WO2001059128A2 - Neues elongasegen und verfahren zur herstellung mehrfach ungesättigter fettsäuren - Google Patents

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WO2001059128A2
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Ulrich ZÄHRINGER
Jens Lerchl
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    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/64—Fats; Fatty oils; Ester-type waxes; Higher fatty acids, i.e. having at least seven carbon atoms in an unbroken chain bound to a carboxyl group; Oxidised oils or fats
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    • C12P7/6427—Polyunsaturated fatty acids [PUFA], i.e. having two or more double bonds in their backbone
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    • C12P7/6436—Fatty acid esters
    • C12P7/6445—Glycerides
    • C12P7/6472—Glycerides containing polyunsaturated fatty acid [PUFA] residues, i.e. having two or more double bonds in their backbone

Definitions

  • the invention relates to a new elongase gene with the sequences mentioned in sequence SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 or their homologues , Derivatives or analogs, a gene construct that contains these genes or their homologues, derivatives or analogs, and its use.
  • the invention relates to vectors or transgenic organisms which have an elongase gene with the sequence SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 or its homologs, derivatives or analogues.
  • the invention further relates to the use of the elongase gene sequences alone or in combination with further elongase and / or further fatty acid biosynthesis genes.
  • This invention relates to a new elongase gene with the sequence SEQ ID NO: 1 or its homologs, derivatives or analogs.
  • the invention further relates to a method for producing polyunsaturated fatty acids and a method for introducing DNA into organisms which produce large amounts of oils and in particular oils with a high content of unsaturated fatty acids. Furthermore, the invention relates to an oil and / or a fatty acid preparation with a higher content of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds and / or a triacylglycerol preparation with a higher content of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds.
  • Fine chemicals also include lipids and fatty acids, among which an exemplary class is the polyunsaturated fatty acids.
  • Polyunsaturated fatty acids ß olyunsaturated iLatty ücids, PUFAs
  • PUFAs have a positive influence on the cholesterol level in the blood of humans - and are therefore suitable for protection against cardiac Diseases.
  • Fine chemicals and polyunsaturated fatty acids can be isolated from animal sources such as fish or microorganisms. By growing these microorganisms, large quantities of one or more desired molecules can be produced and isolated.
  • microorganisms for the production of PUFAs are microorganisms such as Thraustochytria or Schizochytria strains, algae such as Phaeodactylum tricornutum or Crypthecodinium species, ciliates such as Stylonychia or Colpidium, fungi such as Mortierella, Entomophthora or Mucor.
  • Thraustochytria or Schizochytria strains such as Phaeodactylum tricornutum or Crypthecodinium species, ciliates such as Stylonychia or Colpidium, fungi such as Mortierella, Entomophthora or Mucor.
  • a number of mutant strains of the corresponding microorganisms have been developed which produce a number of desirable compounds, including PUFAs.
  • the selection of strains with improved production of a particular molecule is a time-consuming and difficult process.
  • Another disadvantage is that only a certain unsaturated fatty acids or only
  • the production of fine chemicals can suitably be carried out on a large scale through the production of plants designed to produce the above-mentioned PUFAs.
  • Plants that are particularly suitable for this purpose are oil-fruit plants which contain large amounts of lipid compounds, such as rapeseed, canola, flax, soybeans, sunflowers, borage and evening primrose.
  • lipid compounds such as rapeseed, canola, flax, soybeans, sunflowers, borage and evening primrose.
  • other crop plants containing oils or lipids and fatty acids are also well suited, as mentioned in the detailed description of this invention.
  • By means of conventional breeding a number of mutant plants have been developed which produce a spectrum of desirable lipids and fatty acids, cofactors and enzymes.
  • the invention provides new nucleic acid molecules which are suitable for the identification and isolation of elongase genes of PUFA bio-synthesis and for the modification of oils, fatty acids, lipids, compounds derived from lipids and most preferably for the production of polyunsaturated fatty acids.
  • fatty acid biosynthesis enzymes that enable the elongation of polyunsaturated fatty acids, preferably with two or more double bonds in the molecule.
  • the nucleic acid according to the invention code for enzymes which have this ability.
  • Microorganisms such as Phaeodactylum, Colpidium, Mortierella, Entomophthora, Mucor, Crypthecodinium and other algae and fungi and plants, in particular oil crops, are commonly used in industry to produce a large number of fine chemicals.
  • nucleic acid molecules according to the invention can be used for the genetic modification of these organisms so that they become better or more efficient producers of one or more fine chemicals, especially unsaturated fatty acids.
  • This improved production or efficiency of the production of a fine chemical can be brought about by a direct effect of the manipulation of a gene according to the invention or by an indirect effect of this manipulation.
  • ERA arachidonic acid
  • EPA eicosapentaenoic acid
  • DHA docosahexaenoic acid
  • Mosses contain PUFAs in membrane lipids while algae, algae-related organisms and some fungi also accumulate significant amounts of PUFAs in the triacylglycerol fraction.
  • nucleic acid molecules which are isolated from those strains which also accumulate PUFAs in the triacylglycerol fraction are particularly suitable for modifying the lipid and PUFA production system in a host, in particular in microorganisms, such as the microorganisms mentioned above, and plants, such as oil crop plants.
  • microorganisms such as the microorganisms mentioned above
  • plants such as oil crop plants.
  • nucleic acids from triacylglycerol-accumulating microorganisms can be used for the identification of such DNA sequences and enzymes in other species which are suitable for modifying the biosynthesis of precursor molecules of PUFAs in the corresponding organisms.
  • Microorganisms such as Crypthecodinium cohnii and Thraustochytrium species in particular are microorganisms that accumulate PUFAs such as ERA, EPA or DHA in triacylglycerols. Phaogenetically, Thraustochytria are also closely related to the Schizochytria strains.
  • sequence similarities can be determined to such an extent on the DNA sequence and in particular on the polypeptide level that DNA molecules are also evolutive in heterologous hybridization experiments, sequence comparisons and experiments using the polymerase chain reaction distant organisms are identifiable and isolatable and functionally characterizable.
  • consensus sequences can be derived that are suitable for heterologous viewing or for the functional complementation and prediction of gene functions in third types. The ability to do this
  • nucleic acid molecules can serve as reference sequences for mapping related genomes or for deriving PCR primers.
  • PSEs proteins that are referred to here as PUFA-specific elongases
  • PSEs can, for example, perform a function which is involved in the metabolism (e.g. in the biosynthesis or degradation) of compounds which are necessary for lipid or fatty acid synthesis, such as PUFAs, or in the transmembrane transport of one or more lipid / fatty acid compounds either into the or participate from the cell.
  • substrates of the enzyme activity according to the invention are taxolic acid; 7, 10, 13-hexadecatrienoic acid, 6, 9-octadecadienoic acid, linoleic acid, pinolenic acid, ⁇ - or ⁇ + linolenic acid or stearidonic acid as well as arachidonic acid, eicosatetraenoic acid, docosapentaenoic acid, eicosapentaenoic acid.
  • Preferred substrates are linoleic acid, ⁇ -linolenic acid and / or ⁇ -linolenic acid and arachidonic acid, eicosatetraenoic acid, docosapentaenoic acid, eicosapentaenoic acid.
  • Arachidonic acid, docosapentaenoic acid, eicosapentaenoic acid are particularly preferred.
  • Ci 6 or cis fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid can be extended by the enzymatic activity according to the invention in the form of the free fatty acid or in the form of the esters, such as phospholipids, glycolipids, sphingolipids, phosphoglycerides, monoacylglycerol, diacylglycerol or triacylglycerol ,
  • Conjugated linoleic acid "CLA” is of particular importance for human nutrition.
  • CLA means in particular fatty acids such as C18: 2 9 cis -utrns or the isomer C18: 2 ⁇ otrans, 12 eis. which can be desaturated or elongated in the body due to human enzyme systems and can contribute to health-promoting effects.
  • Elongases according to the invention can also be used to elongate such conjugated fatty acids with at least two double bonds in the molecule and thus to supply such health-promoting fatty acids to human nutrition.
  • Another example of conjugated fatty acids are alpha-parinic acid, eleostearic acid and calendulic acid.
  • the nucleic acids according to the invention can be used for the genetic engineering modification of a broad spectrum of plants, so that this becomes a better, more efficient or modified producer of one or more products derived from lipids, such as PUFAs .
  • This improved production or efficiency in the production of a product derived from lipids, such as PUFAs can be brought about by the direct effect of the manipulation or an indirect effect of this manipulation.
  • PSE gene or several PSE genes into an organism or a cell can not only increase the biosynthesis flow to the end product, but also increase the corresponding triacylglycerol composition or create it de novo.
  • the number or activity of other genes involved in the import of nutrients necessary for the biosynthesis of one or more fine chemicals can be increased, so that the concentration of these precursors, cofactors or interconnections within the cells or within the storage compartment, further increasing the ability of the cells to produce PUFAs, as described below.
  • Fatty acids and lipids are desirable even as fine chemicals; by optimizing the activity or increasing the number of one or more PSEs involved in the biosynthesis of these compounds, or by destroying the activity of one or more PSEs involved in the degradation of these compounds, the yield, production and / or to increase the efficiency of the production of fatty acid and lipid molecules from plants or microorganisms. ] ⁇ P )
  • the protein is a full-length protein which is essentially homologous in parts to an entire amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO : 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 (those of the one in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 is due to the open reading frame shown) and can be isolated in full with methods and experiments familiar to the person skilled in the art.
  • the isolated nucleic acid molecule is derived from Phytophthora infestans, Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii or Thraustochytrium and encodes a protein (eg a PSE fusion protein) that contains a biologically active domain that is at least about 50% or more homologous an amino acid sequence of the sequence SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 and the ability to metabolize to build up Compounds necessary for cell membranes of plants or to participate in the transport of molecules through these membranes, maintains or at least one of the elongation activities resulting in PUFAs such as ERA, EPA or DHA or their precursor molecules or one of the activities listed in Table 1, and also includes heterologous Nucleic acid sequences encoding a heterologous polypeptide or regulatory proteins.
  • a protein eg a PSE fusion protein
  • the isolated nucleic acid molecule is at least 15 nucleotides long and hybridizes under stringent conditions to a nucleic acid molecule which has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7 , SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11.
  • the isolated nucleic acid molecule preferably corresponds to a naturally occurring nucleic acid molecule. More preferably, the isolated nucleic acid molecule encodes naturally occurring Crypthecodinium, Phytophthora or Thraustochytrium PSE or a biologically active part thereof.
  • vectors e.g. recombinant expression vectors which contain at least one nucleic acid molecule according to the invention and host cells into which these vectors have been introduced, in particular microorganisms, plant cells, plant tissues, plant organs or whole plants.
  • a host cell can store fine chemical compounds, in particular PUFAs; the cells are harvested to isolate the desired compound.
  • the compound (oils, lipids, triacylglycerides, fatty acids) or the PSE can then from the medium or the host cell, which are cells in plants which contain or store fine chemicals, most preferably cells of storage tissues such as seed shells, tubers, epidermis and Sperm cells to be isolated.
  • Yet another aspect of the invention relates to a genetically modified plant, preferably an oil crop, as mentioned above, particularly preferably a rape, linseed or Physcomitrella patens plant into which a PSE gene has been introduced.
  • a genetically modified plant preferably an oil crop, as mentioned above, particularly preferably a rape, linseed or Physcomitrella patens plant into which a PSE gene has been introduced.
  • the genome of oilseed rape, linseed or Physcomitrella patens has been changed as a transgene by introducing a nucleic acid molecule according to the invention which encodes a wild-type or mutated PSE sequence.
  • an endogenous PSE gene in the genome of the donor organisms Physcomitrella patens, Phytophthora infestans, Crypthecodinium or Thraustochytrium has been changed, for example by homologous recombination with an altered PSE gene or mutagenesis and detection by means of DNA sequences, that is to say functionally destroyed.
  • the plant organism belongs to the genus Physcomitrella, Ceratodon, Funaria, rapeseed or flax, with Physcomitrella, rapeseed or flax being preferred.
  • Physcomitrella, rape or linseed is also used to produce a desired compound, such as lipids and fatty acids, with PUFAs being particularly preferred.
  • z 0 o P CQ tsi TJ Cß CQ 3 tr tr P. P- 0 CQ CQ t? ⁇ tr CQ _? tr ⁇ tr 3 o X CQ CQ Hi> P. 0 ISI J p. TJ g Z ⁇ td g td o P.
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  • the isolated PSE can comprise an amino acid sequence which is encoded by a nucleotide sequence which is linked to a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO : 9 and SEQ ID NO: 11 hybridized, e.g. hybridizes under stringent conditions, or at least about 50%, preferably at least about 60%, more preferably at least about 70%, 80% or 90% and even more preferably at least about 95%, 96%, 97%, 98%, 99% or more homologous to it. It is also preferred that the preferred PSE forms also have one of the PSE activities described herein.
  • the PSE polypeptide or a biologically active portion thereof can be operably linked to a non-PSE polypeptide to form a fusion protein.
  • this fusion protein has an activity that differs from that of the PSE alone.
  • this fusion protein participates in the metabolism of compounds which are necessary for the synthesis of lipids and fatty acids, cofactors and enzymes in microorganisms or plants, or in the transport of molecules across these membranes.
  • introducing this fusion protein into a host cell modulates the production of a desired compound by the cell.
  • these fusion proteins also contain ⁇ 4, ⁇ 5 or ⁇ 6, ⁇ 8, ⁇ 15, ⁇ 17 or ⁇ 19 desaturase activities, alone or in combination.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing a fine chemical.
  • This method includes either the cultivation of a suitable microorganism or the cultivation of plant cells, tissues, organs or whole plants, comprising the nucleotide sequences of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO : 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 or their homologues, derivatives or analogs or a gene construct which contains SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7 , SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 or their homologs, derivatives or analogs, or a vector comprising these sequences or the gene construct which brings about the expression of a PSE nucleic acid molecule according to the invention so that a fine chemical is produced.
  • the method further comprises the step of
  • the yields are modified.
  • the desired chemical is increased, and undesirable interfering compounds can be reduced.
  • the desired fine chemical is a lipid or a fatty acid, a cofactor or an enzyme.
  • the present invention provides PSE nucleic acids and protein molecules which are involved in the metabolism of lipids and fatty acids, PUFA cofactors and enzymes in the moss Physcomitrella patens, Phytophthora infestans, Crypthecodinium or Traustochytrium or in the transport of lipophilic compounds across membranes.
  • the compounds according to the invention can be used to modulate the production of fine chemicals from organisms, for example microorganisms such as ciliates, fungi, yeasts, bacteria, algae and / or plants such as corn, wheat, rye, oats, triticale, rice, barley, soybean, Peanut, cotton, Brassica species such as rapeseed, canola and turnip, pepper, sunflower, borage, evening primrose and tagetes, Solanaceae plants such as potato, tobacco, eggplant and tomato, Vicia species, pea, manioc, alfalfa, bush plants ( Coffee, cocoa, tea), salix species, trees (oil palm, coconut) and perennial grasses and forage crops, either directly (eg if the overexpression or optimization of a fatty acid biosynthesis protein has a direct influence on the yield, production and / or efficiency the production of the fatty acid from modified organisms) or can have an indirect effect, which nevertheless leads to an increase in the yield, production and / or efficiency Efficiency of the production
  • fine chemical is known in the art and encompasses molecules that have been produced by an organism and find applications in various industries, such as, but not limited to, the pharmaceutical, agricultural, food, and cosmetic industries. These compounds include lipids, fatty acids, cofactors and enzymes, etc. (as described, for example, in Kuninaka, A. (1996) Nucleotides and related compounds, pp. 561-612, in Biotechnology Vol. 6, Rehm et al., Eds., VCH : Weinheim and the references contained therein), lipids, saturated and unsaturated fatty acids (e.g. arachidonic acid), vitamins and cofactors (as described in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A27, Vitamins, pp.
  • PUFAs are not only simply incorporated into triacylglycerol, but also into membrane lipids.
  • Membrane synthesis is a well characterized process involving a number of components, including lipids as part of the bilayer membrane.
  • the production of new fatty acids, such as PUFAs, can therefore create new properties for membrane functions within a cell or an organism.
  • Cell membranes serve a variety of functions in a cell. First and foremost, a membrane separates the contents of a cell from its surroundings, thereby giving the cell integrity. Membranes can also serve as barriers to the inflow of dangerous or undesirable compounds and also to the outflow of desired compounds.
  • Lipid synthesis can be divided into two sections: the synthesis of fatty acids and their binding to sn-glycerol-3-phosphate and the addition or modification of a polar head group.
  • Common lipids used in membranes include phospholipids, glycolipids, sphingolipids and phosphoglycerides.
  • Fatty acid synthesis begins with the conversion of acetyl-CoA either into malonyl-CoA by acetyl-CoA-carboxylase or into acetyl-ACP by acetyltransacylase.
  • Precursors for PUFA biosynthesis are, for example, linoleic and linolenic acid. These cis-carbon fatty acids must be extended to C o or C in order to obtain fatty acids of the Eicosa and Docosa chain type. With the help of various desaturases, such as enzymes which have ⁇ 6-desaturase, ⁇ 5 and ⁇ 4-desaturase activity, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid and various other long-chain PUFAs can be obtained, extracted and for various purposes in food, feed, cosmetics or pharmaceutical applications are used.
  • the polyunsaturated Ci 6 or Cis or Crj fatty acids have to be extended by at least two carbon atoms by the enzyme activity of an elongase.
  • the nucleic acid sequences according to the invention encode first microbial elongases from typical PUFA in the triacylglycerol fraction-containing producers, who can extend Ci 6 or Cis or C 0 fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid by at least two carbon atoms, or do this sequentially, for example, by transferring one Ci 6 or cis fatty acid in a C 0 fatty acid and then a C 2 o ⁇ in a C or higher even numbered 2C atomic units containing fatty acid.
  • this enzyme activity leads to Crj fatty acids, and after two, three and four rounds of elongation to C, C 24 or C 6 fatty acids.
  • Longer PUFAs can also be synthesized with the elongase according to the invention.
  • the activity of the elongases according to the invention preferably leads to C 0 and / or C 2 fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule, Crj fatty acids preferably with three, four or five double bonds, particularly preferably three double bonds in the fatty acid molecule, C 22 fatty acids preferably with three, four, five or six double bonds, particularly preferably five or six double bonds in the fatty acid molecule.
  • Preferred substrates are linoleic acid, ⁇ -linolenic acid and / or ⁇ -linolenic acid or arachidonic acid, eicosatetraenoic acid or eicosapentaenoic acid.
  • Ci 6 or Cia or Cr_ fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid can by the inventive enzyme activity in the form of the free fatty acid or in the form of the esters, such as phospholipids, glycolipids, sphingolipids, phosphoglycerides, monoacylglycerol, diacylglycerol or triacylglycerol, be extended.
  • the inventive enzyme activity in the form of the free fatty acid or in the form of the esters, such as phospholipids, glycolipids, sphingolipids, phosphoglycerides, monoacylglycerol, diacylglycerol or triacylglycerol, be extended.
  • fatty acids have to be transported after various modifications and incorporated into the triacylglycerol storage lipid.
  • Another important step in lipid synthesis is the transfer of fatty acids to the
  • the present invention is based at least in part on the discovery of new molecules, referred to here as PSE nucleic acid and protein molecules, which have an effect on the production of cell membranes in Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii, Phytophthora infestans, Thraustochytrium and / or Ceratodon purpureus and, for example, affect the movement of molecules across these membranes.
  • the PSE molecules participate in the metabolism of compounds necessary for the construction of cell membranes in organisms, such as microorganisms and plants, or indirectly influence the transport of molecules across these membranes.
  • the activity of the PSE molecules according to the invention for regulating the production of membrane components and membrane transport has an effect on the production of the desired fine chemical by this organism.
  • the activity of the PSE molecules according to the invention is modulated so that the yield, production and / or efficiency of the production of the metabolic pathways of microorganisms or plants which regulate the PSEs according to the invention are modulated and the efficiency of the transport of Compounds through the membranes is changed, which modulates either directly or indirectly the yield, production and / or efficiency of production of a desired fine chemical by microorganisms and plants.
  • PSE or PSE polypeptide encompasses proteins which participate in the metabolism of compounds necessary for the construction of cell membranes in organisms, such as microorganisms and plants, or in the transport of molecules across these membranes.
  • PSES proteins which participate in the metabolism of compounds necessary for the construction of cell membranes in organisms, such as microorganisms and plants, or in the transport of molecules across these membranes.
  • PSES are disclosed in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 or their homologs, derivatives or analogs.
  • PSE or PSE nucleic acid sequence (s) encompass nucleic acid sequences that encode a PSE and in which a part can be a coding region and also corresponding 5 'and 3' untranslated sequence regions.
  • PSE genes are the sequences shown in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11.
  • the terms production or productivity are known in the art and include the concentration of the fermentation product (for example the desired fine chemical) that is formed in a certain time period and a certain fermentation volume (for example kg product per hour per liter).
  • the term production efficiency encompasses the time it takes to achieve a specific production quantity (eg how long it takes the cell to set up a specific flow rate of a fine chemical).
  • yield or product / carbon yield is known in the art and encompasses the efficiency of converting the carbon source to the product (ie the fine chemical).
  • biosynthesis or biosynthetic pathway are known in the art and encompass the synthesis of a compound, preferably an organic compound, by a cell from intermediate compounds, for example in a multi-step and highly regulated process.
  • degradation or degradation pathway are known in the art and include the cleavage of a compound, preferably an organic compound, by a cell into degradation products (more generally, smaller or less complex molecules), for example in a multi-step and highly regulated process.
  • metabolism is known in the art and encompasses all of the biochemical reactions that take place in an organism.
  • the metabolism of a certain compound eg the metabolism of a fatty acid
  • the metabolism of a certain compound then encompasses all of the biosynthetic, modification and degradation pathways of this compound in the cell which relate to this compound.
  • the PSE molecules according to the invention can modulate the production of a desired molecule, such as a fine chemical, in a microorganism or in plants.
  • a desired molecule such as a fine chemical
  • the number or activity of PSEs involved in the transport of fine chemical molecules involved within or out of the cell can be increased so that larger amounts of these compounds are transported across membranes from which they are more easily obtained and converted into one another.
  • fatty acids, triacylglycerols and / or lipids are themselves desirable fine chemicals; by optimizing the activity or increasing the number of one or more PSEs according to the invention, which are involved in the biosynthesis of these compounds, or by disrupting the activity of one or more PSEs, which are involved in the degradation of these compounds, the yield, production can be possible and / or to increase the efficiency of the production of fatty acid and lipid molecules from organisms, such as microorganisms or plants.
  • the mutagenesis of the PSE gene according to the invention can also produce PSEs with modified activities which indirectly influence the production of one or more desired fine chemicals from microorganisms or plants.
  • PSEs according to the invention involved in the export of waste products may have a greater number or higher activity so that the cell's normal metabolic waste (the amount of which may be increased due to the overproduction of the desired fine chemical) can be efficiently exported before it enters the molecules damage to the cell (which would reduce the cell's viability) or disrupt the fine chemical biosynthetic pathways (which would reduce the yield, production or efficiency in the production of a desired fine chemical).
  • the relatively large intracellular amounts of the desired fine chemical itself can also be toxic to the cell, so increasing the activity or number of transporters that can export these compounds from the cell can increase cell viability in culture, which in turn leads to a larger number of cells in the culture which produce the desired fine chemical.
  • the PSEs according to the invention can also be manipulated in such a way that the corresponding amounts of different lipid and fatty acid molecules are produced. This can have a significant impact on the lipid composition of the cell membrane. Since each type of lipid has different physical properties, changing the lipid composition of a membrane can significantly change the membrane fluidity.
  • Plant membranes impart specific properties such as tolerance to heat, cold, salt, dryness as well
  • the present invention also relates to proteins with an amino acid sequence which are essentially homologous to an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8,
  • a protein having an amino acid sequence that is substantially homologous to a selected amino acid sequence is at least about 50% homologous to the selected amino acid sequence, e.g. the entire selected amino acid sequence.
  • the amino acid sequence that is substantially homologous to a selected amino acid sequence can also be at least about 50 to 60%, preferably at least about 60 to 70% and more preferably at least about 70 to 80%, 80 to 90% or 90 to 95% and most preferably at least about 96%, 97%, 98%,
  • the PSE according to the invention or the biologically active part or the fragment thereof can take part in the metabolism of compounds necessary for the construction of cell membranes in microorganisms or plants or in the transport of molecules over these membranes or one or more of those for the elongation of Ci 6 or Ci ⁇ or C 0 PUFAs have required activities, so that C 2 o ⁇ , C - or C 4 PUFAs and related PUFAs are obtained.
  • One embodiment of the invention is isolated nucleic acids which originate from PUFA-producing microorganisms and code for polypeptides which extend C ⁇ 6 or C ⁇ 8 fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid by at least two carbon atoms or C 0 fatty acids with at least two doubles
  • Another embodiment according to the invention are isolated nucleic acids, comprising nucleotide sequences which code for polypeptides which are Ci ⁇ .
  • nucleic acid sequence which according to the degenerate genetic code of one of the SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: II sequences shown originates, or
  • nucleic acids according to the invention which act as Ci 6 "/ cis or Crj elongase, come from organisms, such as ciliates, fungi, algae, plants or dinoflagellates, which can synthesize PUFAs, preferably from plants or algae, particularly preferably from Genus Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium, Thraustochytrium or Schizochytrium and most preferably of Phytophthora infestans, Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii or Thraustochytrium sp., Schizochytrium sp. Or closely related organisms.
  • nucleic acid molecule as used here is intended to encompass DNA molecules (for example cDNA or genomic DNA) and RNA molecules (for example mRNA) as well as DNA or RNA analogs which are generated by means of nucleotide analogs. This term also includes the untranslated sequence located at the 3 'and 5' end of the coding gene region: at least about 100 nucleotides of the
  • Hj Hi P- Hi pi ⁇ 0 Hj 3 rr P- O ⁇ pi 3 tr P- P- P- P- ⁇ ! ⁇ P.
  • H P- ⁇ > ⁇ 0 ⁇ > ⁇ ; H 0 P ) P- ON ⁇ P 1 P 1 P- 1? P 3 0 ⁇ tr ⁇ P- ⁇ P- ti &
  • P- O P- p ⁇ Z Hh P- rr P- Hh P. ⁇ ⁇ P 1 ⁇ cn Hi vq ⁇ ! OO P- P- 0 0 P- Hj 0 ⁇ lO 0 P- 0 P- 0 td 0 ⁇ CQ ⁇ tu Hh
  • Pi O p ⁇ Pi ti P 1 cn ⁇ td P- P- td P- CQ rr ⁇ tsi 0 o 0 P- P 1 s P- o H Pi ⁇ Hh 0 Hj 3 ⁇ X 3
  • Parts of proteins which are encoded by the PSE nucleic acid molecules according to the invention are preferably biologically active parts of one of the PSEs.
  • the term 0 means "biologically active part of a PSE", a section, e.g. comprise a domain / a motif, a PSE, which can participate in the metabolism of compounds necessary for the construction of cell membranes in microorganisms or plants or in the transport of molecules across these membranes or has an activity given in Table 1.
  • a test of the enzymatic activity can be carried out.
  • Additional nucleic acid fragments which encode biologically active sections of a PSE can be isolated by isolating part of one of the sequences in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO.-12, express the encoded portion of the PSE or peptide (eg, by recombinant expression in vitro) and determine the activity of the encoded portion of the PSE or peptide 0.
  • the invention also includes nucleic acid molecules that differ from one of the SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5,
  • an isolated nucleic acid molecule according to the invention has a nucleotide sequence that contains a protein with a sequence of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 encoded amino acid sequence shown.
  • the nucleic acid molecule according to the invention encodes a full-length 5 PSE protein which forms an amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 (those of one in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID N0: 9 and SEQ ID NO: 11 is encoded) is essentially homologous and can be identified and isolated by conventional methods.
  • DNA Sequence polymorphisms that lead to changes in the amino acid sequences of the PSEs can exist within a population (for example the Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium or Thraustochytrium population). These genetic polymorphisms in the PSE gene can exist between individuals within a population due to natural variation.
  • the terms "gene” and “recombinant gene” mean nucleic acid molecules with an open reading frame that encodes a PSE, preferably a Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium or Thraustochytrium PSE. These natural variants usually cause a variance of 1 to 5% in the nucleotide sequence of the PSE gene. All and all of these nucleotide variations and the resulting amino acid polymorphisms in PSE, which are the result of natural variation and do not change the functional activity of PSEs, are intended to be included in the scope of the invention.
  • Nucleic acid molecules that correspond to the natural variants and not Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium or Thraustochytrium homologues, derivatives and analogues of Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium or Thraustochytrium cDNA can be used as the basis on this basis disclosed Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium or Thraustochytrium PSE nucleic acid using the Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium or Thraustochytrium cDNA or a part thereof as hybridization probe according to standard hybridization techniques are isolated under stringent hybridization conditions.
  • an isolated nucleic acid molecule according to the invention is at least 15 nucleotides long and hybridizes under stringent conditions with the nucleic acid molecule which has a nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11.
  • the nucleic acid is at least 25, 50, 100, 250 or more nucleotides in length.
  • hybridizes under stringent conditions is intended to describe hybridization and washing conditions under which nucleotide sequences which are at least 60% homologous to one another usually remain hybridized to one another.
  • the conditions are preferably such that sequences that are at least about 65%, more preferably at least about 70% and even more preferably at least about 75% or more homologous to one another, usually remaining hybridized to one another.
  • stringent conditions are known to the person skilled in the art and can be found in Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, NY (1989), 6.3.1-6.3.6.
  • hybridization conditions differ depending on the type of nucleic acid and, if organic solvents are present, for example, with regard to the temperature and the concentration of the buffer.
  • the temperature differs, for example, under "standard hybridization conditions” depending on the type of nucleic acid between 42 ° C and 58 ° C in an aqueous buffer with a concentration of 0.1 to 5 x SSC (pH 7.2). If organic solvent is present in the above buffer, for example 50% formamide, the temperature is about 42 ° C under standard conditions.
  • the hybridization conditions for DNA DNA hybrids are preferably, for example, 0.1 ⁇ SSC and 20 ° C. to 45 ° C., preferably between 30 ° C. and 45 ° C.
