WO2002061056A2 - Degp2 protease that degrades photo-damaged d1 protein and a dna sequence that codes for said protease - Google Patents

Degp2 protease that degrades photo-damaged d1 protein and a dna sequence that codes for said protease Download PDF

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WO2002061056A2
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dna
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Iwona Adamska
Kirsten HAUßÜHL
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Mpb Cologne Gmbh
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    • A01K2217/00Genetically modified animals
    • A01K2217/05Animals comprising random inserted nucleic acids (transgenic)

Definitions

  • the present invention relates to the protease DegP2, which carries out the primary cleavage of the photo-damaged Dl protein in plants, and to proteins related to DegP2 and DNA sequences coding for these proteins.
  • the present invention further relates to antibodies binding to DegP2 or proteins related thereto, and to antisense RNAs or ribozymes directed against the expression of DegP2.
  • the present invention relates to the use of DegP2 or the DNA sequences encoding it for protecting plants against damage induced by light.
  • Organisms carrying out oxygen photosynthesis experience an inhibition of their photosynthetic function (photoinhibition) when exposed to excessive lighting.
  • photoinhibition primarily occurs at the level of Photosystem II (PSII), in which a reversible inactivation of PSII is involved due to an arrest of the electron transport within this complex and afterwards an irreversible damage to the subunits of the PSII reaction center.
  • PSII Photosystem II
  • algae and cyanobacteria is a complex consisting of several subunits and comprising more than 25 different protein subunits.
  • the reaction center which consists of two related proteins Dl and D2, which bind all the cofactors involved in primary and secondary electron transport.
  • the Dl protein is the main target for oxidative damage.
  • the rapid breakdown of the photo-damaged Dl protein and its exchange for a de novo synthesized active copy represent an important repair mechanism which is of crucial importance for the survival of the plant under conditions of light stress.
  • the Dl protein was believed to have five transmembrane helices through stroma and lumen loops are connected. The Dl protein is broken down in two steps. The primary cleavage occurs at the stroma loop, which connects the transmembrane helices D and E, whereby a C-terminal proteolytic 10 kD fragment is formed.
  • the proteases involved were previously unknown.
  • the second step of DI degradation involves further cleavage of the primary degradation product, which is believed to involve the FtsH metalloprotease of the thylakoid membrane. Due to the still insufficient knowledge of the components involved in the repair mechanism described above, in particular with regard to the in vivo exchange of photo-damaged DI protein for a functional copy, there have so far been hardly any possibilities for protecting plants, in particular useful plants, from light damage.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing means which allow plants to be protected from light damage or a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred.
  • the physiological target of the DegP2 protease is the damaged Dl protein from PSII:
  • the DegP2 protease performs the primary cleavage of the Dl protein on the stroma-DE loop, whereby the typical proteolytic fragments are generated. It can be assumed that by increasing the concentration of DegP2 in the chloroplasts, for example by transforming the plants with the gene coding for DegP2 Protection of plants from light damage or a faster recovery of the plants from light damage that has already occurred can be achieved. Furthermore, it can be assumed that this can also provide better protection against high salt concentrations or dehydration.
  • the present invention thus relates to a DNA sequence which encodes the protease DegP2 with an amino acid sequence shown in FIG. 1B.
  • This DNA sequence preferably comprises the coding region of the DNA sequence shown in FIG. 1.
  • the present invention further relates to a DNA sequence encoding a protein with the biological properties of DegP2, i.e. a protein which can perform the primary cleavage of the Dl protein in plants and which differs from the above DNA sequence in the codon sequence due to the degeneracy of the genetic code which hybridizes with the above DNA sequences which lead to the coding region 1A has a homology of at least 65%, preferably 75%, more preferably 85% or 90% and most preferably 95%, or which has a fragment, an allelic variant or another variant of the above DNA Sequences is.
  • hybridize used in the present invention refers to conventional hybridization conditions, preferably to hybridization conditions in which 5xSSPE, 1% SDS, lxDenhart ts solution is used and / or the hybridization temperatures between 35 ° C and 70 ° C, preferably 65 ° C. After hybridization, washing is preferably carried out first with 2xSSC, 1% SDS and then with 0.2xSSC at temperatures between 35 ° C and 70 ° C, preferably at 65 ° C (for the definition of SSPE, SSC and Denhardts solution see Sambrook et al ., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)). Stringent hybridization conditions are particularly preferred, as described, for example, in Sambrook et al. , supra.
  • variant or fragment used in the present invention encompass DNA sequences which differ from the sequences indicated in FIG. 1 by deletion (s), insertion (s), exchange (s) and / or others in the prior art Differentiate between known modifications or comprise a fragment of the original DNA sequence, the protein encoded by these DNA sequences still having the biological properties of DegP2 and being biologically active in plants. This also includes allele variants.
  • Methods for generating the above changes in the DNA sequence are known to the person skilled in the art and are described in standard works in molecular biology, for example in Sambrook et al. , supra. Those skilled in the art will also be able to determine whether a protein encoded by such a nucleic acid sequence still has the biological properties of DegP2, e.g. using the assays illustrated in the examples below.
  • the DNA sequences of the invention are useful for various purposes. Thus, as described in more detail below, they can be used for the recombinant production of the DegP2 protein for analysis purposes, for further characterization or also for protecting plants from light damage or for achieving a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred. They can also serve as hybridization probes for the identification of new, related DNA sequences or as a source of information for the development of PCR primers. Finally, they can be used to generate anti-protein antibodies, for example by means of immunization methods, and as an antigen to produce antibodies.
  • a further preferred embodiment of the present invention therefore relates to an antisense RNA, which is characterized in that it is complementary to the above DNA sequences and can bind specifically to the mRNA translated therefrom and the synthesis of the DegP2- encoded by these DNA sequences Protease or a related protein can reduce or inhibit, and a ribozyme, which is characterized in that it is complementary to the above DNA sequences and can specifically bind to and cleave the mRNA transcribed from these DNA sequences, thereby the synthesis the DegP2 protease encoded by these DNA sequences is also reduced or inhibited.
  • These antisense RNAs and ribozymes are preferably complementary to a coding region of the mRNA.
  • Ribozymes are RNA enzymes and consist of a single strand of RNA. These can intermolecularly cleave other RNAs, for example the mRNAs transcribed by the DNA sequences according to the invention. In principle, these ribozymes must have two domains, (1) a catalytic domain and, (2) a domain that is complementary to the target RNA and can bind to it, which is a prerequisite for cleaving the target RNA.
  • ribozymes that cut a desired RNA at a specific, pre-selected location (see, for example, Tanner et al., In: Antisense Research and Applications, CRC Press, Inc. (1993 ), 415-426).
  • the above ribozymes or antisense RNAs preferably hybridize over a range of at least 15, more preferably at least 25 and most preferably at least 50 bases with the mRNA transcribed by the DNA sequences according to the invention.
  • a reduced activity and / or concentration of DegP2 in the chloroplasts is desirable, for example, to change photosynthesis.
  • a repressed amount of DegP2 represents one inducible or constitutive negative selection markers, for example because the leaves should fade and the plants die. Coupled with the amount of DegP2, a change in the ascorbic acid content is also to be expected, which can contribute to an improvement in taste when the plant is consumed. For example, a reduced amount of DegP2 could result in a higher concentration of ascorbic acid in the plant, whereby in some plants (e.g. peas) a higher concentration of ascorbic acid is associated with a better taste.
  • the DNA sequences according to the invention or the DNAs encoding the antisense RNAs or ribozymes described above can also be inserted into a vector or expression vector.
  • the present invention thus also includes vectors or expression vectors containing these DNA sequences.
  • vector refers to a plasmid (pUCl ⁇ , pBR322, pBlueScript etc.), a virus or another suitable vehicle.
  • the DNA sequences according to the invention are functionally linked in the vector to regulatory elements which allow their expression in prokaryotic or eukaryotic host cells.
  • regulatory elements for example a promoter, such vectors typically contain an origin of replication and specific genes which allow the phenotypic selection of a transformed host cell.
  • the regulatory elements for expression in prokaryotes include the lac, trp promoter or T7 promoter, and for expression in eukaryotes the AOX1 or GALl promoter in yeast and the CMV, SV40, RVS-40 promoter, CMV or SV40 enhancer for expression in animal cells.
  • suitable promoters are the metallothionein I and the polyhedrin promoter.
  • Suitable expression vectors for E. coli include, for example, pGEMEX, pUC derivatives, pGEX-2T, pET3b and pQE-8, the latter being preferred.
  • Vectors suitable for expression in yeast include pYlOQ and Ycpadl, pMSXND, pKCR, pEFBOS, cDM8 and pCEV4 for expression in mammalian cells.
  • the expression vectors according to the invention also include Baculovirus-derived vectors for expression in insect cells, for example pAcSGHisNT-A.
  • a termination sequence can be present which serves to correctly terminate the transcription and to add a poly-A sequence to the transcript.
  • Such elements are described in the literature (cf. Gielen et al., EMBO J. 8 (1989), 23-29) and can be exchanged as desired.
  • this is preferably expressed as a protein containing the transit peptide shown in FIG. 2B in an expression vector, whereby this transit peptide can be replaced by another transit peptide for the compartment localization.
  • Suitable alternative transit peptides and DNA sequences coding these are known to the person skilled in the art.
  • cloning vectors which contain a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells.
  • examples of such vectors are pBR322, pUC series, Ml3mp series, pACYCl84, etc.
