salts such as salts with
  • “Functional derivatives” of polypeptides of the invention may also be produced at functional amino acid side groups or at their N- or C-terminal end by known techniques
  • Such derivatives include, for example, aliphatic esters of carboxylic acid groups, amides of carboxylic acid groups obtainable by reaction with ammonia or with a primary or secondary amine; N-acyl derivatives of free amino groups prepared by reacting with acyl groups; O- the O-acyl derivatives of free hydroxy groups prepared by reacting with acyl groups.
  • “functional equivalents” also include polypeptides that are accessible from other organisms, as well as naturally occurring variants. For example, regions of homologous sequence regions can be determined by sequence comparison and, based on the specific requirements of the invention, equivalent enzymes can be determined.
  • “Functional equivalents” also include fragments, preferably single domains or sequence motifs, of the polypeptides of the invention having, for example, the desired biological function.
  • Fusion equivalents are also fusion proteins which have one of the abovementioned polypeptide sequences or functional equivalents derived therefrom and at least one further, functionally different, heterologous sequence in functional N- or C-terminal linkage (ie without mutually essential functionalities). nelle impairment of the fusion protein parts).
  • heterologous sequences are, for example, signal peptides, histidine anchors or enzymes.
  • Homologs to the specifically disclosed proteins encompassed by the invention include at least 60%, preferably at least 75%, in particular at least 85%, such as 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 or 99%, homology (or identity) to one of the specifically disclosed amino acid sequences calculated according to the algorithm of Pearson and Lipman, Proc Natl Acad, S. (USA) 85 (8), 1988, 2444-2448 Homology or identity of a homologous polypeptide according to the invention means, in particular, percent identity of the amino acid residues relative to the total length of one of the amino acid sequences specifically described herein.
  • the percent identity values can also be determined using BLAST alignments, blastp algorithm (protein-protein BLAST), or by applying the Clustal settings below.
  • “functional equivalents” of the invention include proteins of the type described above in deglycosylated or glycosylated form as well as modified forms obtainable by altering the glycosylation pattern.
  • Homologs of the proteins or polypeptides of the invention can be generated by mutagenesis, e.g. by point mutation, extension or shortening of the protein.
  • Homologs of the proteins of the invention can be identified by screening combinatorial libraries of mutants such as truncation mutants.
  • a variegated library of protein variants can be generated by combinatorial mutagenesis at the nucleic acid level, such as by enzymatic ligation of a mixture of synthetic oligonucleotides.
  • methods that can be used to prepare libraries of potential homologs from a degenerate oligonucleotide sequence. The chemical synthesis of a degenerate gene sequence can be carried out in a DNA synthesizer, and the synthetic gene can then be ligated into a suitable expression vector.
  • degenerate gene set allows for the provision of all sequences in a mixture that encode the desired set of potential protein sequences.
  • Methods of synthesizing degenerate oligonucleotides are known to those skilled in the art (eg, Narang, SA (1983) Tetrahedron 39: 3; Itakura et al. (1984) Annu. Rev. Biochem. 53: 323; Itakura et al., (1984) Science 198: 1056; Ike et al. (1983) Nucleic Acids Res. 11: 477).
  • REM Recursive ensemble mutagenesis
  • the invention also nucleic acid sequences that encode an enzyme with 12 ⁇ -HSDH activity.
  • the present invention also relates to nucleic acids having a specific degree of identity to the specific sequences described herein.
  • identity between two nucleic acids is meant the identity of the nucleotides over the respective total nucleic acid length, in particular the identity, which is determined by
  • Gap Separation penalty ranks 8 gap separation penalty off
  • the identity may also be after Chenna, Ramu, Sugawara, Hideaki, Kookkeadashi, Lopez, Rodrigo, Gibson, Toby J, Higgins, Desmond G, Thompson, Julie D. Multiple sequence alignment with the Clustal series of programs. (2003) Nucleic Acids Res 31 (13): 3497-500, according to Internet address: http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw/index.html# and determined with the following parameters: DNA Gap Open Penalty 15.0
  • nucleic acid sequences mentioned herein can be prepared in a manner known per se by chemical synthesis from the nucleotide building blocks, for example by fragment condensation of individual overlapping, complementary nucleic acid building blocks of the double helix.
  • the chemical synthesis of oligonucleotides can be carried out, for example, in a known manner by the phosphoamidite method (Voet, Voet, 2nd edition, Wiley Press New York, pages 896-897).
  • the invention also relates to nucleic acid sequences (single and double stranded DNA and RNA sequences, such as cDNA and mRNA) encoding one of the above polypeptides and their functional equivalents, e.g. accessible using artificial nucleotide analogs.
  • the invention relates both to isolated nucleic acid molecules which code for polypeptides or proteins or biologically active portions thereof according to the invention, as well as nucleic acid fragments which are e.g. for use as hybridization probes or primers for the identification or amplification of coding nucleic acids of the invention.
  • the nucleic acid molecules of the invention may also contain untranslated sequences from the 3 'and / or 5' end of the coding gene region
  • the invention further comprises the nucleic acid molecules complementary to the specifically described nucleotide sequences or a portion thereof.
  • the nucleotide sequences of the invention enable the generation of probes and primers useful for the identification and / or cloning of homologous sequences in other cell types and organisms.
  • probes or primers usually comprise a nucleotide sequence region which is under "stringent" conditions (see below) at least about 12, preferably at least about 25, such as about 40, 50 or 75 consecutive nucleotides of a sense strand of a nucleic acid sequence of the invention or a corresponding nucleic acid sequence Antisense strands hybridizes.
  • nucleic acid molecule is separated from other nucleic acid molecules present in the natural source of the nucleic acid and, moreover, may be substantially free of other cellular material or culture medium when produced by recombinant techniques, or free of chemical precursors or other chemicals when chemically synthesized.
  • a nucleic acid molecule according to the invention can be isolated by means of standard molecular biological techniques and the sequence information provided according to the invention.
  • cDNA can be isolated from a suitable cDNA library by using one of the specifically disclosed complete sequences, or a portion thereof, as a hybridization probe and standard hybridization techniques (such as described in Sambrook, J., Fritsch, EF and Maniatis, T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Ed., CoId Spring Harbor Laboratory, Col. Spring Harbor Laboratory Press, Col. Spring Harbor, NY, 1989).
  • nucleic acid molecule comprising any of the disclosed sequences, or a portion thereof, can be isolated by polymerase chain reaction using the oligonucleotide primers prepared on the basis of this sequence.
  • the nucleic acid so amplified can be cloned into a suitable vector and characterized by DNA sequence analysis.
  • the oligonucleotides according to the invention can also be prepared by standard synthesis methods, for example with an automatic DNA synthesizer.
  • Nucleic acid sequences according to the invention or derivatives thereof, homologs or parts of these sequences can be isolated from other bacteria, eg via genomic or cDNA libraries, for example by conventional hybridization methods or the PCR technique. These DNA sequences hybridize under standard conditions with the sequences according to the invention.
  • hybridizing is meant the ability of a poly or oligonucleotide to bind to a nearly complementary sequence under standard conditions, while under these conditions, non-specific binding between non-complementary partners is avoided.
  • the sequences may be 90-100% complementary.
  • the property of complementary sequences to be able to specifically bind to one another for example, in the Northern or Southern Blot technique or in the primer binding in PCR or RT-PCR advantage.
  • oligonucleotides For hybridization, it is advantageous to use short oligonucleotides of the conserved regions. However, it is also possible to use longer fragments of the nucleic acids according to the invention or the complete sequences for the hybridization. Depending on the nucleic acid used (oligonucleotide, longer fragment or complete sequence) or depending on which nucleic acid type DNA or RNA are used for the hybridization, these standard conditions vary. Thus, for example, the melting temperatures for DNA: DNA hybrids are about 10 ° C. lower than those of DNA: RNA hybrids of the same length.
  • the hybridization conditions for DNA DNA hybrids at 0.1 x SSC and temperatures between about 20 0 C to 45 ° C, preferably between about 30 0 C to 45 0 C.
  • the hybridization conditions are advantageous 0.1 x SSC and temperatures between about 30 0 C to 55 ° C, preferably between about 45 0 C to 55 0 C.
  • hybridization conditions can be carried out under stringent conditions, for example in Sambrook, J., Fritsch, EF, Maniatis, T., in: Molecular Cloning (A Laboratory Manual), 2nd edition, CoId Spring Harbor Laboratory Press, 1989, pp. 9.31-9.57 or in Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, NY (1989), 6.3.1-6.3.6.
  • stringent hybridization conditions are meant in particular: The incubation at 42 ° C overnight in a solution consisting of 50% formamide, 5 x SSC (750 mM NaCl, 75 mM trisodium citrate), 50 mM sodium phosphate ( pH7.6), 5x Denhardt's solution, 10% dextran sulfate and 20 g / ml denatured, sheared salmon sperm DNA, followed by a filter wash with 0.1 x SSC at 65 ° C.
  • the invention also relates to derivatives of the specifically disclosed or derivable nucleic acid sequences.
  • nucleic acid sequences of the invention may be used e.g. be derived from SEQ ID NO: 1 or 3 and differ therefrom by addition, substitution, insertion or DeIe- tion of single or multiple nucleotides, but continue to encode polypeptides having the desired property profile.
  • nucleic acid sequences include silent mutations or according to the codon usage of a particular source or host organism, are altered in comparison to a specific sequence mentioned, as well as naturally occurring variants, such as splice variants or allelic variants thereof.
  • Articles are also provided by conservative nucleotide substitutions (i.e., the amino acid in question is replaced by an amino acid of like charge, size, polarity, and / or solubility).
  • the invention also relates to the molecules derived by sequence polymorphisms from the specifically disclosed nucleic acids. These genetic polymorphisms may exist between individuals within a population due to natural variation. These natural variations usually cause a variance of 1 to 5% in the nucleotide sequence of a gene.
  • Derivatives of the nucleic acid sequence according to the invention with the sequence SEQ ID NO: 1 or 3 are, for example, allelic variants which have at least 60% homology at the derived amino acid level, preferably at least 80% homology, very particularly preferably at least 90% homology over the entire sequence range (for homology at the amino acid level, see the above discussion of the polypeptides). About partial regions of the sequences, the homologies may be advantageous higher.
  • derivatives are also to be understood as meaning homologs of the nucleic acid sequences according to the invention, in particular of SEQ ID NO: 1 and 3, for example fungal or bacterial homologs, truncated sequences, single stranded DNA or RNA of the coding and noncoding DNA sequence.
  • Homologues to SEQ ID NO: 7 at the DNA level have a homology of at least 40%, preferably of at least 60%, more preferably of at least 70%, most preferably of at least 80% over the entire in SEQ ID NO: 7 indicated DNA range.
  • the promoters which are upstream of the indicated nucleotide sequences, can be NEN be changed by at least one nucleotide exchange, at least one insertions, inversions and / or deletions, but without the functionality or efficacy of the promoters are impaired.
  • the promoters can be increased in their activity by changing their sequence or can be completely replaced by more effective promoters of alien organisms.
  • the person skilled in the art can introduce completely random or even more targeted mutations into genes or non-coding nucleic acid regions (which are important, for example, for the regulation of expression) and then generate gene banks.
  • the molecular biological methods required for this purpose are known to the person skilled in the art and are described, for example, in Sambrook and Russell, Molecular Cloning. 3rd Edition, CoId Spring Harbor Laboratory Press 2001.
  • error-prone PCR error-prone polymerase chain reaction
  • nucleotide sequences are mutated by defective DNA polymerases
  • Eckert KA Kunkel TA (1990) Nucleic Acids Res 18: 3739
  • - Passenger genes in mutator strains in which, for example, due to defective DNA repair mechanisms an increased mutation rate of nucleotide sequences occurs (Greener A, Callahan M, Jerpseth B (1996) An efficient random mutagenesis technique using E.
  • first gene libraries of the respective proteins are generated, whereby, for example, the above-mentioned methods can be used.
  • the gene banks are appropriately expressed, for example by bacteria or by phage display systems.
  • the respective genes of host organisms expressing functional mutants with properties which largely correspond to the desired properties can be subjected to another round of mutation.
  • the steps of mutation and selection or screening can be repeated iteratively until the functional mutants present have the desired properties to a sufficient extent.
  • a limited number of mutations such as e.g. 1 to 5 mutations are made and evaluated on their influence on the relevant enzyme property and selected.
  • the selected mutant can then be subjected in the same way to a further mutation step. This significantly reduces the number of single mutants to be studied.
  • results according to the invention provide important information regarding the structure and sequence of the enzymes in question, which are required in order to selectively generate further enzymes with desired modified properties.
  • so-called "hot spots” can be defined, ie sequence sections which are potentially suitable for modifying an enzyme property by introducing targeted mutations. adorn.
  • Nonlimiting examples of such hot spot regions of the HSDH according to the invention are summarized below:
  • the invention also relates to expression constructs comprising, under the genetic control of regulatory nucleic acid sequences, a nucleic acid sequence coding for a polypeptide according to the invention; and vectors comprising at least one of these expression constructs.
  • an "expression unit” is understood as meaning a nucleic acid with expression activity which comprises a promoter as defined herein and, after functional linkage with a nucleic acid or a gene to be expressed, regulating the expression, ie the transcription and the translation, of this nucleic acid or gene
  • a promoter as defined herein and, after functional linkage with a nucleic acid or a gene to be expressed, regulating the expression, ie the transcription and the translation, of this nucleic acid or gene
  • regulatory elements e.g. Enhancers
  • an expression cassette or “expression construct” is understood according to the invention to mean an expression unit which is functionally linked to the nucleic acid to be expressed or to the gene to be expressed.
  • an expression cassette comprises not only nucleic acid sequences that regulate transcription and translation, but also the nucleic acid sequences that are to be expressed as a protein as a result of transcription and translation.
  • expression or “overexpression” in the context of the invention describe the production or increase of the intracellular activity of one or more enzymes in a microorganism which are encoded by the corresponding DNA, for example by introducing a gene into an organism replace existing gene with another gene, increase the copy number of the gene (s), use a strong promoter or use a gene coding for a corresponding enzyme with a high activity, and optionally combine these measures.
  • Such constructs according to the invention preferably comprise a promoter 5'-upstream of the respective coding sequence and a terminator sequence 3'-downstream and optionally further customary regulatory elements, in each case operatively linked to the coding sequence.
  • a “promoter”, a “nucleic acid with promoter activity” or a “promoter sequence” is understood according to the invention to mean a nucleic acid which, in functional linkage with a nucleic acid to be transcribed, regulates the transcription of this nucleic acid.
  • a “functional” or “operative” linkage in this context means, for example, the sequential arrangement of one of the nucleic acids with promoter activity and a nucleic acid sequence to be transcribed and optionally further regulatory elements, for example nucleic acid sequences which ensure the transcription of nucleic acids, and, for example a terminator such that each of the regulatory elements can fulfill its function in the transcription of the nucleic acid sequence.
  • regulatory elements for example nucleic acid sequences which ensure the transcription of nucleic acids, and, for example a terminator such that each of the regulatory elements can fulfill its function in the transcription of the nucleic acid sequence. This does not necessarily require a direct link in the chemical sense. Genetic control sequences, such as enhancer sequences, may also exert their function on the target sequence from more distant locations or even from other DNA molecules.
  • the distance between the promoter sequence and the nucleic acid sequence to be expressed by the transgene can be less than 200 base pairs, or less than 100 base pairs or less than 50 base pairs.
  • examples of other regulatory elements include targeting sequences, enhancers, polyadenylation signals, selectable markers, amplification signals, origins of replication, and the like. Suitable regulatory sequences are described, for example, in Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990).
  • Nucleic acid constructs according to the invention comprise, in particular, sequence SEQ ID NO: 1 or 3 or derivatives and homologs thereof, as well as the nucleic acid sequences derivable therefrom, which are advantageously used with one or more regulatory signals for the control, e.g. Increased, the gene expression was operatively or functionally linked.
  • the natural regulation of these sequences may still be present before the actual structural genes and may have been genetically altered so that the natural regulation has been eliminated and the expression of the genes has been increased.
  • the nucleic acid construct can also be simpler, ie no additional regulatory signals have been inserted before the coding sequence and the natural promoter with its regulation has not been removed. Instead, the natural regulatory sequence is mutated so that regulation stops and gene expression is increased.
  • a preferred nucleic acid construct advantageously also contains one or more of the abovementioned "enhancer” sequences, functionally linked to the promoter, which permit increased expression of the nucleic acid sequence. Additional advantageous sequences can also be inserted at the 3 'end of the DNA sequences, such as further regulatory elements or terminators.
  • the nucleic acids of the invention may be contained in one or more copies in the construct.
  • the construct may also contain further markers, such as antibiotic resistance or auxotrophic complementing genes, optionally for selection on the construct.
  • promoters such as cos, tac, trp, tet, trp tet, Ipp, lac, lpp-lac, lacl " " T7, T5, T3, gal, , trc, ara, rhaP (rhaP BAD ) SP6, Iambda-P R - or included in the Iambda P L promoter, which are advantageously in gram- find negative bacteria application.
  • Further advantageous regulatory sequences are contained, for example, in the gram-positive promoters amy and SPO2, in the yeast or fungal promoters ADC1, MFalpha, AC 1 P-60, CYC1, GAPDH, TEF, rp28, ADH. It is also possible to use artificial promoters for regulation.
  • the nucleic acid construct, for expression in a host organism is advantageously inserted into a vector, such as a plasmid or a phage, which allows for optimal expression of the genes in the host.
  • a vector such as a plasmid or a phage
  • Vectors other than plasmids and phages are also all other vectors known to those skilled in the art, e.g. To understand viruses such as SV40, CMV, baculovirus and adenovirus, transposons, IS elements, phasmids, cosmids, and linear or circular DNA. These vectors can be autonomously replicated in the host organism or replicated chromosomally. These vectors represent a further embodiment of the invention.
  • Suitable plasmids are described, for example, in E. coli pLG338, pACYC184, pBR322, pUC18, pUC19, pKC30, pRep4, pHS1, pKK223-3, pDHE19.2, pHS2, pPLc236, pMBL24, pLG200, pUR290, pN-IM 113 -B1, ⁇ gt11 or pBdCI, in Streptomyces plJ101, plJ364, plJ702 or plJ361, in Bacillus pUB110, pC194 or pBD214, in Corynebacterium pSA77 or pAJ667, in fungi pALS1, pIL12 or pBB116, in yeasts 2alphaM, pAG-1, YEp6, YEp13 or pEMBLYe23 or in plants pLGV23, pGHIac ⁇ pBIN19,
  • plasmids mentioned represent a small selection of the possible plasmids. Further plasmids are well known to the person skilled in the art and can be found, for example, in the book Cloning Vectors (Eds. Pouwels PH et al., Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford, 1985, ISBN 0 444 904018).
  • the vector containing the nucleic acid construct according to the invention or the nucleic acid according to the invention can also advantageously be introduced in the form of a linear DNA into the microorganisms and integrated into the genome of the host organism via heterologous or homologous recombination.
  • This linear DNA can consist of a linearized vector such as a plasmid or only of the nucleic acid construct or of the nucleic acid according to the invention.
  • the "codon usage" can be easily determined by computer evaluations of other known genes of the organism concerned.
  • An expression cassette according to the invention is produced by fusion of a suitable promoter with a suitable coding nucleotide sequence and a terminator or polyadenylation signal.
  • Common recombinant and cloning techniques are used, as described, for example, in T. Maniatis, E.F. Fritsch and J. Sambrook, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, ColD Spring Harbor Laboratory, ColD Spring Harbor, NY (1989), and TJ. Silhavy, M.L. Berman and L.W. Enquist, Experiments with Gene Fusion, CoId Spring Harbor Laboratory, ColD Spring Harbor, NY (1984) and Ausubel, F.M. et al., Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley Interscience (1987).
  • the recombinant nucleic acid construct or gene construct is advantageously inserted into a host-specific vector for expression in a suitable host organism, which enables optimal expression of the genes in the host.
  • Vectors are well known to those skilled in the art and can be found, for example, in "Cloning Vectors" (Pouwels P.H. et al., Eds. Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford, 1985).
  • microorganism may be understood as meaning the starting microorganism (wild type) or a genetically modified, recombinant microorganism or both.
  • recombinant microorganisms can be produced, which are transformed, for example, with at least one vector according to the invention and can be used to produce the polypeptides according to the invention.
  • inventive recombinant constructs are introduced into a suitable host system and expressed.
  • prokaryotic or eukaryotic organisms are suitable as recombinant host organisms for the nucleic acid or nucleic acid construct according to the invention.
  • microorganisms such as bacteria, fungi or yeast are used as host organisms.
  • Gram-positive or gram-negative bacteria preferably bacteria of the families Enterobacteriaceae, Pseudomonadaceae, Rhizobiaceae, Streptomycetaceae or Nocardiaceae, particularly preferably bacteria of the genera Escherichia, Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia, Burkholderia, Salmonella, Agrobacterium, Clostridium or Rhodococcus are advantageously used , Very particularly preferred is the genus and species Escherichia coli. Further advantageous bacteria are also found in the group of alpha-proteobacteria, beta-proteobacteria or gamma-proteobacteria
  • the host organism or the host organisms according to the invention preferably contain at least one of the nucleic acid sequences described in this invention, nucleic acid constructs or vectors which code for an enzyme with 12 ⁇ -HSDH activity as defined above.
  • the organisms used in the method according to the invention are grown or grown, depending on the host organism, in a manner known to those skilled in the art.
  • Microorganisms are usually in a liquid medium containing a carbon source usually in the form of sugars, a nitrogen source usually in the form of organic nitrogen sources such as yeast extract or salts such as ammonium sulfate, trace elements such as iron, manganese, magnesium salts and optionally vitamins, at temperatures between 0 0 C and 100 0 C, preferably between 10 ° C to 60 0 C attracted under oxygen fumigation.
  • the pH of the nutrient fluid can be kept at a fixed value, that is regulated during the cultivation or not.