  • RNA hybrids are preferably, for example, 0.1 ⁇ SSC and 30 ° C. to 55 ° C., preferably between 45 ° C. and 55 ° C.
  • an isolated nucleic acid molecule according to the invention corresponds to a sequence of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 under stringent conditions hybridizes, a naturally occurring nucleic acid molecule.
  • a "naturally occurring" nucleic acid molecule refers to an RNA or DNA molecule with a nucleotide sequence that occurs in nature (eg encodes a natural protein).
  • the nucleic acid encodes a naturally occurring one
  • sequences are written for the purpose of optimal comparison with one another (for example, gaps can be inserted in the sequence of a protein or a nucleic acid in order to produce an optimal alignment with the other protein or the other nucleic acid).
  • the amino acid residues or nucleotides at the corresponding amino acid positions or nucleotide positions are then compared. If a position in a sequence (e.g.
  • one of the sequences of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 is indicated by the same amino acid residue or the same nucleotide as the corresponding site in the other sequence (for example a mutated form of the one from SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 and SEQ ID NO: 12 selected sequence), then the molecules at this position are homologous (ie amino acid or nucleic acid 'homology "as used here corresponds to amino acid or nucleic acid" identity ").
  • Mutations can be made into one of the sequences of SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 11 by standard techniques such as site specific mutagenesis and PCR mediated mutagenesis. Preferably, conservative amino acid substitutions are made on one or more of the predicted non-essential amino acid residues. With a "cons (fc.JJ to to HH 4
  • non-coding region refers to 5 'and 3' sequences that flank the coding region and are not translated into amino acids (i.e., which are also referred to as 5 'and 3' untranslated regions).
  • antisense nucleic acids according to the invention can be designed according to the rules of Watson-Crick base pairing.
  • the antisense nucleic acid molecule can be complementary to the entire coding region of PSE mRNA, but is more preferably an oligonucleotide that is only part of the coding or non-coding region of PSE mRNA "antisense".
  • the antisense oligonucleotide can e.g. be complementary to the region surrounding the translation start site of PSE mRNA.
  • An antisense oligonucleotide can e.g. about 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 or 50 and more nucleotides in length.
  • An antisense oligonucleotide is advantageously 15 to 25 nucleotides long.
  • An antisense nucleic acid of the invention can be constructed using chemical synthesis and enzymatic ligation reactions using methods known in the art.
  • An antisense nucleic acid e.g. an antisense oligonucleotide
  • nucleotides are chemically synthesized using naturally occurring nucleotides or variously modified nucleotides which are designed in such a way that they increase the biological stability of the molecules or increase the physical stability of the duplex formed between the antisense and sense nucleic acids, for example phosphorothioate Derivatives and acridine-substituted nucleotides can be used.
  • modified nucleotides that can be used to generate the antisense nucleic acid include 5-fluorouracil, 5-bromouracil, 5-chloro-uracil, 5-iodouracil, hypoxanthine, xanthine, 4-acetylcytosine, 5- (carboxyhydroxylmethyl) uracil, 5-carboxymethylaminomethyl-2-thiouridine, 5-carboxymethylaminomethyluracil, dihydrouracil Galactosylqueosine, inosine, N6-isopentenyladenine, 1-methyl-guanine, 1-methylinosine, 2, 2-dimethylguanine, 2-methyladenine, 2-methylguanine, 3-methylcytosine, 5-methylcytosine, N6-adenine,
  • Pi P. 0 03 0 Pi P- Pi 0 ⁇ ⁇ 0 HS 0 0 P- - 1 ⁇ tr 0 rr P- ⁇ Hj vq 03 X tr ⁇ ⁇ 0 P. rr P-
  • promoter from a legume are described, these promoters being suitable for dicotyledons.
  • the following promoters are suitable for example for monocotyledons lpt-2 or lpt-1 promoter made from barley (WO 95/15389 and WO 95/23230), hordein promoter made from barley and other suitable promoters described in WO 99/16890.
  • the gene construct can also comprise further genes which are to be introduced into the organisms. It is possible and advantageous to introduce and express regulatory genes, such as genes for inducers, repressors or enzymes, which intervene in the regulation of one or more genes of a biosynthetic pathway due to their enzyme activity. These genes can be of heterologous or homologous origin.
  • the inserted genes can have their own promoter or also under the control of the promoter of the sequence SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO : 11 or its homologs, derivatives or analogues.
  • the gene construct advantageously comprises further 3'- and / or 5'-terminal regulatory sequences for increasing expression, which are selected depending on the host organism chosen and the gene or genes for the optimal expression.
  • these regulatory sequences are intended to enable specific expression of the genes and protein expression. Depending on the host organism, this can mean, for example, that the gene is only expressed or overexpressed after induction or that it is immediately expressed and / or overexpressed.
  • the regulatory sequences or factors can also preferably have an advantageous effect on the expression of the genes introduced and thus increase them. In this way it is possible for the regulatory elements to be stronger using Transcription signals, such as promoters and / or enhancers, are advantageously amplified at the transcription level. However, it is still possible to enhance translation, for example by improving mRNA stability.
  • genes can be under separate regulation or under the same regulatory region as the genes of the elongase according to the invention.
  • These genes are, for example, other biosynthesis genes advantageously in fatty acid biosynthesis, which enable increased synthesis.
  • the desaturase genes are advantageously used in the nucleic acid construct. These genes can also be contained in one or more copies in the gene construct.
  • vectors preferably expression vectors, which contain a nucleic acid or a gene construct according to the invention which encode a PSE (or a part thereof).
  • vector refers to a nucleic acid molecule that can transport another nucleic acid to which it is attached.
  • plasmid which stands for a circular double-stranded DNA loop into which additional DNA segments can be ligated.
  • viral vector Another type of vector is a viral vector, whereby additional DNA segments can be ligated into the viral genome.
  • Certain vectors can replicate autonomously in a host cell into which they have been introduced (e.g. bacterial vectors with a bacterial origin of replication and episomal mammalian vectors).
  • vectors e.g. non-episomal mammalian vectors
  • vectors can control the expression of genes to which they are operably linked. These vectors are referred to here as "expression vectors”.
  • expression vectors suitable for recombinant DNA techniques are in the form of plasmids.
  • plasmid and vector can be used interchangeably because the plasmid is the most commonly used vector form.
  • the invention is intended to encompass these other expression vector forms, such as viral vectors (e.g., replication-deficient retroviruses, adenoviruses and adeno-related viruses), which perform similar functions.
  • viral vectors e.g., replication-deficient retroviruses, adenoviruses and adeno-related viruses
  • vector is also intended to include other vectors known to the person skilled in the art, such as phages, viruses such as SV40, CMV, baculovirus, adenovirus, transposons, IS elements, phas ide, phagemids, cosmids, linear or circular DNA and RNA.
  • the recombinant expression vectors according to the invention comprise a nucleic acid or a gene construct according to the invention in a form which is suitable for the expression of the nucleic acid in a host cell, which means that the recombinant expression vectors have one or more regulatory sequences selected on the basis of the expression host cells to be used, which is operably linked to the nucleic acid sequence to be expressed.
  • operably linked means that the nucleotide sequence of interest is related to the Regulatory sequence (s) is bound, that the expression of the nucleotide sequence is possible and they are bound to one another, so that both sequences fulfill the predicted function ascribed to the sequence (for example in an in vitro transcription / translation system or in a host cell when the vector is introduced into the host cell).
  • regulatory sequence is intended to encompass promoters, enhancers and other expression control elements (for example polyadenylation signals).
  • control nucleotide sequence in many host cell types and those that control the direct expression of the nucleotide sequence only in certain host cells under certain conditions.
  • the person skilled in the art knows that the design of the expression vector can depend on factors such as the selection of the host cell to be transformed, the extent of expression of the desired protein, etc.
  • the expression vectors of the invention can be introduced into host cells to thereby produce proteins or peptides, including fusion proteins or peptides, which are encoded by the nucleic acids as described here (e.g. PSEs, mutant forms of PSEs, fusion proteins, etc.).
  • the recombinant expression vectors according to the invention can be designed for the expression of PSEs in prokaryotic or eukaryotic cells.
  • PSE genes can be found in bacterial cells such as C. glutamicum, insect cells (using baculovirus expression vectors), yeast and other fungal cells [see Romanos, MA, et al. (1992) "Foreign gene expression in yeast: a review", Yeast 8: 423-488; van den Hondel, CAMJJ, et al. (1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi", in: More Gene Manipulations in Fungi, JW Bennet & LL Lasure, ed., Pp.
  • the fusion protein can be purified by affinity chromatography using glutathione-agarose resin. Recombinant PSE that is not fused to GST can be obtained by cleaving fusion protein 5 with thrombin.
  • Expression vectors include pTrc (Amann et al. (1988) Gene
  • Target gene expression from the pTrc vector is based on transcription by host RNA polymerase from one
  • Hybrid trp-lac fusion promoter The target gene expression from the pET lld vector is based on the transcription of a T7-gnl0-lac
  • T7 gnl a coexpressed viral RNA polymerase
  • This viral polymerase is provided by BL21 (DE3) or HMS174 (DE3) host strains from a resident ⁇ prophage harboring a T7 gnl gene under the transcriptional control of the lacUV 5 promoter.
  • vectors suitable in prokaryotic organisms are known to the person skilled in the art, these vectors are, for example, in E. coli pLG338, pACYC184, the pBR series, such as pBR322, the pUC series, such as pUC18 or pUC19, the M113mp series, pKC30, pRep4, pHSl, pHS2, 25 pP c236, pMBL24, pLG200, pUR290, pIN-III 113 -Bl, pgtll or pBdCI, in Streptomyces pIJlOl, pIJ364, pIJ702 or pIJ361, in Bacillus pUBllO, pC194 or pBDneba14, in PBDneba14, pBDn214, pBD2146, or PBDneba14.
  • TM Protein is the expression of the protein in a host bacterium whose ability to proteolytically cleave the recombinant protein is impaired [Gottesman, S., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 119-128] , Another strategy is to change the
  • nucleic acid sequence of the nucleic acid to be inserted into an expression vector so that the individual codons for each amino acid are those which are preferably used in a bacterium selected for expression, such as C. glutamicum [Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20 : 2111-2118]. This
  • nucleic acid sequences according to the invention are changed by standard DNA synthesis techniques.
  • the PSE expression vector is a yeast expression vector.
  • yeast expression vectors for expression ⁇ i 5 of the yeast S. cerevisiae include pYepSecl [Baldari et al n. (1987) Embo J. 6: 229-234], pMFa [Kurjan and Herskowitz (1982) Cell 30: 933-943], pJRY88 [Schultz et al. (1987) Gene 54: 113-123] and pYES2 [Invitrogen Corporation, San Diego, CA].
  • Vectors and methods of constructing vectors suitable for use in other fungi such as filamentous fungi include those described in detail in: van den Hondel, CAMJJ, & Punt, PJ (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of fungi, JF Peberdy et al., eds., pp. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge, or in: More Gene Manipulations in Fungi [JW Bennet & LL Lasure, 396-428: Academic Press: San Diego] Further suitable yeast vectors are, for example, pAG-1, YEp6, YEpl3 or pEMBLYe23.
  • the PSEs according to the invention can be expressed in insect cells using baculovirus expression vectors.
  • Baculovirus vectors available for expression of proteins in cultured insect cells include the pAc series [Smith et al. (1983) Mol. Cell Biol. 3: 2156-2165] and the pVL series [Lucklow and Summers (1989) Virology 170: 31-39].
  • a nucleic acid according to the invention is expressed in mammalian cells using a mammalian expression vector.
  • mammalian expression vectors include pCDM8 [Seed, B. (1987) Nature
  • control functions of the expression vector are often provided by viral regulatory elements. Promoters commonly used are e.g. from Polyoma, Adenovirus2, Cytomegalievirus and Simian Virus 40.
  • Promoters commonly used are e.g. from Polyoma, Adenovirus2, Cytomegalievirus and Simian Virus 40.
  • suitable expression systems for prokaryotic and eukaryotic cells see chapters 16 and 17 of Sambrook, J., Fritsch, EF, and Maniatis, T., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2 Edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
  • the recombinant mammalian expression vector can preferably control the expression of the nucleic acid in a specific cell type (for example, tissue-specific regulatory elements are used to express the nucleic acid). Tissue-specific regulatory elements are known in the art.
  • Pi rr 0 ⁇ 0 ⁇ P 1 er ⁇ P 0 O 0 tr ⁇ - O 0 rr ol vq Pi l Pi 03 3 X 0 • • N 3 1 pi rr tr 3 X 3 tr a ⁇ ⁇ P 1 ⁇ P 1 P- O 1 ⁇ 0 tr rr P 1 ⁇ P ⁇ P 1
  • a plant expression cassette preferably contains other functionally linked sequences, such as translation enhancers, for example the overdrive sequence, which contains the 5 'untranslated leader sequence from tobacco mosaic virus which contains the protein / RNA ratio increased, contains [Gallie 10 et al., 1987, Nucl. Acids Research 15: 8693-8711].
  • Plant gene expression must be operably linked to a suitable promoter that performs gene expression in a timely, cell or tissue specific manner.
  • Promoters which bring about constitutive expression are preferred [Benfey et al. , EMBO J-8 (1989) 2195-2202], such as those derived from plant viruses, such as 35S CAMV [Franck et al., Cell 21 (1980) 285-294], 19S CaMV (see also US 5,352,605 and WO 84 / 02913) or plant promoters, such as that in
  • Plant gene expression can also be facilitated via a chemically inducible promoter [see an overview in Gatz
  • Chemically inducible promoters are particularly suitable if it is desired that the gene expression be carried out in a time-specific manner. Examples of such promoters are a salicylic acid-inducible promoter (WO 95/19443), a tetracycline-inducible promoter (WO 95/19443), a tetracycline-inducible promoter (WO 95/19443), a tetracycline-inducible promoter (WO 95/19443), a tetracycline-inducible
  • Promoters that respond to biotic or abiotic stress conditions are also suitable promoters, for example 45 the pathogen-induced PRPl gene promoter [Ward et al. , Plans. Mol. Biol. 22 (1993) 361-366], the heat-inducible hsp80 promoter from tomato (US 5,187,267), the cold-inducible alpha td 03
  • Phagemids or attenuated viruses are present in which antisense nucleic acids are produced under the control of a highly effective regulatory region, the activity of which can be determined by the cell type into which the vector has been introduced.
  • a highly effective regulatory region the activity of which can be determined by the cell type into which the vector has been introduced.
  • host cell and “recombinant host cell” are used interchangeably here. Of course, these terms refer not only to the specific target cell, but also to the descendants or potential descendants of this cell. Because certain modifications may occur in successive generations due to mutation or environmental influences, these offspring are not necessarily identical to the parental cell, but are still within the scope of the term as used herein.
  • a host cell can be a prokaryotic or eukaryotic cell.
  • a PSE can be expressed in bacterial cells such as C. glutamicum, insect cells, fungal cells or mammalian cells (such as Chinese hamster ovary (CHO) or COS cells), algae, ciliates, plant cells, fungi or other microorganisms such as C. glutamicum become.
  • Other suitable host cells are known to the person skilled in the art.
  • Vector DNA can be introduced into prokaryotic or eukaryotic cells using conventional transformation or transfection techniques.
  • transformation and “transfection”, conjugation and transduction, as used here, are intended to mean a large number of methods known in the prior art for introducing foreign nucleic acid (eg DNA) into a host cell, including calcium phosphate or calcium chloride coprecipitation, DEAE-dextran-mediated transfection, lipofection, natural competence, chemically mediated transfer, electroporation or particle bombardment.
  • Suitable methods for transforming or transfecting host cells, including plant cells, can be found in Sambrook et al.
  • isolated PSEs and biologically active parts thereof.
  • An "isolated” or “purified” protein or a biologically active portion thereof is essentially free of cellular material when it is produced by recombinant DNA techniques, or of chemical precursors or other chemicals when it is chemically synthesized.
  • substantially free of cellular material encompasses PSE preparations in which the protein is separated from cellular components of the cells in which it is produced naturally or recombinantly.
  • the phrase "substantially free of cellular material” includes PSE preparations with less than about 30% (by dry weight) non-PSE (also referred to herein as "contaminating protein"), more preferably less than about 20% non-PSE, more preferably less than about 10% non-PSE, and most preferably less than about 5% non-PSE. If the PSE or a biologically active part thereof has been produced recombinantly, it is also essentially free of culture medium, i.e. the culture medium accounts for less than about 20%, more preferably less than about 10%, and most preferably less than about 5% of the volume of the protein preparation.
  • substantially free of chemical precursors or other chemicals includes PSE preparations in which the protein is separated from chemical precursors or other chemicals involved in the synthesis of the protein.
  • the term “substantially free of chemical precursors or other chemicals” includes PSE preparations with less than about 30% (by dry weight) chemical precursors or non-PSE chemicals, more preferably less than about 20% chemical precursors or non-PSE chemicals, more preferably less than about 10% chemical precursors or non-PSE chemicals, and most preferably less than about 5% chemical precursors or non-PSE chemicals.
  • isolated proteins or biologically active parts thereof have no contaminating proteins from the same organism from which the PSE originates.
  • the protein of the invention which is the sequence shown in SEQ ID NO: 10 or that of one
  • SEQ ID NO: 9 Gene encoding SEQ ID NO: 9 is encoded, however, it should be borne in mind that the sequence begins with two Met. This can lead to two derivatives of the protein according to the invention being expressed when a corresponding coding nucleic acid sequence is translated, starting at the first or second Met. The expression ratio between the two derivatives can vary between 0 and 1 depending on the type of expression or host organism. tsi cn 3 d Ul ⁇ 3 tr P. ⁇ Pi 03 CQ Pi 03 Hh ⁇ tr T 0 CQ 03 Hh

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein neus Elongasegen mit den in Sequenz SEQ ID NO:1, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5 und SEQ ID NO:7 genannten Sequenzen oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga, ein Genkonstrukt, das diese Gene oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga enthält, sowie seine Verwendung. Die Erfindung betrifft zudem Vektoren oder transgene Organismen, die ein Elongasegen mit der Sequenz SEQ ID NO:1, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5 und SEQ ID NO:7 oder seine Homologen, Derivate oder Analoga enthalten. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Elongasegensequenzen allein oder in Kombination mit weiteren Elongasen und/oder weiteren Fettsäure-Biosynthesegenen. Diese Erfindung betrifft ein neues Elongasegen mit der Sequenz SEQ ID NO:1 oder seine Homologa, Derivate oder Analoga. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mehrfach ungesättigter Fettsäuren sowie ein Verfahren zum Einbringen von DNA in Organismen, die grosse Mengen an Ölen und insbesondere Ölen mit hohem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren produzieren. Ausserdem betrifft die Erfindung ein Öl und/oder eine Fettsäure-Zubereitung mit höherem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen und/oder eine Triacylglycerin-Zubereitung mit höherem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen.

Description

Neues Elongasegen und Verfahren zur Herstellung mehrfach ungesättigter Fettsäuren
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein neue Elongasegene mit den in Sequenz SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 genannten Sequenzen oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga, ein Genkonstrukt, das diese Gene oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga enthält, sowie seine Verwendung. Die Erfindung betrifft zu dem Vektoren oder transgene Organismen, die ein Elongasegen mit der Sequenz SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 oder seine Homologen, Derivate oder Analoga enthalten. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Elongasegensequenzen allein oder in Kombination mit weiteren Elongasen und/oder weiteren Fettsäure-Biosynthesegenen. Diese Erfindung betrifft ein neues Elongasegen mit der Sequenz SEQ ID NR:1 oder seine Homologa, Derivate oder Analoga.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mehr- fach ungesättigter Fettsäuren sowie ein Verfahren zum Einbringen von DNA in Organismen, die große Mengen an Ölen und insbesondere Ölen mit hohem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren produzieren. Außerdem betrifft die Erfindung ein Öl und/oder eine Fettsäure- Zubereitung mit höherem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fett- säuren mit mindestens zwei Doppelbindungen und/oder eine Triacyl- glycerin-Zubereitung mit höherem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen.
Hintergrund der Erfindung
Bestimmte Produkte und Nebenprodukte natürlich vorkommender Stoffwechselprozesse in Zellen sind für ein breites Spektrum an Industrien, einschließlich der Futtermittel-, Nahrungsmittel-, Kosmetik- und pharmazeutischen Industrie, nützlich. Zu diesen gemeinsam als "Feinchemikalien" bezeichneten Molekülen gehören auch Lipide und Fettsäuren, unter denen eine beispielhafte Klasse die mehrfach ungesättigten Fettsäuren sind. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (ßolyunsaturated iLatty ücids, PUFAs) werden beispielsweise zu Nahrungsformulierungen für Kinder gegeben, um einen höheren Nährwert dieser Formulierungen zu erzeugen. PUFAs haben zum Beispiel einen positiven Einfluß auf den Cholesterinspiegel im Blut von Menschen- und eignen sich daher zum Schutz gegen Herz- krankheiten. Feinchemikalien und mehrfach ungesättigte Fettsäuren (aolyunsaturated jfatty acids, PUFAs) lassen sich aus tierischen Quellen, wie beispielsweise Fisch oder Mikroorganismen, isolieren. Durch Anzucht dieser Mikroorganismen lassen sich große Mengen eines oder mehrerer gewünschter Moleküle produzieren und isolieren.
Besonders geeignete Mikroorganismen zur Herstellung von PUFAs sind Mikroorganismen wie Thraustochytrien oder Schizochytrien- Stämme, Algen wie Phaeodactylum tricornutum oder Crypthecodinium- Arten, Ciliaten, wie Stylonychia oder Colpidium, Pilze, wie Mortierella, Entomophthora oder Mucor. Durch Stammselektion ist eine Anzahl von Mutantenstämmen der entsprechenden Mikroorganismen entwickelt worden, die eine Reihe wünschenswerter Ver- bindungen, einschließlich PUFAs, produzieren. Die Selektion von Stämmen mit verbesserter Produktion eines bestimmten Moleküls ist jedoch ein zeitraubendes und schwieriges Verfahren. Von Nachteil ist außerdem, daß sich mit einem definierten Mikroorganismus nur bestimmte ungesättigte Fettsäuren bzw. nur ein bestimmtes Fett- säurespektrum herstellbar ist.
Alternativ kann die Produktion von Feinchemikalien geeigneterweise über die Produktion von Pflanzen, die so entwickelt sind, daß sie die vorstehend genannten PUFAs herstellen, im großen Maßstab durchgeführt werden. Besonders gut für diesen Zweck geeignete Pflanzen sind Ölfruchtpflanzen, die große Mengen an Lipidverbindungen enthalten wie Raps, Canola, Lein, Soja, Sonnenblumen, Borretsch und Nachtkerze. Aber auch andere Nutzpflanzen, die Öle oder Lipide und Fettsäuren enthalten, sind gut geeignet, wie in der eingehenden Beschreibung dieser Erfindung erwähnt. Mittels herkömmlicher Züchtung sind eine Reihe von Mutantenpflanzen entwickelt worden, die ein Spektrum an wünschenswerten Lipiden und Fettsäuren, Cofaktoren und Enzymen produzieren. Die Selektion neuer Pflanzensorten mit verbesserter Produktion eines bestimmten Moleküls ist jedoch ein zeitaufwendiges und schwieriges Verfahren oder sogar unmöglich, wenn die Verbindung in der entsprechenden Pflanze nicht natürlich vorkommen, wie im Fall von mehrfach ungesättigten Co~Fettsäuren und C -Fettsäuren und solchen mit längeren Kohlenstoffketten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt neue Nukleinsäuremoleküle bereit, die zur Identifizierung und Isolierung von Elongasegenen der PUFA-Bio- Synthese geeignet sind und zur Modifikation von Ölen, Fettsäuren, Lipiden, von Lipiden stammenden Verbindungen und am stärksten bevorzugt zur Herstellung mehrfach ungesättigter Fettsäuren ver- wendet werden können, da nach wie vor ein großer Bedarf an neuen Genen, die für Enzyme codieren, die an der Biosynthese ungesättigter Fettsäuren beteiligt sind und es ermöglichen, diese in einem technischen Maßstab herzustellen, besteht. Insbesondere besteht ein Bedarf an Fettsäurebiosyntheseenzymen, die die Elongation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren bevorzugt mit zwei oder mehr Doppelbindungen im Molekül ermöglichen. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäure codieren für Enzyme, die diese Fähigkeit besitzen.
Mikroorganismen, wie Phaeodactylum, Colpidium, Mortierella, Ent- omophthora, Mucor, Crypthecodinium sowie andere Algen und Pilze und Pflanzen, insbesondere Ölfruchtpflanzen, werden gemeinhin in der Industrie zur Produktion einer Vielzahl von Feinchemikalien im großen Maßstab verwendet.
Unter der Voraussetzung der Verfügbarkeit von Klonierungs- vektoren und Techniken zur genetischen Manipulation der obengenannten Mikroorganismen und Ciliaten, wie in WO 98/01572 und WO 00/23604 offenbart, oder Algen und verwandten Organismen, wie Phaeodactylum tricornutum, beschrieben in Falciatore et al. [1999, Marine Biotechnology 1 (3) :239-251] ; sowie Dunahay et al. [1995, Genetic transformation of diatoms, J. Phycol. 31:10004-1012] und den Zitaten darin, können die erfindungs- gemäßen Nukleinsäuremoleküle zur gentechnologischen Veränderung dieser Organismen verwendet werden, so daß sie bessere oder effizientere Produzenten einer oder mehrerer Feinchemikalien speziell ungesättigter Fettsäuren werden. Diese verbesserte Produktion oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie kann durch eine direkte Wirkung der Manipulation eines erfindungsgemäßen Gens oder durch eine indirekte Wirkung dieser Manipulation hervorgerufen werden.
Moose und Algen sind die einzigen bekannten Pflanzensysteme, die erhebliche Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, wie Arachidonsäure (= ÄRA) und/oder Eicosapentaensäure (= EPA) und/oder Docosahexaensäure (= DHA) herstellen. Moose enthalten PUFAs in Membranlipiden während Algen, algenverwandte Organismen und einige Pilze auch nennenswerte Mengen an PUFAs in der Triacylglycerolfraktion akkumulieren. Daher eignen sich Nukleinsäuremoleküle, die aus solchen Stämmen isoliert werden, die PUFAs auch in der Triacylglycerolfraktion akkumulieren, besonders zur Modifikation des Lipid- und PUFA-Produktionssystems in einem Wirt, insbesondere in Mikroorganismen, wie den vorstehend erwähnten Mikroorganismen, und Pflanzen, wie Ölfruchtpflanzen, beispielsweise Raps, Canola, Lein, Soja, Sonnenblume, Borretsch, Rizinus, Ölpalme, Färbersaflor (Carthamus tinctorius) , Kokosnuß, Erdnuß oder Kakaobohne. Ferner können Nukleinsäuren aus Triacyl- glycerol-akkumulierenden Mikroorganismen zur Identifikation solcher DNA-Sequenzen und Enzyme in anderen Arten, die sich zur Modifikation der Biosynthese von Vorlaufermolekülen von PUFAs in den entsprechenden Organismen eignen, verwendet werden. Insbesondere Mikroorganismen wie Crypthecodinium cohnii und Thraustochytrium species sind Mikrooganismen, die PUFAs wie ÄRA, EPA oder DHA in Triacylglycerolen akkumulieren. Thraustochytrien sind phylogenetisch auch eng verwandt mit den Schizochytrien Stämmen. Obwohl diese Organismen nicht eng mit Moosen wie Physcomitrella verwandt sind, sind auf DNA-Sequenz- und insbesondere Polypeptid-Ebene Sequenzähnlichkeiten in einem solchen Maße feststellbar, daß DNA-Moleküle in heterologen Hybridi- sierungsexperimenten, Sequenzvergleichen und Experimenten unter Verwendung der Polymerasekettenreaktion auch aus evolutiv weit entfernten Organismen identifizierbar und isolierbar und funktioneil charakterisierbar sind. Insbesondere lassen sich KonsensusSequenzen ableiten, die sich zum heterologen Sichten oder zur funktioneilen Komplementierung und Vorhersage von Genfunktionen in dritten Arten eignet. Die Fähigkeit, diese
Funktionen zu identifizieren, z.B. die Vorhersage der Substrat- spezifität von Enzymen, kann daher von signifikanter Bedeutung sein. Ferner können diese Nukleinsäuremoleküle als Bezugs - Sequenzen zur Kartierung verwandter Genome oder zur Ableitung von PCR-Primern dienen.
Die neuen Nukleinsäuremoleküle codieren für Proteine, die hier als PUFA-spezifische Elongasen (= PSEs oder im Singular PSE) bezeichnet werden. Diese PSEs können beispielsweise eine Funktion ausüben, die am Stoffwechsel (z.B. an der Biosynthese oder am Abbau) von Verbindungen, die zur Lipid- oder Fettsäuresynthese notwendig sind, wie PUFAs, beteiligt sind oder am Transmembrantransport einer oder mehrerer Lipid-/Fettsäureverbindungen entweder in die oder aus der Zelle teilnehmen.