  • the foreign gene can be introduced into the vector at a suitable restriction site.
  • the plasmid obtained is used for the Transformation of E. coli cells used. Transformed E. coli cells are grown in a suitable medium, then harvested and lysed, whereby the plasmid is obtained.
  • Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as the analysis method for characterizing the plasmid DNA obtained.
  • the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained can be linked to other DNA sequences.
  • Each plasmid DNA sequence can be cloned into the same or different plasmids.
  • a variety of techniques are available. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacteri ⁇ m tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation agent, the fusion of protoplasts, the injection, the electroporation of DNA, the introduction of DNA using the biolistic method and other possibilities.
  • plasmids When injecting and electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements for the plasmids used. Simple plasmids, e.g. pUC derivatives can be used. However, if whole plants are to be regenerated from such transformed cells, a selectable marker should be present. Depending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA sequences may be required. E.g. If the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant cell, at least the right boundary, but often the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA as the flank region, must be connected to the genes to be introduced.
  • agrobacteria are used for the transformation, it is advantageous to clone the DNA to be introduced into special plasmids, in particular into an intermediate or a binary vector.
  • the intermediate vectors can be due to sequences that are homologous to sequences in the T-DNA, by homologous recombination in the Ti or Ri plasmid of the Agrobak teries are integrated. This also contains the vir region necessary for the transfer of the T-DNA. Intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria.
  • the intermediate vector can be transferred to Agrobacterium tu efaciens using a helper plasmid.
  • Binary vectors can replicate in both E. coli and agrobacteria.
  • the agrobacterium serving as the host cell is said to contain a plasmid which carries a vir region.
  • the vir region is necessary for the transfer of the T-DNA into the plant cell. Additional T-DNA may be present.
  • the agrobacterium transformed in this way is used to transform plant cells.
  • plant explants can expediently be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes.
  • Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes From the infected plant material, e.g. Leaf pieces, stem segments, roots, protoplasts or suspension-cultivated plant cells can then be regenerated again in a suitable medium, which can contain antibiotics or biocides for the selection of transformed cells.
  • the plants thus obtained can then be examined for the presence of the introduced DNA.
  • the suitable plants can be plants act on any plant species, ie both monocot and dicot plants. They are preferably (useful) plants from the groups Gramineae, Chenopodia, leguminous plants, Brasicaceae, Solanaceae, fungi, mosses and algae, in particular plants such as wheat, barley, rice, maize, sugar beet, sugar cane, potato, rapeseed, mustard , Beets, flax, peas, beans, lupine and tobacco.
  • the parts of the plants desired for the expression of the desired protein or the treatment with the chemical inducers in principle relate to any part of the plant, in any case propagation material and harvest products of these plants, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings, etc.
  • DNA sequences according to the invention can also be inserted into a vector in connection with a DNA coding for another protein or peptide such that the DNA sequences according to the invention are, for example, in the form of a fusion protein, e.g. can be expressed with a His tag to facilitate purification after recombinant production.
  • the present invention also relates to host cells containing the vectors described above.
  • host cells include bacteria (for example the E. coli strains HB101, DH1, xl776, JM101, JM109, BL21 and SG13009), yeast, preferably S. cerevisiae, insect cells, preferably sf9 cells, and animal cells, preferably mammalian cells.
  • Preferred mammalian cells are CHO, VERO, BHK, HeLa, COS, MDCK, 293 and WI38 cells.
  • the present invention further relates to a DegP2 protease encoded by the DNA sequences according to the invention or a protein with their biological activity and to methods for their recombinant production using the expression vectors according to the invention.
  • the method according to the invention comprises the cultivation of those described above Host cells under conditions which allow expression of the protein (or fusion protein) (preferably stable expression) and the extraction of the protein from the culture or from the host cells.
  • the skilled worker is familiar with conditions for culturing transformed or transfected host cells. Suitable purification methods (for example preparative chromatography, affinity chromatography, for example immunoaffinity chromatography, HPLC etc.) are also generally known.
  • the DegP2 protease according to the invention or the protein related to it is not only useful in the measures described above or below, but can also be used, for example, in biological assays for determining activity, for example in combination with a large number of other proteins for a " high-throughput "-Screenen.
  • it can be useful, for example, for the production of antibodies, as a reagent (for example in labeled form) in competitive assays for the quantitative determination of the protein in plants, as a marker for parts of plants in which the corresponding protein is preferably produced (either constitutively or during a certain stage in terms of tissue differentiation etc.), and also for the isolation of interacting proteins.
  • the DegP2 protease according to the invention or the protein related to it can also be used to isolate inhibitors, antagonists or agonists, which may be peptides or other small molecules, for example.
  • ligands for example antibodies, against the proteins according to the invention described above (DegP2 protease or related proteins).
  • These ligands can be used in diagnostic assays, for example. Methods for the isolation or synthesis of such ligands are known to the person skilled in the art.
  • useful activity-inhibiting compounds may be screened in extracts from natural products as a starting material. Such extracts can originate, for example, from fungi, actinomycetes, algae, insects, protozoa, plants and bacteria.
  • the ligand according to the invention is preferably an antibody or fragments thereof which bind specifically to the DegP2 protease or a protein with its biological activity.
  • antibodies can be monoclonal, polyclonal or synthetic antibodies or fragments thereof.
  • fragment means all parts of the monoclonal antibody (for example Fab, Fv or “single chain Fv” fragments) which have the same epitope specificity as the complete antibody. The production of such fragments is known to the person skilled in the art.
  • the antibodies according to the invention are preferably monoclonal antibodies.
  • the antibodies according to the invention can be produced according to standard methods, the protein encoded by the DNA sequences according to the invention or a synthetic fragment thereof preferably serving as an immunogen. Methods for obtaining monoclonal antibodies are known to the person skilled in the art.
  • the antibodies according to the invention can also be used, for example, for immunoprecipitation of the DegP2 protease according to the invention, for isolating related proteins from cDNA expression banks, etc.
  • the present invention also relates to a hybridoma that produces the monoclonal antibody described above.
  • the present invention also relates to the use of the DNA sequences according to the invention, of the expression vector according to the invention or of the DegP2 protease or of the protein with their biological activity for protecting plants from light damage or in order to achieve a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred.
  • the present invention also relates to the use of the above-described antisense RNA, the ribozyme or the antibody for lowering or suppressing the breakdown of the Dl protein.
  • the DegP2 protease of the invention has homology to bacterial DegP / HtrA protease (see FIG. 2A), which is believed to be involved in the development of tolerance in plants against various stress factors such as oxidation, salt, pH and heat (Spiess et al., Cell 97 (1999), 339-347), it can be assumed that the DegP2 protease has a comparable activity spectrum.
  • the present invention thus also relates to the use of the DNA sequences according to the invention, the expression vector according to the invention or the DegP2 protease or the protein with their biological activity for protecting plants against oxidation (for example after herbicide treatment), salt, pH or heat -Stress.
  • DegP2 plays an important role in photosynthesis
  • a manipulation of the amount of DegP2 protein can increase the yield. This increase in yield can affect the amount of plants, i.e. that more plants grow under the same cultivation conditions or may affect the yield of ingredients obtainable per plant.
  • the present invention relates to a kit which contains a DNA sequence according to the invention or the antibody described above.
  • the DNA sequence or the antibody can be immobilized.
  • the antibody can be bound, for example, in liquid phase immunoassays or to a solid support.
  • the antibody can be used in different ways and be marked. Suitable markers and labeling methods are known in the art. Examples of immunoassays are ELISA and RIA.
  • the coding area and the 5 'UTR and 3'UTR are shown
  • Figure 2 A single copy of the nuclear gene DegP2 in A. thaliana encodes a presumed homologue of the Deg / Htr protease family of the Svnechocvstis belonging to the Cvonabacteria. PCC6803 strain
  • sequences were compared manually using the CLUSTALW program. Identical amino acids are shown on a gray background. Gaps are represented by dashes and catalytic amino acids are marked in light gray by an asterisk.
  • FIG. 3 DegP2 is an endopeotidease of the serine type (A).
  • A An E. coli extract without recombinant DegP2 (control), with overexpressed DegP2 and DegP2 purified via His-Tag was tested on activity gels which contained gelatin as a non-specific protease substrate ,
  • DegP2 is an extrinsic thylakoid membrane protein which is located in the stroma side of the stroma lamellae and not closely adjacent regions of the grana stack.
  • Figure 5 Expression pattern of DeoP2 under different stress conditions
  • A AraJidopsis leaves were exposed to different stress conditions for two hours and the total RNA isolated and used for Northern blot analyzes. The rRNA pattern shown by ethidium bromide is shown as a reference.
  • the DegP2 protease attached peripherally to the stroma side of the thylakoid membranes performs the primary cleavage of the photo-damaged Dl protein of the PSII reaction center at the stroma loop between helices D and E, thereby producing proteolytic fragments with 23 and 10 kD.
  • a newly synthesized functional copy replaces the degraded DL protein.
  • the 23 kD fragment is further broken down by an integral membrane metalloendopeptidase.
  • Arabidopsis thaliana L. cv. Columbia was grown in a growing chamber on earth at 25 ° C and with a light intensity of 100 ⁇ mol / m 2 / s under short day conditions.
  • the light stress conditions were carried out on adult leaves which had been separated from 4 to 5 week old plants.
  • the leaves were placed on water and exposed to light with an intensity of 2500 ⁇ mol / m 2 / s.
  • the separated leaves lying on water were transferred to an incubator at 4 or 42 ° C. for 2 hours.