  • the cultivation can be done batchwise, semi-batchwise or continuously. nutrient can be presented at the beginning of the fermentation or fed semi-continuously or continuously.
  • UDCS ursodeoxycholic acid
  • DBS diastereomer chenodeoxycholic acid
  • Methyl 3,7-di-O-acetylcholic acid (CDCS II, CAS 3749-87-9) crystallizes and is isolated.
  • step 3 the free hydroxy group in position 12 is oxidized.
  • the methyl 3,7-di-O-acetyl-12-ketocholate (CDCS III, CAS 4651-67-6) is deoxygenated in the fourth and final step in a Wolff-Kishner reduction to give CDCS.
  • step 1 CS is acid-catalyzed with methanol to cholic acid methyl ester (CDCS I). This is followed by the regioselective acetylation of the hydroxyl groups in positions 3 and 7 with acetic anhydride.
  • the reaction is an organic nitrogen base and Optinoal uses an acylation catalyst. By optimizing the reaction time, a maximum of the diacetyl compound (CDCS II) is achieved here.
  • the product is isolated after crystallization and dried.
  • Acetylation conditions in particular the combination of acetic anhydride, triethylamine and DMAP are described in EP 0 424 232. The selectivity of acetylation determines the later quality of the (intermediate) product CDCS.
  • the by-product 3-O-monoacetylcholic acid methyl ester leads in the further course of synthesis to lithocholic acid. This is toxic and limited to a low value in the monographs of the end product UDCS (Ph. Eur. 0.1%, USP 0.05%).
  • the CDCS later obtained contains proportionately more CS than impurity.
  • CDCS III is reacted with hydrazine and sodium hydroxide in triethylene glycol at 200 0 C.
  • the product is precipitated by acidification with hydrochloric acid from the reaction solution, then filtered off and dried.
  • Another method is described in EP 0424232 and operates at a lower temperature.
  • CDCS IM is here reacted with hydrazine and potassium hydroxide in 2-butanol.
  • the product is precipitated from water as in variant 1 by addition of hydrochloric acid.
  • the CDCS obtained by this method has a defined and specified quality which is suitable for preparing UDCs of Pharmacopoeia quality according to the method described later.
  • step 1 cholic acid is oxidized by means of 12 ⁇ -HSDH to 12-ketochenodeoxycholic acid (12-keto-CDCS) NADP + -dependent.
  • 12 ⁇ -HSDHs belong to the class of enzymes 1.1.1.176 and are mainly found in bacteria of the genus Clostridium. Both NADP + -dependent (Harris and Hylein (1978) Biochim Biophvs Acta 528 (1): 148-57) and NAD + -dependent (Macdonald et al., 1976) Biochim Biophys Acta 450 (2) exist. : 142-53.
  • the enzymatic oxidation takes place according to the invention preferably by means of a 12 ⁇ -HSDH according to the invention (long or short version) and cofactor regeneration by means of an ADH, such as e.g. ADH ms or ADH t.
  • ADH such as e.g. ADH ms or ADH t.
  • the deoxygenation according to step 2 is a classic chemical Wolff-Kishner reduction and is carried out analogously to the deoxygenation of the CDCS III described above.
  • An essential advantage of this route is that the selectivity of the enzyme does not cause the impurity lithocholic acid.
  • the raw material for UDCS (CAS 128-13-2) is CDCS.
  • the hydroxyl group in position 7 of the CDCS is oxidized to the corresponding ketone.
  • the result is the 7-ketolithocholic acid (3 ⁇ -hydroxy-7-ketocholanic acid, in short: KLCS, CAS 4651-67-6).
  • the stereoselective reduction of the keto group in position 7 follows.
  • the aim is to obtain UDCS with the highest possible diastereoselectivity.
  • the UDCS contains just a few percent of the diastereomer CDCS directly after reduction.
  • UDCS In order to obtain the active ingredient UDCS, UDCS must be purified in a crude step in a third step.
  • KLCS UDCS raw (consisting of UDCS and CDCS)
  • the oxidation of the CDCS is usually carried out with aqueous sodium hypochlorite solution.
  • chromic acid oxidation is still an alternative.
  • KLCS precipitates as a solid, which is then further processed in the second step.
  • the reduction can be carried out with sodium metal in alcohols. The result is a crude product with a
  • the invention furthermore relates to processes for the recombinant production of polypeptides according to the invention or functional, biologically active fragments thereof, which comprises cultivating a polypeptide-producing microorganism, optionally inducing the expression of the polypeptides and isolating them from the culture.
  • the polypeptides can thus also be produced on an industrial scale, if desired.
  • microorganisms produced according to the invention can be cultured continuously or batchwise in the batch process (batch cultivation) or in the fed batch (feed process) or repeated fed batch process (repetitive feed process).
  • batch cultivation a batch cultivation method
  • feed process a fed batch process
  • repetitive feed process a feed process
  • a summary of known cultivation methods is in the textbook by Chmiel (bioprocess 1. Introduction to bioprocess engineering (Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, 1991)) or in the textbook of Storhas (bioreactors and peripheral facilities (Vieweg Verlag, Braunschweig / Wiesbaden, 1994)) Find.
  • the culture medium to be used must suitably satisfy the requirements of the respective strains. Descriptions of culture media of various microorganisms are contained in the Manual of Methods for General Bacteriology of the American Society for Bacteriology (Washington D.C, USA, 1981).
  • These media which can be used according to the invention usually comprise one or more carbon sources, nitrogen sources, inorganic salts, vitamins and / or trace elements.
  • Preferred carbon sources are sugars, such as mono-, di- or polysaccharides. Very good sources of carbon are, for example, glucose, fructose, mannose, galactose, ribose, sorbose, ribulose, lactose, maltose, sucrose, raffinose, starch or cellulose. Sugar can also be added to the media via complex compounds, such as molasses, or other by-products of sugar refining. It may also be advantageous to add mixtures of different carbon sources.
  • Other possible sources of carbon are oils and fats such.
  • Nitrogen sources are usually organic or inorganic nitrogen compounds or materials containing these compounds.
  • Exemplary nitrogen sources include ammonia gas or ammonium salts such as ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium phosphate, ammonium carbonate or ammonium nitrate, nitrates, urea, amino acids or complex nitrogen sources such as corn steep liquor, soybean meal, soy protein, yeast extract, meat extract and others.
  • the nitrogen sources can be used singly or as a mixture.
  • Inorganic salt compounds which may be included in the media include the chloride, phosphorus or sulfate salts of calcium, magnesium, sodium, cobalt, molybdenum, potassium, manganese, zinc, copper and iron.
  • Sulfur sources which can be used are inorganic sulfur-containing compounds such as, for example, sulfates, sulfites, dithionites, tetrathionates, thiosulfates, sulfides, but also organic sulfur compounds, such as mercaptans and thiols.
  • Phosphoric acid potassium dihydrogen phosphate or dipotassium hydrogen phosphate or the corresponding sodium-containing salts can be used as the phosphorus source.
  • Chelating agents can be added to the medium to keep the metal ions in solution.
  • Particularly suitable chelating agents include dihydroxyphenols, such as catechol or protocatechuate, or organic acids, such as citric acid.
  • the fermentation media used according to the invention usually also contain other growth factors, such as vitamins or growth promoters, which include, for example, biotin, riboflavin, thiamine, folic acid, nicotinic acid, panthothenate and pyridoxine. Growth factors and salts are often derived from complex media components, such as yeast extract, molasses, corn steep liquor, and the like.
  • suitable precursors can be added to the culture medium.
  • composition of the media compounds will depend heavily on the particular experiment and will be decided on a case by case basis.
  • Information about the media optimization is available from the textbook "Applied Microbiol Physiology, A Practical Approach” (Editor PM Rhodes, PF Stanbury, IRL Press (1997) pp. 53-73, ISBN 0 19 963577 3).
  • Growth media may also be obtained from commercial suppliers such as Standard 1 (Merck) or BHI (Brain heart infusion, DIFCO) and the like.
  • All media components are sterilized either by heat (20 min at 1, 5 bar and 121 ° C) or by sterile filtration.
  • the components can either be sterilized together or, if necessary, sterilized separately. All media components may be present at the beginning of the culture or added randomly or batchwise, as desired.
  • the temperature of the culture is usually between 15 ° C and 45 ° C, preferably at 25 ° C to 40 0 C and can be kept constant or changed during the experiment.
  • the pH of the medium should be in the range of 5 to 8.5, preferably around 7.0.
  • the pH for cultivation can be controlled during cultivation by addition of basic compounds such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia or ammonia water or acidic compounds such as phosphoric acid or sulfuric acid.
  • foam anti-foaming agents such as.
  • As fatty acid polyglycol are used.
  • the medium can be selected selectively acting substances such. As antibiotics, are added.
  • oxygen or oxygen-containing gas mixtures such.
  • the temperature of the culture is usually from 20 0 C to 45 ° C and.
  • the culture is continued until a maximum of the desired product has formed. This goal is usually reached within 10 hours to 160 hours.
  • the fermentation broth is then further processed.
  • the biomass can be wholly or partly by separation methods, such. As centrifugation, filtration, decantation or a combination of these methods are removed from the fermentation broth or completely left in her.
  • the cells may be digested and the product recovered from the lysate by known protein isolation techniques.
  • the cells may optionally be treated by high frequency ultrasound, high pressure, e.g. in a French pressure cell, by osmolysis, by the action of detergents, lytic enzymes or organic solvents, by homogenizers or by combining several of the listed methods.
  • Purification of the polypeptides may be accomplished by known chromatographic techniques such as molecular sieve chromatography (gel filtration) such as Q-Sepharose chromatography, ion exchange chromatography and hydrophobic chromatography, as well as other conventional techniques such as ultrafiltration, crystallization, salting out, dialysis and native gel electrophoresis. Suitable methods are described, for example, in Cooper, F.G., Biochemische Harvey Methoden, Verlag Walter de Gruyter, Berlin, New York or in Scopes, R., Protein Purification, Springer Verlag, New York, Heidelberg, Berlin.
  • vector systems or oligonucleotides for the isolation of the recombinant protein, which extend the cDNA by certain nucleotide sequences and thus code for altered polypeptides or fusion proteins, for example, serve a simpler purification.
  • suitable modifications include, for example, what are termed anchor tags, such as the modification known as hexa-histidine anchors, or epitopes that can be recognized as antigens of antibodies (described, for example, in Harlow, E. and Lane, D., et al. 1988, Antibodies: A Laboratory Manual, CoId Spring Harbor (NY) Press).
  • anchors may serve to attach the proteins to a solid support, such as a polymer matrix, which may for example be filled in a chromatography column, or used on a microtiter plate or other support.
  • a solid support such as a polymer matrix
  • these anchors can also be used to detect the proteins.
  • conventional markers such as fluorescent dyes, enzyme markers which form a detectable reaction product after reaction with a substrate, or radioactive markers, alone or in combination with the anchors, can be used to identify the proteins for the derivation of the proteins.
  • the enzymes according to the invention can be used freely or immobilized in the methods described herein.
  • An immobilized enzyme is an enzyme which is fixed to an inert carrier.
  • Suitable support materials and the enzymes immobilized thereon are known from EP-A-1149849, EP-A-1 069 183 and DE-OS 100193773 and from the references cited therein. The disclosure of these documents is hereby incorporated by reference in its entirety.
  • Suitable support materials include, for example, clays, clay minerals such as kaolinite, diatomaceous earth, perlite, silica, alumina, sodium carbonate, calcium carbonate, cellulose powders, anion exchange materials, synthetic polymers such as polystyrene, acrylic resins, phenolformaldehyde resins, polyurethanes and polyolefins such as polyethylene and polypropylene.
  • the support materials are usually used in a finely divided, particulate form for the preparation of the supported enzymes, with porous forms being preferred.
  • the particle size of the carrier material is usually not more than 5 mm, in particular not more than 2 mm (grading curve).
  • a free or immobilized form can be selected.
  • Support materials are, for example, calcium alginate, and carrageenan.
  • Enzymes as well as cells can also be cross-linked directly with glutaraldehyde (cross-linking to CLEAs). Corresponding and further immobilization processes are described, for example, in J. Lalonde and A. Margolin "Immobilization of Enzymes" in K. Drauz and H. Waldmann, Enzyme Catalysis in Organic Synthesis 2002, VoLIII 1 991-1032, Wiley-VCH, Weinheim , EXPERIMENTAL PART
  • the cloning steps carried out in the context of the present invention e.g. Restriction cleavage, agarose gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linkage of DNA fragments, transformation of microorganisms, growth of microorganisms, propagation of phage and sequence analysis of recombinant DNA were performed as described by Sambrook et al. (1989) supra. be described described.
  • Enzymes and enzyme buffers were purchased from Fermentas, St. Leon-Rot or NEB, Frankfurt.
  • Solution I Bacto tryptone 12 g yeast extract 24 glycerol anhydrous 4 ml double distilled water ad 900 ml
  • 12 ⁇ -HSDH coding sequences were PCR amplified.
  • the PCR products were obtained using the genomic DNA of Clostridium sp. group P strain 48-50 as a template and the primer pairs described in more detail later.
  • the PCR products were applied to an agarose gel, separated and excised from this. They were then restricted using Ndel and BamHI and ligated with the pET22b (+) vector, also cut with Ndel and BamHI.
  • Escherichia coli Rosetta TM (DE3) F ' ompT hsdS B (RB “ rnB “ ) gal ⁇ (DE3 [lad lacUV5-T7 gene 1 ind1 sam7 nin ⁇ ]) pLysS-RARE (Cam R )
  • the activity is defined as follows: 1 U of the enzyme corresponds to the amount of enzyme which the conversion of 1 ⁇ mol / min of a 5 mM cholic acid solution in potassium phosphate buffer (50 mM, pH 8.0) at room temperature (ie about 20 ° C). 23 0 C) catalyzes.
  • the protein concentration of a solution was determined by measuring the absorbance of 20 ⁇ l protein solution, e.g. of a cell lysate dilution or of a resuspended cell debris pellet after ultrasound digestion, in 200 ⁇ l of BCA solution (solution A: solution B 50: 1) of the analysis kit from Bio-Rad, Kunststoff, at 562 nm.
  • BCA bovine serum albumin
  • the concentration was determined by bovine serum albumin (BSA) calibration.
  • oligonucleotide primers were constructed on the one hand based on the published N-terminal amino acid sequence (see Braun et al., Supra) of 12 ⁇ -HSDH. To minimize the degree of degeneration, the primers were derived starting with the N-terminal methionine (only one codon) (primer sequences not shown). On the other hand, database-assisted sequence comparisons revealed that HSDHs contain a conserved amino acid motif "LVNN.” This region was used to construct a reverse primer, and another, less conserved sequence motif PE (Q) DIAN was used to design degenerate primers. Further degenerate oligonucleotides were designed using the freely accessible program CODEHOP (Rose, TM et al., Nucleic Acids Research, 1998. 26 (7), 1628-1635.)
  • the gene sought could not be amplified.
  • gap x_dropoff 50 expect: 10.0 word size: 11
  • the found gene (SEQ ID NO: 3) lacks the N-terminal methionine indicated in the published subsequence; In addition, the published partial sequence is not found at the N-terminus of the protein (bioinformatic prediction of gene start with MICA, CBCB, Maryland, USA).
  • the conserved motif "LVNN” is also modified in 12 ⁇ -HSDH to "LINN" (SEQ ID NO: 5).
  • FIG. 3 shows a partial multisequence alignment between known microbial and HSDH according to the invention.
  • Example 2 Amplification of the 12 ⁇ -HSDH gene and expression of 12 ⁇ -HSDH
  • GGTATTCCATATGATCTTTGACGGAAAGGTCGC SEQ ID NO: 15.
  • Primer reverse (BamH1 interface) CGGGATCCCTAGGGGCGCTGACCC (SEQ ID NO: 16).
  • the target gene was amplified by PCR using P / w polymerase.
  • the template used was the genomic DNA of Clostridium sp. group P strain 48-50 DSM 4029 (29.4 ng / ⁇ l), of which 1 ⁇ l was used.
  • 1 ⁇ l of Pft / polymerase was used.
  • the buffer was Pfty buffer (10x with MgSO 4 ) (Fermentas, St. Leon-Rot).
  • 1.5 ⁇ l of forward and reverse primer (10 ⁇ M) and 2 ⁇ l of deoxynucleotide triphosphates (20 ⁇ M) were used.
  • the batch was adjusted to 50 ⁇ l with RNase-free water.
  • the reaction was carried out in a thermocycler from Eppendorf.
  • the PCR approach was first started for 5 min at 95 ° C to denature the DNA. Now, in the cloning of the unknown DNA sequences, 30 cycles followed by denaturation at 95 ° C for 30 s. Subsequently, the batch was cooled for 30 s by means of a temperature gradient to 25-45 ° C. in each case in order to ensure annealing of the degenerate primers to the target DNA (constant annealing temperature of 53 ° C.). Thereafter, a temperature of 72 ° C was set for 90 s to the primer extension, since this is the optimum activity of the polymerase used. Finally, the batches were incubated for 10 min at 72 ° C and cooled to 4 ° C until removal from the device.
  • the target gene was cloned after amplification by polymerase chain reaction via the interfaces Ndel and BamHI in the expression vector pET22b +, introduced into E. coli Rosetta DE3 TM and E. coli BL21 DE3 cells and expressed. These are non-pathogenic strains that allow the production of large quantities of the enzyme (up to 150000 U / l culture).
  • the cells were disrupted by sonication by first resuspending the pellet in 4-10 ml of potassium phosphate buffer (50 mM, pH 8.0). In the ultrasonic disintegrator from Branson, the cells were treated at an intensity of 30% four times for 1 min with a break of 2 min each in an ice bath. Subsequently, the cell debris was centrifuged at 4220 g and 4 ° C for 1 h.
  • FIG. 4 shows the results of an SDS-PAGE (12.5% gel, ⁇ -mercaptoethanol) of cell lysates after 4 h and 22 h expression of enzymes according to the invention (HSDH_short and HSDHJang) (band each at about 27 kDa).
  • the high proportion of the target protein in the total protein amount of BL21 (DE3) cells is illustrated by the following table:
  • the expressed enzyme (short version) was used in combination with ADH t (Codexis, Jülich) for the preparative synthesis of 12-ketochenodeoxycholic acid.
  • ADH t Codexis, Jülich
  • 500 ml of cholic acid 400 mM in potassium phosphate buffer (50 mM, pH 8.0), 10% acetone
  • 0.25 mM NADP + 2000 U 12 ⁇ -HSDH-short from E.
  • the reaction was acidified by addition of fuming hydrochloric acid (37%) until complete precipitation of the reactants.
  • the supernatant was removed and extracted three times with 50 ml of ethyl acetate each time.
  • the precipitated carboxylic acid derivatives were completely dissolved in acetone while adding hydrochloric acid and heating.
  • the organic phases were combined and dried to freedom from solvents.
  • the expressed enzymes were characterized for their activity. It was shown that the selective oxidation of cholic acid to 12-ketochenodeoxycholic acid is catalyzed.
  • the reference substances cholic acid and 12-ketochenodeoxycholic acid and extracts of the reaction mixtures were applied to a DC alufoil Kiesegel 60 F 2S4 , Merck, Darmstadt using glass capillaries.
  • the film was placed as vertically as possible in a chromatography chamber containing as eluent a mixture of dichloromethane: acetone: acetic acid (conc.) In a ratio of 40: 40: 3.
  • the separation was carried out until the solvent front almost reached the upper edge of the plate had reached.
  • the coloring of the substances was carried out by spraying with molybdophosphoric acid spray reagent (40 mM molybdophosphoric acid, 95.2% concentrated acetic acid, 4.8% concentrated sulfuric acid) and subsequent heating.
  • the site-directed mutagenesis primers (see table below) were chosen based on the 12 ⁇ -HSDH gene sequence to effect the desired amino acid replacement. Care was taken to ensure that the mutation ( Chen) was located centrally in the primer and the melting temperature of two primer pairs was in the same area. The following combinations were used:
  • MTP microtiter plates
  • the mutation of the mutant 37D12 in the 12 ⁇ -HSDH homology model can be seen in FIG. It is an exchange of glutamine for histidine (see sequences according to Figure 7) and is located in the region of the active center between the substrate and cofactor binding pocket.
  • the activity was defined for the further analysis of the product inhibition in such a way that the time interval of 30 seconds within the first minute after the start of the reaction in which the highest linearity was reached is used to calculate the Activity was used.
  • product inhibition was re-assayed under these conditions. As illustrated in FIG. 9, the mutant shows markedly reduced inhibition even at a conversion of 1%. At 5% conversion, the wild-type enzyme showed a 60% loss, as opposed to 20% of the 37D12 mutant. The threefold activity remained with the mutant 37D12 over the wild type with a conversion of 25%.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft neue 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen, dafür kodierende Nukleinsäuresequenzen, Expressionskassetten und Vektoren; rekombinante Mikroorganismen, enthaltend entsprechende kodierende Nukleinsäuresequenzen; Verfahren zur Herstellung solcher 12 α-Hydroxysteroiddehydrogenasen; Verfahren zur enzymatischen Oxidation von 12α-Hydroxysteroiden unter Verwendung derartiger Enzyme, Verfahren zur enzymatischen Reduktion von 12-Ketosteroiden unter Verwendung solcher Enzyme; Verfahren zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung von 12-Ketosteroiden bzw. 12α-Hydroxysteroiden unter Verwendung der erfindungsgemäßen 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen; sowie ein Verfahren zur Herstellung von Ursodesoxycholsäure, umfassend die enzymkatalysierte Cholsäureoxidation unter Verwendung der erfindungsgemäßen 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen.