In dieser neuen Anmeldung wird die Isolierung solcher neuen Elongasegene eingehender dargestellt. Wir haben zum ersten Mal Elongasegene isoliert, die zur Produktion langkettiger mehrfach ungesättigter Fettsäuren, vorzugsweise mit mehr als achtzehn oder zwanzig Kohlenstoffatomen im Kohlenstoffgrundgerüst der Fettsäure und/oder mindestens zwei Doppelbindungen in der Kohlenstoffkette, geeignet sind und dabei aus typischen Organismen stammen, die hohe Mengen an PUFAs in der Triacylgycerolfraktion enthalten. Daher ist hierin im Singular von einem PSE-Gen oder -Protein die Rede bzw im Plural von PSE-Genen oder -Proteinen. Andere bekannte Patentanmeldungen und Publikationen offenbaren oder zeigen kein funktionell aktives PSE-Gen, obgleich es verschiedene bekannte
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mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, vorzugsweise mit vier, fünf oder sechs Doppelbindungen, besonders bevorzugt mit fünf oder sechs Doppelbindungen im Molekül. Nachdem die Verlängerung mit dem erfindungsgemäßen Enzym stattgefunden hat, können weitere Desaturierungsschritte erfolgen, um die hoch desaturierten Fettsäuren zu erhalten. Daher führen die Produkte der Elongaseaktivitäten und der möglichen weiteren Desaturierung zu bevorzugten PUFAs mit einem höheren Desaturierungsgrad, wie Docosadiensäure, Arachidonsäure, ω6-Eicosatriendihomo-γ-linolen- säure, Eicosapentaensäure, ω3-Eicosatriensäure, α>3-Eicosatetraen- säure, Docosapentaensäure oder Docosahexaensäure. Substrate der erfindungsgemäßen Enzymaktivität sind zum Beispiel Taxolsäure; 7, 10, 13-Hexadecatriensäure, 6, 9-Octadecadiensäure, Linolsäure, Pinolensäure, α-oder γ+Linolensäure oder Stearidonsäure sowie Arachidonsäure, Eicosatetraensäure, Docosapentaensäure, Eicosapentaensäure. Bevorzugte Substrate sind Linolsäure, γ-Linolen- säure und/oder α-Linolensäure sowie Arachidonsäure, Eicosatetraensäure, Docosapentaensäure, Eicosapentaensäure. Besonders bevorzugt sind Arachidonsäure, Docosapentaensäure, Eicosapentaen- säure. Die Ci6 oder Cis-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure können durch die erfindungsgemäße enzymatische Aktivität in Form der freien Fettsäure oder in Form der Ester, wie Phospholipide, Glycolipide, Sphingolipide, Phosphoglyceride, Monoacylglycerin, Diacylglycerin oder Triacyl- glycerin, verlängert werden.
Für die menschliche Ernährung ist konjugierte Linolsäure "CLA" von besonderer Bedeutung. Unter CLA versteht man insbesondere Fettsäuren wie C18:2 9 cis- utrns oder das Isomer C18:2 ιotrans, 12 eis. die aufgrund menschlicher Enzymsysteme nach Aufnahme im Körper desaturiert bzw. elongiert werden können und zu gesundheitsfördernden Effekten beitragen können. Mit erfindungsgemäßen Elongasen können auch solche konjugierten Fettsäuren mit wenigstens zwei Doppelbindungen im Molekül elongiert werden und damit solche gesundheitsfördernden Fettsäuren der menschlichen Ernährung zugeführt werden. Weitere Beispiel für konjugierte Fettsäuren sind alpha-Parinarsäure, Eleostearinsäure und Calendulasäure .
Unter der Voraussetzung von Klonierungsvektoren zur Verwendung in Pflanzen und bei der Pflanzentransformation, wie denjenigen, die veröffentlicht sind in und dort zitiert sind: Plant Molecular Biology and Biotechnology (CRC Press, Boca Raton, Florida) , Kapitel 6/7, S. 71-119 (1993); F.F. White, Vectors for Gene Transfer in Higher Plants; in: Transgenic Plants, Bd. 1, Engineering and Utilization, Hrsgb.: Kung und R. Wu, Academic Press, 1993, 15-38; B. Jenes et al., Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Bd. 1, Engineering and Utilization, Hrsgb.: Kung und R. Wu, Academic Press (1993), 128-143; Potrykus, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Molec. Biol. 42 (1991), 205-225) ) , lassen sich die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren zur gentechnologischen Veränderung eines breiten Spektrums an Pflanzen verwenden, so daß diese ein besserer, effizienterer oder veränderter Produzent eines oder mehrerer von Lipiden hergeleiteter Produkte, wie PUFAs, wird. Diese verbesserte Produktion oder Effizienz der Produktion eines von Lipiden hergeleiteten Produktes, wie PUFAs, kann durch direkte Wirkung der Manipulation oder eine indirekte Wirkung dieser Manipulation hervorgerufen werden.
Es gibt eine Reihe von Mechanismen, durch die die Veränderung eines erfindungsgemäßen PSE-Proteins die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einer Ölfruchtpflanze oder einem Mikroorganismus aufgrund eines veränderten Proteins direkt beeinflussen kann. Die Anzahl oder Aktivität des PSE-Proteins oder -Gens kann erhöht sein, so daß größere Mengen dieser Verbindungen de novo hergestellt werden, weil den Organismen diese Aktivität und Fähigkeit zur Biosynthese vor dem Einbringen des entsprechenden Gens fehlte. Auch die Verwendung verschiedener divergenter, d.h. auf DNA-Sequenzebene unterschiedlicher Sequenzen kann dabei vorteilhaft sein.
Das Einbringen eines PSE-Gens oder mehrerer PSE-Gene in einen Organismus oder eine Zelle kann nicht nur den Biosynthesefluß zum Endprodukt erhöhen, sondern auch die entsprechende Triacyl- glycerin-Zusammensetzung erhöhen oder de novo schaffen. Ebenso kann die Anzahl oder Aktivität anderer Gene, die am Import von Nährstoffen, die zur Biosynthese einer oder mehrerer Feinchemikalien (z.B. Fettsäuren, polaren und neutralen Lipiden) nötig sind, erhöht sein, so daß die Konzentration dieser Vorläufer, Cofaktoren oder Zwischenverbindungen innerhalb der Zellen oder innerhalb des Speicherkompartiments erhöht ist, wodurch die Fähigkeit der Zellen zur Produktion von PUFAs, wie im folgenden beschrieben, weiter gesteigert wird. Fettsäuren und Lipide sind selbst als Feinchemikalien wünschenswert; durch Optimierung der Aktivität oder Erhöhung der Anzahl einer oder mehrerer PSEs, die an der Biosynthese dieser Verbindungen beteiligt sind, oder durch Zerstören der Aktivität einer oder mehrerer PSEs, die am Abbau dieser Verbindungen beteiligt sind, kann es möglich sein, die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion von Fettsäure- und Lipidmolekülen aus Pflanzen oder Mikroorganismen zu steigern. ] φ P)
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zugt mindestens etwa 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % oder mehr homolog zu einer Aminosäuresequenz der Sequenz SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO:8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO: 12. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Protein ein Vollängen-Protein, das im wesentlichen in Teilen homolog zu einer gesamten Aminosäuresequenz der SEQ ID NO:2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO:8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO: 12 (die von dem in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 gezeigten offenen Leserahmen herrührt) ist und in Vollänge mit dem Fachmann geläufigen Methoden und Experimenten isolierbar ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform rührt das isolierte Nukleinsäuremolekül von Phytophthora infestans, Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii oder Thraustochytrium her und codiert ein Protein (z.B. ein PSE-Fusionsprotein) , das eine biologisch aktive Domäne enthält, die zu mindestens etwa 50 % oder mehr homolog zu einer Aminosäuresequenz der Sequenz SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO:8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO: 12 ist und die Fähigkeit, am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen von Pflanzen notwendigen Verbindungen oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teilzunehmen, beibehält oder zumindest eine der Elongationsaktivitäten resultierend in PUFAs wie ÄRA, EPA oder DHA oder deren Vorläufer- moleküle oder eine der in der Tabelle 1 aufgeführten Aktivitäten besitzt, und umfaßt auch heterologe Nukleinsäuresequenzen, die ein heterologes Polypeptid oder regulatorische Proteine codieren.
Tabelle 1: Fettsäuremuster von fünf transgenen Hefestämmen in
Mol.-%. Die Anteile der zugeführten und aufgenommenen g-Linolensäure sind durch fettgedruckte Zahlen hervorgehoben, die der verlängerten Produkte sind unterstrichen und die der verlängerten γ-Linolensäure durch fettgedruckte Zahlen (letzte Zeile) .
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Bei einer anderen Ausführungsform ist das isolierte Nukleinsäure- molekül mindestens 15 Nukleotide lang und hybridisiert unter stringenten Bedingungen an ein Nukleinsäuremolekül, das eine Nukleotidsequenz der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 enthält. Vorzugsweise entspricht das isolierte Nukleinsäuremolekül einem natürlich vorkommenden Nukleinsäuremolekül. Stärker bevorzugt codiert das isolierte Nukleinsäuremolekül natürlich vorkommende Crypthe- codinium-, Phytophthora- oder Thraustochytrium-PSE oder einen biologisch aktiven Teil davon.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Vektoren, z.B. rekombinante Expressionsvektoren, die mindestens ein erfindungs- gemäßes Nukleinsäuremolekül enthalten, und Wirtszellen, in die diese Vektoren eingebracht worden sind, insbesondere Mikroorganismen, Pflanzenzellen, Pflanzengewebe, -organe oder ganze Pflanzen. Bei einer Ausführungsform kann eine solche Wirtszelle Feinchemikalien-Verbindungen, insbesondere PUFAs, speichern; zur Isolation der gewünschten Verbindung werden die Zellen geerntet. Die Verbindung (Öle, Lipide, Triacylglyceride, Fettsäuren) oder die PSE können dann aus dem Medium oder der Wirtszelle, welche bei Pflanzen Zellen sind, die Feinchemikalien enthalten oder speichern, am stärksten bevorzugt Zellen von Speichergeweben, wie Samenhüllen, Knollen, Epidermis- und Samenzellen, isoliert werden.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine genetisch veränderte Pflanze, bevorzugt ein Ölfruchtpflanze, wie vorstehend erwähnt, besonders bevorzugt eine Raps-, Lein- oder Physcomitrella patens-Pflanze, in die ein PSE-Gen eingebracht worden ist. Bei einer Ausführungsform ist das Genom von Raps, Lein oder Physcomitrella patens durch Einbringen eines erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküls, das eine Wildtyp- oder mutierte PSE-Sequenz codiert, als Transgen verändert worden. Bei einer anderen A sführungsform ist ein endogenes PSE-Gen im Genom der SpenderOrganismen Physcomitrella patens, Phytophthora infestans, Crypthecodinium oder Thraustochytrium beispielsweise durch homologe Rekombination mit einem veränderten PSE-Gen oder Mutagenese und Detektion mittels DNA-Sequenzen verändert, das heißt funktioneil zerstört worden. Bei einer bevorzugten Aus- führungsform gehört der Pflanzenorganismus zur Gattung Physcomitrella, Ceratodon, Funaria, Raps oder Lein, wobei Physcomitrella, Raps oder Lein bevorzugt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Physcomitrella, Raps oder Lein auch zur Produktion einer gewünschten Verbindung, wie Lipiden und Fettsäuren, wobei PUFAs besonders bevorzugt sind, verwendet.
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- Ci8~ oder C o~Kohlenstoffketten mit Doppelbindungen an mindestens zwei Stellen erfolgt.
Alternativ kann die isolierte PSE eine Aminosäuresequenz um- fassen, die von einer Nukleotidsequenz codiert wird, die an eine Nukleotidsequenz der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 hybridisiert, z.B. unter stringenten Bedingungen hybridisiert, oder zu mindestens etwa 50 %, vorzugsweise mindestens etwa 60 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 70 %, 80 % oder 90 % und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 % oder mehr homolog dazu ist. Es ist ebenfalls bevorzugt, daß die bevorzugten PSE- Formen ebenfalls eine der hier beschriebenen PSE-Aktivitäten besitzen.
Das PSE-Polypeptid oder ein biologisch aktiver Teil davon kann funktionsfähig mit einem nicht-PSE-Polypeptid verbunden werden, so daß ein Fusionsprotein gebildet wird. Bei bevorzugten Aus- führungsformen hat dieses Fusionsprotein eine Aktivität, die sich von derjenigen der PSE allein unterscheidet. Bei anderen bevorzugten Ausführungsform nimmt dieses Fusionsprotein am Stoffwechsel von Verbindungen, die zur Synthese von Lipiden und Fettsäuren, Cofaktoren und Enzymen in Mikroorganismen oder Pflanzen notwendig sind, oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teil. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen moduliert das Einbringen dieses Fusionsproteins in eine Wirts - zelle die Produktion einer gewünschten Verbindung durch die Zelle. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten diese Fusionsproteine auch Δ4-, Δ5- oder Δ6 - , Δ8-, Δ15-, Δ17 - oder Δl9-Desaturase-Aktivitäten allein oder in Kombination.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feinchemikalie. Dieses Verfahren beinhaltet entweder die Züchtung eines geeigneten Mikroorganismus oder die Züchtung von Pflanzenzellen, -geweben, -organen oder ganzen Pflanzen, umfassend die erfindungsgemäßen Nukleotidsequenzen der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga oder ein Genkonstrukt, das die SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 oder ihre Homologen, Derivate oder Analoga umfaßt, oder einen Vektor, der diese Sequenzen oder das Genkonstrukt umfaßt, welches die Expression eines erfindungsgemäßen PSE-Nukleinsäuremoleküls herbeiführt, so daß eine Feinchemikalie produziert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren ferner den Schritt des
Gewinnens einer Zelle, die eine solche erfindungsgemäße Elongase- Nukleinsäuresequenz enthält, wobei eine Zelle mit einer Elongase-
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• eine die Polyadenylierung eines funktionell transkribierten Gens gewährleistende Sequenz enthält, funktionell verbunden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausbeuten modifiziert. Bei einer weiteren bevorzugten A sführungsform wird die gewünschte Chemikalie vermehrt, wobei unerwünschte störende Verbindungen vermindert werden können. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die gewünschte Feinchemikalie ein Lipid oder eine Fettsäure, ein Cofaktor oder ein Enzym. Bei besonders bevorzugten Ausführungsform ist diese Chemikalie eine mehrfach ungesättigte Fettsäure. Stärker bevorzugt ist sie ausgewählt aus Arachidonsäure (= ÄRA) , Eicosapentaensäure (= EPA) oder Docosahexaensäure (= DHA) .
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt PSE-Nukleinsäuren und -Proteinmoleküle bereit, die am Stoffwechsel von Lipiden und Fettsäuren, PUFA-Cofaktoren und Enzymen in dem Moos Physcomitrella patens, Phytophthora infestans, Crypthecodinium oder Traustochytrium oder am Transport lipophiler Verbindungen über Membranen beteiligt sind. Die erfindungsgemäßen Verbindungen lassen sich zur Modulation der Produktion von Feinchemikalien aus Organismen, beispielsweise Mikroorganismen, wie Ciliaten, Pilzen, Hefen, Bakterien, Algen, und/oder Pflanzen, wie Mais, Weizen, Roggen, Hafer, Triticale, Reis, Gerste, Sojabohne, Erdnuß, Baumwolle, Brassica-Arten, wie Raps, Canola und Rübsen, Pfeffer, Sonnenblume, Borretsch, Nachtkerze und Tagetes, Solanaceen-Pflanzen, wie Kartoffel, Tabak, Aubergine und Tomate, Vicia-Arten, Erbse, Maniok, Alfalfa, Buschpflanzen (Kaffee, Kakao, Tee) , Salix-Arten, Bäume (Ölpalme, Kokosnuß) und ausdauernden Gräsern und Futter- feldfrüchten, entweder direkt (z.B. wenn die Überexpression oder Optimierung eines Fettsäurebiosynthese-Proteins einen direkten Einfluß auf die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion der Fettsäure aus modifizierten Organismen hat) verwenden oder können eine indirekt Auswirkung haben, die dennoch zu einer Steigerung der Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Verbindung oder einer Abnahme unerwünschter Verbindungen führt (z.B. wenn die Modulation des Stoff - wechseis von Lipiden und Fettsäuren, Cofaktoren und Enzymen zu Veränderungen der Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion oder der Zusammensetzung der gewünschten Verbindungen innerhalb der Zellen führt, was wiederum die Produktion einer oder mehrerer Feinchemikalien beeinflussen kann) . Aspekte der Erfindung sind nachstehend weiter erläutert. I. Feiπchemikalien und PUFAs
Der Begriff "Feinchemikalie" ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt Moleküle, die durch einen Organismus produziert worden sind und Anwendungen in verschiedenen Industrien finden, wie, aber nicht beschränkt auf, die pharmazeutische, Landwirt- Schafts-, Nahrungsmittel- und Kosmetik-Industrie. Diese Verbindungen umfassen Lipide, Fettsäuren, Cofaktoren und Enzyme usw. (wie z.B. beschrieben in Kuninaka, A. (1996) Nucleotides and related compounds, S. 561-612, in Biotechnology Bd. 6, Rehm et al., Hrsgb., VCH: Weinheim und darin enthaltenen Literaturstellen) , Lipide, gesättigte und ungesättigte Fettsäuren (z.B. Arachidonsäure) , Vitamine und Cofaktoren (wie beschrieben in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. A27, Vitamins, S. 443-613 (1996) VCH: Weinheim und darin enthaltenen Literaturstellen; und Ong, A.S., Niki, E., & Packer, L. (1995) Nutrition, Lipids, Health and Disease Proceedings of the UNESCO/ Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for Free Radical Research - Asien, abgehalten am 1.-3. Sept. 1994 in Penang, Malaysia, AOCS
Press (1995)), Enzyme und sämtliche anderen von Gutcho (1983) in Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation, ISBN: 0818805086, und darin angegebenen Literaturstellen beschriebenen Chemikalien. Der Stoffwechsel und die Verwendungen bestimmter Feinchemikalien sind nachstehend weiter erläutert.
Die Kombination verschiedener Vorläufermoleküle und Biosynthese- enzyme führt zur Herstellung verschiedener Fettsäuremoleküle, was eine entscheidende Auswirkung auf die Zusammensetzung der Membran hat. Es kann angenommen werden, daß PUFAs nicht nur einfach in Triacylglycerin, sondern auch in Membranlipide eingebaut werden.
Die Synthese von Membranen ist ein gut charakterisierter Prozeß, an dem eine Anzahl von Komponenten, einschließlich Lipiden als Teil der Bilayer-Membran, beteiligt sind. Die Produktion neuer Fettsäuren, wie PUFAs, kann daher neue Eigenschaften von Membran- funktionen innerhalb einer Zelle oder eines Organismus erzeugen.
Zellmembranen dienen einer Vielzahl von Funktionen in einer Zelle. Zuerst und in erster Linie grenzt eine Membran den Inhalt einer Zelle von der Umgebung ab, wodurch sie der Zelle Integrität verleiht. Membranen können auch als Schranken gegenüber dem Einstrom gefährlicher oder unerwünschter Verbindungen und auch gegenüber dem Ausstrom gewünschter Verbindungen dienen. Detailliertere Beschreibungen und Beteiligungen von Membranen und die beteiligten Mechanismen siehe in: Bamberg, E., et al . (1993) Charge transport of ion pumps on lipid bilayer membranes, Q. Rev. Biophys. 26:1-25; Gennis, R.B. (1989) Pores, Channels and Transporters, in: Biomembranes , Molecular Structure and Function, Springer: Heidelberg, S. 270-322; und Nikaido, H., und Saier, H. (1992) Transport proteins in bacteria: common themes in their design, Science 258:936-942, und den in jeder dieser Literaturstellen enthaltenen Zitaten.
Die Lipidsynthese läßt sich in zwei Abschnitte unterteilen: die Synthese von Fettsäuren und ihre Bindung an sn-Glycerin-3- Phosphat sowie die Addition oder Modifikation einer polaren Kopfgruppe. Übliche Lipide, die in Membranen verwendet werden, umfassen Phospholipide, Glycolipide, Sphingolipide und Phospho- glyceride. Die Fettsäuresynthese beginnt mit der Umwandlung von Acetyl-CoA entweder in Malonyl-CoA durch die Acetyl-CoA-Carboxy- lase oder in Acetyl-ACP durch die Acetyltransacylase. Nach einer Kondensationsreaktion bilden diese beiden Produktmoleküle zusammen Acetoacetyl-ACP, das über eine Reihe von Kondensations-, Reduktions- und Dehydratisierungsreaktionen umgewandelt wird, so daß ein gesättigtes Fettsäuremolekül mit der gewünschten Kettenlänge erhalten wird. Die Produktion der ungesättigten Fettsäuren aus diesen Molekülen wird durch spezifische Desaturasen kataly- siert, und zwar entweder aerob mittels molekularem Sauerstoff oder anaerob (bezüglich der Fettsäuresynthese in Mikroorganismen siehe F.C. Neidhardt et al. (1996) E. coli und Salmonella. ASM Press: Washington, D.C., S. 612-636 und darin enthaltene Literaturstellen; Lengeier et al. (Hrsgb.) (1999) Biology of Procaryotes. Thieme: Stuttgart, New York, und die enthaltene Literaturstellen, sowie Magnuson, K. , et al. (1993) Micro- biological Reviews 57:522-542 und die enthaltenen Literaturstellen) .
Vorläufer für die PUFA-Biosynthese sind beispielsweise Linol- und Linolensäure. Diese Cis-Kohlenstoff-Fettsäuren müssen auf C o oder C verlängert werden, damit Fettsäuren vom Eicosa- und Docosa-Kettentyp erhalten werden. Mit Hilfe verschiedener Desaturasen, wie Enzymen, welche Δ6-Desaturase-, Δ5- und Δ4-Desaturaseaktivität aufweisen, können Arachidonsäure, Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure sowie verschiedene andere langkettige PUFAs erhalten, extrahiert und für verschiedene Zwecke bei Nahrungsmittel-, Futter-, Kosmetik- oder pharmazeutischen Anwendungen verwendet werden. Zur Herstellung langkettiger PUFAs müssen, wie oben erwähnt, die mehrfach ungesättigten Ci6 oder Cis- bzw Crj-Fettsäuren um mindestens zwei Kohlenstoffatome durch die Enzymaktivität einer Elongase verlängert werden. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- Sequenzen codieren erste mikrobielle Elongasen aus typischen PUFA in der Triacylglycerolfraktion enthaltenden Produzenten, die Ci6 oder Cis- bzw C 0-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure um mindestens zwei Kohlenstoffatome verlängern können oder dies z.B. sequentiell nacheinander durch Überführen einer Ci6 oder Cis-Fettsäure in eine C0-Fettsäure und dann eine C2o~ in eine C oder höhere geradzahlinge 2C-Atomeinheiten enthaltende Fettsäure überführt. Nach einer Elongationsrunde führt diese Enzymaktivität zu Crj-Fettsäuren, und nach zwei, drei und vier Elongationsrunden zu C -, C24- oder C6-Fettsäuren. Mit der erfindungsgemäßen Elongase können auch längere PUFAs synthetisiert werden. Die Aktivität der erfindungsgemäßen Elongasen führt vorzugsweise zu C0- und/oder C2-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, Crj-Fettsäuren vorzugsweise mit drei, vier oder fünf Doppelbindungen, besonders bevorzugt drei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, C22-Fettsäuren vorzugsweise mit drei, vier fünf oder sechs Doppelbindungen, besonders bevorzugt fünf oder sechs Doppelbindungen im Fettsäuremolekül. Nach der Elongation mit dem erfindungsgemäßen Enzym können weitere Desaturierungsschritte erfolgen. Daher führen die Produkte der Elongaseaktivitäten und der möglichen weiteren Desaturierung zu bevorzugten PUFAs mit höherem Desaturierungs- grad, wie Docosadiensäure, Arachidonsäure, ω6-Eicosatriendi- homo-γ-linolensäure, Eicosapentaensäure, ω3-Eicosatriensäure, ω3-Eicosatetraensäure, Docosapentaensäure oder Docosahexaensäure. Substrate dieser erfindungsgemäßen Enzymaktivität sind zum
Beispiel Taxolsäure, 7, 10, 13-Hexadecatriensäure, 6, 9-Octadeca- diensäure, Linolsäure, γ-Linolensäure, Pinolensäure, α-Linolen- säure, Arachidonsäure, Eicosapentaensäure oder Stearidonsäure. Bevorzugte Substrate sind Linolsäure, γ-Linolensäure und/oder α-Linolensäure bzw Arachidonsäure, Eicosatetraensäure oder Eicosapentaensäure. Die Ci6 oder Cia-oder Cr_-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure können durch die erfindungsgemäße Enzymaktivität in Form der freien Fettsäure oder in Form der Ester, wie Phospholipide, Glykolipide, Sphingolipide, Phosphoglyceride, Monoacylglycerin, Diacylglycerin oder Triacyl - glycerin, verlängert werden.
Ferner müssen Fettsäuren anschließend an verschiedene Modifikationen transportiert und in das Triacylglycerin- Speicherlipid eingebaut werden. Ein weiterer wichtiger Schritt bei der Lipidsynthese ist der Transfer von Fettsäuren auf die
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in Ulimann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Bd. A27, S. 443-613, VCH: Weinheim, 1996). Mehrfach ungesättigte Fettsäuren haben verschiedene Funktionen und gesundheitsfördernde Wirkungen, beispielsweise bei koronarer Herzerkrankung, Ent- zündungsmechanismen, Kinderernährung usw. Veröffentlichungen und Literaturstellen, einschließlich darin zitierter Literatur- stellen, siehe in: Simopoulos, 1999, Am. J. Clin. Nutr. 70 (3. Suppl. ) :560-569, Takahata et al . , Biosc. Biotechnol. Biochem. 1998, 62 (11) :2079-2085, Willich und Winther, 1995, Deutsche Medizinische Wochenschrift 120 (7) : 229ff .
II. Elemente und Verfahren der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht zumindest teilweise auf der Entdeckung neuer Moleküle, die hier als PSE-Nukleinsäure- und -Proteinmoleküle bezeichnet werden, welche eine Wirkung auf die Produktion von Zellmembranen in Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii, Phytophthora infestans, Thraustochytrium und/oder Ceratodon purpureus ausüben und beispielsweise die Bewegung von Molekülen über diese Membranen beeinflussen. Bei einer A sführungsform nehmen die PSE-Moleküle am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen in Organismen, wie Mikroorganismen und Pflanzen, notwendigen Verbindungen teil oder beeinflussen indirekt den Transport von Molekülen über diese Membranen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Aktivität der erfindungsgemäßen PSE-Moleküle zur Regulation der, Produktion von Membrankomponenten und des Membrantransports eine Auswirkung auf die Produktion der gewünschten Feinchemikalie durch diesen Organismus. Bei einer besonders bevorzugten Aus- führungsform ist die Aktivität der erfindungsgemäßen PSE-Moleküle moduliert, so daß die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion der Stoffwechselwege von Mikroorganismen oder Pflanzen, welche die erfindungsgemäßen PSEs regulieren, moduliert sind und die Effizienz des Transport von Verbindungen durch die Membranen verändert ist, was entweder direkt oder indirekt die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Feinchemikalie durch Mikroorganismen und Pflanzen moduliert.
Der Begriff PSE oder PSE-Polypeptid umfaßt Proteine, die am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen in Organismen, wie Mikroorganismen und Pflanzen, notwendigen Verbindungen oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teilnehmen. Beispiele für PSES Sind in der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 oder ihren Homologen, Derivaten oder Analoga offenbart. Die Begriffe PSE oder PSE-Nukleinsäuresequenz (en) umfassen Nukleinsäuresequenzen, die eine PSE codieren und bei denen ein Teil eine codierende Region und ebenfalls entsprechende 5'- und 3' -untranslatierte Sequenz - bereiche sein können. Beispiele für PSE-Gene sind die in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 dargestellten Sequenzen. Die Begriffe Produktion oder Produktivität sind im Fachgebiet bekannt und beinhalten die Konzentration des Fermentationsproduktes (zum Beispiel der gewünschten Feinchemikalie) , das in einer bestimmten Zeitspanne und einem bestimmten Fermentationsvolumen gebildet wird (z.B. kg Produkt pro Stunde pro Liter) . Der Begriff Effizienz der Produktion umfaßt die Zeit, die zur Erzielung einer bestimmten Produktionsmenge nötig ist (z.B. wie lange die Zelle zur Aufrichtung einer bestimmten Durchsatzrate einer Feinchemikalie benötigt) . Der Begriff Ausbeute oder Produkt/Kohlenstoff-Ausbeute ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt die Effizienz der Umwandlung der Kohlenstoff uelle in das Produkt (d.h. die Feinchemikalie) . Dies wird gewöhnlich beispielsweise ausgedrückt als kg Produkt pro kg Kohlenstoffquelle. Durch Erhöhen der Ausbeute oder Produktion der Verbindung wird die Menge der gewonnenen Moleküle oder der geeigneten gewonnenen Moleküle dieser Verbindung in einer bestimmten Kulturmenge über einen festgelegten Zeitraum erhöht. Die Begriffe Biosynthese oder Biosyntheseweg sind im Fachgebiet bekannt und umfassen die Synthese einer Verbindung, vorzugsweise einer organischen Verbindung, durch eine Zelle aus Zwischenverbindungen, beispielsweise in einem Mehrschritt- und stark regulierten Prozeß. Die Begriffe Abbau oder Abbauweg sind im Fachgebiet bekannt und umfassen die Spaltung einer Verbindung, vorzugsweise einer organischen Verbindung, durch eine Zelle in Abbauprodukte (allgemeiner gesagt, kleinere oder weniger komplexe Moleküle) beispielsweise in einem Mehrschritt- und stark regulierten Prozeß. Der Begriff Stoffwechsel ist im Fachgebiet bekannt und umfaßt die Gesamtheit der biochemischen Reaktionen, die in einem Organismus stattfinden. Der Stoffwechsel einer bestimmten Verbindung (z.B. der Stoffwechsel einer Fettsäure) umfaßt dann die Gesamtheit der Biosynthese-, Modifikations- und Abbauwege dieser Verbindung in der Zelle, die diese Verbindung betreffen.
Bei einer anderen Ausführungsform können die erfindungsgemäßen PSE-Moleküle die Produktion eines gewünschten Moleküls, wie einer Feinchemikalie, in einem Mikroorganismus oder in Pflanzen modulieren. Es gibt eine Reihe von Mechanismen, durch die die Veränderung einer erfindungsgemäßen PSR die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer Feinchemikalie aus einem Mikroorganismus- oder Pflanzenstamm, die dieses veränderte Protein enthalten, direkt beeinflussen kann. Die Anzahl oder Aktivität von PSEs, die am Transport von Feinchemikalienmolekülen innerhalb oder aus der Zelle beteiligt sind, kann erhöht werden, so daß größere Mengen dieser Verbindungen über Membranen transportiert werden, aus denen sie leichter gewonnen und ineinander umgewandelt werden. Ferner sind Fettsäuren, Triacylglycerine und/oder Lipide selbst wünschenswerte Feinchemikalien; durch Optimierung der Aktivität oder Steigern der Anzahl einer oder mehrerer erfindungsgemäßer PSEs, die an der Biosynthese dieser Verbindungen beteiligt sind, oder durch Stören der Aktivität einer oder mehrerer PSEs, die am Abbau dieser Verbindungen beteiligt sind, kann es möglich sein, die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion von Fettsäure- und Lipid- molekülen aus Organismen, wie Mikroorganismen oder Pflanzen, zu erhöhen.