  • Dewatering stress was carried out with light at an intensity of 10 ⁇ mol / m 2 / s on leaves that had been dehydrated on Whatmann 3MM paper at room temperature.
  • the relative water content of the leaves was reduced to 50%.
  • the Leaves immersed for two hours in 400 mM NaCl or in a 2% H 2 0 2 solution.
  • UV-A treatment was carried out by illuminating the separated leaves with a UV lamp (366 nm; two hours) at a light intensity of 25 ⁇ mol / m 2 / s.
  • the plant material was collected and either used immediately for extractions or frozen in liquid nitrogen and stored at -70 ° C. for subsequent preparations.
  • a primer pair was designed based on chromosome 2 localized ORF F17A22.23, which was thought to encode DegP2 protease in Arabidopsis (5'-AGT GCC GCC TCC GTA GCA-3 'and 5' -TTA TGC CCA CAC CAG TCC ATC-3 ') and for the amplification of DegP2 ORF from the ⁇ -ZAP (Stratagene, Heidelberg).
  • cDNA library (1 x 10 3 pfu) used, which was made from Arabidopsis seedlings.
  • the PCR cycle profile was: 1 min. Denaturation at 94 ° C, ql min. Annealing at 50 ° C and 2 min. Primer extension at 72 ° C; 30 cycles.
  • the amplified cDNA fragment (1821 bp) was purified (Qiaex; Qiagen, Hilden) and cloned into the cloning vector pCR2.1 (Invitrogen, San Diego) before the sequencing of the two DNA strands (CyberGene, Sweden).
  • a search with the DegP2 sequence obtained in an EST database (TIGR) identified the Arabidopsis EST clone 133N20T7 (2280 bp) as identical to DegP2.
  • Genomic DNA was extracted from leaves as described by Doyle and Doyle (Focus 12 (1990), 13-15).
  • the DNA (10 ⁇ g per reaction) was digested with restriction enzymes, then electrophoresed on a 0.8% agarose gel and transferred to "Hybond N +" membrane (Amersham Pharmacia, Uppsala, Sweden) according to the manufacturer's instructions.
  • the cDNA probe was labeled with [ ⁇ - 32 P] CTP using the "Megapri e DNA labeling kit" from Amersham Pharmacia. The hybridization and washing steps became lower and higher under conditions Stringency according to Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)).
  • the DegP2 cDNA was amplified using the primers 5 '-GCC GCC TCC GTA GCA AAC-3' ' and 5' -TGC CCA CAC CAG TCC ATC A-3 'and the cDNA plasmid of the EST clone 133N20T7 as a template.
  • the DegP2 protein was used in E. coli as a fusion protein with the N-terminally linked thioredoxin and the C-terminally linked His tag (His 6 ) (using the kit "pBAD / Topo TM ThioFusion TM Expression System, Invitrogen).
  • the recombinant DegP2 protein was purified under denaturing conditions using affinity chromatography on Ni-NTA agarose (“Qiaexpress”; Qiagen) and eluted from the column with 200 mM imidazole.
  • the fractions containing DegP2 were analyzed by SDS- PAGE separated and transferred to nitrocellulose membranes before the generation of polyclonal antibodies in rabbits (BioGenes, Berlin, Germany).
  • Isolated thylakoid membranes and stroma proteins were separated using SDS-PAGE, generally using 10% polyacrylamide mini gels (Hoefer mini gel system; Amersham Pharmacia Biotech, Uppsala, Sweden). The gels were loaded with equal amounts of protein and immunoblotting according to Towbin et al. (PNAS USA 76 (1979), 4350-4354) using a "enhanced chemical luminescence" system (ECL; Amersham International, Buckinghamshire, Great Britain) as a detection system.
  • ECL enhanced chemical luminescence
  • activity gels in the absence (control) or presence of protease inhibitors 100 ⁇ g / ml PMSF, 10 ⁇ g / ml DCI, 1 ⁇ g / l aprotinin, 1 ⁇ g / ml E64 [3-carboxy-trans-2 , 3-epoxypropyl-leucylamido (4-guanidino) butane), 1 ⁇ g / ml pepstatin and 500 ⁇ g / ml EDTA according to the manufacturer's protocols (Boehringer Mannheim, Mannheim, Germany, and Sigma, Deisenhofen).
  • protease inhibitors 100 ⁇ g / ml PMSF, 10 ⁇ g / ml DCI, 1 ⁇ g / l aprotinin, 1 ⁇ g / ml E64 [3-carboxy-trans-2 , 3-epoxypropyl-leucylamido (4-guanidino) butane
  • Intact Arabidopsis chloroplasts were isolated and purified on a Percoll gradient according to Cline (J. Biol. Chem. (1986), 261: 14804-14810). For further fractionation, the chloroplasts were broken up by osmotic shock (10 min. At 4 ° C.) in 50 mM Tris (pH 8.0) and 5 M MgCl 2 at a chlorophyll concentration of 1 mg / ml and the thylakoid and Stroma fractions separated by centrifugation at 10,000 xg (10 min., 4 ° C).
  • thylakoid lumens For the preparation of thylakoid lumens, isolated thylakoids were incubated in the above buffer, treated with ultrasound 10 times for 30 seconds at 4 ° C. (strength: 8.0; Misonix Inc., Farmingdale, NY, USA) and the thylakoid membranes were removed from the soluble lumen fraction separated by centrifugation at 220,000 xg (1 hour at 4 ° C). The proteins in each fraction were separated by SDS-PAGE and the position of DegP2 was determined by immunoblots.
  • thylakoids were broken up mechanically using a "Yeda” press and the membrane fragments were separated by differential centrifugation and aqueous polymer two-phase partitioning as described by Andersson and Anderson (Biochim. Biophys. Acta 593 ( 1980), 427-440).
  • the thylakoid membranes were resuspended in 25 mM MES (pH 6.5) at a chlorophyll concentration of 0.1 mg / ml and the extrinsic membrane proteins with 0.5 M NaCl or 0.5 CaCl 2 30 min. extracted at 4 ° C in the dark with gentle stirring.
  • the suspension was centrifuged at 220,000 xg (1 hour at 4 ° C) and the pellet (integral membrane proteins) and the supernatant (peripheral membrane proteins) were analyzed by SDS-PAGE and immunoblots.
  • the topology of the DegP2 protease was tested using a protease protection assay. Isolated thylakoid membranes were resuspended in 50 mM HEPES (pH 8.0) and 330 mM sorbitol at a chlorophyll concentration of 1 mg / ml and incubated for 30 min at 4 ° C. with 50 ⁇ g / ml trypsin. The protection of DegP2 against trypsin degradation was tested using immunoblots.
  • thylakoid membranes were washed with 0.5 M NaCl to reduce endogenous DegP2 activity and then either in the dark or in strong light (5000 ⁇ mol / m 2 / s) as described by Spetea et al , (PNAS USA 96 (1999), 6547-6552) for 90 minutes at 0 ° C. Aliquots of the thylakoid membranes were used for reconstitution studies and after the Dl protein had been broken down for 120 min at 37 ° and a light intensity of 10 ⁇ mol / m 2 / s in the presence or absence of recombinant DegP2, immunoblots were prepared.
  • Example 2 Isolation of the gene encoding DegP2
  • DegPl A homologue of the DegP of cyanobacteria in chloroplasts from Arabidopsis and pea was recently identified (DegPl) and it was shown that this protein is associated with the lumen side of the thylakoid membranes.
  • DegP2 Based on the assumed genomic sequence of DegP2, primers were designed and used in a PCR for the amplification of DegP2 cDNA from an Arabidopsis cDNA library.
  • the DegP2 cDNA sequence contains an open reading frame (ORF) of 1821 bp, which encodes a protein with 607 amino acids (relative molecular mass: 66.8 kD).
  • ORF open reading frame
  • a homology comparison of the deduced amino acid sequences revealed that the overall sequence homology of DegP2 and DegPl to the Deg / Htr protease of the cyanobacteria was 44% and 48-51%, respectively.
  • FIG. 2A A comparison of the conserved regions of DegP2 and DegPl and with the homologous proteases of the Deg / Htr family from Synechocystis is shown in FIG. 2A.
  • DegP2 has an N-terminal transit peptide (amino acids 1-69, typical for proteins imported into plastids) and two strongly conserved domains (FIG. 2B).
  • a catalytic domain specific for trypsin-type serine proteases has been found between amino acids 144 and 282, as well as a repeating unit of 65 amino acids (the so-called PDZ domain) between amino acids 308 and 373.
  • the PDZ domain in eukaryotes is commonly referred to as a protein / protein -Interaction point, whereby the same function is assumed for prokaryotes.
  • Hydropathy plots revealed that the mature DegP2 protein is a predominantly hydrophilic protein with a molecular mass of 60 kD and does not have any transmembrane domains, but a short hydrophobic segment located at the C-terminus (amino acids 440-450).
  • Example 4 Studies on the chloroplast localization of DegP2 and on the thylakoid membrane topology
  • the isolated thylakoid membranes were used to release extrinsic membrane proteins washed with salt.
  • Extraction of DegP2 with 0.5 M NaCl or 0.5 M CaCl 2 from the thylakoids showed that this protein is a peripheral membrane protein (FIG. 4C, lower section).
  • the presence of DegP2 in the NaCl supernatant indicates that this protein is associated with the stroma side of the membranes.
  • the fractionation pattern of the 33 kD protein from PSII's oxygen-evolving complex (PsbO) is shown ( Figure 4C, lower section).