Description

Neue 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen, deren Herstellung und Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen, dafür kodierende Nukleinsäuresequenzen, Expressionskassetten und Vektoren; rekombinante Mikrqorganismen, enthaltend entsprechende kodierende Nukleinsäuresequenzen; Verfahren zur Herstellung solcher 12 α-Hydroxysteroiddehydrogenasen; Verfahren zuren- zymatischen Oxidation von 12α-Hydroxysteroiden unter Verwendung derartiger Enzyme, Verfahren zurenzymatischen Reduktion von 12-Ketosteroiden unter Verwendung solcher Enzyme; Verfahren zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung von 12- Ketosteroiden bzw. 12α-Hydroxysteroiden unter Verwendung der erfindungsgemäßen 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen; sowie ein Verfahren zur Herstellung von Ursode- soxycholsäure, umfassend die enzymkatalysierte Cholsäureoxidation unter Verwendung der erfindungsgemäßen 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen.
Hintergrund der Erfindung
Die 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase (12α-HSDH) (E.C. 1.1.1.176) ist ein für die stereospezifische Synthese, wie z.B. die Oxidation von Cholsäure, wichtiger Biokatalysator.
Untersuchungen zu einer 12α-HSDH aus Clostridium sp. group P strain 48 - 50 und deren partielle Reinigung durch NAD+ und NADP+-Sepharose Chromatographie wurde von Mahony et al. (Mahony, D.E., et alAppl Environ Microbiol, 1977. 34(4): p. 419-23) bzw. Macdonald et al, (Macdonald, I.A., et al, Journal of Lipid Research, 1979, 20234- 239) beschrieben.
Ein entsprechend hergestellter 12α-HSDH-haltiger Proteinextrakt aus Clostridium Gruppe P wurde von Sutherland et al. im Rahmen von drei verschiedenen Synthesewegen von Ursodesoxycholsäure aus Cholsäure eingesetzt. Einer der Synthesewege umfasste dabei die enzymkatalysierte Oxidation von Cholsäure zu 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto-CDCS) (Sutherland, J. D., et al, Prep Biochem, 1982. 12(4): p. 307-21 ). Als
M/dft4?9-PCT Enzympräparation kam dabei Zelllysat aus Clostridium sp. group P strain 48 -50 DSM 4029 zum Einsatz. Die Reaktion benötigt stöchiometrische Mengen des Kofaktors NADP+.
Der Bedarf an Kofaktor kann durch die Kopplung mit einem kofaktorregenerierenden Enzym verringert werden. Der Stand der Technik lehrt hierzu beispielsweise die Verwendung von Glutamatdehydrogenase (GLDH), welche zusammen mit einem 12α- HSDH-haltigen Proteinextrakt Clostridium Gruppe P coimmobilisiert ist (Carrea, G., et al., Biotechnology and Bioengineering, 1984. 26(5): p. 560-563). Die GLDH reoxidiert NADPH zu NADP+ unter gleichzeitiger reduktiver Aminierung von α-Ketoglutarat zu Glutamat. Alternativ dazu werden auch Alkoholdehydrogenasen ADH-Tb, ADH-Lb und ADH-ms zur Kofaktorregenerierung vorgeschlagen (Fossati, E., et al., Biotechnol Bioeng, 2006. 93(6): p. 1216-20). Die ADH wandelt Aceton in 2-Propanol unter Regenerierung von NADP+ um. Für die Umsetzung im 10-ml Maßstab wurde dort wiederum kein Reinprotein, sondern eine aus einem kommerziellen Präparat (von ASA Spezialen- zyme, Wolfenbüttel, Deutschland) weiter angereicherte 12α-HSDH-haltigen Proteinfraktion mit einer spezifischen Aktivität von 12 U/mg Protein eingesetzt.
Allen oben beschriebenen Untersuchungen ist gemeinsam, dass die Quelle für 12α- HSDH der pathogene und anaerobe Stamm Clostridium sp. group P strain 48 -50 ist. Aufgrund des geringen Anteils dies Enzyms am Gesamtprotein (max 1 % des Gesamtproteins von Clostridium sp.) wird einerseits der Zugang zu technisch nutzbaren Mengen des Enzyms erschwert. Andererseits gestaltet sich dessen industrielle Produktion aufwändig und kostspielig, da die gesamte Kultivierung und Lagerung des pathogenen Produktionsstamms in einem Betrieb durchgeführt werden muss, der die Zulassung für mikrobiologische Arbeiten der Risikogruppe 2 besitzt (siehe BioStoffV).
Zusätzlich macht die Pathogenität dieses Produktionsstamms den Einsatz von 12α- HSDH in der Synthese eines pharmazeutischen Zwischenprodukts problematisch. Für die Zulassung des Produktionsprozesses nach GMP-Regularien ist eine nicht- pathogene Enzymquelle erforderlich.
Die von einer NAD+-abhängigen 12α-HSDH katalysierte Cholsäureoxidation mit Kofak- torregenerierung durch Lactatdehydrogenase (LDH; Umsetzung von Pyruvat zu Lactat unter Regenerierung von NAD+) wird in der EP-A-1 731 618 beschrieben.
Weiterhin wurde eine zweistufige Aufreinigungsstrategie, basierend auf einer Farb- stoffsäulen-Affinitätschromatographie für das Wildtyp-Enzym aus Clostridium sp. group P strain 48 -50 und eine N-terminale Aminosäuresequenz vorgeschlagen (Braun, M., et al., Eur J Biochem, 1991. 196(2): p. 439-50). Als N-terminale Sequenz wurde eine 29 Aminosäurereste umfassende Teilsequenz publiziert, deren N-Terminus wie folgt lautet:: Met-Ile-Phe-Asp-Gly-Lys-Val Zudem wurden von dieser Arbeitsgruppe keine kommerziell erhältlichen Säulenmaterialien für die Aufreinigung verwendet.
Derzeit wird ein 12α-HSDH enthaltender Extrakt aus Clostridium sp. group P strain 48 - 50 von ASA Spezialenzyme, Wolfenbüttel, Deutschland vertrieben. Untersuchungen zeigen jedoch, dass die geringe spezifische Aktivität dieses kommerziellen Präparats die Extraktion und Aufarbeitung von Reaktionsprodukten der 12α-HSDH-katalysierten enzymatischen Umsetzungen wegen der einzusetzenden hohen Gesamtproteinmenge erschwert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine 12α-HSDH (insbesondere ein NADP+-abhängiges Enzym) in einer Form bereitzustellen, die für den präparativen Einsatz bei der pharmazeutischen Wirkstoffsynthese in technischem Maßstab, wie z.B. bei der enzymkatalysierten Oxidation von Cholsäure zu 12-Ketochenodeoxycholsäure (12- Keto-CDCS), geeignet ist.
Figurenbeschreibung
In den beiliegenden Figuren zeigt
Figur 1 die Gen- bzw. die Proteinsequenz der erfindungsgemäßen Lang-Version von 12α-HSDH (HSDHJang).
Figur 2 die Gen- bzw. die Proteinsequenz der erfindungsgemäßen Kurzversion der 12α- HSDH (HSDH_kurz) sowie im Vergleich dazu die publizierte unvollständige Teilsequenz gemäß Braun, M. et al., a.a.O.
Figur 3 den Ausschnitt eines Multisequenzalignments bekannter mikrobieller HSDH und der erfindungsgemäßen HSDH. Die hochkonservierten Positionen sind mit ,,*", die vari- ablen mit „:" markiert. Es wurden mikrobielle Hydroxysteroiddehydrogenasen (linke Spalte zeigt die zugehörige Accession Nummer und den Herkunftsorganismus), deren Funktion auf Proteinebene untersucht wurde oder die Orthologe in nahe verwandten Arten besitzen, mit der erfindungsgemäß ermittelten Sequenz HSDH_kurz (Csp2594) verglichen. Die bekannten HSDH stammen aus Escherichia coli (ECOLI), Burkholderia mallei (BURM), Bacteroides fragilis (BACFR), Clostridium sordellii (CLOSO), Clostridium difficile (CLOD), Eubacterium sp. (EUBSP), Mycobacterium tuberculosis (MYCTU), Streptomyces exfoliatus (STREX).
Figur 4 die Expression von erfindungemäßen 12α-HSDH Enzymen in Zelllysaten von BL21- und Rosetta™ (DE3)-Zellen nach 4 bzw. 22 h. In BL21- und Rosetta™ (DE3)- Zellen wurden 12α-HSDH („lang" und „kurz") entweder 4 oder 22 h exprimiert. Anschließend wurden die Zellen aufgeschlossen und 20 μg Protein aufgetragen. Das Zielprotein (12α-HSDH) ist bei 27 kDa zu finden.
Figur 5 den Verlauf der Absorption bei 340 nm während der Darstellung von 12K-CDCS im 500 ml-Maßstab.
Figur 6 ein Dünnschichtchromatogramm von Reaktionsansätzen zur Bestätigung der Regioselektivität der 12α-HSDH, wobei als Referenz Cholsäure (1 ) und 12-Ketochenodesoxycholsäure (2) dienten; damit wurden die Reaktionsansätze mit HSDHJang (3) und HSDH_kurz (4) verglichen.
Figur 7 zeigt Protein und Nukleinsäuresequenz der der 12α-HSDH-Mutante 37D12
Figur 8 zeigt das Homologiemodell der 12α-HSDH aus Clostridium sp. DSM 4029 mit gebundenem NADPH, gebundenem Substrat und Mutationsposition 97 (Gln97).
Figur 9 zeigt einen Vergleich der Aktivität der 12α-HSDH und der Mutante 37D1. Ge- zeigt ist Aktivität der 12α-HSDH und der Mutante 37D12 bei verschiedenen prozentualen Verhältnissen (Umsatz in %) von Cholsäure und 12-Ketochenodesoxycholsäure (Gesamtkonzentration 5 mM). Mit 0,25 mM NADP+ wurde die Reaktion gestartet. Die Änderung der Absorption wurde über 60 Sekunden ermittelt, wobei die Aktivität über den Bereich von 30 Sekunden errechnet wurde, welcher die höchste Linearität aufwies (Wildtyp 0-30 Sekunden, 37D12 30-60 Sekunden). Die relative HSDH-Aktivität bezieht sich auf die Aktivität bei 5 mM Cholsäure (0 % Umsatz), dessen absolute Aktivität als 100 % gesetzt wurde. Gezeigt sind die Mittelwerte und Standardfehler der Aktivitätsmessung mit N=3.
Kurzfassung der Erfindung
Obige Aufgabe wurde überraschenderweise durch erstmalige Aufklärung der kodierenden Nukleinsäuresequenz und Beschreibung der korrekten und vollständigen Amino- säuresequenz des in Clostridium Gruppe P, strain C48-50 vorkommenden 12α-HSDH- Enzyms gelöst.
Überraschenderweise wurde insbesondere festgestellt, dass die in der Literatur beschriebene N-terminale Aminosäuresequenz nicht der tatsächlichen N-terminalen Ami- nosäuresequenz entspricht, und dass zusätzlich die 12α-HSDH in einer Lang-Version (HSDHJang) und in einer N-terminal verkürzten Kurzversion (HSDH_kurz) existiert.
Die erfindungsgemäße Lösung obiger Aufgabe erscheint um so überraschender, als im Stand der Technik nicht erkannt worden war, dass 12α-HSDH-Enzyme unterschiedli- eher Länge, insbesondere mit unterschiedlichem N-Terminus, existieren und die fehlerhafte Sequenzinformation aus dem Stand der Technik eine korrekte Primer-Synthese und damit eine Lokalisierung und Amplifizierung der kodierenden Sequenz verhinderte.
Darüber hinaus wurden im Nachgang zu den Arbeiten von Braun, M. et al. a.a.O. sys- tematischere Untersuchungen mit publizierten Sequenzen für Enzyme durchgeführt, die zur Klasse der kurzkettigen Dehydrogenasen/Reduktasen gehören, wozu unter anderem auch die 12α-HSDH gehört. Für diese Gruppe von Enzymen wurde von Opper- mann et al. in Chemo-Biological Interactions, 2003, 143 - 144, 247-253 ein charakteris- tisches N-terminales Sequenzmotiv, nämlich T-G-X3-G-X-G postuliert. Dieses Sequenzmotiv ist in der publizierten 12α-HSDH-Sequenz aus dem Jahre 1991 (Braun, M. et al. a.a.O.) nicht zu finden, wodurch die Glaubwürdigkeit der ursprünglich offenbarten partiellen Sequenzinformation für 12α-HSDH in den Augen des Fachmanns bis dato in Frage gestellt war.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1. Bevorzugte Ausführungsformen
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft reine, insbesondere rekombinant hergestellte 12α-Hydroxysteroiddehydrogenasen (12α-HSDHs) erhältlich aus Clostridium sp. mit einem Molekulargewicht, bestimmt durch SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) unter reduzierenden Bedingungen im Bereich von mehr als etwa 26 kD, insbesondere mehr als etwa 26, 5, wie etwa 27 bis 30 kD, und einem berechneten Molekulargewicht von mehr als etwa 29 kD, insbesondere etwa 29,1 bis 29, 5 kD, wie insbesondere 29,359 kD für HSDHJang bzw etwa 27,8 für (HSDH_kurz). Die Molekulargewichtangaben beziehen sich dabei auf das Molekulargewicht der Proteinuntereinheiten des Enzyms; ohne darauf beschränkt zu sein, besteht das native Protein z.B. aus 4, insbesondere in etwa gleich großen, solchen Untereinheiten.
Insbesondere ist ein derartiges Protein erhältlich aus Clostridium sp. group P strain 48- 50 (DSM4029). Das Enzym kann z.B. in einer spezifischen Aktivität im Bereich von mehr als etwa 10, 15, 20 oder 25 U/mg, wie z.B. 20 bis 100 U/mg oder 25 bis 80 U/mg bereitgestellt werden. Die Bestimmung der spezifischen Aktivität erfolgt dabei unter den im experimentellen Teil angegebenen Standardbedingungen.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere solche reinen, insbesondere rekombinant hergestellteni 2α-HSDHs, umfassend wenigstens eines der folgenden Aminosäure- Sequenzmotive: a) LINN (SEQ ID NO:5) b) RMGIFD (SEQ ID NO: 11 ) c) N-terminale Sequenz, ausgewählt unter (1 ) MDFIDFKEMGRMGIFDGKVAIITGGGKAKSIGYGIAVAYAK (SEQ ID NO: 6)
(2) MDFIDFKEMGRMGI (SEQ ID NO:7)
(3) ITGGGKAKSIGYGIA (SEQ ID NO:8)
(4) IFDGK (SEQ ID NO: 9) (5) GIFDGK (SEQ ID NO: 10)
d) FGDPELDI (SEQ ID NO:13) oder davon abgeleitete Sequenzen, wie z.B.: GDPELDI, FGDPELD, DPELDI, FGDPEL, GDPEL, DPELD, GDPELD
Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Enzyme dadurch gekennzeichnet, dass sie kein N-terminales, (d.h. im Bereich des N-terminalen Endes von etwa 1 bis 30 Aminosäureresten) Sequenzmotiv des Typs TGX3GXG, worin X für beliebige Aminosäurereste steht, aufweisen.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere reine, insbesondere rekombinant hergestellte 12α-HSDHs, a) umfassend eine der Aminosäuresequenzen gemäß SEQ ID NO: 2 oder 4, jeweils beginnend bei Position +1 oder +2; oder b) umfassend eine von einer Sequenz gemäß a) abgeleiteten Aminosäuresequenz mit einer prozentualen Sequenz-Identität von wenigsten 60 %; oder c) kodiert von einer ein Protein gemäß a) und b) kodierenden Nukleinsäurese- quenz; oder d) kodiert von einer kodierenden Nukleinsäuresequenz gemäß SEQ ID NO: 1 oder 3; oder von einer davon abgeleiteten, an die jeweilige Codon-Nutzung eines zur Expression verwendeten Organismus angepassten Sequenz; oder e) kodiert von einer der Nukleinsäuresequenzen gemäß SEQ ID NO: 1 oder 3 abgeleiteten kodierenden Sequenz mit einer prozentualen Sequenz-Identität von wenigstens 60 %.
Die Anpassung der Nukleinsäuresequenz an die Conon-Nutzung kann dabei nach üblichen Methoden erfolgen, wie z.B. unter zugänglich unter: http://slam.bs.ihmi.edu/cqi- bin/qd/qdRevTrans.cqi. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft 12α-HSDH-Mutanten mit modifizierter Cosubstrat-Nutzung und/ oder verringerter Produktinhibition; und insbesondere solche Mutanten, abgeleitet von einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase gemäß obiger Definition, mit wenigstens einer die Cosubstrat-Nutzung modifizierenden Mutation im Se- quenzmotiv VLTGRNE (SEQ ID NO: 12). Nicht-Iimitierende Beispiele für solche Mutanten umfassen solche mit wenigstens eine der folgenden Aminosäuresubstitutionen in SEQ ID NO:12: G ->D ; R ->A; sowie Mutanten mit wenigstens einer die Produktinhibition verringernden Mutation inm Bereich der die Substratbindungstasche des Enzyms bildenden Aminosäurereste; wie z.B. umfassend wenigstens die Mutation von Amino- säure Q, entsprechend Position 97 und /oder 99 von SEQ ID NO: 4 (entsprechend Position 98 bzw 100 von SEQ ID NO:22); insbesondere umfassend eine Mutation entsprechend Q97H in SEQ ID NO:4. (entsprechend Q98H in SEQ ID NO: 22).
Weitere potentielle Aminosäuresubstituenten an Position 98 (bezogen auf SEQ ID NO: 22) umfassen: A1N, D, C, E, G, H, M1S1T1V. Basierend auf dem Homologiemodell der erfindungsgemäßen HSDH wird angenommen, dass hier eine Substitution zu einer Schwächung der Carboxylbindung des Produkts führt. Daher wurde auch die benachbarte Position S100 (bezogen auf SEQ ID NO:22) zu folgenden Aminosäuren mutiert: A,N,D,C,Q,E,G,H,M,T,V,K.
Eine Gruppe erfindungsgemäßer Mutanten umfasst somit eine oder zwei Mutationen in Position 97 bzw. 99 (gemäß SEQ ID NO: 4) oder in Position 98 bzw. 100 (gemäß SEQ ID NO:22) ausgewählt unter:
Q ^ A1N1D1C1E1G1H1M1SJ1V; S -* A1N1D1C1Q1E1G1H1M1T1V1K.
Gegenstand der Erfindung sind insbesondere 12α-HSDHs nach obiger Definition, erhältlich durch heterologe Expression wenigstens einer der oben beschriebenen12α- HSDH-kodierenden Nukleinsäuresequenzen, insbesondere solche rekombinant hergestellten Enzyme, exprimiert in einem nicht-pathogenen Mikroorganismus, wie z.B. exprimiert in einem Bakterium der Gattung Escherichia, insbesondere der Spezies E. coli. Gegenstand der Erfindung sind zudem Nukleinsäuresequenzen gemäß obiger Definition; Expressionskassetten, umfassend wenigstens eine solche kodierende Nukleinsäu- resequenz unter der genetischen Kontrolle wenigstens einer regulativen Nukleinsäure- sequenz; Vektoren, umfassend wenigstens eine solche Expressionskassette; sowie nach rekombinanter Mikroorganismen, welche wenigstens eine solche Nukleinsäurese- quenz oder Expressionskassette tragen oder mit wenigstens einem solchen Vektor transformiert ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer 12α-HSDH gemäß obiger Definition, wobei man einen erfindungsgemäßen rekombinanten Mikroorganismus kultiviert und die exprimierte 12α-HSDH aus der Kultur isoliert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur enzymatischen Oxidation von 12α-Hydroxysteroiden, wobei man das Hydroxysteroid in Gegenwart einer erfindungsgemäßen 12α-HSDH umsetzt, und wenigstens ein gebildetes Oxidationsprodukt aus dem Reaktionsansatz gegebenenfalls isoliert. Die Reaktion kann dabei aerob (d.h. in Gegenwart von Sauerstoff) oder anaerob (d.h. im wesentlichen unter Sauerstoffaus- schluss), insbesondere aerob durchgeführt werden.
Insbesondere kann dabei das Hydroxysteroid Cholsäure (CS) oder eine Cholsäurederi- vat, wie insbesondere ein Salz, Amid oder Alkylester, ist. Vorzugsweise wird dabei CS oder ein Derivat davon zu 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto-CDCS) oder zum entsprechenden Derivat umgesetzt. Insbesondere erfolgt dabei die Reaktion in Gegen- wart und unter stöchiometrischem Verbrauch von NADP+ oder NAD+ erfolgt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur enzymatischen Reduktion von 12-Ketosteroiden, wobei man das Ketosteroid in Gegenwart einer erfindungsgemäßen 12α-HSDH umsetzt und ein gebildetes Reduktionsprodukt aus dem Reaktionsan- satz gegebenenfalls isoliert. Die Reaktion kann dabei aerob oder anaerob, insbesondere aerob durchgeführt werden.
Dabei ist das Ketosteroid insbesondere 12-Keto-CDCS oder ein Derivat davon, wie ins- besondere ein Salz, Amid oder Alkylester. Dabei wird das Ketosteroid oder dessen Derivat zum korrespondierenden 12α-Hydroxysteroid oder dessen Derivat reduziert. Insbesondere erfolgt dabei die Reaktion in Gegenwart von NADPH oder NADH.