Die Mutagenese des erfindungsgemäßen PSE-Gens kann auch PSEs mit veränderten Aktivitäten hervorbringen, welche die Produktion einer oder mehrerer gewünschter Feinchemikalien aus Mikroorganismen oder Pflanzen indirekt beeinflussen. Beispielsweise können erfindungsgemäße PSEs, die am Export von Abfallprodukten beteiligt sind, eine größere Anzahl oder höhere Aktivität aufweisen, so daß die normalen Stoffwechselabfälle der Zelle (deren Menge möglicherweise aufgrund der Überproduktion der gewünschten Feinchemikalie erhöht ist) effizient exportiert werden, bevor sie die Moleküle in der Zelle schädigen können (was die Lebens - fahigkeit der Zelle herabsetzen würde) oder die Feinchemikalien- Biosynthesewege stören können (was die Ausbeute, Produktion oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Feinchemikalie senken würde) . Die relativ großen intrazellulären Mengen der gewünschten Feinchemikalie selbst können ferner für die Zelle toxisch sein, so daß man durch Steigern der Aktivität oder Anzahl von Transportern, die diese Verbindungen aus der Zelle exportieren können, die Lebensf higkeit der Zelle in Kultur steigern kann, was wiederum zu einer größeren Anzahl an Zellen in der Kultur führt, welche die gewünschte Feinchemikalie produzieren. Die erfindungs- gemäßen PSEs können auch so manipuliert werden, daß die entsprechenden Mengen unterschiedlicher Lipid- und Fettsäuremoleküle produziert werden. Dies kann eine erhebliche Auswirkung auf die Lipidzusammensetzung der Zellmembran haben. Da jeder Lipidtyp unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist, kann eine Veränderung der Lipidzusammensetzung einer Membran die Membran- fluidität signifikant verändern. Änderungen der Membranfluidität können den Transport von Molekülen über die Membran sowie die Integrität der Zelle beeinflussen, was jeweils eine erhebliche Auswirkung auf die Produktion von Feinchemikalien aus Mikro- Organismen und Pflanzen in Fermentationskultur im großen Maßstab hat. Pflanzenmembranen verleihen spezifische Eigenschaften, wie Toleranz gegenüber Wärme, Kälte, Salz, Trockenheit sowie
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Tabelle 2
10
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch Proteine mit einer Aminosäuresequenz, die im wesentlichen homolog zu einer Aminosäure- Sequenz der SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8,
15 SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12 ist. Wie hier verwendet, ist ein Protein mit einer Aminosäuresequenz, die im wesentlichen homolog zu einer ausgewählten Aminosäuresequenz ist, zu mindestens etwa 50 % homolog zu der ausgewählten Aminosäuresequenz, z.B. der gesamten ausgewählten Aminosäuresequenz. Ein Protein mit einer
20 Aminosäuresequenz, die im wesentlichen homolog zu einer ausgewählten Aminosäuresequenz ist, kann auch zu mindestens etwa 50 bis 60 %, vorzugsweise mindestens etwa 60 bis 70 % und stärker bevorzugt mindestens etwa 70 bis 80 %, 80 bis 90 % oder 90 bis 95 % und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 96 %, 97 %, 98 %,
25 99 % oder mehr homolog zu einer ausgewählten Aminosäuresequenz sein.
Die erfindungsgemäße PSE oder der biologisch aktive Teil oder das Fragment davon kann am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen in Mikroorganismen oder Pflanzen notwendigen 30 Verbindungen oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teilnehmen oder eine oder mehrere der zur Elongation von Ci6 oder Ciβ-bzw C 0-PUFAs benötigten Aktivitäten besitzen, so daß C2o~, C - oder C4-PUFAs sowie verwandte PUFAs erhalten werden.
35 verschiedene Aspekte der Erfindung sind eingehender in den folgenden Unterabschnitten beschrieben.
A. Isolierte Nukleinsäuremoleküle
40 Eine Ausführungsform der Erfindung sind isolierte Nukleinsäuren, die von PUFA produzierenden Mikroorganismen stammen und für Poly- peptide codieren, die Cχ6 oder Cι8-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure um mindestens zwei Kohlenstoff - atome verlängern oder C0-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppel -
45 bindungen in der Fettsäure um mindestens zwei Kohlenstoffatome verlängern. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sind isolierte Nukleinsäuren, umfassend Nukleotidsequenzen, die für Polypeptide codieren, die Ciß. Cia- oder Co~Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure verlängern und ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus
a) den in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 dargestellten Nukleinsäurese- quenzen,
b) einer Nukleinsäuresequenz, die gemäß dem degenerierten genetischen Code von einer der in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO:ll dargestellten Sequenzen stammt, oder
c) Derivate der in 7SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 dargestellten Sequenz, die für Polypeptide der in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12 dargestellten Aminosäuresequenz codieren und mindestens
50 % Homologie auf Aminosäureebene aufweisen, ohne daß die enzymatische Wirkung der Polypeptide wesentlich reduziert ist.
Die oben genannten erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, die als Ci6"/ Cis- oder Crj-Elongase wirken, stammen von Organismen, wie Ciliaten, Pilzen, Algen, Pflanzen oder Dinoflagellaten, die PUFAs synthetisieren können, vorzugsweise von Pflanzen oder Algen, besonders bevorzugt aus der Gattung Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium, Thraustochytrium oder Schizo- chytrium und am stärksten bevorzugt von Phytophthora infestans, Physcomitrella patens, Crypthecodinium cohnii oder Thraustochytrium sp. , Schizochytrium sp. oder nah verwandten Organismen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft isolierte Nukleinsäuremoleküle, die PSE-Polypeptide oder biologisch aktive Teile davon codieren, sowie Nukleinsäurefragmente, die zur Verwendung als Hybridisierungssonden oder Primer zur Identifizierung oder Ampli- fizierung einer PSE-codierenden Nukleinsäure (z.B. PSE-DNA) aus- reichen. Der Begriff "Nukleinsäuremolekül", wie hier verwendet, soll DNA-Moleküle (z.B. cDNA oder genomische DNA) und RNA-Mole- küle (z.B. mRNA) sowie DNA- oder RNA-Analoga, die mittels Nukleo- tidanaloga erzeugt werden, umfassen. Dieser Begriff umfaßt zudem die am 3'- und am 5 '-Ende des codierenden Genbereichs gelegene untranslatierte Sequenz: mindestens etwa 100 Nukleotide der
Sequenz stromaufwärts des 5 '-Endes des codierenden Bereichs und mindestens etwa 20 Nukleotide der Sequenz stromabwärts des
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Programm PileUp (J. Mol. Evolution., 25, 351-360, 1987, Higgins et al., CABIOS, 5, 1989:151-153) oder BESTFIT oder GAP bestimmt (Henikoff , S. and Henikoff , J. G. (1992) . Amino acid Substitution matrices from protein blocks . Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89: 5 10915-10919.)
Teile von Proteinen, die von den erfindungsgemäßen PSE-Nuklein- säuremolekülen codiert werden, sind vorzugsweise biologisch aktive Teile einer der PSEs. ie hier verwendet, soll der Begriff 0 "biologisch aktiver Teil einer PSE", einen Abschnitt, z.B. eine Domäne/ein Motiv, einer PSE umfassen, der am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen in Mikroorganismen oder Pflanzen notwendigen Verbindungen oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teilnehmen kann oder eine in Tabelle 1 ange- 5 gebene Aktivität aufweist. Zur Bestimmung, ob eine PSE oder ein biologisch aktiver Teil davon am Stoffwechsel von zum Aufbau von Zellmembranen in Mikroorganismen oder Pflanzen notwendigen Verbindungen oder am Transport von Molekülen über diese Membranen teilnehmen kann, kann ein Test der enzymatischen Aktivität durch- 0 geführt werden. Diese Testverfahren, wie eingehend in Beispiel 8 des Beispielteils beschrieben, sind dem Fachmann geläufig.
Zusätzliche Nukleinsäurefragmente, die biologisch aktive Abschnitte einer PSE codieren, lassen sich durch Isolierung 5 eines Teils einer der Sequenzen in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO:8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO.-12, Exprimieren des codierten Abschnitt der PSE oder des Peptids (z.B. durch rekombinante Expression in vitro) und Bestimmen der Aktivität des codierten Teils der PSE oder des Peptids 0 herstellen.
Die Erfindung umfaßt zudem Nukleinsäuremoleküle, die sich von einer der in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5,
SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 gezeigten Nukleotid- 5 Sequenzen (und Teilen davon) aufgrund des degenerierten genetischen Codes unterscheiden und somit die gleiche PSE codieren wie diejenige, die von den in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 gezeigten Nukleotidsequenzen codiert wird. Bei einer anderen Ausführungsform hat ein 0 erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül eine Nukleotidsequenz, die ein Protein mit einer in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12 gezeigten Aminosäuresequenz codiert. Bei einer weiteren Ausführungsform codiert das erfindungsgemäße Nukleinsäuremolekül ein Vollängen- 5 PSE-Protein, das zu einer Aminosäuresequenz der SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO : 8 , SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO: 12 (die von einem in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID N0:9 und SEQ ID NO: 11 gezeigten offenen Leseraster codiert wird) im wesentlichen homolog ist und durch gängige Methoden identifizierbar und isolierbar ist.
Zusätzlich zu den in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 gezeigten PSE- Nukleotidsequenzen erkennt der Fachmann, daß DNA-Sequenzpoly- morphismen, die zu Änderungen in den Aminosäuresequenzen der PSEs führen, innerhalb einer Population (z.B. der Physcomitrella- Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium-Population) existieren können. Diese genetischen Polymorphismen im PSE-Gen können zwischen Individuen innerhalb einer Population aufgrund von natürlicher Variation existieren. Wie hier verwendet, bedeuten die Begriffe "Gen" und "rekombinantes Gen" Nukleinsäure- moleküle mit einem offenen Leserahmen, der eine PSE, vorzugsweise eine Phytophthora, Physcomitrella, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -PSE, codiert. Diese natürlichen Varianten bewirken üblicherweise eine Varianz von 1 bis 5 % in der Nukleotidsequenz des PSE-Gens. Sämtliche und alle dieser Nukleotid- Variationen und daraus resultierende Aminosäurepolymorphismen in PSE, die das Ergebnis natürlicher Variation sind und die funktioneile Aktivität von PSEs nicht verändern, sollen im Umfang der Erfindung enthalten sein.
Nukleinsäuremoleküle, die den natürlichen Varianten entsprechen, und nicht Physcomitrella-, Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -Homologen, -Derivate und -Analoga der Phytophthora-, Physcomitrella-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -cDNA können auf der Grundlage ihrer Homologie zu der hier offenbarten Phytophthora-, Physcomitrella-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -PSE-Nukleinsäure unter Verwendung der Physcomitrella-, Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thrausto- chytrium-cDNA oder eines Teils davon als Hybridisierungssonde gemäß Standard-Hybridisierungstechniken unter stringenten Hybridisierungsbedingungen isoliert werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül mindestens 15 Nukleotide lang und hybridisiert unter stringenten Bedingungen mit dem Nukleinsäuremolekül, das eine Nukleotidsequenz der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 umfaßt. Bei anderen Ausführungsformen ist die Nukleinsäure mindestens 25, 50, 100, 250 oder mehr Nukleotide lang. Der Begriff "hybridisiert unter stringenten Bedingungen", wie hier verwendet, soll Hybridisierungs- und Waschbedingungen beschreiben, unter denen Nukleotidsequenzen, die mindestens 60 % homolog zueinander sind, gewöhnlich aneinander hybridisiert bleiben. Die Bedingungen sind vorzugsweise derart, daß Sequenzen, die mindestens etwa 65 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 70 % und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % oder stärker zueinander homolog sind, gewöhnlich aneinander hybridisiert bleiben. Diese stringenten Bedingungen sind dem Fachmann bekannt und lassen sich in Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, N. Y. (1989), 6.3.1-6.3.6., finden. Ein bevorzugtes, nicht einschränkendes Beispiel für stringente Hybridisierungsbedingungen sind Hybridisierungen in 6 x Natriumchlorid/Natriumcitrat (s dium Chloride/ spdium.c.iträte = SSC) bei etwa 45°C, gefolgt von einem oder mehreren Waschschritten in 0,2 x SSC, 0,1 % SDS bei 50 bis 65°C. Dem Fachmann ist bekannt, daß diese Hybridisierungsbedingungen sich je nach dem Typ der Nukleinsäure und, wenn beispielsweise organische Lösungsmittel vorliegen, hinsichtlich der Temperatur und der Konzentration des Puffers unterscheiden. Die Temperatur unterscheidet sich beispielsweise unter "Standard-Hybridi- sierungsbedingungen" je nach dem Typ der Nukleinsäure zwischen 42°C und 58°C in wäßrigem Puffer mit einer Konzentration von 0,1 bis 5 x SSC (pH 7,2) . Falls organisches Lösungsmittel im obengenannten Puffer vorliegt, zum Beispiel 50 % Formamid, ist die Temperatur unter Standardbedingungen etwa 42°C. Vorzugsweise sind die Hybridisierungsbedingungen für DNA:DNA-Hybride zum Beispiel 0,1 x SSC und 20°C bis 45°C, vorzugsweise zwischen 30°C und 45°C. Vorzugsweise sind die Hybridisierungsbedingungen für DNA:RNA- Hybride zum Beispiel 0,1 x SSC und 30°C bis 55°C, vorzugsweise zwischen 45°C und 55°C. Die vorstehend genannten Hybridisierungs - temperaturen sind beispielsweise für eine Nukleinsäure mit etwa 100 bp (= Basenpaare) Länge und einem G + C-Gehalt von 50 % in Abwesenheit von Formamid bestimmt. Der Fachmann weiß, wie die erforderlichen Hybridisierungsbedingungen anhand von Lehrbüchern, wie dem vorstehend erwähnten oder aus den folgenden Lehrbüchern Sambrook et al., "Molecular Cloning" , Cold Spring Harbor Laboratory, 1989; Harnes und Higgins (Hrsgb.) 1985, "Nucleic Acids Hybridization: A Practical Approach" , IRL Press at Oxford University Press, Oxford; Brown (Hrsgb.) 1991, "Essential Molecular Biology: A Practical Approach", IRL Press at Oxford University Press, Oxford, bestimmt werden können.
Vorzugsweise entspricht ein erfindungsgemäßes isoliertes Nukleinsäuremolekül, das unter stringenten Bedingungen an eine Sequenz der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 hybridisiert, einem natürlich vorkommenden Nukleinsäuremolekül. Wie hier verwendet, betrifft ein "natürlich vorkommendes" Nukleinsäuremolekül ein RNA- oder DNA- Molekül mit einer Nukleotidsequenz, die in der Natur vorkommt (z.B. ein natürliches Protein codiert). Bei einer Ausführungsform codiert die Nukleinsäure eine natürliche vorkommende
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etwa 70 bis 80 %, 80 bis 90 %, 90 bis 95 % homolog zu einer der Sequenzen in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO:12 und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 96 %, 97 %, 98 % oder 99 % homolog zu einer der Sequenzen in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12.
Zur Bestimmung der prozentualen Homologie von zwei Aminosäuresequenzen (z.B. einer der Sequenzen der SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO:6, SEQ ID NO:8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO:12 und einer mutierten Form davon) oder von zwei Nukleinsäuren werden die Sequenzen zum Zweck des optimalen Vergleichs untereinander geschrieben (z.B. können Lücken in die Sequenz eines Proteins oder einer Nukleinsäure eingefügt werden, um ein optimales Alignment mit dem anderen Protein oder der anderen Nukleinsäure zu erzeugen) . Die Aminosäurereste oder Nukleotide an den entsprechenden Aminosäurepositionen oder Nukleotidpositionen werden dann verglichen. Wenn eine Position in einer Sequenz (z.B. einer der Sequenzen der SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12) durch den gleichen Aminosäurerest oder das gleiche Nukleotid wie die entsprechende Stelle in der anderen Sequenz (z.B. einer mutierten Form der aus SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO: 10 und SEQ ID NO: 12 ausgewählten Sequenz) belegt wird, dann sind die Moleküle an dieser Position homolog (d.h. Aminosäure- oder Nukleinsäure-'Ηomologie" , wie hier verwendet, entspricht Aminosäure- oder Nukleinsäure-"ldentität") . Die prozentuale Homologie zwischen den beiden Sequenzen ist eine Funktion der Anzahl an identischen Positionen, die den Sequenzen gemeinsam sind (d.h. % Homologie = Anzahl der identischen Positionen/Gesamtanzahl der Positionen x 100) .
Ein isoliertes Nukleinsäuremolekül, das eine PSE codiert, die zu einer Proteinsequenz der SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO:4, SEQ ID NO: 6, SEQ ID NO: 8, SEQ ID NO:10 und SEQ ID NO: 12 homolog ist, kann durch Einbringen einer oder mehrerer Nukleotidsubstitutionen, -additionen oder -deletionen in eine Nukleotidsequenz der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 erzeugt werden, so daß eine oder mehrere Amino- Säuresubstitutionen, -additionen oder -deletionen in das codierte Protein eingebracht werden. Mutationen können in eine der Sequenzen der SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 durch Standardtechniken, wie stellenspezifische Mutagenese und PCR-vermittelte Mutagenese, eingebracht werden. Vorzugsweise werden konservative Aminosäure- Substitutionen an einer oder mehreren der vorhergesagten nichtessentiellen Aminosäureresten hergestellt. Bei einer "konser- (fc. J J to to H H4
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Strangs einer Nukleotidsequenz, die PSE codiert. Der Begriff "nicht-codierender Bereich" betrifft 5'- und 3' -Sequenzen, die den codierenden Bereich flankieren und nicht in Aminosäuren translatiert werden (d.h. die man auch als 5'- und 3' -untranslatierte Bereiche bezeichnet).
Unter Voraussetzung der hier offenbarten PSE-codierenden Sequenzen des codierenden Stranges (z.B. die in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO.-7, SEQ ID NO:9 und SEQ ID NO: 11 dargestellten Sequenzen) können erfindungsgemäße Antisense-Nukleinsäuren gemäß den Regeln der Watson-Crick-Basen- paarung gestaltet werden. Das Antisense-Nukleinsäuremolekül kann komplementär zum gesamten codierenden Bereich von PSE-mRNA sein, ist aber stärker bevorzugt ein Oligonukleotid, das nur zu einem Teil des codierenden oder nicht-codierenden Bereichs von PSE-mRNA "Antisense" ist. Das Antisense-Oligonukleotid kann z.B. zu dem Bereich, der die Translationsstartstelle von PSE-mRNA umgibt, komplementär sein. Ein Antisense-Oligonukleotid kann z.B. etwa 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 oder 50 und mehr Nukleotide lang sein. Vorteilhaft ist ein Antisense-Oligonukleotis 15 bis 25 Nukleotide lang. Eine erfindungsgemäße Antisense-Nukleinsäure kann unter Verwendung chemischer Synthese und enzymatischer Ligationsreaktionen mittels im Fachgebiet bekannter Verfahren konstruiert werden. Eine Antisense-Nukleinsäure (z.B. ein Anti- sense-Oligonukleotid) kann z.B. chemisch synthetisiert werden, wobei natürlich vorkommende Nukleotide oder verschiedentlich modifizierte Nukleotide verwendet werden, die so gestaltet sind, daß sie die biologische Stabilität der Moleküle erhöhen oder die physikalische Stabilität des zwischen der Antisense- und der Sense-Nukleinsäure gebildeten Duplexes erhöhen, beispielsweise können Phosphorthioat-Derivate und acridinsubstituierte Nukleotide verwendet werden. Beispiele für modifizierte Nukleotide, die zur Erzeugung der Antisense-Nukleinsäure verwendet werden können, sind u.a. 5-Fluoruracil, 5-Bromuracil, 5-Chlor- uracil, 5-Ioduracil, Hypoxanthin, Xanthin, 4-Acetylcytosin, 5- (Carboxyhydroxylmethyl) uracil, 5-Carboxymethylaminomethyl-2- thiouridin, 5-Carboxymethylaminomethyluracil, Dihydrouracil, Beta-D-Galactosylqueosin, Inosin, N6-Isopentenyladenin, 1-Methyl - guanin, 1-Methylinosin, 2, 2-Dimethylguanin, 2-Methyladenin, 2-Methylguanin, 3-Methylcytosin, 5-Methylcytosin, N6-Adenin,
7-Methylguanin, 5-Methylaminomethyluracil, 5-Methoxyaminomethyl- 2-thiouracil, Beta-D-Mannosylqueosin, 5' -Methoxycarboxymethyl - uracil, 5-Methoxyuracil, 2-Methylthio-N6-isopentyladenin, Uracil-5-oxyessigsäure (v) , Wybutoxosin, Pseudouracil, Queosin, 2-Thiocytosin, 5-Methyl-2-thiouracil, 2-Thiouracil, 4-Thiouracil, 5-Methyluracil, Uracil-5-oxyessigsäuremethylester, Uracil-5- oxyessigsäure (v) , 5-Methyl-2-thiouracil, 3- (3-Amino-3-N-2-
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monokotyle oder dikotyle Pflanzen verwendet werden können und in US 5,608,152 (Napin-Promotor aus Raps), WO 98/45461 (Phaseolin- Promotor aus Arobidopsis) , US 5,504,200 (Phaseolin-Promotor aus Phaseolus vulgaris) , WO 91/13980 (Bce4-Promotor aus Brassica) , von Baeumlein et al.. Plant J., 2, 2, 1992:233-239 (LEB4-
Promotor aus einer Leguminose) beschrieben sind, wobei sich diese Promotoren für Dikotyledonen eignen. Die folgenden Promotoren eignen sich beispielsweise für Monokotyledonen lpt-2- oder lpt-1-Promotor aus Gerste (WO 95/15389 und WO 95/23230) , Hordein- Promotor aus Gerste und andere, in WO 99/16890 beschriebene geeignete Promotoren.
Es ist im Prinzip möglich, alle natürlichen Promotoren mit ihren Regulationssequenzen, wie die oben genannten, für das neue Ver- fahren zu verwenden. Es ist ebenfalls möglich und vorteilhaft, zusätzlich synthetische Promotoren zu verwenden.
Das Genkonstrukt kann, wie oben beschrieben, auch weitere Gene umfassen, die in die Organismen eingebracht werden sollen. Es ist möglich und vorteilhaft, in die Wirtsorganismen Regulationsgene, wie Gene für Induktoren, Repressoren oder Enzyme, welche durch ihre Enzymaktivität in die Regulation eines oder mehrerer Gene eines Biosynthesewegs eingreifen, einzubringen und darin zu exprimieren. Diese Gene können heterologen oder homologen Ursprungs sein. Die inserierten Gene können ihren eigenen Promotor haben oder auch unter der Kontrolle des Promotors der Sequenz SEQ ID NO:l, SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:5, SEQ ID NO:7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 oder seiner Homologen, Derivate oder Analoga stehen.
Das Genkonstrukt umfaßt vorteilhafterweise zur Expression der anderen vorliegenden Gene weitere 3'- und/oder 5'-terminale Regulationssequenzen zur Steigerung der Expression, die in Abhängigkeit vom gewählten Wirtsorganismus und dem Gen oder den Genen für die optimale Expression ausgewählt werden.
Diese Regulationssequenzen sollen, wie oben erwähnt, die spezifische Expression der Gene und die Proteinexpression ermöglichen. Dies kann je nach dem Wirtsorganismus beispiels- weise bedeuten, daß das Gen nur nach Induktion exprimiert oder überexprimiert wird oder daß es sofort exprimiert und/oder überexprimiert wird.
Die Regulationssequenzen oder -faktoren können außerdem Vorzugs- weise eine vorteilhafte Wirkung auf die Expression der eingebrachten Gene haben und diese somit steigern. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Regulationselemente unter Verwendung starker Transkriptionssignale, wie Promotoren und/oder Enhancer, vorteilhafterweise auf Transkriptionsebene verstärkt werden. Es ist jedoch weiterhin auch möglich, die Translation zum Beispiel durch Verbesserung der mRNA-Stabilität zu verstärken. Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- Sequenzen zusammen mit mindestens einem Reportergen in ein Genkonstrukt (= Expressionskassette, Nukleinsäurekonstrukt) kloniert, die in den Organismus über einen Vektor oder direkt in das Genom eingebracht wird. Dieses Reportergen sollte eine leichte Detektierbarkeit über einen Wachstums-, Fluoreszenz-,
Chemo-, Biolumineszenz- oder Resistenzassay oder über eine photo- metrische Messung ermöglichen. Beispielhaft seien als Reporter- gene Antibiotika-oder Herbizidresistenzgene, Hydrolasegene, Fluoreszenzproteingene, Biolumineszenzgene, Zucker- oder Nukleotidstoffwechselgene oder Biosynthesegene wie das Ura3- Gen, das Ilv2-Gen, das Luciferasegen, das b-Galactosidasegen, das gfp-Gen, das 2-Desoxyglucose-6-phosphat-Phosphatasegen, das b-Glucuronidase-Gen, b-Lactamasegen, das Neomycinphospho- transferasegen, das Hygromycinphosphotransferasegen oder das BASTA (= Gluphosinatresistenz) -Gen genannt. Diese Gene ermöglichen eine leichte Messbarkeit und Quantifizierbarkeit der Transcriptionsaktivität und damit der Expression der Gene. Damit lassen sich Genomstellen identifizieren, die eine unterschiedliche Produktivität zeigen.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen mit SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11, die für Elongasen codieren können in einer oder mehreren Kopien in der Expressionskassette (= Genkonstrukt) enthalten sein.
In der Expressionskassette (= Genkonstrukt, Nukleinsäurekonstrukt) kann noch mindestens eine weitere Nukleinsäure, die für ein Gen bevorzugt aus der Fettsäurebiosynthese codiert, enthalten sein, die in die Wirtsorganismen eingebracht werden sollen. Diese Gene können unter getrennter Regulation oder unter der gleichen Regulationsregion wie die Gene erfindungsgemäßen Elongase liegen. Bei diesen Genen handelt es sich beispielsweise um weitere Biosynthesegene vorteilhaft der Fettsäurebiosynthese, die eine gesteigerte Synthese ermöglichen. Beispielsweise seien die Gene für die Δ19-, Δl7 - , Δ15-, Δ12-, Δ9-, Δ8-, Δ6-, Δ5-, Δ4-Desaturase, die verschiedenen Hydroxylasen, die Δl2-Acetylenase, die Acyl-ACP-Thioesterasen, ß-Ketoacyl-ACP- Synthasen oder ß-Ketoacyl-ACP-Reductasen genannt. Vorteilhaft werden die Desaturasegene im Nukleinsäurekonstrukt verwendet. Auch diese Gene können in einer oder mehreren Kopien im Genkonstrukt enthalten sein.
C. Rekombinante Expressionsvektoren und Wirtszellen
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Vektoren, vorzugsweise Expressionsvektoren, die eine erfindungsgemäße Nukleinsäure oder ein erfindungsgemäßes Genkonstrukt enthalten, die eine PSE (oder einen Teil davon) codieren. Wie hier verwendet, betrifft der Begriff "Vektor" ein Nukleinsäuremolekül, das eine andere Nukleinsäure transportieren kann, an welche es gebunden ist. Ein Vektortyp ist ein "Plasmid", was für eine zirkuläre doppel- strängige DNA-Schleife steht, in die zusätzlichen DNA-Segmente ligiert werden können. Ein weiterer Vektortyp ist ein viraler Vektor, wobei zusätzliche DNA-Segmente in das virale Genom ligiert werden können. Bestimmte Vektoren können in einer Wirts - zelle, in die sie eingebracht worden sind, autonom replizieren (z.B. Bakterienvektoren mit bakteriellem Replikationsursprung und episomale Säugervektoren) . Andere Vektoren (z.B. nicht-episomale Säugervektoren) werden beim Einbringen in die Wirtszelle in das Genom einer Wirtszelle integriert und dadurch zusammen mit dem Wirtsgenom repliziert. Zudem können bestimmte Vektoren die Expression von Genen, mit denen sie funktionsfähig verbunden sind, steuern. Diese Vektoren werden hier als "Expressions - vektoren" bezeichnet. Gewöhnlich haben Expressionsvektoren, die für DNA-Rekombinationstechniken geeignet sind, die Form von Plasmiden. In der vorliegenden Beschreibung können "Plasmid" und "Vektor" austauschbar verwendet werden, da das Plasmid die am häufigsten verwendete Vektorform ist. Die Erfindung soll jedoch diese anderen Expressionsvektorformen, wie virale Vektoren (z.B. replikationsdefiziente Retroviren, Adenoviren und adenoverwandte Viren) , die ähnliche Funktionen ausüben, umfassen. Ferner soll der Begriff Vektor auch andere Vektoren, die dem Fachmann bekannt sind, wie Phagen, Viren, wie SV40, CMV, Baculovirus, Adenovirus, Transposons, IS-Elemente, Phas ide, Phagemide, Cosmide, lineare oder zirkuläre DNA sowie RNA umfassen.