  • PsbO is a peripheral membrane protein located on the lumen side of the thylakoid membrane. It could be shown that PsbO can be easily extracted from the membrane with 1 M CaCl 2 , but not with 1 M NaCl.
  • Example 5 The expression of DegP2 varies under different stress conditions
  • leaves of Arabidopsis were subjected to cold stress, heat shock, high salt conditions, dehydration, oxidative stress, UV-A radiation and light stress, and then the concentration of the DegP2 transcript and of the protein was examined by means of Northern (FIG. 5A) or Western blots (FIG. 5B).
  • FIG. 5A Northern
  • FIG. 5B Western blots
  • Example 6 The physiological target of DegP2 is the photo-damaged Dl protein of the PSII reaction center
  • the band degraded during the reconstitution with purified recombinant DegP2 could be identified as the Dl protein of the PSII reaction center (FIG. 6A, left section).
  • the typical proteolytic N-terminal 23 kD fragment of the Dl protein was also detected by immunoblots.
  • the corresponding proteolytic C-terminal 10 kD fragment was not recognized by the anti-Dl antibody used.
  • Immunoblots with antibodies to Lhcb2, the ⁇ subunit of Fl ATPase, and purified total PSI showed that the concentration of these proteins in the thylakoid membranes was not significant in the presence of DegP2 changed ( Figure 6A, right section). This confirms the selectivity of DegP2 proteolysis.
  • the DegP / HtrA protease in E. coli has a chaperone function at low temperatures and a proteolytic activity at elevated temperatures. It could be shown that bacterial DegP / HtrA is proteolytically inactive below 22 ° C. To investigate whether DegP2 behaves similarly in higher plants, the reconstitution assays were carried out at 4 and 37 ° C in the presence or absence of recombinant DegP2. The results
  • FIG. 6B show that in the presence of DegP2, the Dl protein is broken down at both temperatures, but the 23 kD proteolytic fragment was only detected in assays which had been carried out at 4 ° C.
  • the fact that this fragment is missing in assays at 37 ° C indicates that either overexpressed DegP2 was involved in a secondary cleavage or that endogenous thylakoid proteases still retained partial activity.
  • control assays reconstituted with E. coli extracts without recombinant DegP2 or with extracts expressing class la metallothionein only small amounts of the 23 kD degradation fragment could be detected at 37 ° C.

Abstract

The invention relates to the DegP2 protease, which carries out the primary cleavage of the photo-damaged D1 protein in plants and to DNA sequences, which code for DegP2. The invention also relates to antibodies that bind to DegP2 and to antisense RNAs or ribozymes that are directed against the expression of DegP2. The invention further relates to the use of DegP2 or DNA sequences that code therefor for protecting plants against light-induced damage.

Description

Photogeschädigtes Dl-Protein abbauende DegP2-Protease und diese kodierende DNA-SequenzDegP2 protease and this DNA sequence encoding photo-damaged Dl protein
Die vorliegende Erfindung betrifft die Protease DegP2, die die primäre Spaltung des photogeschädigten Dl-Proteins in Pflanzen durchführt, sowie mit DegP2 verwandte Proteine und diese Proteine kodierende DNA-Sequenzen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner an DegP2 bzw. dazu verwandte Proteine bindende Antikörper, sowie gegen die Expression von DegP2 gerichtete Antisense-RNAs bzw. Ribozyme. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von DegP2 bzw. der dieses kodierenden DNA-Sequenzen zum Schutz von Pflanzen vor durch Licht induzierte Schäden.The present invention relates to the protease DegP2, which carries out the primary cleavage of the photo-damaged Dl protein in plants, and to proteins related to DegP2 and DNA sequences coding for these proteins. The present invention further relates to antibodies binding to DegP2 or proteins related thereto, and to antisense RNAs or ribozymes directed against the expression of DegP2. Finally, the present invention relates to the use of DegP2 or the DNA sequences encoding it for protecting plants against damage induced by light.
Oxygene Photosynthese durchführende Organismen erfahren bei Exposition gegenüber exzessiver Beleuchtung eine Hemmung ihrer photosynthetischen Funktion (Photoinhibition) . Bei normalen Temperaturen geschieht die Photoinhibition primär auf der Ebene des Photosystems II (PSII) , wobei eine reversible Inaktivierung von PSII aufgrund einer Arretierung des Elektronentransports innerhalb dieses Komplexes beteiligt ist und danach eine irreversible Schädigung der Untereinheiten des PSII- Reaktionszentrums . PSII ist bei höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien ein aus mehreren Untereinheiten bestehender Komplex, der mehr als 25 unterschiedliche Proteinuntereinheiten umfaßt. Am Kern des Komplexes befindet sich das ReaktionsZentrum, das aus den zwei verwandten Proteinen Dl und D2 besteht, die alle in den primären und sekundären Elektronentransport involvierte Kofaktoren binden. Innerhalb des PSII-Reaktionszentrums ist das Dl-Protein das Hauptziel für oxidative Schäden. Der schnelle Abbau des photogeschädigten Dl- Proteins und dessen Austausch gegen eine de novo synthetisierte aktive Kopie stellen einen wichtigen Reparaturmechanismus dar, der für das Überleben der Pflanze unter Bedingungen von Lichtstreß von ausschlaggebender Bedeutung ist. Es wurde angenommen, daß das Dl-Protein - in Analogie zu der L- Untereinheit des bakteriellen Reaktionszentrums - fünf Transmembran- -Helices hat, die durch Stroma- und Lumen-Loops verbunden sind. Der Abbau des Dl-Proteins vollzieht sich in zwei Schritten. Die primäre Spaltung geschieht an dem Stroma-Loop, der die Transmembran-Helices D und E verbindet, wobei ein C- terminales proteolytisches 10 kD-Fragmente entsteht. Die daran beteiligten Proteasen waren bisher nicht bekannt. Der zweite Schritt des Dl-Abbaus beinhaltet eine weitere Spaltung des primären Abbauprodukts, wobei angenommen wird, daß daran die FtsH-Metalloprotease der Thylakoidmembran beteiligt ist. Aufgrund der noch mangelnden Kenntnis der an dem vorstehend beschriebenen Reparaturmechanismus beteiligten Komponenten, insbesondere hinsichtlich des in vivo Austausches von photogeschädigtem Dl-Protein gegen eine funktioneile Kopie, gab es bisher jedoch kaum Möglichkeiten, Pflanzen, insbesondere Nutzpflanzen, vor Lichtschäden zu schützen.Organisms carrying out oxygen photosynthesis experience an inhibition of their photosynthetic function (photoinhibition) when exposed to excessive lighting. At normal temperatures, photoinhibition primarily occurs at the level of Photosystem II (PSII), in which a reversible inactivation of PSII is involved due to an arrest of the electron transport within this complex and afterwards an irreversible damage to the subunits of the PSII reaction center. In higher plants, algae and cyanobacteria, PSII is a complex consisting of several subunits and comprising more than 25 different protein subunits. At the core of the complex is the reaction center, which consists of two related proteins Dl and D2, which bind all the cofactors involved in primary and secondary electron transport. Within the PSII reaction center, the Dl protein is the main target for oxidative damage. The rapid breakdown of the photo-damaged Dl protein and its exchange for a de novo synthesized active copy represent an important repair mechanism which is of crucial importance for the survival of the plant under conditions of light stress. By analogy to the L subunit of the bacterial reaction center, the Dl protein was believed to have five transmembrane helices through stroma and lumen loops are connected. The Dl protein is broken down in two steps. The primary cleavage occurs at the stroma loop, which connects the transmembrane helices D and E, whereby a C-terminal proteolytic 10 kD fragment is formed. The proteases involved were previously unknown. The second step of DI degradation involves further cleavage of the primary degradation product, which is believed to involve the FtsH metalloprotease of the thylakoid membrane. Due to the still insufficient knowledge of the components involved in the repair mechanism described above, in particular with regard to the in vivo exchange of photo-damaged DI protein for a functional copy, there have so far been hardly any possibilities for protecting plants, in particular useful plants, from light damage.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, Mittel bereitzustellen, die einen Schutz von Pflanzen vor Lichtschäden erlauben bzw. eine schnellere Erholung der Pflanzen von bereits eingetretenen Lichtschäden.The present invention is therefore based on the technical problem of providing means which allow plants to be protected from light damage or a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred.