In einer bevorzugten Ausführungsform obiger Redox-Reaktionen können die verbrauchten Redox-Äquivalente elektrochemisch oder enzymatisch regeneriert werden. Geeignete enzymatische Regenerationssysteme sind eingangs bereits beschrieben worden. Auf die Offenbarung dieser Druckschriften wir ausdrücklich Bezug genommen. Nichtli- mitierende Beispiele dafür geeigneter Enzyme sind Glutamatdehydrogenase, Alkohol- dehydrogenase und Lactatdehydrogenase. Elektrochemische Regenerationsverfahren basieren z.B. auf Hydridorhodium-Redoxkatalysatoren, wie z.B. beschrieben in der WO- A-01/88172, worauf hiermit Bezug genommen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung obiger Redoxreaktionen, können diese mit einer 12α- HSDH in immobilisierter Form erfolgen. Gegebenenfalls verwendete Enzyme für die Kofaktorregeneration können ebenfalls immobilisiert sein
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein derartiger Bioreaktoren zur Durchführung obiger Redoxreaktionen, oder von solchen Teilreaktionsschritte im Rahmen eines syn- thetischen Gesamtprozesses.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum qualitativen oder quantitativen Nachweis von 12-Ketosteroiden bzw. 12α-Hydroxysteroiden, wobei man das Steroid einer durch eine erfindungsgemäße 12α-HSDH katalysierten Redoxreaktion in Gegenwart von Redoxäquivalenten durchführt, eine Änderung in der Konzentration der Redoxäquivalente bestimmt und daraus den Gehalt an 12-Ketosteroiden bzw. 12α- Hydroxysteroiden qualitativ oder quantitativ ermittelt.
Gegenstand der Erfindung sind weiterhin Verfahren zur Synthese von Ursodesoxychol- säure (UDCS) aus Cholsäure (CS), umfassend wenigstens einen von einer erfindungsgemäßen 12α-HSDH katalysierten Reaktionsschritt. Dieser Reaktionsschritt kann dabei aerob oder anaerob, insbesondere aerob durchgeführt werden. Drei geeignete Reaktionssequenzen sind z.B. von Sutherland et al., a.a.O., beschrieben worden, worauf hiermit Bezug genommen wird. Folgende Synthesewege 1 bis 3 (wobei UCS für Urso- cholsäure steht und CDCS für Chenodesoxycholsäure steht) wurden beschrieben:
1. Weg
CS -> 12-Keto-CDCS (enzymatisch durch 12α-HSDH) 12-Keto-CDCS -» 12-Keto-UDCS (enzymatisch durch 7α und 7ß-HSDH) 12-Keto-UDCS ^ UDCS (chemisch Wolff-Kishner Reduktion)
2. Weg CS ^ UCS (enzymatisch durch 7α und 7ß-HSDH)
UCS ->12-Keto-UDCS (enzymatisch durch 12α-HSDH) 12-Keto-UDCS ^ UDCS (chemisch Wolff-Kishner Reduktion)
3. Weg CS -» 12-Keto-CDCS (enzymatisch durch 12α-HSDH) 12-Keto-CDCS ^ CDCS (chemisch Wolff-Kishner Reduktion) CDCS -> UDCS (ganze Clostridium absonum Zellen)
Gegenstand der Erfindung ist aber insbesondere folgender, 4. Weg:
4. Weg
Dieser betrifft die Herstellung einer Ursodesoxycholsäure der Formel (1 )
worin
R für Alkyl, NR >11 πR2", H, ein Alkalimetallion oder N(R3)4 +steht, worin die Reste R3 gleich oder verschieden sind und für H oder Alkyl stehen, wobei man
a) eine Cholsäure (CS) der Formel (2)
worin R die oben angegebenen Bedeutungen besitzen, und die Reste R3 gleich oder verschieden sind und für H oder Acyl stehen, in Gegenwart einer erfindungs- gemäßen12α-HSDH zur korrespondierenden 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto CDCS) der Formel (3)
worin R und R3 die oben angebebenen Bedeutungen besitzen, oxidiert und anschließend
b) 12-Keto-CDCS der Formel (3) durch Desoxygenierung, wie z.B. durch Wolff-Kishner Reduktion zu Chenodesoxycholsäure (CDCS) der Formel (4)
worin R und R3 die oben angebebenen Bedeutungen besitzen, umsetzt und
c) CDCS der Formel (4) in Position 7 chemisch oxidiert zur 7-Keto-Lithocholsäure (KLCS) der Formel (5)
worin R und Ra die oben angebebenen Bedeutungen besitzen; und
d) KLCS der Formel (5) reduziert und, wenn R3 für Acyl steht, diese Acylgruppe gege- benenfalls abspaltet, und e) das Reaktionsprodukt gegebenenfalls weiter aufreinigt.
Dabei kann, wenn Ra für Acyl steht, diese Acylgruppe nach Durchführung der Reaktionsstufe b) oder d) gegebenenfalls abspalten werden.
Weiterhin kann die Reaktion von Stufe a) insbesondere in Gegenwart von NAD(P)+erfolgen.
Weiterhin kann verbrauchtes NAD(P)+ in an sich bekannter Weise elektrochemisch o- der enzymatisch regeneriert werden und /oder die verwendeten Enzyme können in immobilisierter Form erfolgt.
2. Allgemeine Definitionen
Werden keine anderen Angaben gemacht, so bezeichnet der Begriff „12 α-HSDH" ein Dehydrogenaseenzym, welches wenigstens die stereospezifische Oxidation von Chol- säure zu 12-Keto-Chenodesoxycholsäure unter stöchiometrischem Verbrauch von NAD+ bzw. NADP+ katalysiert. Das Enzym kann dabei ein natives bzw. rekombinant hergestelltes Enzym sein. Das Enzym kann grundsätzlich im Gemisch mit zellulären, wie z.B. Proteinverunreinigungen, vorzugsweise aber in Reinform vorliegen.
Unter einer „Reinform" oder einem „reinen" oder „im wesentlichen reinen" Enzym versteht man erfindungsgemäß ein Enzym mit einem Reinheitsgrad von mehr als 80, vor- zugsweise mehr als 90, insbesondere mehr als 95, und vor allem mehr als 99 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtproteingehalt, bestimmt mit Hilfe üblicher Proteinnachweismethoden, wie .z.B. der Biuret-Methode oder dem Proteinnachweis nach Lowry.et al.(vgl Beschreibung in R.K. Scopes, Protein Purification, Springer Verlag, New York, Heidelberg, Berlin (1982)). Die spezifische Aktivität eines erfindungsgemäßen 12α-HSDH- Enzyms liegt dabei in dem oben angegebenen Bereich.
Unter einem „Redoxäquivalent" versteht man eine als Elektronendonor bzw. Elektronenakzeptor brauchbare, niedermolekulare organische Verbindung, wie beispielsweise Nikotinamidderivate wie NAD+ und NADH+ bzw. deren reduzierte Formen NADH bzw. NADPH.
Unter einer Verbindung eines speziellen Typs, wie z.B. einer „Cholsäure-Verbindung" oder einer „Ursodesoxycholsäure- Verbindung" versteht man insbesondere auch Derivate der zugrunde liegenden Ausgangsverbindung (wie z.B. Cholsäure oder Ursodesoxy- cholsäure).
Derartige Derivate umfassen „Salze", wie z.B. Alkalimetallsalze wie Lithium-, Natrium- und Kaliumsalze der Verbindungen; sowie Ammoniumsalze, wobei man unter einem Ammoniumsalz das NH4 +-SaIz bzw. solche Ammoniumsalze umfasst, worin wenigstens ein Wasserstoffatom durch einen CrC6-Alkylrest ersetzt sein kann. Typische Alkylreste sind insbesondere C-ι-C4-Alkylreste, wie Methyl, Ethyl, n- oder i-Propyl-, n-, sec- oder tert-Butyl, sowie n-Pentyl und n-Hexyl und die ein- oder mehrfach verzweigten Analoga davon
„Alkylester" erfindungsgemäßer Verbindungen sind insbesondere Niedrigalkyl-Ester, wie z.B. d-Ce-Alkylester. Als nicht limitierende Beispiele sind zu nennen Methyl-, Ethyl-, n- oder i-Propyl-, n-, sec- oder tert-Butylester, oder längerkettige Ester, wie z.B. n-Pentyl- und n-Hexylester sowie die ein- oder mehrfach verzweigten Analoga davon. „Amide" sind insbesondere Umsetzungsprodukte erfindungsgemäßer Säuren mit Ammoniak oder primären oder sekundären Monoaminen. Derartige Amine sind beispielsweise Mono- oder Di-Ci-C6-Alkyl-monoamine, wobei die Alkylreste unabhängig vonein- ander gegebenenfalls weiter substituiert sein können, wie z.B. durch Carboxy-, Hydro- xy-, Halogen (wie F, Cl, Br, J)-, Nitro- und Sulfonatgruppen.
Erfindungsgemäße „Acylgruppen" sind insbesondere nichtaromatische Gruppen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Acetyl, Propionyl und Butyryl, sowie aromatische Gruppen mit gegebenenfalls substituiertem einkernigen aromatischem Ring, wobei geeignete Substituenten z.B. ausgewählt sind unter Hydroxy-, Halogen (wie F, Cl, Br, J)-, Nitro- und Ci-Cβ-Alkylgruppen, wie z.B. Benzoyl oder Toluoyl.
Die erfindungsgemäß eingesetzten bzw. hergestellten Hydroxysteroidverbindungen, wie Cholsäure, Glykocholsäure, Taurocholsäure Ursodesoxycholsäure, 12-Keto- Chenodesoxycholsäure, Chenodesoxycholsäure und 7-Keto-Lithocholsäure können in stereoisomerenreiner Reinform oder im Gemisch mit anderen Stereoisomeren im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt oder daraus erhalten werden. Vorzugsweise werden jedoch die eingesetzten bzw. die hergestellten Verbindungen in im Wesentlichen stereoisomerenreiner Form eingesetzt bzw. isoliert.
Unter einer „Immobilisierung" versteht man erfindungsgemäß die kovalente oder nicht- kovalente Bindung eines erfindungsgemäß verwendeten Biokatalysators, wie z.B. einer 12α-HSDH an einem festen, d.h. in dem umgebenden flüssigen Medium im Wesentli- chen unlöslichen, Trägermaterial.
„Poduktinhibition" der 12α-HSDH beschreibt die Verringerumng der enzymatischen Aktivität in Gegenwart eines bei einer durch das Enzym katalysierten enzymatischen Umsetzung gebildeten Produkts. Bei Umsetzung zu CS ist so z.B. eine Inhibition durch 12- Keto-CDCS zu beobachten. Eine „Verringerung der Produktinhibition" beschreibt die verringerte prozentuale Abnahme der Enzymaktivität einer erfindungsgemäßen En- zymmutante im Vergleich zu einem Referenzsystem, wie z.B. dem nativen HSDH- Enzym, jeweils bezogen auf die bei 0% Umsatz (entsprechend 5mM CS) ermittelte En- zymaktivität als 100%-Aktivitätswert. Diese Verringerung kann, wie im experimentallen Teil, bzw. in der Legende zu Figur 9 beschrieben, bestimmt werden. Erfindungsgemäße Verringerungen der Produktinhibition können auch über das Verhältnis der Restaktivitäten von Mutante zu Referenzenzym jeweils bestimmt bei gleichem prozentualen Um- satz, ausgedrückt werden. So kann die erfindungsgemäße Mutante eine um den Faktor 1 ,1 bis 100, wie z.B 1 ,5 bis 20 oder 2 bis 10 erhöhte Aktivität besitzen.
3. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
3.1 Proteine
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die konkret offenbarten Proteine bzw. Enzyme mit 12α-HSDH-Aktivität beschränkt, sondern erstreckt sich vielmehr auch auf funktionale Äquivalente davon.
„Funktionale Äquivalente" oder Analoga der konkret offenbarten Enzyme sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung davon verschiedene Polypeptide, welche weiterhin die gewünschte biologische Aktivität, wie z.B. 12α-HSDH-Aktivität, besitzen.
So versteht man beispielsweise unter „funktionalen Äquivalenten" Enzyme, die im verwendeten Test auf 12α-HSDH-Aktivität eine um mindestens 1 % , wie z.B. mindestens 10% oder 20 %, wie z.B. mindestens 50 % oder 75% oder 90 % höhere oder niedrigere Aktivität eines Enzyms, umfassend eine hierin definierte Aminosäuresequenz aufweisen. Funktionale Äquivalente sind außerdem vorzugsweise zwischen pH 4 bis 11 stabil und besitzen vorteilhaft ein pH-Optimum in einem Bereich von pH 6 bis 10, wie insbesondere 8,5 bis 9,5, sowie ein Temperaturoptimum im Bereich von 15°C bis 800C oder 200C bis 700C, wie z.B. etwa 45 bis 60°C oder etwa 50 bis 55°C.
Die 12α-HSDH -Aktivität kann mit Hilfe verschiedener bekannter Tests nachgewiesen werden. Ohne darauf beschränkt zu sein, sei ein Test unter Verwendung eines Referenzsubstrates, wie z. B. Cholsäure, unter standardisierten Bedingungen wie im experimentellen Teil definiert, zu nennen. Unter „funktionalen Äquivalenten" versteht man erfindungsgemäß insbesondere auch „Mutanten", welche in wenigstens einer Sequenzposition der oben genannten Aminosäuresequenzen eine andere als die konkret genannte Aminosäure aufweisen aber trotzdem eine der oben genannten biologischen Aktivitäten besitzen. „Funktionale Äqui- valente" umfassen somit die durch eine oder mehrere Aminosäure-Additionen, - Substitutionen, -Deletionen und/oder -Inversionen erhältlichen Mutanten, wobei die genannten Veränderungen in jeglicher Sequenzposition auftreten können, solange sie zu einer Mutante mit dem erfindungsgemäßen Eigenschaftsprofil führen. Funktionale Äquivalenz ist insbesondere auch dann gegeben, wenn die Reaktivitätsmuster zwischen Mutante und unverändertem Polypeptid qualitativ übereinstimmen, d.h. beispielsweise gleiche Substrate mit unterschiedlicher Geschwindigkeit umgesetzt werden. Beispiele für geeignete Aminosäuresubstitutionen sind in folgender Tabelle zusammengefasst:
Ursprünglicher Rest Beispiele der Substitution
AIa Ser
Arg Lys
Asn GIn; His
Asp GIu
Cys Ser
GIn Asn
GIu Asp
GIy Pro
His Asn ; Gln
He Leu; VaI
Leu He; VaI
Lys Arg ; ; GIn ; GIu
Met Leu ; lle
Phe Met ; Leu ; Tyr
Ser Thr
Thr Ser
Trp Tyr
Tyr Trp ; Phe
VaI He; Leu
„Funktionale Äquivalente" im obigen Sinne sind auch „Präkursoren" der beschriebenen Polypeptide sowie „funktionale Derivate" und „Salze" der Polypeptide.
„Präkursoren" sind dabei natürliche oder synthetische Vorstufen der Polypeptide mit oder ohne der gewünschten biologischen Aktivität. Unter dem Ausdruck „Salze" versteht man sowohl Salze von Carboxylgruppen als auch Säureadditionssalze von Aminogruppen der erfindungsgemäßen Proteinmoleküle. Salze von Carboxylgruppen können in an sich bekannter Weise hergestellt werden und umfassen anorganische Salze, wie zum Beispiel Natrium-, Calcium-, Ammonium-, Eisen- und Zinksalze, sowie Salze mit organischen Basen, wie zum Beispiel Aminen, wie Triethanolamin, Arginin, Lysin, Piperidin und dergleichen. Säureadditionssalze, wie zum Beispiel Salze mit Mineralsäuren, wie Salzsäure oder Schwefelsäure und Salze mit organischen Säuren, wie Essigsäure und Oxalsäure sind ebenfalls Gegenstand der Erfin- düng.
„Funktionale Derivate" erfindungsgemäßer Polypeptide können an funktionellen Aminosäure-Seitengruppen oder an deren N- oder C-terminalen Ende mit Hilfe bekannter Techniken ebenfalls hergestellt werden. Derartige Derivate umfassen beispielsweise aliphatische Ester von Carbonsäuregruppen, Amide von Carbonsäuregruppen, erhältlich durch Umsetzung mit Ammoniak oder mit einem primären oder sekundären Amin; N-Acylderivate freier Aminogruppen, hergestellt durch Umsetzung mitAcylgruppen; o- der O-Acylderivate freier Hydroxygruppen, hergestellt durch Umsetzung mit Acylgruppen.
"Funktionale Äquivalente" umfassen natürlich auch Polypeptide welche aus anderen Organismen zugänglich sind, sowie natürlich vorkommende Varianten. Beispielsweise lassen sich durch Sequenzvergleich Bereiche homologer Sequenzregionen festlegen und in Anlehnung an die konkreten Vorgaben der Erfindung äquivalente Enzyme ermit- teln.
„Funktionale Äquivalente" umfassen ebenfalls Fragmente, vorzugsweise einzelne Domänen oder Sequenzmotive, der erfindungsgemäßen Polypeptide, welche z.B. die gewünschte biologische Funktion aufweisen.
„Funktionale Äquivalente" sind außerdem Fusionsproteine, welche eine der oben genannten Polypeptidsequenzen oder davon abgeleitete funktionale Äquivalente und wenigstens eine weitere, davon funktionell verschiedene, heterologe Sequenz in funktioneller N- oder C-terminaler Verknüpfung (d.h. ohne gegenseitigen wesentliche funktio- nelle Beeinträchtigung der Fusionsproteinteile) aufweisen. Nichtlimitierende Beispiele für derartige heterologe Sequenzen sind z.B. Signalpeptide, Histidin-Anker oder Enzyme.
Erfindungsgemäß mit umfasste „funktionale Äquivalente" sind Homologe zu den konkret offenbarten Proteinen. Diese besitzen wenigstens 60 %, vorzugsweise wenigstens 75% ins besondere wenigsten 85 %, wie z.B. 90, 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97,98 oder 99%, Homologie (bzw. Identität) zu einer der konkret offenbarten Aminosäuresequenzen, berechnet nach dem Algorithmus von Pearson und Lipman, Proc. Natl. Acad, Sei. (USA) 85(8), 1988, 2444-2448. Eine prozentuale Homologie bzw. Identität eines erfindungsgemäßen homologen Polypeptids bedeutet insbesondere prozentuale Identität der A- minosäurereste bezogen auf die Gesamtlänge einer der hierin konkret beschriebenen Aminosäuresequenzen.
Die prozentualen Identitätswerte können auch anhand von BLAST Alignments, Algorithmus blastp (protein-protein BLAST), oder durch Anwendung der unten angegebenen Clustal Einstellungen ermittelt werden.
Im Falle einer möglichen Proteinglykosylierung umfassen erfindungsgemäße „funktiona- Ie Äquivalente" Proteine des oben bezeichneten Typs in deglykosylierter bzw. glykosy- lierter Form sowie durch Veränderung des Glykosylierungsmusters erhältliche abgewandelte Formen.
Homologe der erfindungsgemäßen Proteine oder Polypeptide können durch Mutagene- se erzeugt werden, z.B. durch Punktmutation, Verlängerung oder Verkürzung des Proteins.
Homologe der erfindungsgemäßen Proteine können durch Screening kombinatorischer Banken von Mutanten, wie z.B. Verkürzungsmutanten, identifiziert werden. Beispiels- weise kann eine variegierte Bank von Protein-Varianten durch kombinatorische Muta- genese auf Nukleinsäureebene erzeugt werden, wie z.B. durch enzymatisches Ligieren eines Gemisches synthetischer Oligonukleotide. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die zur Herstellung von Banken potentieller Homologer aus einer degenerierten Oligo- nukleotidsequenz verwendet werden können. Die chemische Synthese einer degene- rierten Gensequenz kann in einem DNA-Syntheseautomaten durchgeführt werden, und das synthetische Gen kann dann in einen geeigneten Expressionsvektor ligiert werden. Die Verwendung eines degenerierten Gensatzes ermöglicht die Bereitstellung sämtlicher Sequenzen in einem Gemisch, die den gewünschten Satz an potentiellen Protein- Sequenzen kodieren. Verfahren zur Synthese degenerierter Oligonukleotide sind dem Fachmann bekannt (z.B. Narang, S.A. (1983) Tetrahedron 39:3; Itakura et al. (1984) Annu. Rev. Biochem. 53:323; Itakura et al., (1984) Science 198:1056; Ike et al. (1983) Nucleic Acids Res. 11 :477).
Im Stand der Technik sind mehrere Techniken zum Screening von Genprodukten kombinatorischer Banken, die durch Punktmutationen oder Verkürzung hergestellt worden sind, und zum Screening von cDNA-Banken auf Genprodukte mit einer ausgewählten Eigenschaft bekannt. Diese Techniken lassen sich an das schnelle Screening der Genbanken anpassen, die durch kombinatorische Mutagenese erfindungsgemäßer Homo- loger erzeugt worden sind. Die am häufigsten verwendeten Techniken zum Screening großer Genbanken, die einer Analyse mit hohem Durchsatz unterliegen, umfassen das Klonieren der Genbank in replizierbare Expressionsvektoren, Transformieren der geeigneten Zellen mit der resultierenden Vektorenbank und Exprimieren der kombinatorischen Gene unter Bedingungen, unter denen der Nachweis der gewünschten Aktivität die Isolation des Vektors, der das Gen kodiert, dessen Produkt nachgewiesen wurde, erleichtert. Recursive-Ensemble-Mutagenese (REM), eine Technik, die die Häufigkeit funktioneller Mutanten in den Banken vergrößert, kann in Kombination mit den Screeningtests verwendet werden, um Homologe zu identifizieren (Arkin und Yourvan (1992) PNAS 89:7811-7815; Delgrave et al. (1993) Protein Engineering 6(3):327-331 ).
3.2 Nukleinsäuren und Konstrukte
3.2.1 Nukleinsäuren
Gegenstand der Erfindung sind auch Nukleinsäuresequenzen, die für ein Enzym mit 12α-HSDH-Aktivität kodieren. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Nukleinsäuren mit einem bestimmten Ideti- tätsgrad zu den hierin beschriebenen konkreten Sequenzen.