Die erfindungsgemäßen rekombinanten Expressionsvektoren umfassen eine erfindungsgemäße Nukleinsäure oder ein erfindungs- gemäßes Genkonstrukt in einer Form, die sich zur Expression der Nukleinsäure in einer Wirtszelle eignet, was bedeutet, daß die rekombinanten Expressionsvektoren eine oder mehrere Regulations- sequenzen, ausgewählt auf der Basis der zur Expression zu verwendenden Wirtszellen, die mit der zu exprimierenden Nuklein- säuresequenz funktionsfähig verbunden ist, umfaßt. In einem rekombinanten Expressionsvektor bedeutet "funktionsfähig verbunden", daß die Nukleotidsequenz von Interesse derart an die Regulationssequenz (en) gebunden ist, daß die Expression der Nukleotidsequenz möglich ist und sie aneinander gebunden sind, so daß beide Sequenzen die vorhergesagte, der Sequenz zugeschriebene Funktion erfüllen (z.B. in einem In-vitro-Transkriptions-/Trans- lationssystem oder in einer Wirtszelle, wenn der Vektor in die Wirtszelle eingebracht wird) . Der Begriff "Regulationssequenz" soll Promotoren, Enhancer und andere Expressionskontrollelemente (z.B. Polyadenylierungssignale) umfassen. Diese Regulations- sequenzen sind z.B. beschrieben in Goeddel: Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990) , oder siehe: Gruber und Crosby, in: Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnolgy, CRC Press, Boca Raton, Florida, Hrsgb.: Glick und Thompson, Kapitel 7, 89-108, einschließlich der Literaturstellen darin. Regulationssequenzen umfassen solche, welche die konstitutive Expression einer
Nukleotidsequenz in vielen Wirtszelltypen steuern, und solche, welche die direkte Expression der Nukleotidsequenz nur in bestimmten Wirtszellen unter bestimmten Bedingungen steuern. Der Fachmann weiß, daß die Gestaltung des Expressionsvektors von Faktoren, wie der Auswahl der zu transformierenden Wirtszelle, dem Ausmaß der Expression des gewünschten Proteins usw. , abhängen kann. Die erfindungsgemäßen Expressionsvektoren können in Wirts- zellen eingebracht werden, um dadurch Proteine oder Peptide, einschließlich Fusionsproteinen oder -peptiden, herzustellen, die von den Nukleinsäuren, wie hier beschrieben, codiert werden (z.B. PSEs, mutante Formen von PSEs, Fusionsproteine usw.).
Die erfindungsgemäßen rekombinanten Expressionsvektoren können zur Expression von PSEs in prokaryotischen oder eukaryotischen Zellen gestaltet sein. Beispielsweise können PSE-Gene in bakteriellen Zellen, wie C. glutamicum, Insektenzellen (unter Verwendung von Baculovirus-Expressionsvektoren) , Hefe- und anderen Pilzzellen [siehe Romanos, M.A., et al. (1992) "Foreign gene expression in yeast: a review" , Yeast 8:423-488; van den Hondel, C.A.M.J.J., et al . (1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi" , in: More Gene Manipulations in Fungi, J.W. Bennet & L.L. Lasure, Hrsgb., S. 396-428: Academic Press: San Diego; und van den Hondel, C.A.M.J.J., & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, J.F., et al., Hrsgb., S. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge], Algen [Falciatore et al . , 1999, Marine Biotechnology. 1, 3:239-251)], Ciliaten der Typen: wie Holotrichia, Peritrichia, Spirotrichia, Suctoria, Tetrahymena, Paramecium, Colpidium, Glaucoma, Platyophrya, Potomacus, Pseudocohnilembus, Euplotes, Engelmaniella und Stylonychia, insbesondere der Gattung Stylonychia lemnae, mit Vektoren nach einem Trans ormations- ι > *» LO CO to to P» P»
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Spaltstelle-X-Protein umfaßt. Das Fusionsprotein kann durch Affinitätschromatographie unter Verwendung von Glutathion- Agarose-Harz gereinigt werden. Rekombinante PSE, die nicht an GST fusioniert ist, kann durch Spaltung des Fusionsproteins 5 mit Thrombin gewonnen werden.
Beispiele für geeignete induzierbare nicht-Fusions-E. coli-
Expressionsvektoren sind u.a. pTrc (Amann et al . (1988) Gene
69:301-315) und pET lld (Studier et al . , Gene Expression Q Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego,
Kalifornien (1990) 60-89) . Die Zielgenexpression vom pTrc-Vektor beruht auf der Transkription durch Wirts-RNA-Polymerase von einem
Hybrid-trp-lac-Fusionspromotor . Die Zielgenexpression aus dem pET lld-Vektor beruht auf der Transkription von einem T7-gnl0-lac-
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Andere in prokaryotischen Organismen geeignete Vektoren sind dem Fachmann bekannt, diese Vektoren sind beispielsweise in E. coli pLG338, pACYC184, die pBR-Reihe, wie pBR322, die pUC-Reihe, wie pUC18 oder pUC19, die M113mp-Reihe, pKC30, pRep4, pHSl, pHS2, 25 pP c236, pMBL24, pLG200, pUR290, pIN-III113-Bl, pgtll or pBdCI , in Streptomyces pIJlOl, pIJ364, pIJ702 oder pIJ361, in Bacillus pUBllO, pC194 oder pBD214, in Corynebacterium pSA77 oder pAJ667.
Eine Strategie zur Maximierung der Expression von rekombinanten.
™ Protein ist die Expression des Proteins in einem Wirtsbakterium, dessen Fähigkeit zur proteolytischen Spaltung des rekombinanten Proteins gestört ist [Gottesman, S., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, Kalifornien (1990) 119-128] . Eine weitere Strategie ist die Veränderung der
" Nukleinsäuresequenz der in einen Expressionsvektor zu inserierenden Nukleinsäure, so daß die einzelnen Codons für jede Aminosäure diejenigen sind, die vorzugsweise in einem zur Expression ausgewählten Bakterium, wie C. glutamicum, verwendet werden [Wada et al . (1992) Nucleic Acids Res . 20:2111-2118]. Diese
^0 Veränderung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen erfolgt durch Standard-DNA-Synthesetechniken.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der PSE-Expressionsvektor ein Hefe-Expressionsvektor. Beispiele für Vektoren zur Expression ^5 in der Hefe S. cerevisiae umfassen pYepSecl [Baldari et al. (1987) Embo J. 6:229-234], pMFa [Kurjan und Herskowitz (1982) Cell 30:933-943], pJRY88 [Schultz et al. (1987) Gene 54:113-123] sowie pYES2 [Invitrogen Corporation, San Diego, CA] . Vektoren und Verfahren zur Konstruktion von Vektoren, die sich zur Verwendung in anderen Pilzen, wie den filamentösen Pilzen, eignen, umfassen diejenigen, die eingehend beschrieben sind in: van den Hondel, C.A.M.J.J., & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of fungi, J.F. Peberdy et al., Hrsgb., S. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge, oder in: More Gene Manipulations in Fungi [J.W. Bennet & L.L. Lasure, Hrsgb., S. 396-428: Academic Press: San Diego] . Weitere geeignete Hefevektoren sind beispielsweise pAG-1, YEp6, YEpl3 oder pEMBLYe23.
Alternativ können die erfindungsgemäßen PSEs in Insektenzellen unter Verwendung von Baculovirus-Expressionsvektoren exprimiert werden. Baculovirus-Vektoren, die zur Expression von Proteinen in gezüchteten Insektenzellen (z.B. Sf9-Zellen) verfügbar sind, umfassen die pAc-Reihe [Smith et al. (1983) Mol. Cell Biol .. 3:2156-2165] und die pVL-Reihe [Lucklow und Summers (1989) Virology 170:31-39] .
Die oben genannten Vektoren bieten nur einen kleinen Überblick über mögliche geeignete Vektoren. Weitere Plasmide sind dem Fachmann bekannt und sind zum Beispiel beschrieben in: Cloning Vectors (Hrsgb. Pouwels, P.H., et al., Elsevier, Amsterdam- New York-Oxford, 1985, ISBN 0 444 904018) .
Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird eine erfindungs- gemäße Nukleinsäure in Säugerzellen unter Verwendung eines Säuger-Expressionsvektors exprimiert. Beispiele für Säuger- Expressionsvektoren umfassen pCDM8 [Seed, B. (1987) Nature
329:840] und pMT2PC [Kaufman et al. (1987) EMBO J. 6:187-195]. Bei der Verwendung in Säugerzellen werden die Kontrollfunktionen des Expressionsvektors oft von viralen Regulationselementen bereitgestellt. Üblicherweise verwendete Promotoren stammen z.B. aus Polyoma, Adenovirus2, Cytomegalievirus und Simian Virus 40. Weitere geeignete Expressionssysteme für prokaryotische und eukaryotische Zellen siehe in den Kapiteln 16 und 17 von Sambrook, J., Fritsch, E.F., und Maniatis, T. , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der rekombinante Säuger- Expressionsvektor die Expression der Nukleinsäure vorzugsweise in einem bestimmten Zelltyp steuern (z.B. werden gewebespezifische Regulationselemente zur Expression der Nukleinsäure verwendet) . Gewebespezifische Regulationselemente sind im Fachgebiet bekannt.
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alle" anderen in P€-lanzen funktionell aktiven Terminatoren sind geeignet.
Da die Pflanzengenexpression sehr oft nicht auf Transkriptions - 5 ebenen beschränkt ist, enthält eine Pflanzen-Expressionskassette vorzugsweise andere funktionsfähig verbunden Sequenzen, wie Translationsenhancer, beispielsweise die Overdrive-Sequenz, welche die 5' -untranslatierte Leader-Sequenz aus Tabakmosaikvirus, die das Protein/RNA-Verhältnis erhöht, enthält [Gallie 10 et al., 1987, Nucl. Acids Research 15:8693-8711].
Die Pflanzengenexpression muss funktionsfähig mit einem geeigneten Promotor verbunden sein, der die Genexpression auf rechtzeitige, zell- oder gewebespezifische Weise durchführt.
15 Bevorzugt sind Promotoren, welche die konstitutive Expression herbeiführen [Benfey et al . , EMBO J- 8 (1989) 2195-2202], wie diejenigen, die von Pflanzenviren stammen, wie 35S CAMV [Franck et al., Cell 21 (1980) 285-294], 19S CaMV (siehe auch US 5,352,605 und WO 84/02913) oder Pflanzenpromotoren, wie der in
20 US 4,962,028 beschriebene der kleinen Untereinheit der Rubisco.
Andere bevorzugte Sequenzen für die Verwendung zur funktionsfähigen Verbindung in Pflanzengenexpressions-Kassetten sind Targeting-Sequenzen, die zur Steuerung des Genproduktes in sein
25 entsprechendes Zellkompartiment notwendig sind [siehe eine Übersicht in Kermode, Crit. Rev. Plant Sei. 15, 4 (1996) 285-423 und darin zitierte Literaturstellen] , beispielsweise in die Vakuole, den Zellkern, alle Arten von Piastiden, wie Amyloplasten, Chloro- plasten, Chromoplasten, den extrazellulären Raum, die Mitochon-
30 drien, das Endoplasmatische Retikulum, Ölkörper, Peroxisomen und andere Kompartimente von Pflanzenzellen.
Die Pflanzengenexpression läßt sich auch über einen chemisch induzierbaren Promotor erleichtern [siehe eine Übersicht in Gatz
35 1997, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 48:89-108]. Chemisch induzierbare Promotoren eignen sich besonders, wenn gewünscht wird, daß die Genexpression auf zeitspezifische Weise erfolgt. Beispiele für solche Promotoren sind ein Salicylsäure- induzierbarer Promotor (WO 95/19443) , ein Tetracyclin-induzier-
40 barer Promotor [Gatz et al . (1992) Plant J. 2, 397-404] und ein Ethanol-induzierbarer Promotor.
Auch Promotoren, die auf biotische oder abiotische Streß- bedingungen reagieren, sind geeignete Promotoren, beispielsweise 45 der pathogeninduzierte PRPl-Gen-Promotor [Ward et al . , Plant. Mol. Biol. 22 (1993) 361-366] , der hitzeinduzierbare hsp80- Promotor aus Tomate (US 5,187,267), der kälteinduzierbare Alpha- td 03
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Phagemids oder attenuierten Virus vorliegen, in dem Antisense- Nukleinsäuren unter der Kontrolle eines hochwirksamen regulatorischen Bereichs produziert werden, dessen Aktivität durch den Zelltyp bestimmt werden kann, in den der Vektor eingebracht worden ist. Eine Erläuterung der Regulation der Genexpression mittels Antisense-Genen siehe in Weintraub, H., et al., Anti- sense-RNA as a molecular tool for genetic analysis, Reviews - Trends in Genetics, Bd. 1(1) 1986.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Wirtszellen, in die ein erfindungsgemäßer rekombinanter Expressionsvektor eingebracht worden ist. Die Begriffe "Wirtszelle" und "rekombinante Wirts- zelle" werden hier untereinander austauschbar verwendet. Selbstverständlich betreffen diese Begriffe nicht nur die bestimmte Zielzelle, sondern auch die Nachkommen oder potentiellen Nachkommen dieser Zelle. Da in aufeinanderfolgenden Generationen aufgrund von Mutation oder Umwelteinflüssen bestimmte Modifikationen auftreten können, sind diese Nachkommen nicht unbedingt mit der Parentalzelle identisch, sind jedoch immer noch vom Umfang des Begriffs, wie hier verwendet, umfaßt.
Eine Wirtszelle kann eine prokaryotische oder eukaryotische Zelle sein. Zum Beispiel kann eine PSE in Bakterienzellen, wie C. glutamicum, Insektenzellen, Pilzzellen oder Säugerzellen (wie Chinesischer Hamster-Ovarzellen (CHO) oder COS-Zellen) , Algen, Ciliaten, Pflanzenzellen, Pilzen oder anderen Mikroorganismen, wie C. glutamicum, exprimiert werden. Andere geeignete Wirts - Zellen sind dem Fachmann geläufig.
Vektor-DNA läßt sich in prokaryotische oder eukaryotische Zellen über herkömmliche Transformations- oder Transfektionstechniken einbringen. Die Begriffe "Transformation" und "Transfektion" , Konjugation und Transduktion, wie hier verwendet, sollen eine Vielzahl von im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Ein- bringen fremder Nukleinsäure (z.B. DNA) in eine Wirtszelle, einschließlich Calciumphosphat- oder Calciumchlorid-Copräzipitation, DEAE-Dextran-vermittelte Transfektion, Lipofektion, natürliche Kompetenz, chemisch vermittelter Transfer, Elektroporation oder Teilchenbeschuß, umfassen. Geeignete Verfahren zur Transformation oder Transfektion von Wirtszellen, einschließlich Pflanzenzellen, lassen sich finden in Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual., 2. Aufl., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) und anderen Labor-Handbüchern, wie Methods in Molecular Biology, 1995, Bd. 44, Agrobacterium protocols, Hrsgb: Gartland und Davey, Humana Press, Totowa, New Jersey.
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D. Isolierte PSE
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft isolierte PSEs und biologisch aktive Teile davon. Ein "isoliertes" oder "gereinigtes" Protein oder ein biologisch aktiver Teil davon ist im wesentlichen frei von zellulärem Material, wenn es durch DNA- Rekombinationstechniken produziert wird, oder von chemischen Vorstufen oder andern Chemikalien, wenn es chemisch synthetisiert wird. Der Begriff "im wesentlichen frei von zellulärem Material" umfaßt PSE-Präparationen, in denen das Protein von zellulären Komponenten der Zellen, in denen es natürlich oder rekombinant produziert wird, getrennt ist. Bei einer Ausführungsform umfaßt der Ausdruck "im wesentlichen frei von zellulärem Material" PSE- Präparationen mit weniger als etwa 30 % (bezogen auf das Trocken- gewicht) nicht-PSE (hier auch als "verunreinigendes Protein" bezeichnet) , stärker bevorzugt weniger als etwa 20 % nicht-PSE, noch stärker bevorzugt weniger als etwa 10 % nicht-PSE und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 5 % nicht-PSE. Wenn die PSE oder ein biologisch aktiver Teil davon rekombinant hergestellt worden ist, ist sie/er auch im wesentlichen frei von Kulturmedium, d.h. das Kulturmedium macht weniger als etwa 20 %, stärker bevorzugt weniger als etwa 10 % und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 5 % des Volumens der Proteinpräparation aus. Der Begriff "im wesentlichen frei von chemischen Vorstufen oder anderen Chemikalien" umfaßt PSE-Präparationen, in denen das Protein von chemischen Vorstufen oder anderen Chemikalien getrennt ist, die an der Synthese des Proteins beteiligt sind. Bei einer Ausführungsform umfaßt der Begriff "im wesentlichen frei von chemischen Vorstufen oder anderen Chemikalien" PSE- Präparationen mit weniger als etwa 30 % (bezogen auf das Trockengewicht) chemischen Vorstufen oder nicht-PSE-Chemikalien, stärker bevorzugt weniger als etwa 20 % chemischen Vorstufen oder nicht- PSE-Chemikalien, noch stärker bevorzugt weniger als etwa 10 % chemischen Vorstufen oder nicht-PSE-Chemikalien und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 5 % chemischen Vorstufen oder nicht- PSE-Chemikalien. Bei bevorzugten Ausführungsformen weisen isolierte Proteine oder biologisch aktive Teile davon keine verunreinigenden Proteine aus dem gleichen Organismus auf, aus dem die PSE stammt. Im Falle des erfindungsgemäßen Proteins, das die Sequenz, die in SEQ ID NO: 10 gezeigt wird, oder das von einem
Gen, das SEQ ID NO: 9 umfasst, codiert wird, ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Sequenz mit zwei Met beginnt. Dies kann dazu führen, dass bei der Translation einer entsprechenden codierenden Nukleinsäuresequenz zwei Derivate des erfindungsgemäßen Proteins exprimiert werden, beginnend am ersten oder zweiten Met. Das Expressionsverhältnis zwischen beiden Derivaten kann je nach Expressionsart oder Wirtsorganismus zwischen 0 und 1 schwanken.
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Aktivitäten untersucht werden. Die biologisch aktiven Teile einer PSE umfassen vorzugsweise ein/eine oder mehrere ausgewählte Domänen/Motive oder Teile davon mit biologischer Aktivität.
Solche Domänen und Motive können zum Teil durch Sequenzanalyse, z.B. mithilfe von EDV-gestützten Methoden, identifiziert werden.
In den erfindungsgemäßen Sequenzen wurden z.B. sogenannte KK- Methoden gefunden.
Kermode 1996, Critical Reviews in Plant Sciences 15 (4) : 285 -423 beschreibt KK-Motive, ein Doppel-Lysin, das vornehmlich als KKXX oder K X K XXX Motiv gefunden wird und ein Recycling vom ER zum Golgi Apparat und damit die Verweilzeit des Proteins und seiner Enzymaktivität an einem bestimmten Ort, insbesondere dem ER beeinflusst.
Doppel -Lysin-Motive wurden z.B. auch in Δ12 -Desaturasen gefunden (Arondel et al . 1992, Science 258:1353) und liegen auch in erfindungsgemäßen Elongasen vor. Insbesondere sind solche Motive C-terminal lokalisierbar beschrieben. In erfindungsgemäßen Sequenzen findet sich eine auffällige Anhäufung von Lysinen am C-Terminus.
Moos Elongase PSE1: C-Terminus KQKGAKTE SEQ ID NO 2: KTKKA
SEQ ID NO 4 KKSTPAAKKTN
SEQ ID NO 6: KHLK
Es könnte sich hiermit um eine mögliche Genvariation handeln.
Es gibt Lys Reste, die das Targeting, die Adressierung und Lokalisation am oder im ER beeinflussen. Eine Maskierung dieser Sequenz, Modifizierung oder räumlich Modifikation, der Nähe zum Ende des C-Terminus z.B. durch Fusion mit GFP "green fluorescent protein" kann zur Beeinflussung der Kompartimentierung genutzt werden.
PSEs werden vorzugsweise durch DNA-Rekombinationstechniken hergestellt. Zum Beispiel wird ein das Protein codierendes
Nukleinsäuremolekül in einen Expressionsvektor (wie vorstehend beschrieben) kloniert, der Expressionsvektor wird in eine Wirtszelle (wie vorstehend beschrieben) eingebracht, und die PSE wird in der Wirtszelle exprimiert. Die PSE kann dann durch ein geeignetes Reinigungsschema mittels Standard-Protein- reinigungstechniken aus den Zellen isoliert werden. Alternativ zur rekombinanten Expression kann eine PSE, ein -Polypeptid,
Figure imgf000061_0001
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0 • rr Hl N
aufeinanderfolgenden Genfragmenten erzeugen, die anschließend miteinander hybridisiert und reamplifiziert werden können, so daß eine Chimäre Gensequenz erzeugt wird (siehe zum Beispiel Current Protocols in Molecular Biology, Hrsgb. Ausubel et al . , John Wiley & Sons: 1992) . Überdies sind viele Expressionsvektoren kommerziell erhältlich, die bereits eine Fusionseinheit (z.B. ein GST-Polypeptid) codieren. Eine PSE-codierende Nukleinsäure kann in einen solchen Expressionsvektor kloniert werden, so daß die Fusionseinheit im Leseraster mit dem PSE-Protein verbunden ist.
Homologe der PSE können durch Mutagenese, z.B. durch spezifische Punktmutation oder Verkürzung der PSE, erzeugt werden. Der Begriff "Homologe", wie hier verwendet, betrifft eine Variante Form der PSE, die als Agonist oder Antagonist der PSE-Aktivität wirkt. Ein Agonist der PSE kann im wesentlichen die gleiche Aktivität wie die oder einen Teil der biologischen Aktivitäten der PSE beibehalten. Ein Antagonist der PSE kann eine oder mehrere Aktivitäten der natürlich vorkommenden Form der PSE durch zum Beispiel kompetitive Bindung an ein stromabwärts oder -auf- wärts gelegenes Element der Stoffwechselkaskade für Zellmembrankomponenten, welche die PSE umfaßt, oder durch Bindung an eine PSE, welche den Transport von Verbindungen über Zellmembranen vermittelt, hemmen, wodurch die Translokation gehemmt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform können Homologe der PSE durch Sichten kombinatorischer Banken von Mutanten, z.B. Verkürzungsmutanten, der PSE hinsichtlich PSE-Agonisten- oder -Antagonisten-Aktivität identifiziert werden. Bei einer Aus- führungsfor wird eine variegierte Bank von PSE-Varianten durch kombinatorische Mutagenese auf Nukleinsäureebene erzeugt und durch eine variegierte Genbank codiert. Eine variegierte Bank von PSE-Varianten kann z.B. durch enzymatische Ligation eines Gemisches von synthetischen Oligonukleotiden in Gensequenzen hergestellt werden, so daß sich ein degenerierter Satz potentieller PSE-Sequenzen als individuelle Polypeptide oder alternativ als Satz größerer Fusionsproteine (z.B. für das Phage-Display) , die diesen Satz von PSE-Sequenzen enthalten, exprimieren läßt. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die zur Herstellung von Banken potentieller PSE-Homologen aus einer degenerierten Oligonukleotidsequenz verwendet werden können. Die chemische Synthese einer degenerierten Gensequenz kann in einem DNA- Syntheseautomaten durchgeführt und das synthetische Gen dann in einen geeigneten Expressionsvektor ligiert werden. Die Verwendung eines degenerierten Satzes von Genen ermöglicht die Bereitstellung sämtlicher Sequenzen, die den gewünschten Satz an potentiellen PSE-Sequenzen codieren, in einem Gemisch. Verfahren zur Synthese degenerierter Oligonukleotide sind im Fachgebiet bekannt [siehe 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] .
Zusätzlich können Banken von PSE-Fragmenten zur Herstellung einer variegierten Population von PSE-Fragmenten für das Sichten und für die anschließende Selektion von Homologen einer PSE verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Bank von Fragmenten der codierenden Sequenz durch Behandeln eines doppelsträngigen PCR-Fragmentes einer codierenden PSE-Sequenz mit einer Nuklease unter Bedingungen, unter denen DoppelStrangbrüche nur etwa einmal pro Molekül erfolgen, Denaturieren der doppelsträngigen DNA, Renaturieren der DNA unter Bildung doppelsträngiger DNA, welche Sense/Antisense-Paare von verschiedenen Produkten mit DoppelStrangbrüchen umfassen kann, Entfernen einzelsträngiger Abschnitte aus neu gebildeten Duplices durch Behandlung mit Sl-Nuklease und Ligieren der resultierenden Fragmentbank in einen Expressionsvektor erzeugt werden. Mit diesem Verfahren kann eine Expressionsbank hergeleitet werden, die N-terminale, C-terminale und interne Fragmente der PSE verschiedener Größen codiert.
Im Fachgebiet sind mehrere Techniken für das Sichten von Gen- produkten in kombinatorischen Banken, die durch Punktmutationen oder Verkürzung hergestellt worden sind, und für das Sichten von cDNA-Banken nach Genprodukten mit einer ausgewählten Eigenschaft bekannt. Diese Techniken lassen sich an das schnelle Sichtung der Genbanken anpassen, die durch kombinatorische Mutagenese von PSE- Homologen erzeugt worden sind. Die am häufigsten verwendeten Techniken zum Sichtung großer Genbanken, die einer Analyse mit hohem Durchsatz unterworfen werden können, umfassen gewöhnlich das Klonieren der Genbank in replizierbare Expressionsvektoren, Transformieren von 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 codiert, dessen Produkt nachgewiesen wurde, erleichtert. Recursive-Ensemble-Mutagenese (REM) , eine neue Technik, die die Häufigkeit funktioneller Mutanten in den Banken erhöht, kann in Kombination mit den Sichtungstests zur Identifikation von PSE-Homologen verwendet werden [Arkin und Yourvan (1992) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89:7811-7815; Delgrave et al. (1993) Protein Engineering 6(3) :327-331] . Es können auch vorteilhaft Kombinationen der oben genannten Methoden verwendet werden.
Eine weitere bekannte Technik zur Veränderung von katalytischen Eigenschaften von Enzymen bzw. deren codierenden Genen ist das sogenannte "Gen-Shuffling" (siehe z.B. WO 97/20078 oder WO 98/13487) , das eine Kombination von Genfragmenten darstellt, wobei diese Neukombination zusätzlich noch durch fehlerhafte Polymerasekettenreaktionen variiert werden kann und somit eine hohe zu testende Sequenzdiversität schafft. Voraus - setzung für den Einsatz eines solchen Ansatzes ist jedoch ein geeignetes Screeningsystem, um die erstellte Gendiversität auf Funktionalität zu überprüfen.
Insbesondere für die Sichtung von Elongaseaktivi äten ist ein Sichtungsverfahren Voraussetzung, das PUFA-abhängig Enzym- aktivität (en) erfaßt. Bzgl. Elongaseaktivitäten mit Spezifität für PUFAs kann man in Mucor-Species, die durch bekannte Trans - formationsverfahren mit gewünschten Genkonstrukten transformierbar sind, die Toxizität von Arachidonsäure in Anwesenheit eines toxischen Metaboliten (hier: Salicylsäure oder Salicylsäure- derivate) nutzen (Eroshin et al., Mikrobiologiya, Vol. 65, No.l, 1996, Seiten 31-36), um eine wachstumsbasierte Erstsichtung durchzuführen. Resultierende Klone können dann einer Analyse ihrer Lipidinhaltstoffe mittels Gaschromatographie und Massenspektroskopie unterzogen werden, um Edukte und Produkte in Art und Menge zu erfassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform können Tests auf Zellbasis zur Analyse einer variegierten PSE-Bank unter Verwendung von weiteren im Fachgebiet bekannten Verfahren ausgenutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Antikörper, der spezifisch mit dem Polypeptid der vorliegenden Erfindung oder Teilen, z.B. Epitopen, eines solchen Proteins bindet. Der erfindungsgemäße Antikörper kann verwendet werden, um andere Elongasen, insbesondere PSEs, zu identifizieren und zu isolieren. Diese Antikörper können monoklonale Antikörper, polyklonale Antikörper oder synthetische Antikörper sowie Fragmente dieser Antikörper, wie z.B. Fab-, Fv- oder scFV-Fragmente usw., sein. Monoklonale Antikörper können z.B. nach Verfahren, wie ursprünglich beschrieben bei Köhler und Milstein, Nature 256 (1975), 485, und Galfrö, Meth. Enzymol. 73 (1981), hergestellt werden. Antikörper und Fragmente davon können auch hergestellt werden nach z.B. in Harlow & Lane, "Antibodies, a Laboratory Manual", CSH, Press, Cold Spring Harbor, 1988. Diese Antikörper können verwendet werden, um z.B. die erfindungsgemäßen Proteine zu präzipitieren und lokalisieren oder um die Synthese dieser Proteine z.B. in rekombinanten Organismen zu überprüfen sowie für die Identifikation von Verbindungen, die mit den erfindungsgemäßen Proteinen interagieren. In vielen Fällen ist die Bindung von Antikörpern mit Antigenen äquivalent zu der Bindung anderer Liganden und Antiliganden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Identifikation eines Agonisten oder Antagonisten von Elongasen, insbesondere PSEs, umfassend
a) in Kontaktbringen der Zellen, die das Polypeptid der vorliegenden Erfindung exprimieren, mit einem Kandidatenstoff;
b) Testen der PSE-Aktivität;
c) Vergleichen der PSE-Aktivität mit einer Standardaktivität in Abwesenheit des Kandidatenstoffs, wobei ein Anstieg der PSE- Aktivität über den Standard anzeigt, daß der Kandidatenstoff ein Agonist und ein Verringerung der PSE-Aktivität anzeigt, daß der Kandidatenstoff ein Antagonist ist.
Der genannte Kandidatenstoff kann ein chemisch synthetisierter oder mirkobiologisch produzierter Stoff sein und z.B. in Zellextrakten von z.B. Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen auftreten. Weiterhin kann der genannte Stoff zwar im Stand der Technik bekannt sein, aber bisher nicht bekannt sein als die Aktivität der PSEs steigernd oder repremierend. Das Reaktionsgemisch kann ein zellfreier Extrakt sein oder eine Zelle oder Zell- kultur umfassen. Geeignete Methoden sind dem Fachmann bekannt und werden z.B. allgemein beschrieben in Alberts, Molecular Biology the cell, 3rd Edition (1994), z.B. Kapitel 17. Die genannten
Stoffe können z.B. zu dem Reaktionsgemisch oder dem Kulturmedium zugegeben werden oder den Zellen injiziert werden oder auf eine Pflanze gesprüht werden.