Die Lösung dieses technischen Problems wird durch die Bereitstellung der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen erzielt. Es wurde überraschenderweise in Arabidopsis ein Gen gefunden, das ein Chloroplasten-Ho ologes der prokaryotischen Serin-Protease des Trypsintyps Deg/Htr kodiert, die DegP2-Protease. Diese ist peripher mit der äußeren Oberfläche der Thylakoidmembran assoziiert. Es konnte außerdem bei den zu der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen gezeigt werden, daß der DegP2-Proteinspiegel als Antwort auf eine hohe NaCl-Konzentration, Austrocknung und Beleuchtung mit starkem Licht anstieg. Schließlich zeigte sich, daß das physiologische Ziel der DegP2-Protease das geschädigte Dl-Protein von PSII ist: Die DegP2-Protease führt die primäre Spaltung des Dl-Proteins am Stroma-D-E-Loop durch, wodurch die typischen proteolytischen Fragmente erzeugt werden. Es kann davon ausgegangen werden, daß durch die Erhöhung der Konzentration von DegP2 in den Chloroplasten, z.B. durch Transformation der Pflanzen mit dem DegP2 kodierenden Gen, ein Schutz von Pflanzen vor Lichtschäden bzw. eine schnellere Erholung der Pflanzen von bereits eingetretenen Lichtschäden erreicht werden kann. Desweiteren kann davon ausgegangen werden, daß dadurch auch ein besserer Schutz vor hohen Salzkonzentrationen oder Austrocknung bewirkt werden kann.This technical problem is solved by providing the embodiments characterized in the claims. Surprisingly, a gene was found in Arabidopsis which encodes a chloroplast ho ologes of the prokaryotic serine protease of the trypsin type Deg / Htr, the DegP2 protease. This is peripherally associated with the outer surface of the thylakoid membrane. It could also be shown in the investigations carried out on the present invention that the DegP2 protein level rose in response to a high NaCl concentration, dehydration and illumination with strong light. Finally it was shown that the physiological target of the DegP2 protease is the damaged Dl protein from PSII: The DegP2 protease performs the primary cleavage of the Dl protein on the stroma-DE loop, whereby the typical proteolytic fragments are generated. It can be assumed that by increasing the concentration of DegP2 in the chloroplasts, for example by transforming the plants with the gene coding for DegP2 Protection of plants from light damage or a faster recovery of the plants from light damage that has already occurred can be achieved. Furthermore, it can be assumed that this can also provide better protection against high salt concentrations or dehydration.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit eine DNA- Sequenz, die die Protease DegP2 mit einer in Figur 1B gezeigten Aminosäuresequenz kodiert. Vorzugsweise umfaßt diese DNA-Sequenz den kodierenden Bereich der in Figur 1 gezeigten DNA-Sequenz .The present invention thus relates to a DNA sequence which encodes the protease DegP2 with an amino acid sequence shown in FIG. 1B. This DNA sequence preferably comprises the coding region of the DNA sequence shown in FIG. 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine DNA-Sequenz, die ein Protein mit den biologischen Eigenschaften von DegP2 kodiert, d.h. ein Protein, das in Pflanzen die primäre Spaltung des Dl-Proteins durchführen kann, und die sich von der vorstehenden DNA-Sequenz in der Codonsequenz aufgrund der Degeneration des genetischen Codes unterscheidet, die mit den vorstehenden DNA-Sequenzen hybridisiert, die zu dem kodierenden Bereich der DNA-Sequenz von Figur 1A eine Homologie von mindestens 65%, vorzugsweise 75%, stärker bevorzugt 85% bzw. 90% und am meisten bevorzugt 95% aufweist, oder die ein Fragment, eine allelische Variante oder eine andere Variante der vorstehenden DNA-Sequenzen ist.The present invention further relates to a DNA sequence encoding a protein with the biological properties of DegP2, i.e. a protein which can perform the primary cleavage of the Dl protein in plants and which differs from the above DNA sequence in the codon sequence due to the degeneracy of the genetic code which hybridizes with the above DNA sequences which lead to the coding region 1A has a homology of at least 65%, preferably 75%, more preferably 85% or 90% and most preferably 95%, or which has a fragment, an allelic variant or another variant of the above DNA Sequences is.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff "hybridisieren" bezieht sich auf konventionelle Hy b r i d i s i e r ung sb e d i n gung en , vorzugsweise auf Hybridisierungsbedingungen, bei denen als Lösung 5xSSPE, 1% SDS, lxDenhar t s -Lö sung verwendet wird und/oder die Hybridisierungstemperaturen zwischen 35°C und 70°C, vorzugsweise bei 65°C liegen. Nach der Hybridisierung wird vorzugsweise zuerst mit 2xSSC, 1% SDS und danach mit 0,2xSSC bei Temperaturen zwischen 35°C und 70°C, vorzugsweise bei 65°C gewaschen (zur Definition von SSPE,SSC und Denhardts-Lösung siehe Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Ausgabe, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)). Besonders bevorzugt sind stringente Hybridisierungsbedingungen, wie sie beispielsweise in Sambrook et al . , supra, beschrieben sind.The term "hybridize" used in the present invention refers to conventional hybridization conditions, preferably to hybridization conditions in which 5xSSPE, 1% SDS, lxDenhart ts solution is used and / or the hybridization temperatures between 35 ° C and 70 ° C, preferably 65 ° C. After hybridization, washing is preferably carried out first with 2xSSC, 1% SDS and then with 0.2xSSC at temperatures between 35 ° C and 70 ° C, preferably at 65 ° C (for the definition of SSPE, SSC and Denhardts solution see Sambrook et al ., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)). Stringent hybridization conditions are particularly preferred, as described, for example, in Sambrook et al. , supra.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Begriffe "Variante" oder "Fragment" umfassen DNA-Sequenzen, die sich gegenüber den in Figur 1 angegebenen Sequenzen durch Deletion(en) , Insertion(en) , Austausch(e) und/oder andere im Stand der Technik bekannte Modifikationen unterscheiden bzw. ein Fragment der ursprünglichen DNA-Sequenz umfassen, wobei das durch diese DNA-Sequenzen kodierte Protein noch die biologischen Eigenschaften von DegP2 aufweist und in Pflanzen biologisch aktiv ist. Dazu zählen auch Allelvarianten. Verfahren zur Erzeugung der vorstehenden Änderungen in der DNA-Sequenz sind dem Fachmann bekannt und in Standardwerken der Molekularbiologie beschrieben, beispielsweise in Sambrook et al . , supra. Der Fachmann ist auch in der Lage, zu bestimmen, ob ein von einer so veränderten Nukleinsäuresequenz kodiertes Protein noch über die biologischen Eigenschaften von DegP2 verfügt, z.B. mittels der in den nachstehenden Beispielen erläuterten Assays.The terms "variant" or "fragment" used in the present invention encompass DNA sequences which differ from the sequences indicated in FIG. 1 by deletion (s), insertion (s), exchange (s) and / or others in the prior art Differentiate between known modifications or comprise a fragment of the original DNA sequence, the protein encoded by these DNA sequences still having the biological properties of DegP2 and being biologically active in plants. This also includes allele variants. Methods for generating the above changes in the DNA sequence are known to the person skilled in the art and are described in standard works in molecular biology, for example in Sambrook et al. , supra. Those skilled in the art will also be able to determine whether a protein encoded by such a nucleic acid sequence still has the biological properties of DegP2, e.g. using the assays illustrated in the examples below.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen sind für verschiedene Zwecke von Nutzen. So können sie, wie nachstehend näher beschrieben, zur rekombinanten Herstellung des DegP2-Proteins für Analysezwecke, zur weiteren Charakterisierung oder auch zum Schutz von Pflanzen vor Lichtschäden bzw. zum Erreichen einer schnelleren Erholung der Pflanzen von bereits eingetretenen Lichtschäden verwendet werden. Sie können darüber hinaus als Hybridisierungs-Sonden zur Identifizierung neuer, verwandter DNA-Sequenzen dienen oder als Informationsquelle zur Entwicklung von PCR-Primern. Schließlich können sie zur Erzeugung von anti- Protein-Antikörpern, beispielsweise mittels Immunisierungsverfahren, und als Antigen zur Erzeugung von Antikörpern verwendet werden.The DNA sequences of the invention are useful for various purposes. Thus, as described in more detail below, they can be used for the recombinant production of the DegP2 protein for analysis purposes, for further characterization or also for protecting plants from light damage or for achieving a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred. They can also serve as hybridization probes for the identification of new, related DNA sequences or as a source of information for the development of PCR primers. Finally, they can be used to generate anti-protein antibodies, for example by means of immunization methods, and as an antigen to produce antibodies.