Unter „Identität" zwischen zwei Nukleinsäuren wird die Identität der Nukleotide über die jeweils gesamte Nukleinsäurelänge verstanden, insbesondere die Identität, die durch
Vergleich mit Hilfe der Vector NTI Suite 7.1 Software der Firma Informax (USA) unter
Anwendung der Clustal Methode (Higgins DG, Sharp PM. Fast and sensitive multiple sequence alignments on a microcomputer. Comput Appl. Biosci. 1989 Apr;5(2): 151-1 ) unter Einstellung folgender Parameter berechnet wird:
Multiple alignment parameters:
Gap opening penalty 10
Gap extension penalty 10
Gap Separation penalty ränge 8 Gap Separation penalty off
% identity for alignment delay 40
Residue specific gaps off
Hydrophilic residue gap off
Transition weighing 0
Pairwise alignment parameter:
FAST algorithm on
K-tuple size 1
Gap penalty 3 Window size 5
Number of best diagonals 5
Alternativ dazu kann die Identität auch nach Chenna, Ramu, Sugawara, Hideaki, Ko- ike.Tadashi, Lopez, Rodrigo, Gibson, Toby J, Higgins, Desmond G, Thompson, Julie D. Multiple sequence alignment with the Clustal series of programs. (2003) Nucleic Acids Res 31 (13):3497-500, gemäß Internetadresse: http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw/index.html# und mit den folgenden Parametern bestimmt werden: DNA Gap Open Penalty 15.0
DNA Gap Extension Penalty 6.66
DNA Matrix Identity
Protein Gap Open Penalty 10.0
Protein Gap Extension Penalty 0.2
Protein matrix Gönnet
Protein/DNA ENDGAP -1
Protein/DNA GAPDIST 4
Alle hierin erwähnten Nukleinsäuresequenzen (einzel- und doppelsträngige DNA- und RNA-Sequenzen, wie z.B. cDNA und mRNA) sind in an sich bekannter Weise durch chemische Synthese aus den Nukleotidbausteinen, wie beispielsweise durch Fragmentkondensation einzelner überlappender, komplementärer Nukleinsäurebausteine der Doppelhelix herstellbar. Die chemische Synthese von Oligonukleotiden kann bei- spielsweise, in bekannter Weise, nach der Phosphoamiditmethode (Voet, Voet, 2. Auflage, Wiley Press New York, Seiten 896-897) erfolgen. Die Anlagerung synthetischer Oligonukleotide und Auffüllen von Lücken mit Hilfe des Klenow-Fragmentes der DNA- Polymerase und Ligationsreaktionen sowie allgemeine Klonierungsverfahren werden in Sambrook et al. (1989), Molecular Cloning: A laboratory manual, CoId Spring Harbor Laboratory Press, beschrieben.
Gegenstand der Erfindung sind auch Nukleinsäuresequenzen (einzel- und doppelsträngige DNA- und RNA-Sequenzen, wie z.B. cDNA und mRNA), kodierend für eines der obigen Polypeptide und deren funktionalen Äquivalente, welche z.B. unter Verwendung künstlicher Nukleotidanaloga zugänglich sind.
Die Erfindung betrifft sowohl isolierte Nukleinsäuremoleküle, welche für erfindungsgemäße Polypeptide bzw. Proteine oder biologisch aktive Abschnitte davon kodieren, als auch Nukleinsäurefragmente, die z.B. zur Verwendung als Hybridisierungssonden oder Primer zur Identifizierung oder Amplifizierung von erfindungsgemäßer kodierenden Nukleinsäuren verwendet werden können.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle können zudem untranslatierte Sequenzen vom 3'- und/oder 5'-Ende des kodierenden Genbereichs enthalten Die Erfindung umfasst weiterhin die zu den konkret beschriebenen Nukleotidsequenzen komplementären Nukleinsäuremoleküle oder einen Abschnitt davon.
Die erfindungsgemäßen Nukleotidsequenzen ermöglichen die Erzeugung von Sonden und Primern, die zur Identifizierung und/oder Klonierung von homologen Sequenzen in anderen Zelltypen und Organismen verwendbar sind. Solche Sonden bzw. Primer umfassen gewöhnlich einen Nukleotidsequenzbereich, der unter „stringenten" Bedingungen (siehe unten) an mindestens etwa 12, vorzugsweise mindestens etwa 25, wie z.B. etwa 40, 50 oder 75 aufeinanderfolgende Nukleotide eines Sense-Stranges einer erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz oder eines entsprechenden Antisense-Stranges hybridisiert.
Ein "isoliertes" Nukleinsäuremolekül wird von anderen Nukleinsäuremolekülen abge- trennt, die in der natürlichen Quelle der Nukleinsäure zugegen sind und kann überdies im wesentlichen frei von anderem zellulären Material oder Kulturmedium sein, wenn es durch rekombinante Techniken hergestellt wird, oder frei von chemischen Vorstufen oder anderen Chemikalien sein, wenn es chemisch synthetisiert wird.
Ein erfindungsgemäßes Nukleinsäuremolekül kann mittels molekularbiologischer Standard-Techniken und der erfindungsgemäß bereitgestellten Sequenzinformation isoliert werden. Beispielsweise kann cDNA aus einer geeigneten cDNA-Bank isoliert werden, indem eine der konkret offenbarten vollständigen Sequenzen oder ein Abschnitt davon als Hybridisierungssonde und Standard-Hybridisierungstechniken (wie z.B. beschrieben in Sambrook, J., Fritsch, E. F. und Maniatis, T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2. Aufl., CoId Spring Harbor Laboratory, CoId Spring Harbor Laboratory Press, CoId Spring Harbor, NY, 1989) verwendet werden. Überdies lässt sich ein Nukleinsäuremolekül, umfassend eine der offenbarten Sequenzen oder ein Abschnitt davon, durch Po- lymerasekettenreaktion isolieren, wobei die Oligonukleotidprimer, die auf der Basis die- ser Sequenz erstellt wurden, verwendet werden. Die so amplifizierte Nukleinsäure kann in einen geeigneten Vektor kloniert werden und durch DNA-Sequenzanalyse Charakterisiertwerden. Die erfindungsgemäßen Oligonukleotide können ferner durch Standard- Syntheseverfahren, z.B. mit einem automatischen DNA-Synthesegerät, hergestellt werden. Erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenzen oder Derivate davon, Homologe oder Teile dieser Sequenzen, lassen sich beispielsweise mit üblichen Hybridisierungsverfahren oder der PCR-Technik aus anderen Bakterien, z.B. über genomische oder cDNA- Banken, isolieren. Diese DNA-Sequenzen hybridisieren unter Standardbedingungen mit den erfindungsgemäßen Sequenzen.
Unter "hybridisieren" versteht man die Fähigkeit eines PoIy- oder Oligonukleotids an eine nahezu komplementäre Sequenz unter Standardbedingungen zu binden, während unter diesen Bedingungen unspezifische Bindungen zwischen nicht-komplementären Partnern unterbleiben. Dazu können die Sequenzen zu 90-100% komplementär sein. Die Eigenschaft komplementärer Sequenzen, spezifisch aneinander binden zu können, macht man sich beispielsweise in der Northern- oder Southern-Blot-Technik oder bei der Primerbindung in PCR oder RT-PCR zunutze.
Zur Hybridisierung werden vorteilhaft kurze Oligonukleotide der konservierten Bereiche verwendet. Es können aber auch längere Fragmente der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren oder die vollständigen Sequenzen für die Hybridisierung verwendet werden. Je nach der verwendeten Nukleinsäure (Oligonukleotid, längeres Fragment oder vollstän- dige Sequenz) oder je nachdem welche Nukleinsäureart DNA oder RNA für die Hybridisierung verwendet werden, variieren diese Standardbedingungen. So liegen beispielsweise die Schmelztemperaturen für DNA: DNA-Hybride ca 10 0C niedriger als die von DNA:RNA-Hybriden gleicher Länge.
Unter Standardbedingungen sind beispielsweise je nach Nukleinsäure Temperaturen zwischen 42 und 58 0C in einer wässrigen Pufferlösung mit einer Konzentration zwischen 0,1 bis 5 x SSC (1 X SSC = 0,15 M NaCI, 15 mM Natriumeitrat, pH 7,2) oder zusätzlich in Gegenwart von 50% Formamid wie beispielsweise 42 0C in 5 x SSC, 50% Formamid zu verstehen. Vorteilhafterweise liegen die Hybridisierungsbedingungen für DNA: DNA-Hybride bei 0,1 x SSC und Temperaturen zwischen etwa 20 0C bis 45 °C, bevorzugt zwischen etwa 30 0C bis 450C. Für DNA:RNA-Hybride liegen die Hybridisierungsbedingungen vorteilhaft bei 0,1 x SSC und Temperaturen zwischen etwa 30 0C bis 55 °C, bevorzugt zwischen etwa 450C bis 550C. Diese angegebenen Temperaturen für die Hybridisierung sind beispielhaft kalkulierte Schmelztemperaturwerte für eine Nuk- leinsäure mit einer Länge von ca. 100 Nukleotiden und einem G + C-Gehalt von 50 % in Abwesenheit von Formamid. Die experimentellen Bedingungen für die DNA- Hybridisierung sind in einschlägigen Lehrbüchern der Genetik, wie beispielsweise Sambrook et al., "Molecular Cloning", CoId Spring Harbor Laboratory, 1989, beschrie- ben und lassen sich nach dem Fachmann bekannten Formeln beispielsweise abhängig von der Länge der Nukleinsäuren, der Art der Hybride oder dem G + C-Gehalt berechnen. Weitere Informationen zur Hybridisierung kann der Fachmann folgenden Lehrbüchern entnehmen: Ausubel et al. (eds), 1985, Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, New York; Harnes and Higgins (eds), 1985, Nucleic Acids Hybridi- zation: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford; Brown (ed), 1991 , Essential Molecular Biology: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford.
Die „Hybridisierung" kann insbesondere unter stringenten Bedingungen erfolgen. SoI- che Hybridisierungsbedingungen sind beispielsweise bei Sambrook, J., Fritsch, E. F., Maniatis, T., in: Molecular Cloning (A Laboratory Manual), 2. Auflage, CoId Spring Harbor Laboratory Press, 1989, Seiten 9.31-9.57 oder in Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, N.Y. (1989), 6.3.1-6.3.6 beschrieben.
Unter „stringenten" Hybridisierungs-Bedingungen werden insbesondere verstanden: Die Inkubation bei 42°C über Nacht in einer Lösung bestehend aus 50 % Formamid, 5 x SSC (750 mM NaCI, 75 mM Tri-Natrium-citrat), 50 mM Natrium Phosphat (pH7,6), 5x Denhardt Lösung, 10% Dextransulfat und 20 g/ml denaturierte, gescheerte Lachssper- mien-DNA, gefolgt von einem Waschschritt der Filter mit 0,1 x SSC bei 65°C.
Gegenstand der Erfindung sind auch Derivate der konkret offenbarten oder ableitbaren Nukleinsäuresequenzen.
So können weitere erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenzen z.B. von SEQ ID NO: 1 oder 3 abgeleitet sein und sich davon durch Addition, Substitution, Insertion oder DeIe- tion einzelner oder mehrerer Nukleotide unterscheiden, aber weiterhin für Polypeptide mit dem gewünschten Eigenschaftsprofil kodieren.
Erfindungsgemäß umfasst sind auch solche Nukleinsäuresequenzen, die sogenannte stumme Mutationen umfassen oder entsprechend der Codon-Nutzung eins speziellen Ursprungs- oder Wirtsorganismus, im Vergleich zu einer konkret genannten Sequenz verändert sind, ebenso wie natürlich vorkommende Varianten, wie z.B. Spleißvarianten oder Allelvarianten, davon.
Gegenstand sind ebenso durch konservative Nukleotidsubstutionen (d.h. die betreffende Aminosäure wird durch eine Aminosäure gleicher Ladung, Größe, Polarität und/oder Löslichkeit ersetzt) erhältliche Sequenzen.
Gegenstand der Erfindung sind auch die durch Sequenzpolymorphismen von den konkret offenbarten Nukleinsäuren abgeleiteten Moleküle. Diese genetischen Polymorphismen können zwischen Individuen innerhalb einer Population aufgrund der natürlichen Variation existieren. Diese natürlichen Variationen bewirken üblicherweise eine Varianz von 1 bis 5 % in der Nukleotidsequenz eines Gens.
Unter Derivaten der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz mit der Sequenz SEQ ID NO: 1 oder 3 sind beispielsweise Allelvarianten zu verstehen, die mindestens 60 % Homologie auf der abgeleiteten Aminosäureebene, bevorzugt mindestens 80 % Homologie, ganz besonders bevorzugt mindestens 90 % Homologie über den gesamten Se- quenzbereich aufweisen (bezüglich Homologie auf Aminosäureebene sei auf obige Ausführungen zu den Polypeptiden verwiesen auf). Über Teilbereiche der Sequenzen können die Homologien vorteilhaft höher liegen.
Weiterhin sind unter Derivaten auch Homologe der erfindungsgemäßen Nukleinsäure- Sequenzen, insbesondere der SEQ ID NO: 1 und 3, beispielsweise pilzliche oder bakterielle Homologe, verkürzte Sequenzen, Einzelstrang-DNA oder RNA der kodierenden und nichtkodierenden DNA-Sequenz, zu verstehen. So besitzen z.B. Homologe zur der SEQ ID NO: 7 auf DNA-Ebene eine Homologie von mindestens 40 %, bevorzugt von mindestens 60 %, besonders bevorzugt von mindestens 70 %, ganz besonders bevor- zugt von mindestens 80 % über den gesamten in SEQ ID NO: 7 angegebenen DNA- Bereich.
Außerdem sind unter Derivaten beispielsweise Fusionen mit Promotoren zu verstehen. Die Promotoren, die den angegebenen Nukleotidsequenzen vorgeschalten sind, kön- nen durch wenigstens einen Nukleotidaustausch, wenigstens eine Insertionen, Inversionen und/oder Deletionen verändert sein, ohne dass aber die Funktionalität bzw. Wirksamkeit der Promotoren beeinträchtigt sind. Des weiteren können die Promotoren durch Veränderung ihrer Sequenz in ihrer Wirksamkeit erhöht oder komplett durch wirksame- re Promotoren auch artfremder Organismen ausgetauscht werden.
Dem Fachmann sind darüber hinaus Verfahren zur Erzeugung funktionaler Mutanten bekannt.
Je nach verwendeter Technik kann der Fachmann völlig zufällige oder auch gezieltere Mutationen in Gene oder auch nicht codierende Nukleinsäurebereiche (die beispielsweise für die Regulation der Expression wichtig sind) einbringen und anschließend Genbanken erstellen. Die dazu erforderlichen molekularbiologischen Methoden sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben in Sambrook und Russell, Mo- lecular Cloning. 3. Edition, CoId Spring Harbor Laboratory Press 2001.
Methoden zur Veränderung von Genen und somit zur Veränderung der durch diese codierten Protein sind dem Fachmann seit langem geläufig, wie beispielsweise
- die ortsspezifische Mutagenese, bei der gezielt einzelne oder mehrere Nukleotide ei- nes Gens ausgetauscht werden (Trower MK (Hrsg.) 1996; In vitro mutagenesis proto- cols. Humana Press, New Jersey),
- die Sättigungsmutagenese, bei der an jeder beliebigen Stelle eines Gens ein Codon für eine beliebige Aminosäure ausgetauscht oder hinzugefügt werden kann (Kegler-Ebo DM, Docktor CM, DiMaio D (1994) Nucleic Acids Res 22:1593; Barettino D, Feigenbutz M, Valcärel R, Stunnenberg HG (1994) Nucleic Acids Res 22:541 ; Barik S (1995) Mol Biotechnol 3:1 ),
- die fehleranfällige Polymerase-Kettenreaktion (error-prone PCR), bei der Nukleotidse- quenzen durch fehlerhaft arbeitende DNA-Polymerasen mutiert werden (Eckert KA, Kunkel TA (1990) Nucleic Acids Res 18:3739); - das Passagieren von Genen in Mutator-Stämmen, in denen beispielsweise aufgrund defekter DNA-Reperaturmechanismen eine erhöhte Mutationsrate von Nukleotidse- quenzen auftritt (Greener A, Callahan M, Jerpseth B (1996) An efficient random mutagenesis technique using an E. coli mutator strain. In: Trower MK (Hrsg.) In vitro mutagenesis protocols. Humana Press, New Jersey), oder - das DNA-Shuffling, bei dem ein Pool aus nahe verwandten Genen gebildet und verdaut wird und die Bruchstücke als Templates für eine Polymerase-Kettenreaktion verwendet werden, bei der durch wiederholte Strangtrennung und Wiederannäherung letztendlich Mosaikgene voller Länge erzeugt werden (Stemmer WPC (1994) Nature 370:389; Stemmer WPC (1994) Proc Natl Acad Sei USA 91 :10747).
Unter Anwendung der sogenannten gerichteten Evolution („directed evolution"; beschrieben unter anderem in Reetz MT und Jaeger K-E (1999), Topics Curr Chem 200:31 ; Zhao H, Moore JC, Volkov AA, Arnold FH (1999), Methods for optimizing indus- trial enzymes by directed evolution, In: Demain AL, Davies JE (Hrsg.) Manual of indus- trial microbiology and biotechnology. American Society for Microbiology) kann der Fachmann auch in gezielter Weise und auch in großem Maßstab funktionale Mutanten erzeugen. Dabei werden in einem ersten Schritt zunächst Genbanken der jeweiligen Proteine erzeugt, wobei beispielsweise die oben angegebenen Methoden zur Anwen- düng kommen können. Die Genbanken werden auf geeignete Weise exprimiert, beispielsweise durch Bakterien oder durch Phagen-Display-Systeme.
Die betreffenden Gene von Wirtsorganismen, die funktionale Mutanten mit Eigenschaften exprimieren, welche den gewünschten Eigenschaften weitgehend entsprechen, können einer weiteren Mutationsrunde unterworfen werden. Die Schritte der Mutation und der Selektion oder des Screening können iterativ solange wiederholt werden, bis die vorliegenden funktionalen Mutanten die gewünschten Eigenschaften in ausreichendem Maße aufweisen. Durch diese iterative Arbeitsweise können stufenweise eine begrenzte Anzahl von Mutationen , wie z.B. 1 bis 5 Mutationen, vorgenommen und auf deren Einfluss auf die betreffende Enzymeigenschaft bewertet und selektiert werden. Die selektierte Mutante kann dann in gleicher Weise einem weiteren Mutationsschritt unterworfen werden. Dadurch lässt sich die Anzahl der zu untersuchenden Einzelmutanten signifikant verringern.
Die erfindungsgemäßen Ergebnisse liefern wichtige Informationen in bezug auf Struktur und Sequenz der betreffenden Enzyme, die erforderlich sind, um gezielt weitere Enzyme mit gewünschten modifizierten Eigenschaften zu generieren. Insbesondere können sogenannte „hot spots" definiert werden, d.h. Sequenzabschnitte, die sich potentiell eignen, um über die Einführung gezielter Mutationen eine Enzymeigenschaft zu modifi- zieren.
Nicht limitierende Beispiele solcher hot spot-Regionen der erfindungsgemäßen HSDH sind im Folgenden zusammengefasst:
35-40, insbesondere 37-38, (jeweils bezogen auf die Aminosäuresequenz von HSDH_kurz (SEQ ID NO: 4).
90-105, 93 -100 oder 96-100, insbesondere 97 und/oder 98, (jeweils bezogen auf die Aminosäuresequenz von HSDH_kurz (SEQ ID NO: 4)
3.2.2 Konstrukte
Gegenstand der Erfindung sind außerdem Expressionskonstrukte, enthaltend unter der genetischen Kontrolle regulativer Nukleinsäuresequenzen eine für ein erfindungsgemä- ßes Polypeptid kodierende Nukleinsäuresequenz; sowie Vektoren, umfassend wenigstens eines dieser Expressionskonstrukte.
Unter einer „Expressionseinheit" wird erfindungsgemäß eine Nukleinsäure mit Expressionsaktivität verstanden, die einen Promotor, wie hierein definiert umfasst, und nach funktioneller Verknüpfung mit einer zu exprimierenden Nukleinsäure oder einem Gen, die Expression, also die Transkription und die Translation dieser Nukleinsäure oder dieses Gens reguliert. Man spricht deshalb auch in diesem Zusammenhang von einer „regulativen Nukleinsäuresequenz". Zusätzlich zum Promotor können weitere, regulative Elemente, wie z.B. Enhancer, enthalten sein.
Unter einer „Expressionskassette" oder „Expressionskonstrukt" wird erfindungsgemäß eine Expressionseinheit verstanden, die mit der zu exprimierenden Nukleinsäure oder dem zu exprimierenden Gen funktionell verknüpft ist. Im Gegensatz zu einer Expressionseinheit umfasst eine Expressionskassette somit nicht nur Nukleinsäuresequenzen, welche Transkription und Translation regulieren, sondern auch die Nukleinsäuresequenzen, welche als Folge der Transkription und Translation als Protein exprimiert werden sollen. Die Begriffe "Expression" oder „Überexpression" beschreiben im Kontext der Erfindung die Produktion bzw. Erhöhung der intrazellulären Aktivität eines oder mehrerer Enzyme in einem Mikroorganismus, die durch die entsprechende DNA kodiert werden. Dazu kann man beispielsweise ein Gen in einen Organismus einbringen, ein vorhandenes Gen durch ein anderes Gen ersetzen, die Kopienzahl des Gens bzw. der Gene erhöhen, einen starken Promotor verwenden oder ein Gen verwenden, das für ein entsprechendes Enzym mit einer hohen Aktivität kodiert und man kann gegebenenfalls diese Maßnahmen kombinieren.
Vorzugsweise umfassen solche erfindungsgemäßen Konstrukte 5'-stromaufwärts von der jeweiligen kodierenden Sequenz einen Promotor und 3'-stromabwärts eine Terminatorsequenz sowie gegebenenfalls weitere übliche regulative Elemente, und zwar jeweils operativ verknüpft mit der kodierenden Sequenz.
Unter einem „Promotor", einer „Nukleinsäure mit Promotoraktivität" oder einer „Promotorsequenz" wird erfindungsgemäß eine Nukleinsäure verstanden, die in funktioneller Verknüpfung mit einer zu transkribierenden Nukleinsäure die Transkription dieser Nukleinsäure reguliert.