Wenn eine Probe, die ein nach der erfindungsgemäßen Methode aktiven Stoff beinhaltet, identifiziert wurde, dann ist es entweder möglich, den Stoff direkt von der ursprünglichen Probe zu isolieren oder man kann die Probe in verschiedene Gruppen teilen, z.B. wenn sie aus einer Vielzahl von verschiedenen Komponenten besteht, um so die Zahl der verschiedenen Substanzen pro Probe zu reduzieren und dann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer solchen "Unterprobe" der ursprünglichen Probe zu wiederholen. Abhängig von der Komplexität der Probe können die oben beschriebenen Schritte mehrmals wiederholt werden, vorzugsweise bis die gemäß der erfindungsgemäßen Methode identifizierte Probe nur noch eine geringe Anzahl von Substanzen oder nur noch eine Substanz umfaßt. Vorzugsweise wird der gemäß der erfindungsgemäßen Methode identifizierte Stoff oder Derivate davon weiter formuliert, so, daß er für die Anwendung in der Pflanzenzüchtung oder Pflanzen- zell- oder Gewebekultur geeignet ist. Die Stoffe, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verf hren getestet und identifiziert wurden, können sein: Expressionsbibliotheken, z.B. cDNA-Expressionsbibliotheken, Peptide, Proteine, Nukleinsäuren, Antikörper, kleine organische Stoffe, Hormone, PNAs oder ähnliches (Milner, Nature Medicin 1 (1995), 879-880; Hupp, Cell. 83 (1995), 237-245; Gibbs, Cell. 79 (1994), 193-198 und darin zitierte Referenzen) . Diese Stoffe könne auch funktionelle Derivate oder Analogon der bekannten Inhibitoren oder Aktivatoren sein. Verfahren zur Herstellung von chemischen Derivaten oder Analogon sind dem Fachmann bekannt. Die genannten Derivate und Analogon können gemäß Verfahren nach dem Stand der Technik getestet werden. Weiterhin kann computergestütztes Design oder Peptidomime- tics zur Herstellung geeigneter Derivate und Analogon verwendet werden. Die Zelle oder das Gewebe, die/das für das erfindungsge- mäße Verfahren verwendet werden kann, ist vorzugsweise eine erfindungsgemäße Wirtszelle, Pflanzenzelle oder ein Pflanzengewebe, wie in den oben genannten Ausführungsformen beschrieben.
Entsprechend betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Stoff, der gemäß den vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahren identifiziert wurde. Der Stoff ist z.B. ein Homolog der erfindungsgemäßen PSE. Homologe der PSEs können durch Mutagenese, z.B. durch Punkt - mutation oder Deletion der PSE, erzeugt werden. Hierin verwendet wird der Begriff "Homolog" als eine Variante Form der PSEs, die als Agonist oder Antagonist für die Aktivität der PSEs wirkt. Ein Agonist kann die im wesentlichen gleiche oder einen Teil der biologischen Aktivität der PSEs haben. Ein Antagonist der PSEs kann eine oder mehr Aktivitäten der natürlich vorkommenden Formen der PSEs inhibieren, z.B. kompetitiv an ein Downstream oder üps tream gelegenes Mitglied der Fettsäuresynthese- Stoffwechselwege, die die PSEs einschließen, binden oder an PSEs binden und dabei die Aktivität reduzieren oder inhibieren.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Antikörper oder ein Fragment davon, wie sie hierin beschrieben werden, der die Aktivität der erfindungsgemäßen PSEs inhibiert.
Bei einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Antikörper, der spezifisch den erfindungsgemäßen oben beschriebenen Agonisten oder Antagonisten erkennt bzw. bindet.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Zusammensetzung, die den Antikörper, den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren identifizierten Stopp oder das Antisense-Molekül umfaßt. E. Erfindungsgemäße Verwendungen und Verfahren
Die hier beschriebenen Nukleinsäuremoleküle, Proteine, Proteinhomologen, Fusionsproteine, Antikörper, Primer, Vektoren und Wirtszellen können bei einem oder mehreren der nachstehenden Verfahren verwendet werden: Identifikation Physcomitrella patens, Crypthecodinium, Phytophthora infestans oder Thraustochytrium und verwandten Organismen, Kartierung der Genome von Organismen, die mit Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium oder Thraustochytrium verwandt sind, Identifikation und Lokalisierung von Physcomitrella-, Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -Sequenzen von Interesse, Evolutionsstudien, Bestimmung von PSE-Proteinbereichen, die für die Funktion notwendig sind, Modulation einer PSE-Aktivität; Modulation des Stoff - wechseis einer oder mehrerer Zellmembrankomponenten; Modulation des Transmembrantransports einer oder mehrerer Verbindungen sowie Modulation der zellulären Produktion einer gewünschten Verbindung, wie einer Feinchemikalie. Die erfindungsgemäßen PSE- Nukleinsäuremoleküle haben eine Vielzahl von Verwendungen. Sie können zunächst zur Identifikation eines Organismus als Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium oder Thraustochytrium oder als naher Verwandter davon verwendet werden. Sie können auch zur Identifikation des Vorliegens von Physcomitrella, Crypthecodinium, Phytophthora oder Thraustochytrium oder eines Verwand- ten davon in einer Mischpopulation von Mikroorganismen verwendet werden. Die Erfindung stellt die Nukleinsäuresequenzen einer Reihe von Physcomitrella-, Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -Genen bereit; durch Sondieren der extrahierten genomischen DNA einer Kultur einer einheitlichen oder gemischten Population von Mikroorganismen unter stringenten Bedingungen mit einer Sonde, die einen Bereich eines Physcomitrella-, Crypthecodinium-, Phytophthora- oder Thraustochytrium -Gens oder von Teilen davon überspannt, das für diesen Organismus einzigartig ist, kann man bestimmen, ob dieser Organismus vorliegt. Physco- mitrella, Crypthecodinium, Phytophthora oder Thraustochytrium selbst werden zur kommerziellen Produktion mehrfach ungesättigter Säuren verwendet. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren eignen sich darüber hinaus zur PUFA-Produktion auch in anderen Organismen insbesondere wenn erreicht werden soll, daß resultierende PUFAs auch in die Triacylglycerolfraktion eingebaut werden sollen.
Ferner können die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- und Proteinmoleküle als Marker für spezifische Bereiche des Genoms dienen. Diese sind nicht nur zur Kartierung des Genoms, sondern auch für funktionelle Studien von Physcomitrella-, Phytophthora-, Crypthecodinium- oder Thraustochytrium -Proteinen geeignet. Zur Identifikation des Genombereichs, an den ein bestimmtes DNA-bindendes Protein von Physcomitrella, Crypthecodinium, Phytophthora oder Thraus ochytrium bindet, könnte das Physcomitrella-, Crypthecodinium-, Phytophthora- oder Thraustochytrium -Genom zum Beispiel gespalten werden und die Fragmente mit dem DNA-bindenden Protein inkubiert werden. Diejenigen, die das Protein binden, können zusätzlich mit den erfindungsgemäßen Nukleinsäure- molekülen, vorzugsweise mit leicht nachweisbaren Markierungen, sondiert werden; die Bindung eines solchen Nukleinsäuremoleküls an das Genomfragment ermöglicht die Lokalisierung des Fragments auf der Genomkarte von Physcomitrella, Phytophthora, Crypthecodinium oder Thraustochytrium und erleichtert, wenn dies mehrmals mit unterschiedlichen Enzymen durchgeführt wird, eine rasche Bestimmung der Nukleinsäuresequenz, an die das Protein bindet. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle können zudem aus- reichend homolog zu den Sequenzen verwandter Arten sein, daß diese Nukleinsäuremoleküle als Marker für die Konstruktion einer genomischen Karte bei verwandten Pilzen oder Algen dienen können.
Die erfindungsgemäßen PSE-Nukleinsäuremoleküle eignen sich auch für Evolutions- und Proteinstruktur-Untersuchungen. Die Stoffwechsel- und Transportprozesse, an denen die erfindungsgemäßen Moleküle beteiligt sind, werden von vielen prokaryotisehen und eukaryotischen Zellen genutzt; durch Vergleich der Sequenzen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle mit solchen, die ähnliche Enzyme aus anderen Organismen codieren, kann der
Evolutions-Verwandschaftsgrad der Organismen bestimmt werden. Entsprechend ermöglicht ein solcher Vergleich die Bestimmung, welche Sequenzbereiche konserviert sind und welche nicht, was bei der Bestimmung von Bereichen des Proteins hilfreich sein kann, die für die Enzymfunktion essentiell sind. Dieser Typ der Bestimmung ist für Proteinengineering-Untersuchungen wertvoll und kann einen Hinweis darauf geben, wieviel Mutagenese das Protein tolerieren kann, ohne die Funktion zu verlieren.
Die Manipulation der erfindungsgemäßen PSE-Nukleinsäuremoleküle kann zur Produktion von PSEs mit funktioneilen Unterschieden zu den Wildtyp-PSEs führen. Die Effizienz oder Aktivität dieser Proteine kann verbessert sein, sie können in größeren Anzahlen als gewöhnlich in der Zelle zugegen sein, oder ihre Effizienz oder Aktivität kann verringert sein. Verbesserte Effizienz oder Aktivität bedeutet beispielsweise, daß das Enzym eine höhere Selektivität und/oder Aktivität, vorzugsweise eine mindestens 10 % höhere, besonders bevorzugt eine mindestens 20 % höhere Aktivität, ganz besonders bevorzugt eine mindestens 30 % höhere Aktivität als das ursprüngliche Enzym aufweist.
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und 'mi"t Hilfe der hier offenbarten Mechanismen können die erfindungsgemäßen Nukleinsäure- und Proteinmoleküle zur Erzeugung von Algen, Ciliaten, Pflanzen, Tieren, Pilzen oder anderen Mikroorganismen, wie C. glutamicum, verwendet werden, die mutierte PSE-Nukleinsäure- und Proteinmoleküle exprimieren, so daß die Ausbeute, Produktion und/oder Effizienz der Produktion einer gewünschten Verbindung verbessert wird. Diese gewünschte Verbindung kann ein beliebiges natürliches Produkt von Algen, Ciliaten, Pflanzen, Tieren, Pilzen oder Bakterien sein, welches die End- produkte von Biosynthesewegen und Zwischenprodukte natürlich vorkommender Stoffwechselwege umfaßt, sowie Moleküle, die im Stoffwechsel dieser Zellen nicht natürlich vorkommen, die jedoch von den erfindungsgemäßen Zellen produziert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist ein Verfahren zur Produktion von PUFAs, wobei das Verfahren das Züchten eines Organismus, der eine erfindungsgemäße Nukleinsäure, ein erfindungsgemäßes Genkonstrukt oder einen erfindungsgemäßen Vektor enthält, welche für ein Polypeptid codieren, das Ciß-, Cis- oder C o-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül um mindestens zwei Kohlenstoffatome unter Bedingungen, unter denen PUFAs in dem Organismus produziert werden, verlängert, umfaßt. Durch dieses Verfahren hergestellte PUFAs lassen sich durch Ernten der Organismen entweder aus der Kultur, in der sie wachsen, oder von dem Feld, Aufbrechen und/ oder Extrahieren des geernteten Materials mit einem organischen Lösungsmittel isolieren. Aus diesem Lösungsmittel kann das Öl, das Lipide, Phospholipide, Sphingolipide, Glycolipide, Triacyl - glycerine und/oder freie Fettsäuren mit höherem Gehalt an PUFAs enthält, isoliert werden. Durch basische oder saure Hydrolyse der Lipide, Phospholipide, Sphingolipide, Glycolipide, Triacyl - glycerine können die freien Fettsäuren mit höherem Gehalt an PUFAs isoliert werden. Ein höherer Gehalt an PUFAs bedeutet mindestens 5 %, vorzugsweise 10 %, besonders bevorzugt 20 %, ganz besonders bevorzugt 40 % mehr PUFAs als der ursprüngliche Organismus, der keine zusätzliche Nukleinsäure, die für die erfindungsgemäße Elongase codiert, besitzt.
Vorzugsweise sind die durch dieses Verfahren produzierten PUFAs Cis-, C2o- oder C2 -Fettsäuremoleküle mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Doppelbindungen, besonders bevorzugt drei oder fünf Doppelbindungen. Diese Cιβ-# C0- oder C2-Fettsäuremoleküle lassen sich aus dem Organismus in Form eines Öls, Lipids oder einer freien Fettsäure isolieren. Geeignete Organismen sind beispielsweise die vorstehend erwähnten. Bevorzugte Organismen sind Mikroorganismen, Tiere oder Pflanzen, besonders bevorzugt Pflanzen oder Algen, ganz besonders bevorzugt transgene Pflanzen.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sind Öle, Lipide oder Fett- säuren oder Fraktionen davon, die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt worden sind, besonders bevorzugt Öl, Lipid oder eine Fettsäurezusammensetzung, die PUFAs umfassen und von transgenen Pflanzen herrühren.
Eine Ausführungsform der Erfindung sind Öle, Lipide oder Fettsäuren, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind Öl-, Lipid- oder Fettsäurezusammensetzungen, die PUFAs hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren enthalten und von transgenen Pflanzen stammen, welche eine erfindungsgemäße Nukleinsäure, ein Genkonstrukt oder Vektor enthalten.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist die Verwendung des Öls, Lipids oder der Fettsäurezusammensetzung in Futter- mittein, Nahrungsmitteln, Kosmetika oder Pharmazeutika.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Kit, umfassend die erfindungsgemäße Nukleinsäure, das erfindungsgemäße Genkonstrukt, die erfindungsgemäße Amino- sauresequenz, das erfindungsgemäße Antisense-Nukleinsäuremolekül, den erfindungsgemäßen Antikörper und/oder Zusammensetzung, einen Antagonisten oder Agonisten, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, und/oder erfindungsgemäße Öle, Lipide und/oder Fettsäuren oder eine Fraktion davon. Ebenso kann das Kit die erfindungsgemäßen Wirtszellen, Organismen, Pflanzen oder Teile davon, erntbare Teile der erfindungsgemäßen Pflanzen oder Vermehrungsmaterial oder aber auch den erfindungsgemäßen Antagonisten oder Agonisten umfassen. Die Komponenten des Kits der vorliegenden Erfindung können in geeigneten Containern, bei- spielsweise mit oder in Puffern oder anderen Lösungen verpackt sein. Ein oder mehr der genannten Komponenten können in ein und demselben Container verpackt sein. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehr der genannten Komponenten z.B. auf einer festen Oberfläche adsorbiert sein, z.B. Nitrozellulosefilter, Glasplatten, Chips, Nylonmembranen oder Mikrotiterplatten. Das Kit kann für jede der hierin beschriebenen Methoden und Aus- führungsformen verwendet werden, z.B. für die Produktion von Wirtszellen, transgenen Pflanzen, zur Detektion von homologen Sequenzen, zur Identifikation von Antagonisten oder Agonisten usw. Weiterhin kann das Kit Anleitungen für die Verwendung des Kits für eine der genannten Anwendungen enthalten. Diese Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter veranschaulicht, die nicht als beschränkend aufgefaßt werden sollten. Der Inhalt sämtlicher in dieser Patentanmeldung zitierten Literaturstellen, Patentanmeldungen, Patente und veröffentlichten Patentanmeldungen ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Beispiele
Beispiel 1: Allgemeine Verfahren
a) Allgemeine Klonierungsverfahren:
Klonierungsverfahren, wie beispielsweise Restriktionsspaltungen, Agarosegelelektrophorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Nitrocellulose- und Nylonmembranen, Verbindung von DNA-Fragmenten, Transformation von Escherichia coli- und Hefe-Zellen, Anzucht von Bakterien und Sequenzanalyse rekombinanter DNA, wurden durchgeführt wie beschrieben in Sambrook et al. [(1989), Cold Spring Harbor Laboratory Press: ISBN 0-87969-309-6] oder Kaiser, Michaelis und Mitchell [(1994), "Methods in Yeast Genetics" , Cold Spring Harbor Laboratory Press: ISBN 0-87969-451-3] . Die Transformation und Anzucht von Algen, wie Chlorella oder Phaeodactylum werden durchge- führt wie beschrieben von El-Sheekh [ (1999) , Biologia Plantarum 42:209-216] oder Apt et al . [(1996) Molecular and General Genetics 252 (5): 872-9].
b) Chemikalien
Die verwendeten Chemikalien wurden, wenn im Text nicht anders angegeben, in p. A. -Qualität von den Firmen Fluka (Neu-Ulm) , Merck (Darmstadt) , Roth (Karlsruhe) , Serva (Heidelberg) und Sigma (Deisenhofen) bezogen. Lösungen wurden unter Verwendung von reinem pyrogenfreiem Wasser, im nachstehenden Text als H20 bezeichnet, aus einer Milli-Q-Wassersystem-Wasserreinigungsanlage (Millipore, Eschborn) hergestellt. Restriktionsendonukleasen, DNA-modifizierende Enzyme und molekularbiologische Kits wurden bezogen von den Firmen AGS (Heidelberg) , Amersham (Braunschweig) , Biometra (Göttingen) , Boehringer (Mannheim) , Genomed (Bad
Oeynhausen) , New England Biolabs (Schwalbach/Taunus) , Novagen (Madison, Wisconsin, USA) , Perkin-Elmer (Weiterstadt) , Pharmacia (Freiburg) , Qiagen (Hilden) und Stratagene (Amsterdam, Niederlande) . Wenn nicht anders angegeben, wurden sie nach den Anweisungen des Herstellers verwendet. c) ' 'Zellmaterial
Für diese Untersuchungen wurde eine Thraustochytrium-Stamm verwendet, der über die American Type Culture Collection (ATCC-Samm- lung) mit der Stammnummer ATCC26185 (Thraustochytrium) verfügbar ist, bzw im Fall von Crypthecodinium vom Provasoli-Guillard National Center for Culture of Marine Phytoplancton ( (CCMP) West Boothbay Harbour, ME, USA) mit der Stammkultur-Nr. CCMP316 zugänglich ist. Die Algen wurden bei 25 Grad Celsius im Dunkeln kultiviert in Glasröhren, die von unten mit Luft begast wurden. Die Anzucht von Thraustochytrium erfolgte alternativ wie detailliert beschrieben bei Singh & Ward (1997, Advances in Microbiology, 45, 271-311) .
Als Kulturmedium für Crypthecodinium wurde das f/2 Kulturmedium mit 10% organischen Medium nach Guillard, R.R.L. verwendet [1975; Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates . In: Smith, W.L. and Chanley, M.H. (Eds.) Culture of marine Invertebrate animals, NY Plenum Press, pp. 29-60.]: Es enthält
995,5 ml Seewasser (artifiziell)
1 ml NaN03 (75 g/1) , 1 ml NaH2P04 (5 g/1) , 1 ml Trace metal solution, 1 ml Tris/Cl pH 8.0, 0.5 ml f/2 vitamin solution
Trace metal solution: Na2EDTA (4,36 g/1), FeCl3 (3,15 g/1),
Primary Trace metals: CuS04 (10 g/1), ZnS04 (22 g/1), CoCl2
(10 g/1), MnCl2 (18 g/1), NaMo04 (6,3 g/1) f/2 vitamin solution: Biotin: 10 mg/1, Thiamin 200 mg/1, Vit B12
0,1 mg/1 org-Medium: Na-Acetat (1 g/1) , Glucose (6 g/1) , Na-Succinat
(3 g/1) , Bacto-Trypton (4 g/1) , Hefe-Extrakt (2 g/1)
d) Moosmaterial (= Pflanzenmaterial)
Für diese Untersuchung wurden Pflanzen der Art Physcomitrella patens (Hedw.) B.S.G. aus der Sammlung der Abteilung für Genetische Untersuchungen der Universität Hamburg verwendet. Sie stammen von dem Stamm 16/14, der von H.L.K. Whitehouse in Gransden Wood, Huntingdonshire (England) gesammelt und von Engel (1968, Am J Bot 55, 438-446) aus einer Spore subkultiviert wurde. Die Proliferation der Pflanzen erfolgte mittels Sporen und mittels Regeneration der Gametophyten. Das Protonema entwickelte sich aus der haploiden Spore zu chloroplastenreichem Chloronema und chloroplastenarmem Caulonema, woraus sich nach etwa 12 Tagen Knospen bildeten. Diese wuchsen zu Gametophoren mit Antheridien und Archegonien. Nach der Befruchtung entstand der diploide Sporophyt mit kurzer-Seta und Sporenkapsel, in der die Meio- sporen reifen.
e) Pflanzenanzucht
Die Anzucht erfolgte in einer klimatisierten Kammer bei einer Lufttemperatur von 25°C und einer Lichtintensität von 55 Mikro- mol-lm-2 (Weißlicht; Phillips TL 65W/25 Fluoreszenzröhre) und einem Licht-Dunkel-Wechsel von 16/8 Stunden. Das Moos wurde ent- weder in Flüssigkultur unter Verwendung von Knop-Medium nach Reski und Abel (1985, Planta 165, 354-358) modifiziert oder auf festem Knop-Medium unter Verwendung von 1 % Oxoidagar (Unipath, Basingstoke, England) angezogen.
Die zur RNA- und DNA-Isolation verwendeten Protonemata wurden in belüfteten Flüssigkulturen gezüchtet. Die Protonemata wurden alle 9 Tage zerkleinert und in frisches Kulturmedium überführt.
f) Kultivierung von Phytophthora infestans
Zunächst wurde eine cDNA Bank von Phytophthora infestans erstellt. Hierzu kann der Stamm ATCC 48886 von der American Type Culture Collection Rockville, USA erhalten werden. Abweichend vom Anzuchtprotokoll beschrieben für den Stamm ATCC 48886 wurden Phytophthora Sporen mit kaltem bidestillierten Wasser gewaschen und für 6 Stunden im Kühlschrank zur Sporulation gebracht. Danach wurde das Material in Erbsenmedium überführt. Hierzu wurden 150 g Tiefkühlerbsen (Iglu, erhältlich von lokalen Supermärkten) in 1 Liter Wasser für 20 Minuten steril autoklaviert. Das Material wird in 100 ml Kolben bei Raumtemperatur auf einem Kreisschüttler angezogen (200 rpm) . Nach zwei Tagen wurden je 2 Kolben und in den darauffolgenden 4 Tagen ebenfalls je 2 Kolben abfiltriert und in Flüssigstickstoff zermörsert.
Beispiel 2: Isolierung von Gesamt-DNA aus Pflanzen und Mikroorganismen wie Thraustochytrium und Crypthecodinium für Hybridisierungsexperimente
Die Einzelheiten der Isolation von Gesamt-DNA betreffen die Aufarbeitung von Pflanzenmaterial mit einem Frischgewicht von einem Gramm.
CTAB-Puffer: 2 % (Gew. /Vol.) N-Acetyl-N,N,N-trimethylammonium- bromid (CTAB) ; 100 mM Tris-HCl, pH 8,0; 1,4 M NaCl; 20 mM EDTA. N-Laurylsarkosin-Puffer: 10 % (Gew. /Vol.) N-Laurylsarkosin; 100 mM Tris-HCl, pH 8,0; 20 mM EDTA.
Das Pflanzenmaterial oder Crypthecodinium- oder Thraustochytrium- Zellmaterial wurde unter flüssigem Stickstoff in einem Mörser verrieben, so daß ein feines Pulver erhalten wurde, und in 2-ml- Eppendorfgefäße überführt. Das gefrorene Pflanzenmaterial wurde dann mit einer Schicht von 1 ml Zersetzungspuffer (1 ml CTAB- Puffer, 100 ml N-Laurylsarkosin-Puffer, 20 ml ß-Mercaptoethanol und 10 ml Proteinase K-Lösung, 10 mg/ml) überschichtet und eine Stunde unter kontinuierlichem Schütteln bei 60°C inkubiert. Das erhaltene Homogenat wurde in zwei Eppendorfgefäße (2 ml) aufgeteilt und zweimal durch Schütteln mit dem gleichen Volumen Chloroform/Isoamylalkohol (24:1) extrahiert. Zur Phasentrennung wurde eine Zentrifugation bei 8000 x g und RT (= Raumtemperatur = ~ 23°C) jeweils 15 min lang durchgeführt. Die DNA wurde dann 30 min unter Verwendung von eiskaltem Isopropanol bei -70°C gefällt. Die gefällte DNA wurde bei 10000 g 30 min bei 4°C sedimentiert und in 180 ml TE-Puffer (Sambrook et al . , 1989, Cold Spring Harbor Laboratory Press: ISBN 0-87969-309-6) resuspendiert. Zur weiteren Reinigung wurde die DNA mit NaCl (1,2 M Endkonzentration) behandelt und erneut 30 min unter Verwendung des zweifachen Volumens an absolutem Ethanol bei -70°C gefällt. Nach einem Waschschritt mit 70 % Ethanol wurde die DNA getrocknet und anschließend in 50 ml H0 + RNAse (50 mg/ml Endkonzentration) aufgenommen. Die DNA wurde über Nacht bei 4°C gelöst und die RNAse-Spaltung wurde anschließend 1 Std. bei 37°C durchgeführt. Die Aufbewahrung der DNA erfolgte bei 4°C.
Beispiel 3: Isolierung von Gesamt-RNA und poly(A)+-RNA aus Pflanzen und Mikroorganismen (Crypthecodinium und Thraustochytrium)
Die Isolierung von Gesamt-RNA aus Pflanzen wie Lein und Raps etc. erfolgt nach einer bei Logemann et al beschriebenen Methode (1987, Anal. Biochem. 163, 21) isoliert. Aus Moos kann die Gesamt-RNA Protonema-Gewebe nach dem GTC-Verfahren (Reski et al., 1994, Mol. Gen. Genet., 244:352-359) gewonnen werden.
RNA Isolation aus Crypthecodinium und Thraustochytrium:
Tiefgefrorene Algenproben (- 70°C) werden in einem eiskaltem Mörser unter Flüssigstickstoff zu feinem Pulver zerreiben. 2 Volumen Homogenisationsmedium (12,024 g Sorbitol, 40,0 ml IM Tris-HCl, pH 9 (0,2 M) ; 12,0 ml 5 M NaCl (0,3 M) , 8,0 ml 250 mM EDTA, 761,0 mg EGTA, 40,0 ml 10% SDS werden auf 200 ml mit H20 aufgefüllt und der pH auf 8,5 eingestellt) und 4 Volumen Phenol mit 0,2% Mercaptoethanol werden bei 40-50°C unter gutem Mischen zu gefrorenem Zellpulver gegeben. Danach werden 2 Volumen Chloroform hinzufügen und für 15 min kräftig gerührt. Es wird 10 min bei 10000g zentrifugiert und die wässrige Phase mit Phenol/ Chloroform (2Vol/2Vol) und abschließend mit Chloroform extrahiert.
Das erhaltene Volumen der wässrigen Phase wird mit 1/20 Vol 4 M Na-Acetat (pH 6) und 1 Vol Isopropanol (eiskalt) versetzet und die Nukleinsäuren bei -20°C UN gefällt. Es wird 30 min bei 10000 g zentrifugiert und der Überstand abgesogen. Es folgt ein Waschschritt mit 70 % EtOH und erneute Zentrifugation. Das Sediment wird in Tris-Borat-Puffer (80 mM Tris-Borat-Puffer, 10 mM EDTA, pH 7,0) . Dann wird der Überstand mit 1/3 Vol 8 M LiCl versetzt, gemischt 30 min bei 4°C inkubiert. Nach erneutem zentrifugieren wird das Sediment mit 70 % Ethanol gewaschen, zentrifugiert und das Sediment in RNAse-freiem Wasser gelöst.
Die Isolierung von poly(A)+-RNA erfolgt unter Verwendung von Dyna Beads® (Dynal, Oslo, Finnland) nach den Anweisungen im Protokoll des Herstellers.
Nach der Bestimmung der RNA- oder poly (A) +-RNA-Konzentration wird die RNA durch Zugabe von 1/10 Volumina 3 M Natriumacetat, pH 4,6, und 2 Volumina Ethanol gefällt und bei -70°C aufbewahrt.
Für die Analyse werden jeweils 20 μg RNA in einem Formaldehyd- haltigen l,5%igen Agarosegel aufgetrennt und auf Nylon Membranen (Hybond, Amersham) überführt. Der Nachweis spezifischer Trans - kripte wird wie bei Amasino beschrieben durchgeführt ( (1986) Anal. Biochem. 152, 304)).
Isolierung von Gesamt-RNA und poly-(A)+ RNA aus Phytophthora infestans :
Gesamt-RNA wurde mit dem RNeasy Plant Total RNA Kit (Qiagen, Hilden) und dem darin enthaltenen RLT-Puffer nach Angaben des Herstellers gewonnen. Aus der gewonnenen Gesamt-RNA wurde die poly-(A)+ RNA mit dem Poly Attract mRNA Isolation System III der Firma Promega (Heidelberg) nach Angaben des Herstellers isoliert.
Beispiel 4: Konstruktion der cDNA-Bank
Zur Konstruktion der cDNA-Bank aus Physcomitrella, Crypthe- codinium bzw. Thraustochytrium wurde die Erststrangsynthese unter Verwendung von Reverser Transkriptase aus Maus-Leukämie-Virus (Röche, Mannheim, Deutschland) und Oligo-d(T) -Primern, die Zweit- Strangsynthese durch Inkubation mit DNA-Polymerase I, Klenow- Enzym und RNAse H-Spaltung bei 12°C (2 Std.), 16°C (1 Std.) und 22°C (1 STd.) erzielt. Die Reaktion wurde durch Inkubation bei 65°C (10 min) gestoppt und anschließend auf Eis überführt. Doppelsträngige DNA-Moleküle wurde mit T4-DNA-Polymerase
(Röche, Mannheim) bei 37°C (30 min) mit glatten Enden versehen. Die Nukleotide wurden durch Phenol/Chloroform-Extraktion und Sephadex-G50-Zentrifugiersäulen entfernt. EcoRI/XhoI-Adapter (Pharmacia, Freiburg, Deutschland) wurden mittels T4-DNA-Ligase (Röche, 12°C, über Nacht) an die cDNA-Enden ligiert, mit Xhol nachgeschnitten und durch Inkubation mit Polynukleotidkinase (Röche, 37°C, 30 min) phosphoryliert. Dieses Gemisch wurde der Trennung auf einem Low-Melting-Agarose-Gel unterworfen. DNA- Moleküle über 300 Basenpaaren wurden aus dem Gel eluiert, Phenol- extrahiert, auf Elutip-D-Säulen (Schleicher und Schüll, Dassel, Deutschland) konzentriert und an Vektorarme ligiert und in lambda-ZAPII-Phagen oder lambda-ZAP-Express-Phagen unter Verwendung des Gigapack Gold-Kits (Stratagene, Amsterdam, Niederlande) verpackt, wobei Material des Herstellers verwendet und seine Anweisungen befolgt wurden.