Es ist auch vorstellbar, daß in bestimmten Fällen oder unter bestimmten Bedingungen eine reduzierte Aktivität und/oder Konzentration von DegP2 in den Zellkompartimenten, z.B. Chloroplasten, wünschenswert ist. Dies kann z.B. durch die Erniedrigung oder Hemmung der Expression der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen erreicht werden. Daher betrifft eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Antisense-RNA, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zu den vorstehenden DNA-Sequenzen komplementär ist und an die davon translatierte mRNA spezifisch binden kann und die Synthese der von diesen DNA-Sequenzen kodierten DegP2-Protease oder eines damit verwandten Proteins verringern oder hemmen kann, und ein Ribozym, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es zu den vorstehenden DNA-Sequenzen komplementär ist und an die von diesen DNA-Sequenzen transkribierte mRNA spezifisch binden und diese spalten kann, wodurch die Synthese der von diesen DNA- Sequenzen kodierten DegP2-Protease ebenfalls verringert oder gehemmt wird. Vorzugsweise sind diese Antisense-RNAs und Ribozyme zu einer kodierenden Region der mRNA komplementär. Der Fachmann ist in der Lage, ausgehend von den offenbarten DNA- Sequenzen, geeignete Antisense-RNAs herzustellen und anzuwenden. Geeignete Vorgehensweisen sind beispielsweise in EB-Bl 0223 399 oder EP-Al 0 458 beschrieben. Ribozyme sind RNA-Enzyme und bestehen aus einem einzelnen RNA-Strang. Diese können andere RNAs intermolekular spalten, beispielsweise die von den erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen transkribierten mRNAs . Diese Ribozyme müssen prinzipiell über zwei Domänen verfügen, (1) eine katalytische Domäne und, (2) eine Domäne, die zu der Ziel-RNA komplementär ist und an diese binden kann, was die Voraussetzung für eine Spaltung der Ziel-RNA ist. Ausgehend von in der Literatur beschriebenen Vorgehensweisen ist es inzwischen möglich, spezifische Ribozyme zu konstruieren, die eine gewünschte RNA an einer bestimmten, vorgewählten Stelle schneiden (siehe beispielsweise Tanner et al . , in: Antisense Research and Applications, CRC Press, Inc. (1993), 415-426). Vorzugsweise hybridisieren die vorstehenden Ribozyme oder Antisense-RNAs über einen Bereich von mindestens 15, mehr bevorzugt mindestens 25 und am meisten bevorzugt mindestens 50 Basen mit der von den erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen transkribierten mRNA. Eine reduzierte Aktivität und/oder Konzentration von DegP2 in den Chloroplasten ist beispielsweise wünschenswert zur Veränderung der Photosynthese. Eine reprimierte Menge an DegP2 stellt in gewisser Weise einen induzierbaren oder konstitutiven Negativselektionsmarker dar, da z.B. die Blätter ausbleichen sollten und die Pflanzen sterben. Gekoppelt an die Menge von DegP2 ist auch eine Veränderung des Gehaltes an Ascorbinsäure zu erwarten, was zu einer Geschmacksverbesserung bei Verzehr der Pflanze beitragen kann. So könnte eine verringerte DegP2-Menge eine höhere Ascorbinsäurekonzentration in der Pflanze bewirken, wobei bei manchen Pflanzen (z .B. Erbsen) eine höhere Ascorbinsäurekonzentration mit mehr Wohlgeschmack in Verbindung gebracht wird.It is also conceivable that in certain cases or under certain conditions a reduced activity and / or concentration of DegP2 in the cell compartments, for example chloroplasts, is desirable. This can be done, for example, by the Lowering or inhibition of the expression of the DNA sequences according to the invention can be achieved. A further preferred embodiment of the present invention therefore relates to an antisense RNA, which is characterized in that it is complementary to the above DNA sequences and can bind specifically to the mRNA translated therefrom and the synthesis of the DegP2- encoded by these DNA sequences Protease or a related protein can reduce or inhibit, and a ribozyme, which is characterized in that it is complementary to the above DNA sequences and can specifically bind to and cleave the mRNA transcribed from these DNA sequences, thereby the synthesis the DegP2 protease encoded by these DNA sequences is also reduced or inhibited. These antisense RNAs and ribozymes are preferably complementary to a coding region of the mRNA. The person skilled in the art is able to prepare and use suitable antisense RNAs based on the disclosed DNA sequences. Suitable procedures are described, for example, in EB-Bl 0223 399 or EP-Al 0 458. Ribozymes are RNA enzymes and consist of a single strand of RNA. These can intermolecularly cleave other RNAs, for example the mRNAs transcribed by the DNA sequences according to the invention. In principle, these ribozymes must have two domains, (1) a catalytic domain and, (2) a domain that is complementary to the target RNA and can bind to it, which is a prerequisite for cleaving the target RNA. Based on procedures described in the literature, it is now possible to construct specific ribozymes that cut a desired RNA at a specific, pre-selected location (see, for example, Tanner et al., In: Antisense Research and Applications, CRC Press, Inc. (1993 ), 415-426). The above ribozymes or antisense RNAs preferably hybridize over a range of at least 15, more preferably at least 25 and most preferably at least 50 bases with the mRNA transcribed by the DNA sequences according to the invention. A reduced activity and / or concentration of DegP2 in the chloroplasts is desirable, for example, to change photosynthesis. To a certain extent, a repressed amount of DegP2 represents one inducible or constitutive negative selection markers, for example because the leaves should fade and the plants die. Coupled with the amount of DegP2, a change in the ascorbic acid content is also to be expected, which can contribute to an improvement in taste when the plant is consumed. For example, a reduced amount of DegP2 could result in a higher concentration of ascorbic acid in the plant, whereby in some plants (e.g. peas) a higher concentration of ascorbic acid is associated with a better taste.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen bzw. die die vorstehend beschriebenen Antisense-RNAs oder Ribozyme kodierenden DNAs können auch in einen Vektor bzw. Expressionsvektor inseriert werden. Somit umfaßt die vorliegende Erfindung auch diese DNA- Sequenzen enthaltende Vektoren bzw. Expressionsvektoren. Die Bezeichnung "Vektor" bezieht sich auf ein Plasmid (pUClδ, pBR322, pBlueScript etc.), auf ein Virus oder ein anderes geeignetes Vehikel. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen im Vektor mit regulatorischen Elementen funktionell verknüpft, die deren Expression in prokaryotischen oder eukaryotischen Wirtszellen erlauben. Solche Vektoren enthalten neben den regulatorischen Elementen, beispielsweise einem Promotor, typischerweise einen Replikationsursprung und spezifische Gene, die die phänotypische Selektion einer transformierten Wirtszelle erlauben. Zu den regulatorischen Elementen für die Expression in Prokaryoten, beispielsweise E.coli, zählen der lac-, trp-Promotor oder T7- Pro otor, und für die Expression in Eukaryoten der AOX1- oder GALl-Pro otor in Hefe und der CMV- , SV40-, RVS-40-Promotor, CMV- oder SV40-Enhancer für die Expression in tierischen Zellen. Weitere Beispiele für geeignete Promotoren sind der Metallothionein I- und der Polyhedrin-Promotor. Zu geeigneten Expressionsvektoren für E.coli zählen beispielsweise pGEMEX, pUC-Derivate, pGEX-2T, pET3b und pQE-8, wobei letzterer bevorzugt ist. Zu den für die Expression in Hefe geeigneten Vektoren zählen pYlOQ und Ycpadl, für die Expression in Säugerzellen pMSXND, pKCR, pEFBOS, cDM8 und pCEV4. Zu den erfindungsgemäßen Expressionsvektoren zählen auch von Baculovirus abgeleitete Vektoren für die Expression in Insektenzellen, beispielsweise pAcSGHisNT-A.The DNA sequences according to the invention or the DNAs encoding the antisense RNAs or ribozymes described above can also be inserted into a vector or expression vector. The present invention thus also includes vectors or expression vectors containing these DNA sequences. The term "vector" refers to a plasmid (pUClδ, pBR322, pBlueScript etc.), a virus or another suitable vehicle. In a preferred embodiment, the DNA sequences according to the invention are functionally linked in the vector to regulatory elements which allow their expression in prokaryotic or eukaryotic host cells. In addition to the regulatory elements, for example a promoter, such vectors typically contain an origin of replication and specific genes which allow the phenotypic selection of a transformed host cell. The regulatory elements for expression in prokaryotes, for example E. coli, include the lac, trp promoter or T7 promoter, and for expression in eukaryotes the AOX1 or GALl promoter in yeast and the CMV, SV40, RVS-40 promoter, CMV or SV40 enhancer for expression in animal cells. Further examples of suitable promoters are the metallothionein I and the polyhedrin promoter. Suitable expression vectors for E. coli include, for example, pGEMEX, pUC derivatives, pGEX-2T, pET3b and pQE-8, the latter being preferred. Vectors suitable for expression in yeast include pYlOQ and Ycpadl, pMSXND, pKCR, pEFBOS, cDM8 and pCEV4 for expression in mammalian cells. The expression vectors according to the invention also include Baculovirus-derived vectors for expression in insect cells, for example pAcSGHisNT-A.
Allgemeine, auf dem Fachgebiet bekannte Verfahren können zur Konstruktion von Expressionsvektoren, die die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen und geeignete Kontrollsequenzen enthalten, verwendet werden. Zu diesen Verfahren zählen beispielsweise in vitro-Rekombinationstechniken, synthetische Verfahren, sowie in vivo-Rekombinations erfahren, wie sie beispielsweise in Sambrook et al . , supra, beschrieben sind. Diese Vektoren können weitere Funktionseinheiten besitzen, die eine Stabilisierung der Vektoren im Wirtsorganismus bewirken, wie einen bakteriellen Replikationsursprung oder die 2-Mikron-DNA zur Stabilisation in Saccharomyces cerevisiae. Ferner können "left border"- und "right border" -Sequenzen agrobakterieller T-DNA enthalten sein, wodurch eine stabile Integration in das Erbgut von Pflanzen ermöglicht wird. Ferner kann eine Terminationssequenz vorhanden sein, die der korrekten Beendigung der Transkription und der Addition einer Poly-A-Sequenz an das Transkript dient. Derartige Elemente sind in der Literatur beschrieben (vgl. Gie- len et al . , EMBO J. 8 (1989), 23-29) und sind beliebig austauschbar. Zum Erreichen der Lokalisation der DegP2-Protease in dem gewünschten Kompartiment der Pflanzenzelle, z.B. Chloroplas ten oder Chromoplas ten oder jedem anderen Zellkompartiment, wird diese vorzugsweise als ein das in Figur 2B dargestellte Transitpeptid enthaltendes Protein in einem Expressionsvektor exprimiert, wobei dieses Transitpeptid durch ein anderes Transitpeptid für die Komparti ent-Lokalisation ausgetauscht sein kann. Geeignete alternative Transitpeptide und diese kodierende DNA-Sequenzen sind dem Fachmann bekannt.General methods known in the art can be used to construct expression vectors containing the DNA sequences of the invention and suitable control sequences. These methods include, for example, in vitro recombination techniques, synthetic methods and in vivo recombination, as described, for example, in Sambrook et al. , supra. These vectors can have further functional units which bring about a stabilization of the vectors in the host organism, such as a bacterial origin of replication or the 2-micron DNA for stabilization in Saccharomyces cerevisiae. Furthermore, "left border" and "right border" sequences of agrobacterial T-DNA can be contained, which enables a stable integration into the genome of plants. Furthermore, a termination sequence can be present which serves to correctly terminate the transcription and to add a poly-A sequence to the transcript. Such elements are described in the literature (cf. Gielen et al., EMBO J. 8 (1989), 23-29) and can be exchanged as desired. To achieve the localization of the DegP2 protease in the desired compartment of the plant cell, e.g. Chloroplasts or chromoplasts or any other cell compartment, this is preferably expressed as a protein containing the transit peptide shown in FIG. 2B in an expression vector, whereby this transit peptide can be replaced by another transit peptide for the compartment localization. Suitable alternative transit peptides and DNA sequences coding these are known to the person skilled in the art.