Unter einer „funktionellen" oder „operativen" Verknüpfung versteht man in diesem Zusammenhang beispielsweise die sequentielle Anordnung einer der Nukleinsäuren mit Promotoraktivität und einer zu transkribierenden Nukleinsäuresequenz und gegebenenfalls weiterer regulativer Elemente, wie zum Beispiel Nukleinsäuresequenzen, die die Transkription von Nukleinsäuren gewährleisten, sowie zum Beispiel einen Terminator, derart, dass jedes der regulativen Elemente seine Funktion bei der Transkription der Nukleinsäuresequenz erfüllen kann. Dazu ist nicht unbedingt eine direkte Verknüpfung im chemischen Sinne erforderlich. Genetische Kontrollsequenzen, wie zum Beispiel Enhancer-Sequenzen, können ihre Funktion auch von weiter entfernten Positionen oder gar von anderen DNA-Molekülen aus auf die Zielsequenz ausüben. Bevorzugt sind An- Ordnungen, in denen die zu transkribierende Nukleinsäuresequenz hinter (d.h. am 3'- Ende) der Promotorsequenz positioniert wird, so dass beide Sequenzen kovalent miteinander verbunden sind. Dabei kann der Abstand zwischen der Promotorsequenz und dertransgen zu exprimierende Nukleinsäuresequenz geringer als 200 Basenpaare, o- der kleiner als 100 Basenpaare oder kleiner als 50 Basenpaare sein. Neben Promotoren und Terminator sind als Beispiele weiterer regulativer Elemente zu nennen Targeting-Sequenzen, Enhancer, Polyadenylierungssignale, selektierbare Marker, Amplifikationssignale, Replikationsursprünge und dergleichen. Geeignete regulato- rische Sequenzen sind z.B. beschrieben in Goeddel, Gene Expression Technology: Me- thods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990).
Erfindungsgemäße Nukleinsäurekonstrukte umfassen insbesondere Sequenz SEQ ID NO: 1 oder 3 oder Derivate und Homologe davon, sowie die davon ableitbaren Nuklein- säuresequenzen, die mit einem oder mehreren Regulationssignalen vorteilhafterweise zur Steuerung, z.B. Erhöhung, der Genexpression operativ oder funktionell verknüpft wurden.
Zusätzlich zu diesen Regulationssequenzen kann die natürliche Regulation dieser Se- quenzen vor den eigentlichen Strukturgenen noch vorhanden sein und gegebenenfalls genetisch verändert worden sein, so dass die natürliche Regulation ausgeschaltet und die Expression der Gene erhöht wurde. Das Nukleinsäurekonstrukt kann aber auch einfacher aufgebaut sein, das heißt es wurden keine zusätzlichen Regulationssignale vor die kodierende Sequenz insertiert und der natürliche Promotor mit seiner Regulation wurde nicht entfernt. Stattdessen wird die natürliche Regulationssequenz so mutiert, dass keine Regulation mehr erfolgt und die Genexpression gesteigert wird.
Ein bevorzugtes Nukleinsäurekonstrukt enthält vorteilhafterweise auch eine oder mehrere der schon erwähnten "Enhancer" Sequenzen, funktionell verknüpft mit dem Promo- tor, die eine erhöhte Expression der Nukleinsäuresequenz ermöglichen. Auch am 3'- Ende der DNA-Sequenzen können zusätzliche vorteilhafte Sequenzen inseriert werden, wie weitere regulatorische Elemente oder Terminatoren. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können in einer oder mehreren Kopien im Konstrukt enthalten sein. Im Kon- strukt können noch weitere Marker, wie Antibiotikaresistenzen oder Auxotrophien kom- plementierende Gene, gegebenenfalls zur Selektion auf das Konstrukt enthalten sein.
Beispiele geeigneter Regulationssequenzen sind in Promotoren wie cos-, tac-, trp-, tet-, trp-tet-, Ipp-, lac-, Ipp-lac-, laclq"' T7-, T5-, T3-, gal-, trc-, ara-, rhaP (rhaPBAD)SP6-, Iambda-PR- oder im Iambda-PL-Promotor enthalten, die vorteilhafterweise in gram- negativen Bakterien Anwendung finden. Weitere vorteilhafte Regulationssequenzen sind beispielsweise in den gram-positiven Promotoren amy und SPO2, in den Hefeoder Pilzpromotoren ADC1 , MFalpha , AC1 P-60, CYC1 , GAPDH, TEF, rp28, ADH enthalten. Es können auch künstliche Promotoren für die Regulation verwendet werden.
Das Nukleinsäurekonstrukt wird zur Expression in einem Wirtsorganismus vorteilhafterweise in einen Vektor, wie beispielsweise einem Plasmid oder einem Phagen inseriert, der eine optimale Expression der Gene im Wirt ermöglicht. Unter Vektoren sind außer Plasmiden und Phagen auch alle anderen dem Fachmann bekannten Vektoren, also z.B. Viren, wie SV40, CMV, Baculovirus und Adenovirus, Transposons, IS-Elemente, Phasmide, Cosmide, und lineare oder zirkuläre DNA zu verstehen. Diese Vektoren können autonom im Wirtsorganismus repliziert oder chromosomal repliziert werden. Diese Vektoren stellen eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar.
Geeignete Plasmide sind beispielsweise in E. coli pLG338, pACYC184, pBR322, pUC18, pUC19, pKC30, pRep4, pHS1 , pKK223-3, pDHE19.2, pHS2, pPLc236, pMBL24, pLG200, pUR290, plN-IM113-B1, λgt11 oder pBdCI, in Streptomyces plJ101 , pl J364, plJ702 oder plJ361 , in Bacillus pUB110, pC194 oder pBD214, in Corynebacte- rium pSA77 oder pAJ667, in Pilzen pALS1 , plL2 oder pBB116, in Hefen 2alphaM, pAG- 1 , YEp6, YEp13 oder pEMBLYe23 oder in Pflanzen pLGV23, pGHIac\ pBIN19, pAK2004 oder pDH51. Die genannten Plasmide stellen eine kleine Auswahl der möglichen Plasmide dar. Weitere Plasmide sind dem Fachmann wohl bekannt und können beispielsweise aus dem Buch Cloning Vectors (Eds. Pouwels P. H. et al. Elsevier, Ams- terdam-New York-Oxford, 1985 , ISBN 0 444 904018) entnommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Vektors kann der das erfindungsgemäße Nukleinsäurekonstrukt oder die erfindungsgemäße Nukleinsäure enthaltende Vektor auch vorteilhafterweise in Form einer linearen DNA in die Mikroorganismen eingeführt werden und über heterologe oder homologe Rekombination in das Genom des Wirtsor- ganismus integriert werden. Diese lineare DNA kann aus einem linearisierten Vektor wie einem Plasmid oder nur aus dem Nukleinsäurekonstrukt oder der erfindungsgemäßen Nukleinsäure bestehen. Für eine optimale Expression heterologer Gene in Organismen ist es vorteilhaft die Nukleinsäuresequenzen entsprechend des im Organismus verwendeten spezifischen "Codonnutzung" zu verändern. Der "Codonnutzung" lässt sich anhand von Computerauswertungen anderer, bekannter Gene des betreffenden Organismus leicht ermitteln.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Expressionskassette erfolgt durch Fusion eines geeigneten Promotors mit einer geeigneten kodierenden Nukleotidsequenz sowie einem Terminator- oder Polyadenylierungssignal. Dazu verwendet man gängige Re- kombinations- und Klonierungstechniken, wie sie beispielsweise in T. Maniatis, E. F. Fritsch und J. Sambrook, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, CoId Spring Harbor Laboratory, CoId Spring Harbor, NY (1989) sowie in TJ. Silhavy, M. L. Berman und L.W. Enquist, Experiments with Gene Fusions, CoId Spring Harbor Laboratory, CoId Spring Harbor, NY (1984) und in Ausubel, F. M. et al., Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley Interscience (1987) beschrieben sind.
Das rekombinante Nukleinsäurekonstrukt bzw. Genkonstrukt wird zur Expression in einem geeigneten Wirtsorganismus vorteilhafterweise in einen wirtsspezifischen Vektor insertiert, der eine optimale Expression der Gene im Wirt ermöglicht. Vektoren sind dem Fachmann wohl bekannt und können beispielsweise aus "Cloning Vectors" (Pouwels P. H. et al., Hrsg, Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford, 1985) entnommen werden.
3.3 Mikroorganismen
Je nach Zusammenhang kann unter dem Begriff „Mikroorganismus" der Ausgangsmik- roorganismus (Wildtyp) oder ein genetisch veränderter, rekombinanter Mikroorganismus oder beides verstanden werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vektoren sind rekombinante Mikroorganismen herstellbar, welche beispielsweise mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Vektor trans- formiert sind und zur Produktion der erfindungsgemäßen Polypeptide eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise werden die oben beschriebenen erfindungsgemäßen re- kombinanten Konstrukte in ein geeignetes Wirtssystem eingebracht und exprimiert. Dabei werden vorzugsweise dem Fachmann bekannte geläufige Klonierungs- und Trans- fektionsmethoden, wie beispielsweise Co-Präzipitation, Protoplastenfusion, Elektropora- tion, retrovirale Transfektion und dergleichen, verwendet, um die genannten Nukleinsäuren im jeweiligen Expressionssystem zur Expression zu bringen. Geeignete Systeme werden beispielsweise in Current Protocols in Molecular Biology, F. Ausubel et al., Hrsg., Wiley Interscience, New York 1997, oder Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2. Aufl., CoId Spring Harbor Laboratory, CoId Spring Harbor Labo- ratory Press, CoId Spring Harbor, NY, 1989 beschrieben.
Als rekombinante Wirtsorganismen für die erfindungsgemäße Nukleinsäure oder dem Nukleinsäurekonstrukt kommen prinzipiell alle prokaryontischen oder eukaryontischen Organismen in Frage. Vorteilhafterweise werden als Wirtsorganismen Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze oder Hefen verwendet. Vorteilhaft werden gram-positive oder gram-negative Bakterien, bevorzugt Bakterien der Familien Enterobacteriaceae, Pseu- domonadaceae, Rhizobiaceae, Streptomycetaceae oder Nocardiaceae, besonders bevorzugt Bakterien der Gattungen Escherichia, Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia, Burkholderia, Salmonella, Agrobacterium, Clostridium oder Rhodococcus verwendet. Ganz besonders bevorzugt ist die Gattung und Art Escherichia coli. Weitere vorteilhafte Bakterien sind darüber hinaus in der Gruppe der alpha-Proteobacterien, beta- Proteobacterien oder gamma-Proteobacterien zu finden
Der Wirtsorganismus oder die Wirtsorganismen gemäß der Erfindung enthalten dabei vorzugsweise mindestens eine der in dieser Erfindung beschriebenen Nukleinsäurese- quenzen, Nukleinsäurekonstrukte oder Vektoren, die für ein Enzym mit 12α-HSDH- Aktivität gemäß obiger Definition kodieren.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Organismen werden je nach Wirtsorganismus in dem Fachmann bekannter Weise angezogen bzw. gezüchtet. Mikroorganismen werden in der Regel in einem flüssigen Medium, das eine Kohlenstoffquelle meist in Form von Zuckern, eine Stickstoffquelle meist in Form von organischen Stickstoffquellen wie Hefeextrakt oder Salzen wie Ammoniumsulfat, Spurenelemente wie Eisen-, Mangan-, Magnesiumsalze und gegebenenfalls Vitamine enthält, bei Temperaturen zwischen 0 0C und 100 0C, bevorzugt zwischen 10 °C bis 600C unter Sauerstoffbegasung angezogen. Dabei kann der pH der Nährflüssigkeit auf einen festen Wert gehalten werden, das heißt während der Anzucht reguliert werden oder nicht. Die Anzucht kann „batch"-weise, „semi batch"-weise oder kontinuierlich erfolgen. Nährstoffe können zu Beginn der Fermentation vorgelegt oder semikontinuierlich oder kontinuierlich nachgefüttert werden.
3.4 Herstellung von UDCS
3.4.1 Einleitung
Zur medikamentösen Behandlung von Gallensteinleiden werden seit vielen Jahren u. a. die Wirkstoffe Ursodesoxycholsäure (UDCS) und das zugehörige Diastereomer Chenodesoxycholsäure (CDCS) eingesetzt. Beide Verbindungen unterscheiden sich lediglich durch die Konfiguration der Hydroxygruppe am C-Atom 7 (UDCS: ß -Konfiguration, CDCS: α-Konfiguration). Zur Herstellung von kommerziellen Mengen UDCS wird bisher bevorzugt ein Verfahren verwendet, bei dem CDCS als Rohstoff eingesetzt wird. CDCS wiederum wird vorzugsweise aus Cholsäure (CS) hergestellt.
UDCS CDCS
CS
3.4.2 Herstellung von CDCS Als Rohstoff für die Herstellung von CDCS (CAS 474-25-9) wird CS (CAS 81-25-4) verwendet. Die klassische chemische Route 1 bedient sich ausschließlich chemischen Verfahrensschritten. In diesem Fall sind vier Schritte erforderlich, um CS zu CDCS umzuwandeln. Die alternative Route 2 umfasst die Enzym-katalysierte Umsetzung. Dieser Weg führt in nur zwei Schritten von CS zu CDCS.
3.4.2.1 Route 1 (chemischer Weg)
Im ersten Schritt dieser Synthese wird die Carbonsäuregruppe der CS zum Methylester (CDCS I, CAS 1448-36-8) verestert. Es schließt sich die regioselektiv verlaufende Ace- tylierung der Hydroxygruppen in den Positionen 3 und 7 an. Das Acetylierungsprodukt,
3,7-Di-O-acetylcholsäuremethylester (CDCS II, CAS 3749-87-9) fällt kristallin an und wird isoliert. In der Folgestufe (Schritt 3) wird die freie Hydroxygruppe in Position 12 o- xidiert. Der 3,7-Di-O-acetyl-12-ketocholansäuremethylester (CDCS III, CAS 4651-67-6) wird im vierten und letzten Schritt in einer Wolff-Kishner-Reduktion zu CDCS desoxyge- niert.
). Schritt: Veresterung
CS CDCS I
2. Schritt: Acetylierung
CDCS CDCS Il
3. Schritt: Oxidation
CDCS CDCS
4. Schritt: Desoxygenierung
CDCS CDCS
Im Einzelnen wird der Prozess wie folgt durchgeführt:
In Stufe 1 wird CS mit Methanol säurekatalysiert zum Cholsäuremethylester (CDCS I) verestert. Es folgt die regioselektive Acetylierung der Hydroxylgruppen in den Positionen 3 und 7 mit Acetanhydrid. Zur Reaktion wird eine organische Stickstoffbase und optinoal ein Acylierungskatalysator verwendet. Durch Optimierung der Reaktionszeit wird hier ein Maximum der Diacetylverbindung (CDCS II) erreicht. Das Produkt wird nach Kristallisation isoliert und getrocknet. Acetylierungsbedingungen, insbesondere die Kombination Acetanhydrid, Triethylamin und DMAP werden in der EP 0 424 232 be- schrieben. Die Selektivität der Acetylierung entscheidet über die spätere Qualität des (Zwischen-) Produkts CDCS. Das Nebenprodukt 3-O-Monoacetylcholsäuremethylester führt im weiteren Syntheseverlauf zu Lithocholsäure. Diese ist toxisch und in den Monographien des Endprodukts UDCS auf einen niedrigen Wert limitiert (Ph. Eur. 0,1 %, USP 0,05 %). Bei einer Überacetylierung zum 3,7,12-Tri-O-acetylcholsäuremethylester enthält die später erhaltene CDCS anteilig mehr CS als Verunreinigung.
Die Oxidation der CDCS Il zu CDCS III erfolgt mit wässriger Natriumhypochloritlösung. Das Produkt fällt aus der Reaktionslösung aus, wird abfiltriert und getrocknet. Auch dieses Procedere wird in der EP 0424232 beschrieben. Generell finden sich in der Litera- tur noch andere Oxidationsmittel als Alternativen, wie Chromsäure.
Zur Desoxygenierung der CDCS IM zu CDCS sind verschiedene Varianten der Wolff- Kishner-Reduktion bekannt. Bei einer Methode wird CDCS III mit Hydrazin und Natriumhydroxid in Triethylenglycol bei 2000C umgesetzt. Das Produkt wird durch Ansäuern mit Salzsäure aus der Reaktionslösung gefällt, anschließend abfiltriert und getrocknet. Eine andere Methode ist in EP 0424232 beschrieben und arbeitet bei niedrigerer Temperatur. CDCS IM wird hier mit Hydrazin und Kaliumhydroxid in 2-Butanol umgesetzt. Das Produkt wird aus Wasser wie bei Variante 1 durch Zugabe von Salzsäure gefällt.
Die nach diesem Verfahren erhaltene CDCS besitzt eine definierte und spezifizierte Qualität, die geeignet ist, um nach dem später beschriebenen Verfahren UDCS in Arzneibuchqualität herzustellen.
3.4.2.2 Route 2 (enzymatischer Weg)
Als Alternative zum ausschließlich chemischen Verfahren wird erfindungsgemäß eine enzymkatalysierte Oxidation von CS zu 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto-CDCS, CAS 2458-08-4), die dann weiter zu CDCS umgesetzt wird, bereitgestellt. Dieser Syntheseweg beinhaltet nur zwei Schritte und ist damit im Vergleich zu der rein chemischen Route deutlich einfacher durchzuführen.
1. Schritt: enzymatische Oxidation
CS 12-Keto-CDCS
2. Schritt: Desoxygenierung
12-Keto-CDCS CDCS
Gemäß Schritt 1 wird Cholsäure mittels 12α-HSDH zu 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto-CDCS) NADP+-abhängig oxidiert. Diese Reaktion ist reversibel. 12α-HSDHs gehören der Enzymklasse 1.1.1.176 an und werden hauptsächlich in Bakterien der Gattung Clostridium gefunden. Es existieren sowohl NADP+-abhängige (Harris and HyIe- mon (1978) Biochim Biophvs Acta 528(1 ): 148-57), als auch NAD+-abhängige Vertreter (Macdonald et al. 1976) Biochim Biophys Acta 450(2): 142-53.
Der einzige bekannte Mikroorganismus, der eine hohe 12α-HSDH-Aktivität in Abwesenheit anderer HSDH exprimiert, stellt Clostridium sp. group P strain 48-50 DSM 4029 dar (Macdonald et al. 1979. a.a. O.). Deshalb wurde dieser Organismus bisher als Produzent von 12α-HSDH eingesetzt, wobei eine anspruchsvolle, anaerobe Fermentation mit kostenintensivem Medium nötig ist (Macdonald 1981 ) Experientia 37(5): 451-2. Allerdings konnte letzteres durch Hefeautolysat ersetzt werden (Braun, M. et al. 1991 , a.a.O).
Die enzymatische Oxidation erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt mittels einer erfindungsgemäßen 12α-HSDH (Lang- oder Kurzversion) und Kofaktorregenerierung mittels einer ADH , wie z.B. ADH ms oder ADH t.
Die Desoxygenierung gemäß Schritt 2 ist eine klassische chemische Wolff-Kishner- Reduktion und wird analog zur oben beschriebenen Desoxygenierung der CDCS III durchgeführt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Route ist, dass durch die Selektivität des Enzyms die Verunreinigung Lithocholsäure nicht entsteht.
3.4.3.3 Herstellung von UDCS
Als Rohstoff für UDCS (CAS 128-13-2) wird CDCS verwendet. Im ersten Syntheseschritt wird die Hydroxylgruppe in Position 7 der CDCS zum entsprechenden Keton oxi- diert. Es resultiert die 7-Ketolithocholsäure (3α-Hydroxy-7-ketocholansäure, kurz: KLCS, CAS 4651-67-6). Im zweiten Schritt folgt die stereoselektive Reduktion der Ketogruppe in Position 7. Ziel ist es, mit möglichst hoher Diastereoselektivität UDCS zu erhalten. In der Regel enthält die UDCS direkt nach der Reduktion noch einige Prozent des Diaste- reomers CDCS. Um zum Wirkstoff UDCS zu gelangen, muss UDCS roh in einem drit- ten Schritt gereinigt werden.
CDCS KLCS 2. Schritt: Reduktion
KLCS UDCS roh (bestehend aus UDCS und CDCS)
3. Schritt: Reinigung
UDCS roh -> UDCS rein
Die Oxidation der CDCS erfolgt üblicherweise mit wässriger Natriumhypochloritlösung. In der Literatur findet sich noch die Chromsäureoxidation als Alternative. KLCS fällt als Feststoff an, der dann im zweiten Schritt weiter verarbeitet wird. Die Reduktion kann mit Natriummetall in Alkoholen durchgeführt werden. Es resultiert ein Rohprodukt mit einer
Zusammensetzung von UDCS : CDCS von ca. 85 : 15. In alternativen Verfahren wird
KLCS mit Wasserstoff an einem Nickelkatalysator (Raney-Nickel) in Alkoholen (wie z.B. aliphatischen Alkoholen) als Lösungsmittel zusammen mit einer Base, wie Kalium-t- butylat oder Kaliumhydroxid, reduziert (EP-A-O 230085). Zusätzlich ist noch die Reduk- tion mit Kalium und Lithium (höhere Selektivität als Natrium, C. Giordano et al. Angew. Chem. 1985, 97, 510) sowie Zink (ES 489661 ) und elektrochemisch (US 4 547 271 ) möglich. Bei der Aufreinigung von UDCS roh zu UDCS rein handelt es sich um eine Trennung diastereomerer Salze. Sie erfolgt durch Herstellung, Isolierung und nachfolgende Spaltung eines geeigneten Salzes von UDCS. In der Literatur werden folgende alternativen Reinigungsmethoden genannt: Herstellung, Umkristallisation und Spaltung eines kor- respondierenden UDCS-Esters (EP-A-0386 538), Extraktionen (JP 60006699) und chromatographische Verfahren.(IT 2000MI1177).