Die Konstruktion einer cDNA Bank für Phytophthora infestans erfolgte wie oben beschrieben.
Beispiel 5: DNA-Sequenzierung und Computeranalyse
cDNA-Banken, wie im Beispiel 4 beschrieben, wurden zur DNA- Sequenzierung nach Standardverfahren, insbesondere durch das Kettenterminationsverfahren unter Verwendung des ABI PRISM Big Dye Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction-Kit (Perkin-Elmer, Weiterstadt, Deutschland) , verwendet. Die Sequenzierung zufälliger, vereinzelter Klone wurde anschließend an die präpara- tive Plasmidgewinnung aus cDNA-Banken über in vivo-Massenexcision und Retransformation von DH10B auf Agarplatten durchgeführt (Ein- zelheiten zu Material und Protokoll von Stratagene, Amsterdam, Niederlande) . Plasmid-DNA wurde aus über Nacht gezüchteten E. coli-Kulturen, die in Luria-Brühe mit Ampicillin (siehe Sambrook et al. (1989) (Cold Spring Harbor Laboratory Press: ISBN 0-87969-309-6)) gezüchtet worden waren, an einem Qiagen- DNA-Präparations-Roboter (Qiagen, Hilden) nach den Protokollen des Herstellers präpariert. Sequenzierprimer mit den folgenden Nukleotidsequenzen wurden verwendet:
5' -CAGGAAACAGCTATGACC-3 ' 5' -CTAAAGGGAACAAAAGCTG-3 ' 5' -TGTAAAACGACGGCCAGT-3 ' Die "Sequenzen wurden unter Verwendung des Standard-So twarepakets EST-MAX, das kommerziell von Bio-Max (München, Deutschland) geliefert wird, prozessiert und annotiert. Durch Nutzung von Vergleichsalgorithmen und unter Verwendung einer Suchsequenz wurde mithilfe des BLAST-Programms nach homologen Genen gesucht (Alt- schul et al. (1997) "Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs", Nucleic Acids Res . 25:3389-3402.). Eine Sequenz aus Crypthecodinium und Thraustochytrium mit Homologien zur Suchsequenz der Mooselongase aus Physcomitrella patens wurden eingehender charakterisiert.
Beispiel 6a: Identifizierung des Tc_PSEl und Tc_PSE2-Gens (Tc =
Thraustochytrium) sowie des Cc_PSEl und Cc_PSE2-Gens (Cc = Crypthecodinium cohnii) durch Vergleich mit dem Pp_PSEl-Gen aus Physcomitrella patens.
Die Vollängensequenz der erfindungsgemäßen Mooselongase Pp_PSEl
(Bezeichnung siehe auch Tabelle 2) wurde für die Sequenz - vergleiche im TBLASTN Suchalgorythmus eingesetzt:
MEWERFYGE LDGKVSQGVN ALLGSFGVEL TDTPTTKGLP LVDSPTPIVL GVSVYLTIVI GGLLWIKARD LKPRASEPFL LQALVLVHNL FCFALSLYMC VGIAYQAITW RYSLWGNAYN PKHKEMAILV YLFYMSKYVE FMDTVIMILK RSTRQISFLH VYHHSSISLI WWAIAHHAPG GEAYWSAALN SGVHVLMYAY YFLAACLRSS PKLKNKYLFW GRYLTQFQMF QFMLNLVQAY YDMKTNAPYP QWLIKILFYY MISLLFLFGN FYVQKYIKPS DGKQKGAKTE .
Die vollständige Nukleotidsequenz der Mooselongase Pp_PSEl cDNA besteht aus etwa 1200 bp. Sie enthält einen offenen Leserahmen von 873 bp, der 290 Aminosäure mit einer berechneten Molekülmasse von 33,4 Da codiert. Die Proteinsequenz besitzt nur 38,5 % Identität und 48,3 % Ähnlichkeit mit einem, z.B. PSE1-, Genprodukt von Saccharomyces cerevisiae, das zur Elongation von Fettsäuren mit mittlerer Kettenlänge in der Hefe erforderlich ist (Toke & Martin, 1996, Isolation and characterization of a gene affecting fatty acid elongation in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biological Chemistry 271, 18413-18422) .
Die EST-Sequenz CC001042041R sowie TC002034029R und TC002014093R wurden zunächst aufgrund schwacher Homologien mit der Elongase aus Physcomitrella patens (siehe Tabelle 2) , dem PSE1 Gen unter anderen Kandidatengenen als Zielgen in Betracht gezogen. In Figur 5 ist das Ergebnis des Vergleiches der Pp_PSEl Peptidsequenz mit der gefundenen Sequenz dargestellt. Sie ist Teil der erfindungsgemäßen Nukleinsäure aus Seq ID NO: 3. (Genname: Tc_PSEl, eigene Datenbank Nr. der Erfinder TC002034029R) . Buchstaben zeigen identische Aminosäuren an, während das Pluszeichen eine chemisch ähnliche Aminosäure bedeutet. Die Identitäten bzw. Homologien aller erfindungsgemäß gefundener Sequenzen gehen aus Tabelle 3 zusammenfassend hervor.
Die Sequenzierung des vollständigen cDNA Fragmentes aus Klon TC002034029R ergab eine 693 Basenpaare lange Sequenz beginnend mit erster Base im offenen Leseraster. Die Sequenz codiert für ein Polypeptid von 195 Aminosäuren dargestellt in Seq ID NO:4 mit einem Stopcodon in Basenpaarposition übersetzt aus SEQ ID NO: 3 in Basenpaarposition 586-588. Der Klon TC002014093R beinhaltet ein nahezu vollständiges Elongase-Polypeptid, wie aus dem Sequenz - vergleich in Figur 7 zu ersehen ist. Striche bedeuten identische Aminosäuren während Doppelpunkte und Einzelpunkte chemisch austauschbare, d.h. chemisch äquivalente Aminosäuren darstellen. Der Vergleich wurde mit der BLOSUM62 Austauschmatrix für Amin- soäuren nach Henikoff & Henikoff durchgeführt ( (1992) Amino acid Substitution matrices from protein blocks. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89: 10915-10919) .Verwendete Parameter: Gap Weight: 8; Average Match: 2.912, Length Weight: 2, Average Mismatch: -2.003.
Weiterhin wurde durch den Sequenzvergleich ein zweiter est identifiziert. Dargestellt in Figur 6 ist der Vergleich der Pp_PSEl Peptidsequenz mit der gefundenen Sequenz. Wenngleich sich die Homologie unter gewählten Parametern auf wenige Aminosäuren beschränkt, so bezieht sich dies auf einen stark konservierten Bereich der PUFA-spezifischen Elongasen. Es wurde daher die Sequenz des vollständigen klonierten Fragmentes ermittelt.
Die Sequenzierung des vollständigen cDNA Fragmentes aus Klon TC002014093R ergab eine 955 Basenpaare lange Sequenz beginnend mit erster Base im offenen Leseraster. Diese ist erfindungsgemäß mit SEQ ID NR: 5 angegeben. Die Sequenz codiert für ein Polypeptid von 297 Aminosäuren mit einem Stopcodon in Basenpaarposition 892-894 erfindungsgemäß dargestellt in SEQ ID NO: 6.
Mithilfe der Sequenz PpPSEl wurde der est CC001042041R aus Crypthecodinium cohnii codierend für das Gen Cc_PSEl identifiziert. Der isolierte est CC001042041R, erfindungsgemäß dargestellt als SEQ ID NR: 7 ist 708 Basenpaaren lang mit einem offenen Leseraster ab erster Base von 642 Basenpaaren codierend für 214 Aminosäuren und mit einem Stopcodon in Position 643-645. Die Aminosäuresequenz bis zum Stopcodon ist erfindungsgemäß dargestellt in SEQ ID NR: 8.
Neben der Ähnlichkeit mit dem PSEl-Genprodukt kann auch die Ähn- lichkeit zur Elongase aus Saccharomyces cerevisiae (sce elo 1P) herangezogen werden, die zur Elongation von Fettsäuren mit mittlerer Kettenlänge in der Hefe erforderlich ist (Toke & Martin, 1996, Isolation and characterization of a gene affecting fatty acid elongation in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biological Chemistry 271, 18413-18422) . In Tabelle 3 sind die Identitäten und Homologien erfindungsgemäßer Elongasen untereinander und mit den Elongasen aus Physcomitrella patens und aus Hefe dargestellt. Die Angaben wurden mithilfe des Programms GAP als Teilprogramm folgender Software erhalten: Wisconsin Package Version 10.0 (Genetics Computer Group (GCG) , Madison, Wisc, USA) .
Tabelle 3:
Figure imgf000081_0001
Insbesondere lassen sich aus Figuren 5 bis 10 die folgenden Sequenzmotive als Bereiche hoher Homologie und entsprechende daraus abgeleitete Consensussequenzen ableiten, die durch Rückübersetzung der Aminsoäuren in Drei-Basenpaar-Codons zu Oligonukleotiden führen, die zur Isolation neuer Elongasen mittels Polymerasekettenreaktion genutzt werden können. Dies sind insbesondere die in Figur 10 dargestellten Sequenz - motive. Aus diesen Motiven lassen sich Oligonukleotide ableiten und in Kombination mit zwei Oligonukleotiden in PCR- Experimenten zur Isolation weiterer Elongasefragmente einsetzen. Dabei wird zweckmäßigerweise ein Oligonukleotid passend für den konventionell definierten 5 '-3'Strang und ein zweites mit einem strangabwärts für den 3' -5' Strang passenden Oligonukleotid konstruiert und synthetisiert. Dabei ergibt sich eine definierbare Anzahl an Primerkombinationen, die durch Permutation der möglichen Varianten begrenzt ist.
Dabei können auch Oligo-dT Primer und Varianten davon genutzt werden, z.B. indem die letzte Base Spezifität für einen Pool von Transkripten zuläßt wie z.B: Oligo dT (12-20) X, wobei X ein G, C oder T sein kann. Auch läßt sich eine zweite Base Oligo dT (12-20) XY nutzen, wobei X ein G, C oder A sein kann, während das Y ein A, G, C, oder T sein kann.
Aus oben definierten Sequenzen lassen sich 17- bis 20mere Oligonukleotide ableiten, die unter Variation der Primer- kombinationen und Versuchsparameter wie Temperaturprogramm, Mg-Ionenkonzentration etc. zur Isolation von Genfragmenten genutzt werden können. Die so erhaltenen Fragmente können in geeignete Vektoren kloniert werden und die Sequenz erhaltener Klone zur Identifizierung neuer Elongasen nach gängigen verfahren ermittelt werden.
Beispiel 6b: Isolation des cDNA Klons aus Pythophtora infestans
Der cDNA Klon mit der Bezeichnung PI001002014R aus Phytophthora infestans wurde aus zufällig sequenzierten cDNAs aufgrund von Homologien zur PUFA Elongase aus dem Moos Physcomitrella patens identifiziert (ATCCC 48886) . Der Klon enthält das in Abbildung 8 dargestellte Konsensus Motiv MYxYYF, wobei abweichend von bisher identifizierten PUFA Elongasen ein Threoninrest als variabe Aminosäure x gefunden wurde. Diese weitere Variation kann zur Ableitung von PCR Primern genutzt werden.
Beispiel 7: Identifikation von Genen mittels Hybridisierung (TC002034029R-11 iGenTc-PCEl)
Gensequenzen lassen sich zur Identifikation homologer oder heterologer Gene aus cDNA- oder genomischen Banken verwenden.
Homologe Gene (d.h. Volllängen-cDNA- lone, die homolog sind, oder Homologen) lassen sich über Nukleinsäurehybridisierung unter Verwendung von beispielsweise cDNA-Banken isolieren: Insbesondere zur Isolation von funktionell aktiven Voll-Längengenen der in SEQ ID N0:1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5, SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 9 und SEQ ID NO: 11 kann die Methode genutzt werden. Je nach der Häufigkeit des Gens von Interesse werden 100000 bis zu 1000000 rekombinante Bakteriophagen plattiert und auf eine Nylonmembran überführt. Nach der Denaturierung mit Alkali wird die DNA auf der Membran z.B. durch UV-Vernetzung immobilisiert. Die Hybridisierung erfolgt bei hoch-stringenten Bedingungen. In wäßriger Lösung werden die Hybridisierung und die Waschschritte bei einer Ionenstärke von 1 M NaCl und einer Temperatur von 68°C durchgeführt. Hybridisierungssonden wurden z.B. durch Markierung mittels radioaktiver (32P-) Nicktranskription (High Prime, Röche, Mannheim, Deutschland) hergestellt. Die Signale werden mittels Autoradiographie nachgewiesen.
Partiell homologe oder heterologe Gene, die verwandt, aber nicht identisch sind, lassen sich analog zum oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung niedrig-stringenter Hybridisierungs- und Waschbedingungen identifizieren. Für die wäßrige Hybridisierung wurde die Ionenstärke gewöhnlich bei 1 M NaCl gehalten, wobei die Temperatur nach und nach von 68 auf 42°C gesenkt wurde. Die Isolation von Gensequenzen, die nur zu einer einzelnen Domäne von beispielsweise 10 bis 20 Aminosäuren Homologien aufweisen, läßt sich unter Verwendung synthetischer, radioaktiv markierter Oligonukleotidsonden durchführen. Radioaktiv markierte Oligonukleotide werden mittels Phosphorylierung des 5'-Endes zweier komplementärer Oligonukleotide mit T4-Polynukleotidkinase hergestellt. Die komplementären Oligonukleotide werden aneinander hybridisiert und ligiert, so daß Konkatemere entstehen. Die doppelsträngigen Konkatemere werden beispielsweise durch Nick- transkription radioaktiv markiert. Die Hybridisierung erfolgt gewöhnlich bei niedrig-stringenten Bedingungen unter Verwendung hoher Oligonukleotidkonzentrationen.
Oligonukleotid-Hybridisierungslösung:
6 x SSC
0,01 M Natriumphosphat 1 mM EDTA (pH 8) 0,5 % SDS 100 mikrog/ml denaturierte Lachssperma-DNA 0,1 % fettarme Trockenmilch
Während der Hybridisierung wird die Temperatur schrittweise auf 5 bis 10°C unter die berechnete Oligonukleotid-Tm oder bis auf Raum- temperatur (bedeutet RT = ~ 23°C in allen Experimenten, wenn nicht anders angegeben) gesenkt, gefolgt von Waschschri ten und Autoradiographie. Das Waschen wird mit extrem niedriger Stringenz durchgeführt, zum Beispiel 3 Waschschritte unter Verwendung von 4 x SSC. Weitere Einzelheiten sind wie von Sambrook, J., et al . (1989), "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press, oder Ausubel, F.M. , et al . (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons, beschrieben.
Der Klon TC002034029R-11 mit dem Gennamen Tc_PCEl_l ist eine Vollängensequenz einer Elongase aus Thraustochytrium und somit länger als Klon TC002034029R aus Seq. ID No. 3 und Seq. ID No. 4. Die Isolation des Klones erfolgte über Hybridisierungsverfahren wie oben (Beispiel 7) beschrieben. Es handelt sich um eine 1054 Basenpaare lange DNA Sequenz codierend für 271 Aminosäuren mit einem Startcodon in Basenpaarposition 43-45 und einem Stopcodon in Basenpaarposition 856-858. Beispiel 8:- Identifikation von Zielgenen durch Sichtung von Expressionsbanken mit Antikörpern
Es werden cDNA-Sequenzen zur Herstellung von rekombinantem Protein zum Beispiel in E. coli verwendet (z.B. Qiagen QlAexpress pQE-System) . Die rekombinanten Proteine werden dann gewöhnlich über Ni-NTA-Affinitätschromatographie (Qiagen) affinitäts- gereinigt. Die rekombinanten Proteine werden dann zur Herstellung spezifischer Antikörper beispielsweise unter Verwendung von Standardtechniken zur Immunisierung von Kaninchen verwendet. Die Antikörper werden dann unter Verwendung einer Ni-NTA-Säule, die mit rekombinantem Antigen vorgesättigt wird, affinitäts- gereinigt, wie von Gu et al . , (1994) BioTechniques 17:257-262 beschrieben. Der Antikörper kann dann zur Durchmusterung von Expressions-cDNA-Banken mittels immunologischem Sichtung verwendet werden (Sambrook, J., et al . (1989), "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press, oder Ausubel, F.M., et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology" , John iley & Sons) .
Beispiel 9: Plasmide für die Pflanzentransformation
Zur Pflanzentransformation können binäre Vektoren, wie pBinAR verwendet werden (Höfgen und Willmitzer, Plant Science 66 (1990) 221-230) . Die Konstruktion der binären Vektoren kann durch
Ligation der cDNA in Sense- oder Antisense-Orientierung in
T-DNA erfolgen. 5' der cDNA aktiviert ein Pflanzenpromotor die
Transkription der cDNA. Eine Polyadenylierungssequenz befindet sich 3' von der cDNA.
Die gewebespezifische Expression läßt sich unter Verwendung eines gewebespezifischen Promotors erzielen. Beispielsweise kann die samenspezifische Expression erreicht werden, indem der Napin- oder der LeB4- oder der USP-Promotor 5' der cDNA einkloniert wird. Auch jedes andere samenspezifische Promotorelement kann verwendet werden. Zur konstitutiven Expression in der ganzen Pflanzen läßt sich der CaMV-35S-Promotor verwenden.
Das exprimierte Protein kann unter Verwendung eines Signal - peptids, beispielsweise für Piastiden, Mitochondrien oder das Endoplasmatische Retikulum, in ein zelluläres Kompartiment dirigiert werden (Kermode, Crit. Rev. Plant Sei. 15, 4 (1996) 285-423) . Das Signalpeptid wird 5' im Leseraster mit der cDNA einkloniert, um die subzelluläre Lokalisierung des Fusionsprotein zu erreichen. Beispiel 10: Transformation von Agrobacterium
Die Agrobacterium-vermittelte Pflanzentransformation kann zum Beispiel, unter Verwendung des GV3101- (pMP90-) (Koncz und Schell, Mol. Gen. Genet. 204 (1986) 383-396) oder LBA4404- (Clontech) Agrobacterium tumefaciens-Stamms durchgeführt werden. Die Transformation kann durch Standard-Transformationstechniken durchgeführt werden (Deblaere et al., Nucl. Acids. Tes. 13 (1984) , 4777-4788) .
Beispiel 11: Pflanzentransformation
Die Agrobacterium-vermittelte Pflanzentransformation kann unter Verwendung von Standard-Transformations- und Regenerations - techniken durchgeführt werden (Gelvin, Stanton B., Schilperoort, Robert A. , Plant Molecular Biology Manual, 2. Aufl., Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1995, in Sect., Ringbuc Zentrale Signatur: BT11-P ISBN 0-7923-2731-4; Glick, Bernard R. , Thompson, John E., Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnology, Boca Raton: CRC Press, 1993, 360 S., ISBN 0-8493-5164-2).
Beispielsweise kann Raps mittels Kotyledonen- oder Hypokotyl- transformation transformiert werden (Moloney et al., Plant Cell
Report 8 (1989) 238-242; De Block et al., Plant Physiol. 91 (1989) 694-701) . Die Verwendung von Antibiotika für die
Agrobacterium- und Pflanzenselektion hängt von dem für die
Transformation verwendeten binären Vektor und Agrobacterium-
Stamm ab. Die Rapsselektion wird gewöhnlich unter Verwendung von Kanamycin als selektierbarem Pflanzenmarker durchgeführt.
Der Agrobacterium-vermittelte Gentransfer in Lein (Linum usitatissimum) läßt sich unter Verwendung von beispielsweise einer von Mlynarova et al . (1994) Plant Cell Report 13:282-285 beschriebenen Technik durchführen. Die Transformation von Soja kann unter Verwendung von beispielsweise einer in EP-A-0 0424 047 (Pioneer Hi-Bred International) oder in EP-A-0 0397 687, US 5,376,543, US 5,169,770 (University Toledo) beschriebenen Technik durchgeführt werden.
Die Pflanzentransformation unter Verwendung von Teilchen- beschuß, Polyethylenglycol-vermittelter DNA-Aufnahme oder über die Siliziumcarbonatfaser-Technik ist beispielsweise beschrieben von Freeling und Walbot "The maize handbook" (1993) ISBN 3-540-97826-7, Springer Verlag New York) . Beispiel 12: Plasmide für die Pflanzentransformation
Zur Pflanzentrans ormation können binäre Vektoren, wie pBinAR verwendet werden (Höfgen und Willmitzer, Plant Science 66 (1990) 5 221-230) . Die Konstruktion der binären Vektoren kann durch Ligation der cDNA in Sense- oder Antisense-Orientierung in T-DNA erfolgen. 5' der cDNA aktiviert ein Pflanzenpromotor die Transkription der cDNA. Eine Polyadenylierungssequenz befindet sich 3' von der cDNA.
10 Die gewebespezifische Expression läßt sich unter Verwendung eines gewebespezifischen Promotors erzielen. Beispielsweise kann die samenspezifische Expression erreicht werden, indem der Napin- oder der LeB4- oder der USP-Promotor 5' der cDNA einkloniert wird. Auch jedes andere samenspezifische Promotorelement kann
15 verwendet werden. Zur konstitutiven Expression in der ganzen Pflanzen läßt sich der CaMV-35S-Promotor verwenden. Insbesondere lassen sich Gene codierend für Elongasen und Desaturasen durch Konstruktion mehrerer Expressionskassetten hintereinander in einen binären Vektor klonieren, um den Stoff -
20 wechselweg in der Pflanzen nachzubilden.
Innerhalb einer Expressionskassette kann das zu exprimierende Protein unter Verwendung eines Signalpeptids, beispielsweise für Piastiden, Mitochondrien oder das Endoplasmatische Retikulum, 25 in ein zelluläres Kompartiment dirigiert werden (Kermode, Crit. Rev. Plant Sei. 15, 4 (1996) 285-423) . Das Signalpeptid wird 5' im Leseraster mit der cDNA einkloniert, um die subzelluläre Lokalisierung des Fusionsprotein zu erreichen.
0 Beispiel 13: In vivo-Mutagenese
Die in vivo-Mutagenese von Mikroorganismen kann mittels Passage der Plasmid- (oder einer anderen Vektor-) DNA durch E. coli oder andere Mikroorganismen (z.B. Bacillus spp. oder Hefen,
3 ie Saccharomyces cerevisiae) , bei denen die Fähigkeiten, die Unversehrtheit ihrer genetischen Information aufrechtzuerhalten, gestört ist, erfolgen. Übliche Mutator-Stämme haben Mutationen in den Genen für das DNA-Reparatursystem (z.B. mutHLS, mutD, mutT usw.; als Literaturstelle siehe Rupp, W.D. (1996) DNA repair
^0 mechanisms, in: Escherichia coli and Salmonella, S. 2277-2294, ASM: Washington) . Diese Stämme sind dem Fachmann bekannt. Die Verwendung dieser Stämme ist beispielsweise in Greener, A., und Callahan, M. (1994) Strategies 7:32-34, erläutert. Der Transfer mutierter DNA-Moleküle in Pflanzen erfolgt vorzugsweise nach
^5 Selektion und Test der Mikrooganismen. Transgene Pflanzen werden nach verschiedenen Beispielen im Beispielteil dieses Dokumentes erzeugt.
Beispiel 14 : Untersuchung der Expression eines rekombinanten Genproduktes in einem transformierten Organismus
Die Aktivität eines rekombinanten Genproduktes im transformierten Wirtsorganismus wurde auf der Transkriptions- und/oder der Translationsebene gemessen.
Ein geeignetes Verfahren zur Bestimmung der Menge an Transkription des Gens (ein Hinweis auf die Menge an RNA, die für die Translation des Genproduktes zur Verfügung steht) ist die Durchführung eines Northern-Blots wie unten ausgeführt (als Bezugsstelle siehe Ausubel et al. (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York, oder den oben erwähnten Beispielteil) , wobei ein Primer, der so gestaltet ist, daß er an das Gen von Interesse bindet, mit einer nachweisbaren Markierung (gewöhnlich radioaktiv oder chemilumineszent) markiert wird, so daß, wenn die Gesamt-RNA einer Kultur des Organismus extrahiert, auf einem Gel aufgetrennt, auf eine stabile Matrix transferiert und mit dieser Sonde inkubiert wird, die Bindung und das Ausmaß der Bindung der Sonde das Vorliegen und auch die Menge der mRNA für dieses Gen anzeigt. Diese Information zeigt den Grad der Transkription des transformierten Gens an. Zelluläre Gesamt-RNA kann aus Zellen, Geweben oder Organen mit mehreren Verfahren, die alle im Fachgebiet bekannt sind, wie zum Beispiel das von Bormann, E.R., et al . (1992) Mol. Microbiol. 6:317-326 beschriebene, präpariert werden.
Northern-Hybridisierung:
Für die RNA-Hybridisierung wurden 20 ocg Gesamt-RNA oder 1 ocg poly (A) +-RNA mittels Gelelektrophorese in Agarosegelen mit einer Stärke von 1,25 % unter Verwendung von Formaldehyd, wie beschrieben in Amasino (1986, Anal. Biochem. 152, 304) aufgetrennt, mittels Kapillaranziehung unter Verwendung von 10 x SSC auf positiv geladene Nylonmembranen (Hybond N+, Amersham, Braunschweig) übertragen, mittels UV-Licht immobilisiert und 3 Stunden bei 68°C unter Verwendung von Hybridisierungspuffer (10 % Dextransulfat Gew. /Vol., 1 M NaCl, 1 % SDS, 100 mg Herings' sperma-DNA) vorhybridisiert. Die Markierung der DNA-Sonde mit dem Highprime DNA labeling-Kit (Röche, Mannheim, Deutschland) erfolgte während der Vorhybridisierung unter Verwendung von alpha-32P-dCTP (Amersham, Braunschweig, Deutschland) . Die
Hybridisierung wurde nach Zugabe der markierten DNA-Sonde im gleichen Puffer bei 68°C über Nacht durchgeführt. Die Wasch- schritte wurden zweimal für 15 min unter Verwendung von 2 X SSC und zweimal für 30 min unter Verwendung von 1 X SSC, 1 % SDS, bei 68°C durchgeführt. Die Exposition der verschlossenen Filter wurde bei -70°C für einen Zeitraum von 1 bis 14 T durchgeführt.
Zur Untersuchung des Vorliegens oder der relativen Menge an von dieser mRNA translatiertem Protein können Standardtechniken, wie ein Western-Blot, eingesetzt werden (siehe beispielsweise Ausubel et al . (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York) . Bei diesem Verfahren werden die zellulären Gesamt- Proteine extrahiert, mittels Gelelektrophorese aufgetrennt, auf eine Matrix, wie Nitrozellulose, übertragen und mit einer Sonde, wie einem Antikörper, der spezifisch an das gewünschte Protein bindet, inkubiert. Diese Sonde ist gewöhnlich mit einer chemilumineszenten oder kolorimetrischen Markierung versehen, die sich leicht nachweisen läßt. Das Vorliegen und die Menge der beobachteten Markierung zeigt das Vorliegen und die Menge des gewünschten, in der Zelle vorliegenden mutierten Proteins an.
Beispiel 15: Analyse der Auswirkung der rekombinanten Proteine auf die Produktion des gewünschten Produktes
Die Auswirkung der genetischen Modifikation in Pflanzen, Pilzen, Algen, Ciliaten oder auf die Produktion einer gewünschten Ver- bindung (wie einer Fettsäure) kann bestimmt werden, indem die modifizierten Mikroorganismen oder die modifizierte Pflanze unter geeigneten Bedingungen (wie den vorstehend beschriebenen) gezüchtet werden und das Medium und/oder die zellulären Komponenten auf die erhöhte Produktion des gewünschten Produktes (d.h. von Lipiden oder einer Fettsäure) untersucht wird. Diese Analysetechniken sind dem Fachmann bekannt und umfassen Spektroskopie, Dünnschichtchromatographie, Färbeverfahren verschiedener Art, enzymatische und mikrobiologische Verfahren sowie analytische Chromatographie, wie Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (siehe beispielsweise Ullman, Encyclopedia of Industrial Chemis- try, Bd. A2, S. 89-90 und S. 443-613, VCH: Weinheim (1985); Fallon, A. , et al., (1987) "Applications of HPLC in Biochemistry" in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Bd. 17; Rehm et al. (1993) Biotechnology, Bd. 3, Kapitel III: «p oduc recovery and purification" , S. 469-714, VCH: Weinheim; Belter, P.A., et al. (1988) Bioseparations: downstream processing for Biotechnology, John Wiley and Sons; Kennedy, J.F., und Cabral, J.M.S. (1992) Recovery processes for biological Materials, John Wiley and Sons; Shaeiwitz, J.A., und Henry, J.D. (1988) Biochemical Separations, in: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Bd. B3; Kapitel 11, S. 1-27, VCH: Weinheim; und Dechow, F.J. '(1989) Separation and purification techniques in biotechnology, Noyes Publications) .
Neben den oben erwähnten Verfahren werden Pflanzenlipide aus Pflanzenmaterial wie von Cahoon et al. (1999) Proc. Natl. Acad. Sei. USA 96 (22) : 12935-12940, und Browse et al. (1986) Analytic Biochemistry 152:141-145, beschrieben extrahiert. Die qualitative und quantitative Lipid- oder Fettsäureanalyse ist beschrieben bei Christie, William W. , Advances in Lipid Methodology, Ayr/ Scotland: Oily Press (Oily Press Lipid Library; 2) ; Christie, William W., Gas Chromatography and Lipids . A Practical Guide - Ayr, Scotland: Oily Press, 1989, Repr. 1992, IX, 307 S. (Oily Press Lipid Library; 1) ; "Progress in Lipid Research, Oxford: Pergamon Press, 1 (1952) - 16 (1977) u.d.T.: Progress in the Chemistry of Fats and Other Lipids CODEN.