Zur Vorbereitung der Einführung der erfindungsgemäßen DNA- Sequenzen in höhere Pflanzen stehen eine große Anzahl von Klonierungsvektoren zur Verfügung, die ein Replikationssignal für E.coli und ein Markergen zur Selektion transformierter Bakterienzellen enthalten. Beispiele für derartige Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, Ml3mp-Serien, pACYCl84, etc. Das Fremdgen kann an einer passenden Restriktionsschnittstelle in den Vektor eingeführt werden. Das erhaltene Plasmid wird für die Transformation von E. coli-Zellen verwendet. Transformierte E.coli-Zellen werden in einem geeigneten Medium gezüchtet, anschließend geerntet und lysiert, wodurch das Plasmid erhalten wird. Als Analysemethode zur Charakterisierung der gewonnenen Plasmid-DNA werden im allgemeinen Restriktionsanalysen, Gelelektrophoresen und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden eingesetzt. Nach jeder Manipulation kann die Plasmid- DNA gespalten und gewonnene DNA-Fragmente können mit anderen DNA-Sequenzen verknüpft werden. Jede Plasmid-DNA-Sequenz kann in den gleichen oder anderen Plasmiden kloniert werden.To prepare the introduction of the DNA sequences according to the invention into higher plants, a large number of cloning vectors are available which contain a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. Examples of such vectors are pBR322, pUC series, Ml3mp series, pACYCl84, etc. The foreign gene can be introduced into the vector at a suitable restriction site. The plasmid obtained is used for the Transformation of E. coli cells used. Transformed E. coli cells are grown in a suitable medium, then harvested and lysed, whereby the plasmid is obtained. Restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical-molecular biological methods are generally used as the analysis method for characterizing the plasmid DNA obtained. After each manipulation, the plasmid DNA can be cleaved and DNA fragments obtained can be linked to other DNA sequences. Each plasmid DNA sequence can be cloned into the same or different plasmids.
Für die Einführung der DNA, z.B. in eine pflanzliche Wirtszelle, stehen eine Vielzahl von Techniken zur Verfügung. Diese Techniken umfassen die Transformation pflanzlicher Zellen mit T- DNA unter Verwendung von Agrobacteriυm tumefaciens oder Agro- bacterium rhizogenes als Transformationsmittel, die Fusion von Protoplasten, die Injektion, die Elektroporation von DNA, die Einbringung von DNA mittels der biolistischen Methode sowie weitere Möglichkeiten.For the introduction of DNA, e.g. in a plant host cell, a variety of techniques are available. These techniques include the transformation of plant cells with T-DNA using Agrobacteriυm tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation agent, the fusion of protoplasts, the injection, the electroporation of DNA, the introduction of DNA using the biolistic method and other possibilities.
Bei der Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen werden an sich keine speziellen Anforderungen an die verwendeten Plasmide gestellt. Es können einfache Plasmide, z.B. pUC-Deri- vate, verwendet werden. Sollen aber aus derartig transformierten Zellen ganze Pflanzen regeneriert werden, sollte ein selektierbarer Marker vorhanden sein. Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanzenzelle können weitere DNA-Sequenzen erforderlich sein. Werden z.B. für die Transformation der Pflanzenzelle das Ti- oder Ri-Plasmid verwendet, so muß mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und linke Begrenzung der Ti- und Ri-Plasmid T-DNA als Flankenbereich mit den einzuführenden Genen verbunden werden.When injecting and electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements for the plasmids used. Simple plasmids, e.g. pUC derivatives can be used. However, if whole plants are to be regenerated from such transformed cells, a selectable marker should be present. Depending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA sequences may be required. E.g. If the Ti or Ri plasmid is used for the transformation of the plant cell, at least the right boundary, but often the right and left boundary of the Ti and Ri plasmid T-DNA as the flank region, must be connected to the genes to be introduced.
Werden für die Transformation Agrobakterien verwendet, ist es günstig, die einzuführende DNA in spezielle Plasmide zu klo- nieren, insbesondere in einen intermediären oder in einen binären Vektor. Die intermediären Vektoren können aufgrund von Sequenzen, die homolog zu Sequenzen in der T-DNA sind, durch homologe Rekombination in das Ti- oder Ri-Plasmid der Agrobak- terien integriert werden. Dieses enthält außerdem die für den Transfer der T-DNA notwendige vir-Region. Intermediäre Vektoren können nicht in Agrobakterien replizieren. Mittels eines Helferplasmids kann der intermediäre Vektor auf Agrobacterium tu efaciens übertragen werden. Binäre Vektoren können sowohl in E.coli als auch in Agrobakterien replizieren. Sie enthalten ein Selektionsmarker-Gen und einen Linker oder Polylinker, welche von der rechten und linken T-DNA Grenzregion eingerahmt werden. Sie können direkt in die Agrobakterien transformiert werden. Das als Wirtszelle dienende Agrobakterium soll ein Plasmid, das eine vir-Region trägt, enthalten. Die vir-Region ist für den Transfer der T-DNA in die Pflanzenzelle notwendig. Zusätzliche T-DNA kann vorhanden sein. Das derartig transformierte Agrobakterium wird zur Transformation von Pflanzenzellen verwendet.If agrobacteria are used for the transformation, it is advantageous to clone the DNA to be introduced into special plasmids, in particular into an intermediate or a binary vector. The intermediate vectors can be due to sequences that are homologous to sequences in the T-DNA, by homologous recombination in the Ti or Ri plasmid of the Agrobak teries are integrated. This also contains the vir region necessary for the transfer of the T-DNA. Intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria. The intermediate vector can be transferred to Agrobacterium tu efaciens using a helper plasmid. Binary vectors can replicate in both E. coli and agrobacteria. They contain a selection marker gene and a linker or polylinker, which are framed by the right and left T-DNA border region. They can be transformed directly into the agrobacteria. The agrobacterium serving as the host cell is said to contain a plasmid which carries a vir region. The vir region is necessary for the transfer of the T-DNA into the plant cell. Additional T-DNA may be present. The agrobacterium transformed in this way is used to transform plant cells.
Für den Transfer der DNA in die Pflanzenzelle können Pflanzen- Explantate zweckmäßigerweise mit Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes kokultiviert werden. Aus dem infizierten Pflanzenmaterial, z.B. Blattstücke, Stengelsegmente, Wurzeln, Protoplasten oder Suspensions-kultivierte Pflanzenzellen können dann in einem geeigneten Medium, welches Antibiotika oder Biozide zur Selektion transformierter Zellen enthalten kann, wieder ganze Pflanzen regeneriert werden. Die so erhaltenen Pflanzen können dann auf Anwesenheit der eingeführten DNA untersucht werden. Alternative Systeme zur Transformation von Pflanzen sind die Transformation mittels des biolistischen Ansatzes, die elektrisch oder chemisch induzierte DNA-Aufnahme in Protoplasten, die Elektroporation von partiell permeabilisierten Zellen, die Makroinjektion von DNA in Blütenstände, die Mi- kroinjektion von DNA in Mikrosporen und Pro-Embryonen, die DNA- Aufnahme durch keimende Pollen und die DNA-Aufnähme in Embryonen durch Quellung (zur Übersicht: Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269 - 273) . Während die Transformation dikotyler Pflanzen über Ti-Plasmid-Vektorsysteme mit Hilfe von Agrobacterium tumefaciens etabliert ist, weisen neuere Arbeiten darauf hin, daß auch monokotyle Pflanzen der Transformation mittels auf Agrobacterium basierenden Vektoren zugänglich sind.For the transfer of the DNA into the plant cell, plant explants can expediently be cultivated with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes. From the infected plant material, e.g. Leaf pieces, stem segments, roots, protoplasts or suspension-cultivated plant cells can then be regenerated again in a suitable medium, which can contain antibiotics or biocides for the selection of transformed cells. The plants thus obtained can then be examined for the presence of the introduced DNA. Alternative systems for the transformation of plants are the transformation using the biolistic approach, the electrically or chemically induced DNA uptake in protoplasts, the electroporation of partially permeabilized cells, the macro-injection of DNA into inflorescences, the micro-injection of DNA into microspores and pro Embryos, DNA uptake by germinating pollen and DNA uptake in embryos by swelling (for an overview: Potrykus, Physiol. Plant (1990), 269-273). While the transformation of dicotyledonous plants via Ti plasmid vector systems with the help of Agrobacterium tumefaciens has been established, recent work has indicated that monocotyledonous plants are also accessible for transformation by means of vectors based on Agrobacterium.