3.5 Rekombinante Herstellung von 12α-HSDH
Gegenstand der Erfindung sind weiterhin Verfahren zur rekombinanten Herstellung erfindungsgemäße Polypeptide oder funktioneller, biologisch aktiver Fragmente davon, wobei man einen Polypeptide-produzierenden Mikroorganismus kultiviert, gegebenenfalls die Expression der Polypeptide induziert und diese aus der Kultur isoliert. Die Polypeptide können so auch in großtechnischem Maßstab produziert werden, falls dies erwünscht ist.
Die erfindungsgemäß hergestellten Mikroorganismen können kontinuierlich oder diskontinuierlich im batch- Verfahren (Satzkultivierung) oder im fed batch (Zulaufverfahren) oder repeated fed batch Verfahren (repetitives Zulaufverfahren) kultiviert werden. Eine Zusammenfassung über bekannte Kultivierungsmethoden ist im Lehrbuch von Chmiel (Bioprozeßtechnik 1. Einführung in die Bioverfahrenstechnik (Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, 1991 )) oder im Lehrbuch von Storhas (Bioreaktoren und periphere Einrichtungen (Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 1994)) zu finden.
Das zu verwendende Kulturmedium hat in geeigneter Weise den Ansprüchen der jeweiligen Stämme zu genügen. Beschreibungen von Kulturmedien verschiedener Mikroorganismen sind im Handbuch "Manual of Methods für General Bacteriology" der American Society für Bacteriology (Washington D. C, USA, 1981 ) enthalten.
Diese erfindungsgemäß einsetzbaren Medien umfassen gewöhnlich eine oder mehrere Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, anorganische Salze, Vitamine und/oder Spurenelemente. Bevorzugte Kohlenstoffquellen sind Zucker, wie Mono-, Di- oder Polysaccharide. Sehr gute Kohlenstoffquellen sind beispielsweise Glucose, Fructose, Mannose, Galactose, Ribose, Sorbose, Ribulose, Lactose, Maltose, Saccharose, Raffinose, Stärke oder CeI- lulose. Man kann Zucker auch über komplexe Verbindungen, wie Melassen, oder ande- re Nebenprodukte derZucker-Raffinierung zu den Medien geben. Es kann auch vorteilhaft sein, Gemische verschiedener Kohlenstoffquellen zuzugeben. Andere mögliche Kohlenstoffquellen sind Öle und Fette wie z. B. Sojaöl. Sonnenblumenöl. Erdnußöl und Kokosfett, Fettsäuren wie z. B. Palmitinsäure, Stearinsäure oder Linolsäure, Alkohole wie z. B. Glycerin, Methanol oder Ethanol und organische Säuren wie z. B. Essigsäure oder Milchsäure.
Stickstoffquellen sind gewöhnlich organische oder anorganische Stickstoffverbindungen oder Materialien, die diese Verbindungen enthalten. Beispielhafte Stickstoffquellen umfassen Ammoniak-Gas oder Ammoniumsalze, wie Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumphosphat, Ammoniumcarbonat oder Ammoniumnitrat, Nitrate, Harnstoff, Aminosäuren oder komplexe Stickstoffquellen, wie Maisquellwasser, Sojamehl, Sojaprotein, Hefeextrakt, Fleischextrakt und andere. Die Stickstoffquellen können einzeln oder als Mischung verwendet werden.
Anorganische Salzverbindungen, die in den Medien enthalten sein können, umfassen die Chlorid-, Phosphor- oder Sulfatsalze von Calcium, Magnesium, Natrium, Kobalt, Molybdän, Kalium, Mangan, Zink, Kupfer und Eisen.
Als Schwefelquelle können anorganische schwefelhaltige Verbindungen wie beispiels- weise Sulfate, Sulfite, Dithionite, Tetrathionate, Thiosulfate, Sulfide aber auch organische Schwefelverbindungen, wie Mercaptane und Thiole, verwendet werden.
Als Phosphorquelle können Phosphorsäure, Kaliumdihydrogenphosphatoder Dikalium- hydrogenphosphat oder die entsprechenden Natrium-haltigen Salze verwendet werden.
Chelatbildner können zum Medium gegeben werden, um die Metallionen in Lösung zu halten. Besonders geeignete Chelatbildner umfassen Dihydroxyphenole, wie Catechol oder Protocatechuat, oder organische Säuren, wie Citronensäure. Die erfindungsgemäß eingesetzten Fermentationsmedien enthalten üblicherweise auch andere Wachstumsfaktoren, wie Vitamine oder Wachstumsförderer, zu denen beispielsweise Biotin, Riboflavin, Thiamin, Folsäure, Nikotinsäure, Panthothenat und Pyri- doxin gehören. Wachstumsfaktoren und Salze stammen häufig von komplexen Me- dienkomponenten, wie Hefeextrakt, Melassen, Maisquellwasser und dergleichen. Dem Kulturmedium können überdies geeignete Vorstufen zugesetzt werden. Die genaue Zusammensetzung der Medienverbindungen hängt stark vom jeweiligen Experiment ab und wird für jeden spezifischen Fall individuell entschieden. Information über die Medienoptimierung ist erhältlich aus dem Lehrbuch "Applied Microbiol. Physiology, A Prac- tical Approach" (Hrsg. P.M. Rhodes, P.F. Stanbury, IRL Press (1997) S. 53-73, ISBN 0 19 963577 3). Wachstumsmedien lassen sich auch von kommerziellen Anbietern beziehen, wie Standard 1 (Merck) oder BHI (Brain heart infusion, DIFCO) und dergleichen.
Sämtliche Medienkomponenten werden, entweder durch Hitze (20 min bei 1 ,5 bar und 121 °C) oder durch Sterilfiltration, sterilisiert. Die Komponenten können entweder zusammen oder nötigenfalls getrennt sterilisiert werden. Sämtliche Medienkomponenten können zu Beginn der Anzucht zugegen sein oder wahlfrei kontinuierlich oder chargenweise hinzugegeben werden.
Die Temperatur der Kultur liegt normalerweise zwischen 15°C und 45°C, vorzugsweise bei 25°C bis 400C und kann während des Experimentes konstant gehalten oder verändert werden. Der pH-Wert des Mediums sollte im Bereich von 5 bis 8,5, vorzugsweise um 7,0 liegen. Der pH-Wert für die Anzucht lässt sich während der Anzucht durch Zugabe von basische Verbindungen wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniak bzw. Ammoniakwasser oder saure Verbindungen wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure kontrollieren. Zur Kontrolle der Schaumentwicklung können Antischaummittel, wie z. B. Fettsäurepolyglykolester, eingesetzt werden. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität von Plasmiden können dem Medium geeignete selektiv wirkende Stoffe, wie z. B. Antibiotika, hinzugefügt werden. Um aerobe Bedingungen aufrechtzuerhalten, werden Sau- erstoff oder Sauerstoffhaltige Gasmischungen, wie z. B. Umgebungsluft, in die Kultur eingetragen. Die Temperatur der Kultur liegt normalerweise bei 200C bis 45°C und. Die Kultur wird so lange fortgesetzt, bis sich ein Maximum des gewünschten Produktes gebildet hat. Dieses Ziel wird normalerweise innerhalb von 10 Stunden bis 160 Stunden erreicht. Die Fermentationsbrühe wird anschließend weiterverarbeitet. Je nach Anforderung kann die Biomasse ganz oder teilweise durch Separationsmethoden, wie z. B. Zentrifu- gation, Filtration, Dekantieren oder einer Kombination dieser Methoden aus der Fer- mentationsbrühe entfernt oder vollständig in ihr belassen werden.
Die Zellen können auch, falls die Polypeptide nicht in das Kulturmedium sezerniert werden, aufgeschlossen und das Produkt nach bekannten Proteinisolierungsverfahren aus dem Lysat gewonnen. Die Zellen können wahlweise durch hochfrequenten Ultraschall, durch hohen Druck, wie z.B. in einer French-Druckzelle, durch Osmolyse, durch Einwirkung von Detergenzien, lytischen Enzymen oder organischen Lösungsmitteln, durch Homogenisatoren oder durch Kombination mehrerer der aufgeführten Verfahren aufgeschlossen werden.
Eine Aufreinigung der Polypeptide kann mit bekannten, chromatographischen Verfahren erzielt werden, wie Molekularsieb-Chromatographie (Gelfiltration), wie Q- Sepharose-Chromatographie, lonenaustausch-Chromatographie und hydrophobe Chromatographie, sowie mit anderen üblichen Verfahren wie Ultrafiltration, Kristallisation, Aussalzen, Dialyse und nativer Gelelektrophorese. Geeignete Verfahren werden beispielsweise in Cooper, F. G., Biochemische Arbeitsmethoden, Verlag Walter de Gruyter, Berlin, New York oder in Scopes, R., Protein Purification, Springer Verlag, New York, Heidelberg, Berlin beschrieben.
Vorteilhaft kann es sein, zur Isolierung des rekombinanten Proteins Vektorsysteme oder Oligonukleotide zu verwenden, die die cDNA um bestimmte Nukleotidsequenzen verlängern und damit für veränderte Polypeptide oder Fusionsproteine kodieren, die z.B. einer einfacheren Reinigung dienen. Derartige geeignete Modifikationen sind beispielsweise als Anker fungierende sogenannte "Tags", wie z.B. die als Hexa-Histidin-Anker bekannte Modifikation oder Epitope, die als Antigene von Antikörpern erkannt werden können (beschrieben zum Beispiel in Harlow, E. and Lane, D., 1988, Antibodies: A La- boratory Manual. CoId Spring Harbor(N.Y.) Press). Diese Anker können zur Anheftung der Proteine an einen festen Träger, wie z.B. einer Polymermatrix, dienen, die beispielsweise in einer Chromatographiesäule eingefüllt sein kann, oder an einer Mikroti- terplatte oder an einem sonstigen Träger verwendet werden kann. Gleichzeitig können diese Anker auch zur Erkennung der Proteine verwendet werden. Zur Erkennung der Proteine können außerdem übliche Marker, wie Fluoreszenzfarbstoffe, Enzymmarker, die nach Reaktion mit einem Substrat ein detektierbares Reakti- onsprodukt bilden, oder radioaktive Marker, allein oder in Kombination mit den Ankern zur Derivatisierung der Proteine verwendet werden.
3.6 Enzymimmobilisierung
Die erfindungsgemäßen Enzyme können in den hierin beschriebenen Verfahren frei oder immobilisiert eingesetzt werden. Unter einem immobilisierten Enzym versteht man ein Enzym, das an einen inerten Träger fixiert ist. Geeignete Trägermaterialien sowie die darauf immobilisierten Enzyme sind aus der EP-A-1149849, EP-A-1 069 183 und der DE-OS 100193773 sowie aus den darin zitierten Literaturstellen bekannt. Auf die Offenbarung dieser Schriften wird diesbezüglich in vollem Umfang Bezug genommen. Zu den geeigneten Trägermaterialien gehören beispielsweise Tone, Tonmineralien, wie Kaolinit, Diatomeenerde, Perlit, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Natriumcarbonat, Calciumcarbonat, Cellulosepulver, Anionenaustauschermaterialien, synthetische Polymere, wie Polystyrol, Acrylharze, Phenolformaldehydharze, Polyurethane und Polyolefine, wie Polyethylen und Polypropylen. Die Trägermaterialien werden zur Herstellung der geträ- gerten Enzyme üblicherweise in einer feinteiligen, partikelförmigen Form eingesetzt, wobei poröse Formen bevorzugt sind. Die Partikelgröße des Trägermaterials beträgt üblicherweise nicht mehr als 5 mm, insbesondere nicht mehr als 2 mm (Sieblinie). Analog kann bei Einsatz der Dehydrogenase als Ganzzell-Katalysator eine freie oder im- mobiliserte Form gewählt werden. Trägermaterialien sind z.B. Ca-Alginat, und Carra- geenan. Enzyme wie auch Zellen können auch direkt mit Glutaraldehyd vernetzt werden (Cross-Iinking zu CLEAs). Entsprechende und weitere Immobilisierungsverfahren sind beispielsweise in J. Lalonde und A. Margolin „Immobilization of Enzymes" " in K. Drauz und H. Waldmann, Enzyme Catalysis in Organic Synthesis 2002, VoLIII1 991 -1032, Wi- ley-VCH, Weinheim beschrieben. EXPERIMENTELLER TEIL
Werden keine anderen Angaben gemacht, so können die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Klonierungsschritte, wie z.B. Restriktionsspaltungen, Agarose Gelelektrophorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Nitrozellulose und Nylonmembranen, Verknüpfen von DNA-Fragmenten, Transformation von Mikroorganismen, Anzucht von Mikroorganismen, Vermehrung von Phagen und Sequenzanalyse rekombinanter DNA wurden wie bei Sambrook et al. (1989) a.a.O. beschrieben durchgeführt werden.
A. Allgemeine Angaben
Materialien:
Enzyme und Enzympuffer wurden von Fermentas, St. Leon-Rot oder NEB, Frankfurt bezogen.
LB-Medium:
Bacto-Trypton 10 g Hefe-Extrakt 5 g
Natriumchlorid 5 g doppeltdestilliertes Wasser ad 1000 ml
TB-Medium:
Lösung I: Bacto-Trypton 12 g Hefe-Extrakt 24 Glycerin, wasserfrei 4 ml doppeltdestilliertes Wasser ad 900 ml
Lösung II:
Kaliumdihydrogenphosphat 0,1 7M Kaliumhydrogenphosphat 0,72 M doppeltdestilliertes Wasser ad 100 ml
Beide Lösungen wurden nach dem Autoklavieren vereinigt.
Expressionsvektoren Zur Expression von 12α-HSDH diente der Vektor pET22b(+), Novagen, Darmstadt, welcher eine MCS unter der Kontrolle eines T7-Promotors und -Transkriptionsstarts enthält und einen T7-Terminator besitzt. Die Expression wird mittels Isopropyl-ß-D- thiogalactopyranosid (IPTG) induziert.
Dazu wurden 12α-HSDH kodierende Sequenzen PCR-amplifiziert. Die PCR-Produkte erhielt man unter Verwendung der genomischen DNA von Clostridium sp. group P strain 48-50 als Template und der später noch genauer beschriebenen Primerpaare. Die PCR-Produkte wurden auf ein Agarose-Gel aufgetragen, aufgetrennt und aus die- sem ausgeschnitten. Anschließend wurden sie mit Hilfe von Ndel und BamHI restringiert und mit dem ebenfalls mit Ndel und BamHI geschnittenen pET22b(+)-Vektor Ii- giert.
Mikroorganismen
Stamm Genotyp
Clostridium sp. group P strain 48-50 Escherichia coli BL21 (DE3) F ompT gal dem Ion hsdSB(rB~nriB") λ(DE3 [lad lacUV5-T7 gene 1 ind1 sam7 ninδ])
Escherichia coli Rosetta™ (DE3) F'ompT hsdSB(RB"rnB") gal dem λ(DE3 [lad lacUV5-T7 gene 1 ind1 sam7 ninδ]) pLysS- RARE (CamR)
Methoden
1. Standardbedingungen für 12α-HSDH Aktivitätsbestimmung
Die Aktivität wird wie folgt definiert: 1 U des Enzyms entspricht der Enzymmenge, welche die Umsetzung von 1 μmol/min einer 5 mM Cholsäurelösung in Kaliumphosphat- Puffer (50 mM, pH 8,0) bei Raumtemperatur (d.h. ca. 20 °C-23 0C) katalysiert.
Zur Aktivitätsbestimmung wurden 790 μl Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 8,0), 100 μl Cholsäure (50 mM in Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 8,0)) und 10 μl zu vermessen- de Enzymlösung in einer Küvette gemischt. Zum Start der Reaktion wurde 100 μl NADP+ (2,5 mM) zugegeben und die Zunahme der Absorption bei 340 nm photometrisch bestimmt. Die Steigung über 30 s wurde bei RT ermittelt. Die Bestimmung der Aktivität erfolgte nach dem Lambert-Beerschen-Gesetz.
2. Proteinkonzentrationsbestimmung mittels BCA-Assay
Die Proteinkonzentration einer Lösung wurde bestimmt, indem die Absorption von 20 μl Proteinlösung, wie z.B. einer Zelllysat-Verdünnung bzw. eines resuspendierten ZeII- debris-Pellets nach Ultraschallaufschluss, in 200 μl BCA-Lösung (Lösung A:Lösung B 50:1 ) des Analysen-Kits der Firma Bio-Rad, München bei 562 nm gemessen wurde. Dabei bildet der Bicinchoninsäure (BCA) mit einwertigen Kupferionen, die quantitativ aus der Reduktion zweiwertigen Kupferionen durch das Protein entstehen, eine violette Komplexverbindung, dessen Absorption bei 562 nm photometrisch gemessen werden kann. Die Bestimmung der Konzentration erfolgte über eine Rinderserumalbumin (BSA)-Eichgerade.
B. Vorversuche zur Genisolierung
Ziel aller experimentellen Arbeiten ist es, einen verbesserten Zugang zu dem Enzym 12α-HSDH zu finden. Um dieses Ziel zu erreichen wurde erfindungsgemäß die Sequenz des für 12α-HSDH kodierenden Gens aufgeklärt.
1.1 Zunächst wurde dies durch Polymerasekettenreaktion (PCR) unter Verwendung degenerierter Oligonucleotidprimer versucht. Die eingesetzten Oligonucleotide wurden einerseits basierend auf der publizierten N-terminalen Aminosäuresequenz ( vgl. Braun et al., a.a.O.) von 12α-HSDH konstruiert. Um den Degenerationsgrad gering zu halten, wurden die Primer beginnend mit dem N-terminalen Methionin (nur ein Codon) abgeleitet (Primersequenzen nicht gezeigt). Andererseits ergaben datenbank-gestützte Se- quenzvergleiche, dass in HSDHs ein konserviertes Aminosäuremotiv „LVNN" vorliegt. Dieser Bereich wurde zur Konstruktion eines reversen Primers benutzt. Zusätzlich wurde ein weiteres, weniger streng konserviertes Sequenzmotiv PE(Q)DIAN zum Design degenerierter Primer benutzt (Primersequenzen nicht gezeigt). Weitere degenerierte Oligonucleotide wurden mittels des frei zugänglichen Programms CODEHOP entworfen (Rose, T.M. et al., Nucleic Acids Research, 1998. 26(7),1628-1635.)
Unter Benutzung aller Kombinationen der oben angegebenen degenerierter Primerpaare konnte das gesuchte Gen nicht amplifiziert werden.
1.2 In einem Versuch zur Ermittlung weiterer Peptidsequenzfragmente aus 12α- HSDH wurde versucht, das Enzym aus dem Lysat von Clostridium sp group P über eine Kombination aus zwei Affiniätschromatographieschritten aufzureinigen. Dieses Verfahren wurde von Braun et al a.a.O. beschrieben, ließ sich allerdings nicht nacharbeiten
C. Isolierung der kodierenden 12α-HSDH Sequenz und Charakterisierung des 12(X-HSDH Enzyms
Beispiel 1 : Sequenzhomologie-Untersuchungen
Um Zugang zur 12α-HSDH-Sequenz zu erhalten wurde das Genom von Clostridium sp. group P strain 48 -50 DSM 4029 sequenziert. Die Suche sowohl nach der publizierten N-terminalen Sequenz als auch die Suche nach dem Motiv „LVNN" in allen offenen Leserastern (ORFs) führte nicht zur Sequenz des für 12α-HSDH kodierenden Gens.
Erst durch Sequenzhomologievergleiche konnte ein Gen identifiziert werden, das die publizierte Teilsequenzinformation in abgewandelter Form enthielt. Die Vergleiche erfolgten mit TBLASTX (Tatusova und Madden (1999) FEMS Microbiol Lett 174 (2), 247- 250) und unter folgenden Bedingungen: Open gap: 5
Extension gap: 2
gap x_dropoff: 50 expect: 10.0 word size: 11
Es wurden die Standardbedingungen von httD://www.ncbi.nlm.nih.qov/blast/Blast.cqi?PAGE=Translations&PROGRAM=tblastx&B LAST PROGRAMS=tblastx&PAGE TYPE=BlastSearch&SHOW DEFAULTS=on#i verwendet, Parameter sind dort unter „Algorithm Parameters" zu finden.
Im gefundenen Gen (SEQ ID NO:3) fehlt das in der publizierten Teilsequenz angege- bene N-terminale Methionin; außerdem ist die publizierte Teilsequenz nicht am N- Terminus des Proteins (bioinformatische Vorhersage des Genstarts mit GLIMMER, CBCB, Maryland, USA) zu finden. Auch das konservierte Motiv „LVNN" ist in 12α-HSDH abgewandelt zu „LINN" (SEQ ID NO: 5).
Aus diesen Gründen konnte der ursprünglich verfolgte Ansatz zur Sequenzaufklärung unter Verwendung degenerierter Oligonucleotide nicht erfolgreich verlaufen. Gerade das Methionin wird regelmäßig verwendet um degenerierte Primer abzuleiten, da es nur durch ein einziges Basentriplett kodiert wird. Ebenso war nicht zu erwarten, dass ausgerechnet 12α-HSDH aus Clostridium sp. Abweichungen in der konservierten Sequenz „LVNN" zeigt.
Figur 3 zeigt ein partielles Multisequenzalignment zwischen bekannten mikrobiellen und erfindungsgemäße HSDH.
Beispiel 2: Amplifizierung des 12α-HSDH Gens und Expression von 12α-HSDH
1. Amplifizierung
Dazu wurden folgende Primer verwendet:
Forward lang (lange Enzymversion, Ndel-Schnittstelle): GGTATTCCATATGGATTTTATTGATTTTAAGGAGATG (SEQ ID NO: 14).
Forward kurz (kurze Enzymversion, Ndel-Schnittstelle)
GGTATTCCATATGATCTTTGACGGAAAGGTCGC (SEQ ID NO: 15).