Zusätzlich zur Messung des Endproduktes der Fermentation ist es auch möglich, andere Komponenten der Stoffwechselwege zu analysieren, die zur Produktion der gewünschten Verbindung ver- wendet werden, wie Zwischen- und Nebenprodukte, um die Gesamt- effizienz der Produktion der Verbindung zu bestimmen. Die Analyseverfahren umfassen Messungen der Nährstoffmengen im Medium (z.B. Zucker, Kohlenwasserstoffe, Stickstoff uellen, Phosphat und andere Ionen) , Messungen der Biomassezusammensetzung und des Wachstums, Analyse der Produktion üblicher Metabolite von Biosynthesewegen und Messungen von Gasen, die während der Fermentation erzeugt werden. Standardverfahren für diese Messungen sind in Applied Microbial Physiology; A Practical Approach, P.M. Rhodes und P.F. Stanbury, Hrsgb., IRL Press, S. 131-163 und 165-192 (ISBN: 0199635773) und darin angegebenen Literaturstellen beschrieben.
Ein Beispiel ist die Analyse von Fettsäuren (Abkürzungen: FAME, Fettsäuremethylester; GC-MS, Gas-Flüssigkeitschromatographie- Massenspektrometrie; TAG, Triacylglycerin; TLC, Dünnschicht - Chromatographie) .
Der unzweideutige Nachweis für das Vorliegen von Fettsäureprodukten kann mittels Analyse rekombinanter Organismen nach Standard-Analyseverfahren erhalten werden: GC, GC-MS oder TLC, wie verschiedentlich beschrieben von Christie und den Literatur- stellen darin (1997, in: Advances on Lipid Methodology, Vierte Aufl.: Christie, Oily Press, Dundee, 119-169; 1998, Gaschromato- graphie-Massenspektrometrie-Verfahren, Lipide 33:343-353). Das zu analysierende Material kann durch Ultraschallbehandlung, Mahlen in der Glasmühle, flüssigen Stickstoff und Mahlen oder über andere anwendbare Verfahren aufgebrochen werden. Das Material muss nach dem Aufbrechen zentrifugiert werden. Das Sediment wird in Aqua dest. resuspendiert, 10 min bei 100°C erhitzt, auf Eis abgekühlt und erneut zentrifugiert, gefolgt von Extraktion in 0,5 M Schwefelsäure in Methanol mit 2 % Dirnethoxy- propan für 1 Std. bei 90°C, was zu hydrolysierten Öl- und Lipid- verbindungen führt, die transmethylierte Lipide ergeben. Diese Fettsäuremethylester werden in Petrolether extrahiert und schließlich einer GC-Analyse unter Verwendung einer Kapillarsäule (Chrompack, WCOT Fused Silica, CP-Wax-52 CB, 25 mikrom, 0,32 mm) bei einem Temperaturgradienten zwischen 170°C und 240°C für 20 min und 5 min bei 240°C unterworfen. Die Identität der erhaltenen Fettsäuremethylester muss unter Verwendung von Standards, die aus kommerziellen Quellen erhältlich sind (d.h. Sigma) , definiert werden.
Bei Fettsäuren, für die keine Standards verfügbar sind, muss die Identität über Derivatisierung und anschließende GC-MS-Analyse gezeigt werden. Beispielsweise muss die Lokalisierung von Fettsäuren mit Dreifachbindung über GC-MS nach Derivatisierung mit 4, 4-Dimethoxyoxazolin-Derivaten (Christie, 1998, siehe oben) gezeigt werden.
Beispiel 16: Ξxpressionskonstrukte in heterologen mikrobiellen Systemen
Stämme, Wachstumsbedingungen und Plasmide
Der Escherichia coli-Stamm XL1 Blue MRF' kan (Stratagene) wird zur Subklonierung der neuen Elongasen wie PpPSEl aus Physcomitrella patens verwendet. Für die funktionelle Expression dieses Gens verwenden wir den Saccharomyces cerevisiae-Stamm iNVSc 1 (Invitrogen Co.). E. coli wird in Luria-Bertini-Brühe (LB, Duchefa, Haarlem, Niederlande) bei 37°C kultiviert. Wenn nötig, wird Ampicillin (100 mg/Liter) zugegeben, und 1,5 % Agar (Gew. /Vol.) wird für feste LB-Medien hinzugefügt. S. cerevisiae wird bei 30°C entweder in YPG-Medium oder in komplettem Minimal- medium ohne Uracil (CMdum; siehe in: Ausubel, F.M., Brent, R., Kingston, R.E., Moore, D.D., Seidman, J.G., Smith, J.A., Struhl, K. , Albright, L.B., Coen, D.M., und Varki, A. (1995) Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, New York) mit entweder 2 % (Gew. /Vol.) Raffinose oder Glucose kultiviert. pur feste Medien werden 2 % (Gew. /Vol.) Bacto™-Agar (Difco) hin- zugefügt. Die zur Klonierung und Expression verwendeten Plasmide sind pUC18 (Pharmacia) und pYES2 (Invitrogen Co.).
Beispiel 17: Klonierung und Expression PUFA-spezifischer Elongasen aus Physcomitrella, Crypthecodinium und Thraustochytrium.
Die Vollängengene erfindungsgemäßer Sequenzen können wie in Beispiel 7 beschrieben isoliert und wie nachfogend ausgeführt weiter bearbeitet werden. Ausführungsweise werden konkrete Expressionsbeispiele dargestellt .
A) Elongation von Fettsäuren durch die Mooselongase Pp_PSEl:
Für die Expression in Hefe wurde der P. patens-cDNA-Klon PpPSEl (früherer Datenbanksequenzname: 08_ckl9_b07, neuer Name: pp001019019f) , der das PUFA-spezifische Elongase- (PSE1-) Gen codiert, zuerst so modifiziert, daß eine BamHI-Restriktionsstelle und die Hefe-Konsensussequenz für hoch-effiziente Translation (Kozak, M. (1986) Point mutations define a sequence flanking the AUG initiator codon that modulates translation by eukaryotic ribosomes, Cell 44, 283-292) neben dem Startcodon und eine BamHI-Restriktionsstelle, die das Stopcodon flankierte, erhalten wurden. Zur Amplifikation des offenen Leserahmens wurde ein Primerpaar, das komplementär zu dessen 5'- und 3' -Enden war, synthetisiert.
Das Gen erfindungsgemäßer Sequenz dargestellt in SEQ ID NO:l wurde mittels Polymerase-Kettenreaktion in pYES kloniert und das Plasmid pYPp_PSEl erhalten:
Folgende Oligonukleotide wurden für das PCR-Experiment eingesetzt:
ppex6: ggatccacataatggaggtcgtggagagattc Ppex6r : ggatcctcactcagttttagctccttttgc
Die PCR-Reaktion wurde mit Plasmid-DNA des Klones PP001019019F als Matrize in einem Thermocycler (Biometra) mit der Pfu-DNA- (Stratagene) Polymerase und dem folgenden Temperaturprogramm durchgeführt: 3 min bei 96°C, gefolgt von 25 Zyklen mit 30 s bei 96°C, 30 s bei 55°C und 1 min bei 72°C, 1 Zyklus mit 10 min bei 72°C.
Die korrekte Größe des amplifizierten DNA-Fragments wurde mittels Agarose-TBE-Gelelektrophorese bestätigt. Die amplifizierte DNA wurde aus dem Gel mit dem QIAquick-Gelextraktionskit (QIAGEN) extrahiert und unter Verwendung des Sure Clone Ligation Kit (Pharmacia) zunächst in pUClδ kloniert. Das so klonierte Fragment wurde mit BamHI geschnitten, in pYES ligiert, wobei pYPp_PSEl erhalten wurde. Die Fragmentorientierung wurde mittels Hindlll überprüft. Nach der Transformation von E. coli XL1 Blue MRF' kan wurde eine DNA-Minipräparation (Riggs, M.G., & McLachlan, A. (1986) A simplified screening procedure for large numbers of plasmid mini-preparation. BioTechniques 4, 310-313) von Transformanten durchgeführt, und positive Klone mittels BamHI- Restriktionsanalyse identifiziert. Die Sequenz des klonierten PCR-Produktes wurde mittels Resequenzierung unter Verwendung des ABI PRISM Big Dye Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Perkin-Elmer, Weiterstadt) bestätigt.
Ein Klon wurde für die DNA-Maxipräparation mit dem Nucleobond® AX 500 Plasmid-DNA-Extraktionskit (Macherey-Nagel , Düringen) angezogen.
Saccharomyces INVScl wurde mit pYPp_PSEl bzw. mit pYES2 als Kontrolle mittels eines modifizierten PEG/Lithiumacetat- Protokolls transformiert (Ausubel et al., 1995). Nach der Selektion auf CMdum-Agarplatten mit 2 % Glucose wurden Transformanten und eine pYES2-Transformante zur weiteren Anzucht und funktionellen Expression wie bereits ausgeführt ausgewählt und mit verschiedenen Fettsäuren im Medium gefüttert.
i) Lipidmuster von Hefen, die mit dem pYES Plasmid ohne Fragmentinsertion transformiert sind oder das Pp-PSEl Gen exprimieren (Angaben in mol%) nach Fütterung mit mit 250 mikrom Hexadekatriensäure (l6:3Δ-7c 'i°' 13c) .
Tabelle 4:
Figure imgf000092_0001
ii) Lipidmuster von Hefen, die mit dem pYES Plasmid ohne Fragmentinsertion transformiert sind oder das Pp-PSEl Gen exprimieren (Angaben in mol%) nach Fütterung mit 500 ikrom Pinolensäure (i8:3Δ6c '9c,i2c) .
Tabelle 5:
Figure imgf000093_0001
iii) Lipidmuster von Hefen, die mit dem pYES Plasmid ohne Fragmentinsertion transformiert sind oder das Pp-PSEl Gen exprimieren (Angaben in mol%) nach Fütterung mit 500 mikrom Stearidonsäure (i8:4Δ6 ' 9 ' 12σ-15c) .
Tabelle 6:
Figure imgf000093_0002
iv) Lipidmuster von Hefen, die mit dem pYES Plasmid ohne Fragmentinsertion transformiert sind oder das Pp-PSEl Gen exprimieren (Angaben in mol%) nach Fütterung mit 500 mikrom Linolsäure (18 :2Δ9c ' 12c) .
Tabelle 7:
Figure imgf000093_0003
B) Elongation von Fettsäuren durch eine Elongase aus Thraustochytrium
Für die Expression in Hefe wird der Thraustochytrium-cDNA- 5 Klon aus SEQ ID NR: 3 (Tc_PSE2) , der ein PUFA-spezifisches Elongase- (PSE) -Gen codiert, zuerst so modifiziert, daß es ein funktionell aktives Polypeptid darstellt. Zu diesem Zweck wird der N-Terminus des Proteins auf DNA-Ebene durch die wenigen fehlenden Basen aus der Physcomitrella patens Elongase um 10 42 Basenpaare verlängert. Es kann aber auch lediglich ein Startcodon im passenden Leseraster zur Sequenz hinzugefügt werden.
Folgende Oligonukleotide werden für das PCR-Experiment eingesetzt:
15
PTCPSE2-5' : aaaggatccacataatggaggtcgtggagagattctacggtgagttggatggga agGTCATTTCGGGCCTCGACC
PTCPSE2-3' : aaggatccctgagttttagctcccttttgctttcc
20
Zusätzlich ist in beiden Oligonukleotiden eine BamHI- Restriktionsstelle und die Hefe-KonsensusSequenz für hocheffiziente Translation enthalten (Kozak, M. (1986) Point mutations define a sequence flanking the AUG initiator codon
25 that modulates translation by eukaryotic ribosomes, Cell 44, 283-292) .
Die PCR-Reaktion wird mit Plasmid-DNA als Matrize in einem Thermocycler (Biometra) mit der Pfu-DNA- (Stratagene) Polymerase 30 und dem folgenden Temperaturprogramm durchgeführt: 3 min bei 96°C, gefolgt von 25 Zyklen mit 30 s bei 96°C, 30 s bei 55°C und 3 min bei 72°C, 1 Zyklus mit 10 min bei 72°C und Stop bei 4°C.
Die korrekte Größe des amplifizierten DNA-Fragments wird 35 mittels Agarose-TBE-Gelelektrophorese bestätigt. Die ampli- fizierte DNA wird aus dem Gel mit dem QIAquick-Gelextraktions- kit (QIAGEN) extrahiert und in die Smal-Restriktionsstelle des dephosphorylierten Vektors pUC18 unter Verwendung des Sure Clone Ligation Kit (Pharmacia) ligiert, wobei pUC-hybrid-Tc_PSE2 40 erhalten wird. Nach der Transformation von E. coli XLl Blue MRF' kan wurde eine DNA-Minipräparation (Riggs, M.G., & McLachlan, A. (1986) A simplified screening procedure for large numbers of plasmid mini-preparation. BioTechniques 4, 310-313) an 24 ampicillinresistenten Transformanten durchgeführt, und 45 positive Klone wurden mittels BamHI-Restriktionsanalyse identifiziert. Die Sequenz des klonierten PCR-Produktes wurde mittels Resequenzierung unter Verwendung des ABI PRISM Big Dye Terminator Cycle Sequencing Ready Reaction Kit (Perkin-Elmer, Weiterstadt) bestätigt.
Die Plasmid-DNA von pUC-PSEl sowie pUC- hybrid-Tc_PSE2 wurden 5 zudem mit BamHI gespalten und die erhaltene Fragmente wurden in die BamHI-Restriktionsstelle des dephosphorylierten Hefe-E. coli- Shuttlevektors pYES2 ligiert, wobei pY2 hybrid-Tc_PSE2 erhalten wird. Nach der Transformation von E. coli und DNA-Minipräparation aus den Transformanten wurde die Orientierung des DNA-Fragments
10 im Vektor durch HindiII-Spaltung überprüft. Ein Klon wurde jeweils für die DNA-Maxipräparation mit dem Nucleobond® AX 500 Plasmid-DNA-Extraktionskit (Macherey-Nagel, Düringen) angezogen. Saccharomyces INVScl wird mit pY2PSEl, pYES2 , pY2-hybrid-Tc_PSE2 und pYES2 mittels eines modifizierten PEG/Lithiumacetat-
15 Protokolls transformiert (Ausubel et al., 1995). Nach der
Selektion auf CMdum-Agarplatten mit 2 % Glucose werden je vier pY2PSEl-Transformanten (pY2PSEla-d) , pY2-hybrid-Tc_PSE2 -Transformanten (pY2-hybrid-Tc_PSE2 la-d) und eine pYES2-Transformante zur weiteren Anzucht und funktioneilen Expression ausgewählt.
20
Funktionelle Expression einer Elongaseaktivität in Hefe
Vorkultur:
25 20 ml CMdum-Flüssigmedium mit 2 % (Gew. /Vol.) Raffinose wurden mit den transgenen Hefeklonen (pY2- hybrid-Tc_PSE2 la-d, pYES2) angeimpft und 3 T bei 30°C, 200 rpm gezüchtet, bis eine optische Dichte bei 600 nm (ODßoo) von 1,5-2 erreicht wurde.
30 Hauptkultur:
Für die Expression wurden 20 ml CMdum-Flüssigmedium mit 2 % Raffinose und 1 % (Vol. /Vol.) Tergitol NP-40 mit Fettsäuresubstraten auf eine Endkonzentration von 0,003 % (Gew. /Vol.) 35 angereichert. Die Medien werden mit den Vorkulturen auf eine ODÖOO von 0,05 angeimpft. Die Expression wurde bei einer OD60o von 0,2 mit 2 % (Gew. /Vol.) Galaktose für 16 Std. induziert, wonach die Kulturen eine ODeoo von 0,8-1,2 geerntet wurden.
40 Fettsäureanalyse:
Die Gesamt-Fettsäuren wurden aus Hefekulturen extrahiert und mittels Gaschromatographie analysiert. Davon wurden Zellen von 5 ml Kultur mittels Zentrifugation (1000 x g, 10 min, 4°C) 45 geerntet und einmal mit 100 mM NaHC03, pH 8,0, gewaschen, um restliches Medium und Fettsäuren zu entfernen. Zur Herstellung des Fettsäuremethylester (FAMES) wurden die Zellsedimente mit 1 M methanolischer H2S04 und 2 % (Vol. /Vol.) Dimethoxypropan für 1 Std. bei 80°C behandelt. Die FAMES wurden zweimal mit 2 ml Petrolether extrahiert, einmal mit 100 mM NaHC03, pH 8,0, und einmal mit destilliertem Wasser gewaschen und mit NaS04 getrocknet. Das organische Lösungsmittel wurde unter einem Argonstrom verdampft, und die FAMES wurden in 50 mikrol Petrolether gelöst. Die Proben wurden auf einer ZEBRON-ZB-Wax-Kapillarsäule (30 m, 0,32 mm, 0,25 mikro m; Phenomenex) in einem Hewlett Packard- 6850-Gaschromatograph mit einem Flammenionisationsdetektor auf- getrennt. Die Ofentemperatur wurde von 70°C (1 min halten) bis 200°C mit einer Rate von 20°C/min, dann auf 250°C (5 min halten) mit einer Rate von 5°C/min und schließlich auf 260°C mit einer Rate von 5°C/min programmiert. Stickstoff wurde als Trägergas verwendet (4,5 ml/min bei 70°C) . Die Fettsäuren wurden durch vergleich mit Retentionszeiten von FAME-Standards (SIGMA) identifiziert.
Die Fettsäuremuster von fünf transgenen Hefestämmen in Mol.-% sind in Tabelle 1 gezeigt.
Die Verhältnisse der zugegebenen und aufgenommenen g-Linolen- säure sind durch fettgedruckte Zahlen hervorgehoben, die der elongierten Produkte durch rote Zahlen und die der elongierten g-Linolensäure durch fettgefruckte Zahlen (letzte Zeile) .
Die GC-Analyse von FAMES, die aus Gesamt-Lipiden der mit pYES2 (i/Kontrolle) und pY2PSEl (ii-iv c+d/ jeweils transformiert mit PY2PSE1A, pY2PSElB, pY2PSElC, pY2PSElD) transformierten Hefen ist in Figur 2a-e gezeigt. Für die Analyse wurden die transgenen Hefen in Anwesenheit von g-18:3 gezüchtet. Die Tab. 1 zeigt ihre Fettsäuremuster in Mol.-%. Die Aufnahme von g-18:3 ist durch fettgedruckte Zahlen hervorgehoben, das Elongationsprodukt Dihomo-g-linolensäure (20:3D8, 11, 14) ist unterstrichen und das Verhältnis g-18:3-Elongationsprodukt (ebenfalls inMol.-%) durch fettgedruckte Zahlen (letzte Zeile) . Die Struktur und die Massenspektren des DMOX-Derivates von cis-D6,9,12 C18:3 sind aus Fig. 3a+b ersichtlich. Die Struktur und die Massenspektren des DMOX-Derivates von D8,ll,14 C20.-3 sind aus Fig. 4a+b ersichtlich.
Die Ergebnisse zeigen, daß g-18:3 in großen Mengen in alle transgenen Hefen eingebaut worden ist. Alle vier transgenen Hefeklone, die mit pY2PSEl transformiert wurden, zeigen einen zusätzlichen Peak im Gaschromatogramm, der durch Vergleich der Retentionszeiten als 20:3 D8,ll,14 identifiziert wurde. Eine Gaschromato- graphie/Massenspektroskopie kann zusätzliche Unterstützung zur Bestätigung dieser Identität liefern. Der Anteil an elongierter g-18:3 betrug, wie in Tabelle 1 gezeigt, 23,7 bis 40,5 %. Ferner konnte keine signifikante Elongation von Palmitinsäure (16:0), Palmitoleinsäure (16:1), Stearinsäure (18:0) oder Ölsäure (18:1 D9) beobachtet werden.
Die identifizierten Produkte zeigen, daß die Nukleotidsequenz von PpPSEl eine D6-selektive Fettsäure-Elongase aus dem Moos Physcomitrella patens codiert, die zur Bildung neuer Fettsäuren in transgenen Hefen führt.
Die Verhältnisse der zugegebenen und aufgenommenen Fettsäuresubstrate können wie vorstehend ermittelt werden und so Quantität und Qualität der Elongasereaktion erfaßt werden.
Die Struktur und die Massenspektren von DMOX-Derivaten ergeben auch die jeweilige Position einer Doppelbindung.
Weitere Fütterungsexperimente mit verschiedensten anderen Fettsäuren (z.B. Arachidonsäure, Eicosapentaensäure etc.) können zur detaillierteren Bestätigung der Substratselektivität dieser Elongase durchgeführt werden.
Beispiel 18: Reinigung des gewünschten Produktes aus transformierten Organismen allgemein
Die Gewinnung des gewünschten Produktes aus Pflanzenmaterial oder Pilzen, Algen, Ciliaten, tierischen Zellen oder aus dem Überstand der vorstehend beschriebenen Kulturen kann durch verschiedene, im Fachgebiet bekannte Verfahren erfolgen. Wird das gewünschte Produkt nicht aus den Zellen sezerniert, können die Zellen aus der Kultur durch langsame Zentrifugation geerntet werden, die
Zellen können durch Standardtechniken, wie mechanische Kraft oder Ultraschallbehandlung, lysiert werden. Organe von Pflanzen können mechanisch von anderem Gewebe oder anderen Organen getrennt werden. Nach der Homogenisation werden die Zelltrümmer durch Zentrifugation entfernt, und die Überstandstraktion, welche die löslichen Proteine enthält, wird zur weiteren Reinigung der gewünschten Verbindung aufbewahrt. Wird das Produkt aus gewünschten Zellen sezerniert, werden die Zellen durch langsame Zentrifugation aus der Kultur entfernt, und die Überstands- raktion wird zur weiteren Reinigung aufbewahrt.
Die Überstandsfraktion aus jedem Reinigungsverfahren wird einer Chromatographie mit einem geeigneten Harz unterworfen, wobei das gewünschte Molekül entweder auf dem Chromatographieharz zurück- gehalten wird, viele Verunreinigungen in der Probe jedoch nicht, oder die Verunreinigungen auf dem Harz zurückbleiben, die Probe hingegen nicht. Diese Chromatographieschritte können wenn nötig wiederholt werden, wobei die gleichen oder andere Chromatographieharze verwendet werden. Der Fachmann ist in der Auswahl geeigneter Chromatographieharze und ihrer wirksamsten Anwendung für ein bestimmtes zu reinigendes Molekül bewandert. Das gereinigte Produkt kann durch Filtration oder Ultrafiltration konzentriert und bei einer Temperatur aufbewahrt werden, bei der die Stabilität des Produktes maximal ist.
Im Fachgebiet ist ein breites Spektrum an Reinigungsverfahren bekannt, und das vorstehende Reinigungsverfahren soll nicht beschränkend sein. Diese Reinigungsverfahren sind zum Beispiel beschrieben in Bailey, J.E., & Ollis, D.F., Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill: New York (1986) .
Die Identität und Reinheit der isolierten Verbindungen kann durch Standardtechniken des Fachgebiets bestimmt werden. Dazu gehören Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) , spektroskopische Verfahren, Färbeverfahren, Dünnschichtchromatographie, NIRS, Enzymtest oder mikrobiologisch. Eine Übersicht über diese Analyseverfahren siehe in: Patek et al. (1994)
Appl. Environ. Microbiol. 60:133-140; Malakhova et al. (1996) Biotekhnologiya 11:27-32; und Schmidt et al. (1998) Bioprocess Engineer. 19:67-70. Ulmann' s Encyclopedia of Industrial Chemistry (1996) Bd. A27, VCH: Weinheim, S. 89-90, S. 521-540, S. 540-547, S. 559-566, 575-581 und S. 581-587; Michal, G (1999) Biochemical Pathways : An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley and Sons; Fallon, A., et al . (1987) Applications of HPLC in Biochemistry in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, Bd. 17.
Äquivalente
Der Fachmann erkennt oder kann viele Äquivalente der hier beschriebenen erfindungsgemäßen spezifischen Ausführungsformen feststellen, indem er lediglich Routineexperimente verwendet. Diese Äquivalente sollen von den Patentansprüchen umfaßt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Isolierte Nukleinsäure, die von einer Pflanze oder Alge stammt und ein Polypeptid codiert, das Cι6-, Cι8- oder
C rj -Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen in der Fettsäure um mindestens zwei Kohlenstoffatome verlängert.
2. Isolierte Nukleinsäure, umfassend eine Nukleotidsequenz, die ein Polypeptid codiert, das Ci6-, Ci8~ oder C2o-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül verlängert, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
a) einer in SEQ ID NO:l, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5 oder SEQ ID NO:7 dargestellten Nuklemsäuresequenz,
b) einer Nuklemsäuresequenz, die gemäß dem degenerierten genetischen Code von der in SEQ ID N0:1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5 oder SEQ ID NO: 7 dargestellten Sequenz stammt,
c) Derivate der in SEQ ID N0:1, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 5 oder SEQ ID NO: 7 dargestellten Sequenz, die für Polypeptide der in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 6 oder ^ •• SEQ ID NO: 8 dargestellten Aminosäuresequenz codieren und mindestens 50% Homologie auf Aminosäureebene aufweisen, ohne daß die enzymatische Wirkung der Polypeptide wesentlich reduziert ist.
3. Isolierte Nuklemsäuresequenz nach Anspruch 2, wobei die Sequenz von einer Pflanze, Alge oder Pilz stammt.
4. Isolierte Nuklemsäuresequenz nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Sequenz von Physcomitrella, Thrausto- chytrium oder Crythecodinium stammt.
5. Genkonstrukt, umfassend eine isolierte Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nukleinsäure funktionell mit einem oder mehreren Regulationssignalen verbunden ist.
6. Genkonstrukt nach Anspruch 5, dessen Genexpression durch die Regulationssignale verstärkt wird.
7. Genkonstrukt enthalten eine Nuklemsäuresequenz nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder ein Genkonstrukt nach Anspruch 5 oder 6 und mindestens eine weitere Nukleinsäure, die für ein Gen der Fettsäurebiosynthese codiert.
8. Genkonstrukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure, die für ein Gen der Fettsäurebiosynthese codiert ausgewählt aus der Gruppe Δ19-, Δ17-, Δ15-, Δ12-, Δ9-, Δ8-, Δ6-, Δ5-, Δ4-Desaturase, die verschiedenen Hydroxylasen, die Δl2-Acetylenase, die Acyl-ACP-Thio- esterasen, ß-Ketoacyl-ACP-Synthasen oder ß-Ketoacyl-ACP- Reductasen ist.
9. Aminosäuresequenz, die durch die isolierte Nukleinsäure- sequenz nach den Ansprüchen 1 bis 4 oder das Genkonstrukt nach einem der Ansprüche 5 bis 8 codiert wird.
10. Vektor, umfassend eine Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder ein Genkonstrukt nach einem der An- sprüche 5 bis 8.
11. Organismus, umfassend mindestens eine Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ein Genkonstrukt nach einem der Ansprüche 5 bis 8 oder einen Vektor nach Anspruch 10.
12. Organismus nach Anspruch 11, wobei der Organismus ein Mikroorganismus, ein Tier oder eine Pflanze ist.
13. Organismus nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Organismus eine transgene Pflanze ist.
14. Antikörper, der spezifisch ein Polypeptide, das von einer der Nukleinsäuren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 codiert wird, bindet.
15. Antisense-Nukleinsäuremolekül, das die Komplementärsequenz der Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
16. Verfahren zur Herstellung von PUFAs, wobei das Verfahren das Züchten eines Organismus umfaßt, der eine Nukleinsäure nach Anspruch 1, ein Genkonstrukt nach Anspruch 6 oder einen Vektor nach Anspruch 10 umfaßt, codierend ein Polypeptid, das Ci6-, Cis- oder Co-Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül um mindestens zwei Kohlen- stoffatome unter Bedingungen verlängert, unter denen PUFAs in dem Organismus gebildet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die durch das Verfahren hergestellten PUFAs C18-, C0- oder C22-Fettsäuremoleküle mit mindestens zwei Doppelbindungen im FettSäuremolekül sind.
5 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die C^-, C (_- oder C -Fettsäuremoleküle aus dem Organismus in Form eines Öls, Lipids oder einer freien Fettsäure isoliert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der
10 Organismus ein Mikroorganismus, ein Tier oder eine Pflanze ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Organismus eine transgene Pflanze ist.
15
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Ci6- Cis- oder C2o-Fettsäure eine Fettsäure mit drei Doppelbindungen im Molekül ist.
20 22. Öl, Lipide oder Fettsäuren oder eine Fraktion davon, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21.
23. Öl-, Lipid- oder Fettsäurezusammensetzung, die PUFAs ent- 25 halten und von transgenen Pflanzen stammen.
24. Öl-, Lipid- oder Fettsäurezusammensetzung nach Anspruch 23, wobei die PUFAs von transgenen Pflanzen stammen, welche eine Nukleotidsequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , das
30 Genkonstrukt nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das Antisense- Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 15 oder den Vektor nach Anspruch 10 umfassen.
25. Verwendung der Öl-, Lipid- oder Fettsäurezusammensetzung nach 35 Anspruch 22 bis 24 in Futter, Nahrungsmitteln, Kosmetika oder
Pharmazeutika.
26. Zusammensetzung, umfassend den Antikörper nach Anspruch 14, das Antisense-Nukleinsäurekonstrukt nach Anspruch 15 oder
40 einen Antagonisten oder Agonisten identifiziert nach Anspruch 28.
27. Kit, umfassend die Nukleinsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das Genkonstrukt nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
45 das Antisense-Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 15, den Antikörper nach Anspruch 14, einen Antagonisten oder Agonisten identifiziert nach Anspruch 28, die Zusammen- Setzung nach Anspruch 26, die Aminosäuresequenz nach Anspruch 9 und/oder Öl, Lipide und/oder Fettsäuren oder eine Fraktion davon nach einem der Ansprüche 22 bis 25.
28. Verfahren zur Identifikation eines Antagonisten oder Agonisten von Elongasen, umfassend
a) in Kontaktbringen der Zellen, die das Polypeptid der vorliegenden Erfindung exprimieren, mit einem Kandidaten- Stoff;
b) Testen der PSE -Aktivität;
c) Vergleichen der PSE -Aktivität mit einer Standardaktivität in Abwesenheit des Kandidatenstoffs, wobei ein Anstieg der PSE-Aktivität über den Standard anzeigt, daß der Kandidatenstoff ein Agonist und ein Verringerung der PSE- Aktivität anzeigt, daß der Kandidatenstoff ein Antagonist ist.
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