Primer revers (BamH1 -Schnittstelle) CGGGATCCCTAGGGGCGCTGACCC (SEQ ID NO: 16).
Das Zielgen wurde unter Verwendung von P/w-Polymerase durch PCR amplifiziert.
Als Template diente die genomische DNA von Clostridium sp. group P strain 48-50 DSM 4029 (29,4 ng/μl) , von der 1 μl eingesetzt wurde. Zur Amplifikation wurde 1 μl der Pft/-Polymerase verwendet. Als Puffer diente Pfty-Puffer(10x mit MgSO4) (Fermentas, St. Leon-Rot). Es wurde jeweils 1 ,5 μl forward- und revers-Primer (10 μM) eingesetzt, sowie 2 μl Desoxynukleotidtriphosphate (20 μM). Der Ansatz wurde mit RNase-freiem Wasser auf 50 μl eingestellt. Die Reaktion wurde im Thermocycler der Firma Eppendorf durchgeführt. Der PCR-Ansatz wurde zunächst für 5 min bei 95°C gestartet, um die DNA zu denaturieren. Nun folgten bei der Klonierung der unbekannten DNA- Sequenzen 30 Zyklen beginnend mit einer Denaturierung bei 95°C für 30 s. Nachfolgend wurde der Ansatz für 30 s mittels Temperaturgradient auf jeweils 25-45°C abge- kühlt, um ein Annealing der degenerierten Primer an die Target-DNA zu gewährleisten (konstante Annealing-Temperatur von 53°C). Daraufhin wurde eine Temperatur von 72°C für 90 s zur Primer-Extension eingestellt, da hier das Aktivitätsoptimum der verwendeten Polymerase liegt. Schließlich wurden die Ansätze für 10 min bei 72°C inkubiert und bis zur Entnahme aus dem Gerät bei 4°C gekühlt.
2. Expression
Das Zielgen wurde nach Amplifikation mittels Polymerasekettenreaktion über die Schnittstellen Ndel und BamHI in den Expressionsvektor pET22b+ einkloniert, in E. coli Rosetta DE3™ und E. coli BL21 DE3 Zellen eingebracht und exprimiert. Es handelt sich hierbei um nicht-pathogene Stämme, die die Produktion großer Mengen des Enzyms ermöglichen (bis zu 150000 U/l Kultur).
Zur Expression wurden 5 ml LB-Medium (mit 100 μg/ml Ampicillin) mit dem E. coli BL21 (DE)- oder Rosetta™-Klon, der mit einem Expressionsvektor transformiert wurde, für 16 h bei 37°C und 180 rpm inkubiert. 200 ml TB-Medium (mit 100 μg/ml Ampicillin) wurde damit inokuliert und bei 37°C und 180 rpm inkubiert. Bei einer OD60O von 0,6-0,8 wurde die Expression von 12α-HSDH mit 1 mM IPTG induziert. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurde 1 ml Zellsuspension mit OD6oo Von 0,25 entnommen, für 1 min bei 13000 rpm pelletiert und bis zur weiteren Verwendung bei -2O0C gelagert. Die Expression wurde nach 4 bzw. 22 h beendet, indem die Zellen bei 2700 g für 10 min bei 4°C pelletiert und anschließend eingefroren wurden.
Die Zellen wurden mit Hilfe von Ultraschall aufgeschlossen, indem das Pellet zunächst in 4-10 ml Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 8,0) resuspendiert wurde. Im Ultraschalldesintegrator der Firma Branson wurden die Zellen bei einer Intensität von 30 % viermal 1 min mit jeweils 2 min Pause im Eisbad behandelt. Anschließend wurden die Zelltrümmer 1 h bei 4220 g und 4°C abzentrifugiert.
Figur 4 zeigt die Ergebnisse einer SDS-PAGE (12,5%-iges Gel, ß-Mercaptoethanol) von Zelllysaten nach 4h und 22h Expression erfindungsgemäßer Enzyme (HSDH_kurz und HSDHJang) (Bande jeweils bei etwa 27 kDa).
Proteingehalte und Enzymaktivitäten wurden wie oben beschrieben bestimmt.
Die erzielten Enzymaktivitäten nach Aufschluss der E. co//-Zellen sind in folgender Tabelle zusammengefasst.
Durch den hohen Expressionslevel ist die volumetrische und spezifische Aktivität der Enzympräparation nach Zellaufschluss und Zentrifugation bereits deutlich höher (36800 U/ 1 Kulturmedium) als die aus Clostridium sp. group P strain 48 -50 stammende. Damit kann im Unterschied zu den bisher beschriebenen Verfahren auf die Proteinaufreinigung verzichtet werden.
Der hohe Anteil des Zielproteins an der Gesamtproteinmenge von BL21 (DE3) Zellen wird durch folgende Tabelle veranschaulicht:
Beispiel 3: Präparative Synthese von 12-Ketochenodesoxycholsäure aus Chol- säure
Das exprimierte Enzym (kurze Version) wurde in Kombination mit ADH t (Codexis, Jü- lich) zur präparativen Synthese von 12-Ketochenodesoxycholsäure eingesetzt. Dazu wurden in einem 1 I-Rundkolben 500 ml Cholsäure (400 mM in Kaliumphosphatpuffer (50 mM, pH 8,0), 10 % Aceton), 0,25 mM NADP+, 2000 U 12α-HSDH_kurz aus E. coli BL21 (DE 3) (vgl. oben Beispiel 2) und zur Cofaktorregenerierung 550 U ADH t (aus Thermoanaerobacter sp., Codexis, Jülich gemischt. Die Reaktion erfolgte bei RT, unter ständigem Rühren und Rückflusskühlung. Nach 27 h wurden weitere 550 U 12α- HSDH und 138 U ADH t zugegeben und insgesamt 117 h inkubiert. Während der Reaktion wurde die photometrische Absorption bei 340 nm bestimmt und 1 ml Proben zur Verfolgung des Reaktionsverlaufs entnommen, welche mit 100 μl Salzsäure (1 M) abgestoppt und eingedampft bzw. in Essigsäureethylester extrahiert wurden. Der Absorptionsverlauf ist in Figur 5 dargestellt
Die Reaktion wurde durch Zugabe von rauchender Salzsäure (37 %) bis zur vollständigen Ausfällung der Reaktionspartner angesäuert. Der Überstand wurde abgenommen und mit jeweils 50 ml Essigsäureethylester dreimal extrahiert. Die ausgefallenen Chol- säurederivate wurden in Aceton unter Salzsäurezugabe und Erwärmung vollständig gelöst. Die organischen Phasen wurden vereinigt und bis zur Lösungsmittelfreiheit getrocknet.
Dabei stellte sich heraus, dass die Produktextraktion deutlich einfacher zu bewerkstelligen ist als bei Verwendung des kommerziellen Produkts direkt aus Clostridium sp. group P strain 48 -50 (ASA Spezialenzyme). Grund hierfür ist der bei gleicher HSDH- Aktivität deutlich geringere Gesamtproteingehalt. Beispiel 4: Charakterisierung der exprimierten Enzyme
Die exprimierten Enzyme wurden hinsichtlich ihrer Aktivität charakterisiert. Es zeigte sich, dass die selektive Oxidation von Cholsäure zu 12-Ketochenodeoxycholsäure kata- lysiert wird.
Auf eine DC-Alufolie Kiesegel 60 F2S4 , Merck, Darmstadt wurden mittels Glaskapillare die Referenzsubstanzen Cholsäure und 12-Ketochenodesoxycholsäure und Extrakte der Reaktionsansätze (Beispiel 3) aufgetragen. Die Folie wurde möglichst senkrecht in eine Chromatografiekammer gestellt, die als Laufmittel ein Gemisch aus Dichlor- methan:Aceton:Essigsäure (konz.) im Verhältnis 40:40:3 enthielt, Die Trennung wurde solange durchgeführt, bis die Laufmittelfront fast die Oberkante der Platte erreichte hatte. Die Färbung der Substanzen erfolgte mittels Besprühen mit Molybdatophosphorsäu- re-Sprühreagens (40 mM Molybdatophosphorsäure, 95,2 % konz. Essigsäure, 4,8 % konz. Schwefelsäure) und anschließender Erhitzung.
Die Ergebnisse sind in Figur 6 dargestellt
Beispiel 5: Lokalisation von an der NADPH-Bindung beteiligten Aminosäureresten
Über Homologievergleiche mit NADH und NADPH-abhängigen „Short Chain Dehydrogenasen" (SDR) konnten zwei für die Kofaktorerkennung und möglicherweise für eine zukünftige Kofaktordiskriminierung wichtige Aminosäureseitenketten identifiziert werden: Durch ortsgerichtete Mutagenese (Subitutionen wurden basierend auf Publikatio- nen (Tanaka et al. (1996) Biochemistrv 35(24): 7715-30.) und (Carugo and Argos (1997) Proteins 28(1 ): 10-28 erstellt) wurden die Substitutionen G37D und R38L (bezogen auf SEQ ID NO: 3) durchgeführt. Die Experimente wurden nach den experimentellen Angaben zum QuikChange Site-directed Mutagenesis Kit von Stratagene GmbHdurchgeführt.
Die Primer (siehe folgende Tabelle) für die ortsgerichtete Mutagenese wurden auf Grundlage der 12α-HSDH-Gensequenz so gewählt, dass sie den gewünschten Aminosäurenaustausch bewirkten. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Mutation (unterstri- chen markiert) mittig im Primer lokalisiert war und sich die Schmelztemperatur zweier Primerpaare im gleichen Bereich befand. Es wurden folgende Kombinationen verwendet:
MBr_QC_HSDH_G37D_forw/ MBr_QC_HSDH_G37D_rev mit pET22b(+)-HSDH_kurz und
MBr_QC_HSDH_R38L_forw/ MBr_QC_HSDH_R38L_rev mit pET22b(+)- HSDH kurz G37D.
Primer für positionsgerichtete Mutagenese
Es ergab sich, dass die resultierenden Proteinvarianten keine Aktivität mehr mit NADPH zeigten. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der identifizierten Positionen für die Kofaktor- bindung. Die so hergestellten Varianten zeigten bisher keine Aktivität mit NADH. Allerdings könnte durch Sättigungsmutagenese an den beschriebenen oder weiteren Positionen eine NADH-abhängige HSDH-Variante erhalten werden.
Beispiel 6: Charakterisierung der Produktinhibierungsmutante 37D12
Bei der untersuchten 12α-HSDH ist eine Inhibierung durch das Produkt 12-Ketochenodesoxycholsäure zu beobachten, welche sich negativ auf die Reaktionsgeschwindigkeit im Prozess auswirken kann. Um diese Produktinhibierung der 12α-HSDH zu vermindern, wurde eine zufallsbasierte 12α-HSDH-Bibliothek mit 4000 Mutanten mittels error-prone PCR erstellt. Geeignete Methoden sind prinzipiell bekannt und z.B. beschrieben in: Cadwell, R.C. et al, Randomization of Genes by PCR Mutagenesis; (1992) PCR Methods and Applications, 2: 28-33, CoId Spring Harbor La- boratory; Arnold, F. H. et al, Current Opinion in Chemical Biology (1999) 3:54-59; oder Liebeton, K. et al, Chemistry &Biology, (2000), 7:709-718. Die Ausgangsmenge der Ziel-DNA für die error-prone PCR wurde so gewählt, dass eine Mutationsrate von 4,5 Mutationen pro kb erreicht wurde. Das Produkt wurde in den pET22b(+)- Vektor ligiert und in E. coli Nova Blue (DE3) transformiert.
Eine Anzahl von ungefähr 4000 Mutanten wurde in Mikrotiterplatten (MTP) gepickt, die zur Inokulierung der Hauptkulturen dienten. Zur Induktion, Expression und Zellauf- schluss wurden MTP mit tiefen Kavitäten verwendet. Das Screening der Zelllysate aller 4000 Mutanten erfolgte im Mikrotitermaßstab in Anwesenheit von Produkt. Dabei wurden mehrere Mutanten identifiziert, wobei die Mutante 37D12 weiter verwendet wurde.
Die Mutation der Mutante 37D12 im 12α-HSDH-Homologiemodells ist in Figur 8 zu sehen. Es handelt sich um einen Austausch von Glutamin zu Histidin (vgl. Sequenzen gemäß Figur 7) und befindet sich im Bereich des aktiven Zentrums zwischen der Substrat- und Cofaktorbindungstasche.
Da die Mutante 37D12 gegenüber dem Wildtyp eine veränderte Kinetik aufwies, wurde für die weitere Analyse der Produktinhibierung die Aktivität so definiert, dass der Zeitbe- reich von 30 sek innerhalb der ersten Minute nach Reaktionsbeginn, in der die höchste Linearität erreicht wurde, zur Berechnung der Aktivität eingesetzt wurde. Nachdem der Wildtyp und die Mutante 37D12 mittels Metallaffinitätschromatographie aufgereinigt wurden, wurde die Produktinhibierung mit diesen Bedingungen erneut untersucht. Wie in Figur 9 veranschaulicht, zeigt die Mutante eine deutlich verringerte Inhibierung be- reits bei einem Umsatz von 1 %. Bei 5 % Umsatz zeigte das Wildtypenzym einen Verlust von 60 % im Gegensatz zu 20 % der Mutante 37D12. Die dreifache Aktivität verblieb bei der Mutante 37D12 gegenüber dem Wildtyp bei einem Umsatz von 25 %.
Nach der Aufreinigung konnte die spezifische Aktivität der Mutante zu 15,71 U/mg und des Wildtyps zu 30,87 U/mg berechnet werden. Die Mutation resultiert daher in einem Aktivitätsverlust von ca. 50 %. Zuordnung der SEQ ID NOs:
AS = Aminosäuresequenz NS= Nukleinsäuresequenz L= Langversion K= Kurzversion
Auf die Offenbarung der hierin zitierten Publikationen wird ausdrücklich Bezug genom- men.

Claims

Patentansprüche:
1. Gereinigte 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase (12α-HSDH) erhältlich aus Clostri- dium sp. mit einem Molekulargewicht im Bereich von etwa 27 bis 30 kD.
2. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach Anspruch 1 , erhältlich aus Clostridium sp. group P strain 48-50 (DSM4029).
3. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach Anspruch 1 oder 2 mit einer spezifischen Aktivität im Bereich von mehr als etwa 10 U/mg.
4. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase, umfassend wenigstens eines der folgenden Sequenzmotive: a) LINN (SEQ ID NO:5) b) RMGIFD (SEQ ID NO: 11 ) c) N-terminale Sequenz, ausgewählt unter
(1 ) MDFIDFKEMGRMGIFDGKVAIITGGGKAKSIGYGIAVAYAK (SEQ
ID NO: 6) (2) MDFIDFKEMGRMGI (SEQ ID NO:7)
(3) ITGGGKAKSIGYGIA (SEQ ID NO:8)
(4) IFDGK (SEQ ID NO: 9)
(5) GIFDGK (SEQ ID NO: 10)
d) FGDPELDI (SEQ ID NO:13).
5. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase, a) umfassend eine der Aminosäuresequenzen gemäß SEQ ID NO: 2 oder 4, jeweils beginnend bei Position +1 oder +2; oder b) umfassend eine von einer Sequenz gemäß a) abgeleiteten Aminosäuresequenz mit einer prozentualen Sequenz-Identität von wenigsten 60 %;
M/4ft4?q-PCT oder c) kodiert von einer ein Protein gemäß a) und b) kodierenden Nukleinsäure- sequenz; oder d) kodiert von einer kodierenden Nukleinsäuresequenz gemäß SEQ ID NO: 1 oder 3; oder e) kodiert von einer der Nukleinsäuresequenzen gemäß SEQ ID NO: 1 oder 3 abgeleiteten kodierenden Sequenz mit einer prozentualen Sequenz- Identität von wenigstens 60 %.
6. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase-Mutante mit modifizierter Cosubstrat- Nutzung und/ oder verringerter Produktinhibition.
7. Mutante nach Anspruch 6, abgeleitet von einer 12α-Hydroxysteroiddehydro- genase nach einem der Ansprüchel bis 5, mit
a) wenigstens einer die Cosubstrat-Nutzung modifizierenden Mutation im Sequenzmotiv VLTGRNE (SEQ ID NO: 12); und/ oder b) wenigstens einer die Produktinhibition verringernden Mutation im Bereich der die Substratbindungstasche des Enzyms bildenden Aminosäurereste.
8. Mutante nach Anspruch 7, a) umfassend wenigstens eine der folgenden Aminosäuresubstitutionen in SEQ ID NO:12: G ^D ; R ^A; oder b) umfassend wenigstens die Mutation von Aminosäure Q, entsprechend Position 97 von SEQ ID NO: 4; insbesondere umfassend eine Mutation entsprechend Q97H in SEQ ID NO:4.
9. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach einem der vorhergehenden Ansprüche, erhältlich durch heterologe Expression einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase- kodierenden Nukleinsäuresequenz gemäß Anspruch 5 c), d) oder e).
10. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach Anspruch 9, exprimiert in einem nicht- pathogenen Mikroorganismus.
11. 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach Anspruch 10, exprimiert in einem Bakterium der Gattung Escherichia, insbesondere der Spezies E. coli.
12. Nukleinsäuresequenz gemäß der Definition in Anspruch 5 c), d) oder e).
13. Expressionskassette umfassend eine Nukleinsäuresequenz gemäß Anspruch 12 unter der genetischen Kontrolle wenigstens einer regulativen Nukleinsäuresequenz.
14. Vektor, umfassend wenigstens eine Expressionskassette nach Anspruch 13.
15. Rekombinanter Mikroorganismus, der wenigstens eine Nukleinsäuresequenz gemäß Anspruch 12 oder wenigstens eine Expressionskassette nach Anspruch 13 trägt oder mit wenigstens einem Vektor nach Anspruch 14 transformiert ist.
16. Verfahren zur Herstellung einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei man einen Mikroorganismus nach Anspruch 15 kultiviert und die exprimierte 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase aus der Kultur isoliert.
17. Verfahren zur enzymatischen Oxidation von 12α-Hydroxysteroiden, wobei man das Hydroxysteroid in Gegenwart einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase gemäß der Definition in einem der Ansprüche 1 bis 11 umsetzt, und wenigstens ein gebildetes Oxi- dationsprodukt aus dem Reaktionsansatz gegebenenfalls isoliert.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Hydroxysteroid Cholsäure (CS) oder eine Cholsäurederivat, wie insbesondere ein Salz, Amid oder Alkylester, ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei CS oder ein Derivat davon zu 12- Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto-CDCS) oder zum entsprechenden Derivat umge- setzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Reaktion in Gegenwart von NAD(P)+ erfolgt.
21. Verfahren zur enzymatischen Reduktion von 12-Ketosteroiden, wobei man das Ketosteroid in Gegenwart einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase gemäß der Definition in einem der Ansprüche 1 bis 11 umsetzt, und ein gebildetes Reduktionsprodukt aus dem Reaktionsansatz gegebenenfalls isoliert.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei das Ketosteroid 12-Keto-CDCS oder ein Derivat davon, wie insbesondere ein Salz, Amid oder Alkylester, ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 und 22, wobei das Ketosteroid oder dessen Derivat zum korrespondierenden 12α-Hydroxysteroid oder dessen Derivat reduziert wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Reaktion in Gegen- wart von NAD(P)H erfolgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die verbrauchten Redox- Äquivalente elektrochemisch oder enzymatisch regeneriert werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, wobei die Reaktion mit einer 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase in immobiliserter Form erfolgt.
27. Bioreaktor, umfassend eine 12α-Hydroxysteroiddehydrogenase in immobilisierter Form.
28. Verfahren zum qualitativen oder quantitativen Nachweis von 12-Ketosteroiden bzw. 12α-Hydroxysteroiden, wobei man das Steroid einer durch eine 12α- Hydroxysteroiddehydrogenase nach einem der Ansprüche 1 bis 11 katalysierten Redox- reaktion in Gegenwart von Redoxäquivalenten durchführt, eine Änderung in der Kon- zentration der Redoxäquivalente bestimmt und daraus den Gehalt an 12-Ketosteroiden bzw. 12α-Hydroxysteroiden qualitativ oder quantitativ ermittelt.
29. Verfahren zur Herstellung von Ursodesoxycholsäure (UDCS) der Formel (1 ) worin
R für Alkyl, NR1R2, H, ein Alkalimetallion oder N(R3)4 +steht, worin die Reste R3 gleich oder verschieden sind und für H oder Alkyl stehen,
wobei man
a) eine Cholsäure (CS) der Formel (2)
worin R die oben angegebenen Bedeutungen besitzen, und die Reste Ra gleich oder verschieden sind und für H oder Acyl stehen, in Gegenwart einer 12α- Hydroxysteroiddehydrogenase nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur korrespondierenden 12-Ketochenodesoxycholsäure (12-Keto CDCS) der Formel (3)
worin R und Ra die oben angebebenen Bedeutungen besitzen, oxidiert und anschließend b) 12-Keto-CDCS der Formel (3) durch Desoxygenierung zu Chenodesoxycholsäure (CDCS) der Formel (4)
worin R und R3 die oben angebebenen Bedeutungen besitzen, umsetzt und
c) CDCS der Formel (4) in Position 7 chemisch oxidiert zur 7-Keto-Lithocholsäure (KLCS) der Formel (5)
worin R und R3 die oben angebebenen Bedeutungen besitzen; und
d) KLCS der Formel (5) reduziert und
e) das Reaktionsprodukt gegebenenfalls weiter aufreinigt.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei wenn R8 für Acyl steht, diese Acylgruppe nach Durchführung der Reaktionsstufe b) oder d) gegebenenfalls abspaltet.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, wobei Stufe a) in Gegenwart von NAD(P)+ erfolgt.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , wobei verbrauchtes NAD(P)+ elektrochemisch o- der enzymatisch regeneriert werden.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei Stufe a) mit einer 12α- Hydroxysteroiddehydrogenase in immobilisierter Form erfolgt.
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