Bei den geeigneten Pflanzen kann es sich prinzipiell um Pflanzen jeder beliebigen Pflanzenspezies handeln, d.h. sowohl monokotyle als auch dikotyle Pflanzen. Bevorzugt handelt es sich um (Nutz)- Pflanzen der Gruppen Gramineen, Chenopodien, Leguminosen, Brasicaceen, Solanaceen, Pilze, Moose und Algen, insbesondere um Pflanzen, wie Weizen, Gerste, Reis, Mais, Zuckerrübe, Zuckerrohr, Kartoffel, Raps, Senf, Rüben, Flachs, Erbse, Bohne, Lupine und Tabak. Die für die Expression des gewünschten Proteins bzw. die Behandlung mit den chemischen Induktoren gewünschten Pflanzenteile betreffen prinzipiell jedes beliebige Pflanzenteil, jedenfalls Vermehrungsmaterial und Ernteprodukte dieser Pflanzen, z.B. Früchte, Samen, Knollen, Wurzelstöcke, Sämlinge, Stecklinge, etc.In principle, the suitable plants can be plants act on any plant species, ie both monocot and dicot plants. They are preferably (useful) plants from the groups Gramineae, Chenopodia, leguminous plants, Brasicaceae, Solanaceae, fungi, mosses and algae, in particular plants such as wheat, barley, rice, maize, sugar beet, sugar cane, potato, rapeseed, mustard , Beets, flax, peas, beans, lupine and tobacco. The parts of the plants desired for the expression of the desired protein or the treatment with the chemical inducers in principle relate to any part of the plant, in any case propagation material and harvest products of these plants, for example fruits, seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings, etc.
Die erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen können auch in Verbindung mit einer für ein anderes Protein bzw. Peptid kodierenden DNA so in einen Vektor inseriert werden, daß die erfindungsgemäßen DNA- Sequenzen beispielsweise in Form eines Fusionsproteins, z.B. mit einem His-Tag zur Erleichterung der Reinigung nach rekombinanter Herstellung, exprimiert werden können.The DNA sequences according to the invention can also be inserted into a vector in connection with a DNA coding for another protein or peptide such that the DNA sequences according to the invention are, for example, in the form of a fusion protein, e.g. can be expressed with a His tag to facilitate purification after recombinant production.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die vorstehend beschriebenen Vektoren enthaltende Wirtszellen. Zu diesen Wirtszellen zählen Bakterien (beispielsweise die E.coli-Stämme HB101, DH1, xl776, JM101, JM109, BL21 und SG13009) , Hefe, vorzugsweise S. cerevisiae, Insektenzellen, vorzugsweise sf9- Zellen, und Tierzellen, vorzugsweise Säugerzellen. Bevorzugte Säugerzellen sind CHO-, VERO-, BHK-, HeLa-, COS-, MDCK, 293- und WI38-Zellen. Verfahren zur Transformation dieser Wirtszellen, zur phäno typischen Selektion von Trans formanten und zur Expression der er indungsgemäßen DNA-Moleküle unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vektoren sind auf dem Fachgebiet bekannt .The present invention also relates to host cells containing the vectors described above. These host cells include bacteria (for example the E. coli strains HB101, DH1, xl776, JM101, JM109, BL21 and SG13009), yeast, preferably S. cerevisiae, insect cells, preferably sf9 cells, and animal cells, preferably mammalian cells. Preferred mammalian cells are CHO, VERO, BHK, HeLa, COS, MDCK, 293 and WI38 cells. Methods for transforming these host cells, for phenotypically selecting transformants and for expressing the DNA molecules according to the invention using the vectors described above are known in the art.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine von den erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen kodierte DegP2-Protease bzw. ein Protein mit deren biologischer Aktivität sowie Verfahren zu deren rekombinanten Herstellung unter Verwendung der erfindungs gemäßen Expressionsvektoren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Kultivierung der vorstehend beschriebenen Wirtszellen unter Bedingungen, die die Expression des Proteins (bzw. Fusionsproteins) erlauben (vorzugsweise stabile Expression) , und die Gewinnung des Proteins aus der Kultur oder aus den Wirtszellen. Dem Fachmann sind Bedingungen bekannt, transformierte bzw. transfizierte Wirtszellen zu kultivieren. Geeignete Reinigungsverfahren (beispielsweise präparative Chromatographie, Affinitätschromatographie, beispielsweise Immunoaffinitätschromatographie, HPLC etc.) sind ebenfalls allgemein bekannt. Die erfindungsgemäße DegP2-Protease bzw. das damit verwandte Protein ist nicht nur bei den vorstehend bzw. nachstehend beschriebenen Maßnahmen von Nutzen, sondern kann beispielsweise auch in biologischen Assays hinsichtlich einer Aktivitätsbestimmung Verwendung finden, beispielsweise in Kombination mit einer Vielzahl von weiteren Proteinen für ein "high-throughput"-Screenen. Darüber hinaus kann es z.B. zur Erzeugung von Antikörpern nützlich sein, als Reagens (beispielsweise in markierter Form) in kompetitiven Assays zur quantitativen Bestimmung des Proteins in Pflanzen, als Marker für Pflanzenteile, in denen das entsprechende Protein bevorzugt erzeugt wird (entweder konstitutiv oder während eines bestimmten Stadiums hinsichtlich der Gewebedifferenzierung etc.), und außerdem zur Isolierung von interagierenden Proteinen. Schließlich kann die erfindungsgemäße DegP2-Protease bzw. das damit verwandte Protein auch zur Isolierung von Inhibitoren, Antagonisten oder Agonisten verwendet werden, wobei es sich beispielsweise um Peptide oder sonstige kleine Moleküle handeln kann.The present invention further relates to a DegP2 protease encoded by the DNA sequences according to the invention or a protein with their biological activity and to methods for their recombinant production using the expression vectors according to the invention. The method according to the invention comprises the cultivation of those described above Host cells under conditions which allow expression of the protein (or fusion protein) (preferably stable expression) and the extraction of the protein from the culture or from the host cells. The skilled worker is familiar with conditions for culturing transformed or transfected host cells. Suitable purification methods (for example preparative chromatography, affinity chromatography, for example immunoaffinity chromatography, HPLC etc.) are also generally known. The DegP2 protease according to the invention or the protein related to it is not only useful in the measures described above or below, but can also be used, for example, in biological assays for determining activity, for example in combination with a large number of other proteins for a " high-throughput "-Screenen. In addition, it can be useful, for example, for the production of antibodies, as a reagent (for example in labeled form) in competitive assays for the quantitative determination of the protein in plants, as a marker for parts of plants in which the corresponding protein is preferably produced (either constitutively or during a certain stage in terms of tissue differentiation etc.), and also for the isolation of interacting proteins. Finally, the DegP2 protease according to the invention or the protein related to it can also be used to isolate inhibitors, antagonists or agonists, which may be peptides or other small molecules, for example.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft Liganden, beispielsweise Antikörper, gegen die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Proteine (DegP2- Protease oder verwandte Proteine) . Diese Liganden können beispielsweise in diagnostischen Assays verwendet werden. Verfahren zur Isolierung bzw. Synthese solcher Liganden sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise können möglicherweise nützliche aktivitätshemmende Verbindungen in Extrakten von natürlichen Produkten als Ausgangsmaterial gescreent werden. Solche Extrakte können beispielsweise aus Pilzen, Actinomyceten, Algen, Insekten, Protozoen, Pflanzen und Bakterien stammen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Liganden um Antikörper oder Fragmente davon, die an die DegP2-Protease oder ein Protein mit deren biologischer Aktivität spezifisch binden. Diese Antikörper können monoklonale, polyklonale oder synthetische Antikörper sein oder Fragmente davon. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff "Fragment" alle Teile des monoklonalen Antikörpers (z.B. Fab-, Fv- oder "Single chain Fv"- Fragmente) , welche die gleiche Epitopspezifität wie der vollständige Antikörper aufweisen. Die Herstellung solcher Fragmente ist dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Antikörpern um monoklonale Antikörper. Die erfindungsgemäßen Antikörper können gemäß Standardverfahren hergestellt werden, wobei vorzugsweise das von den erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen kodierte Protein oder ein synthetisches Fragment davon als Immunogen dienen. Verfahren zur Gewinnung monoklonaler Antikörper sind dem Fachmann bekannt. Die erfindungsgemäßen Antikörper können beispielsweise auch zur Immunpräzipitation der erfindungsgemäßen DegP2-Protease, zur Isolierung verwandter Proteine aus cDNA-Expressionsbanken etc. verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Hybridom, das den vorstehend beschriebenen monoklonalen Antikörper erzeugt. Another preferred embodiment of the present invention relates to ligands, for example antibodies, against the proteins according to the invention described above (DegP2 protease or related proteins). These ligands can be used in diagnostic assays, for example. Methods for the isolation or synthesis of such ligands are known to the person skilled in the art. For example, useful activity-inhibiting compounds may be screened in extracts from natural products as a starting material. Such extracts can originate, for example, from fungi, actinomycetes, algae, insects, protozoa, plants and bacteria. The ligand according to the invention is preferably an antibody or fragments thereof which bind specifically to the DegP2 protease or a protein with its biological activity. These antibodies can be monoclonal, polyclonal or synthetic antibodies or fragments thereof. In this context, the term “fragment” means all parts of the monoclonal antibody (for example Fab, Fv or “single chain Fv” fragments) which have the same epitope specificity as the complete antibody. The production of such fragments is known to the person skilled in the art. The antibodies according to the invention are preferably monoclonal antibodies. The antibodies according to the invention can be produced according to standard methods, the protein encoded by the DNA sequences according to the invention or a synthetic fragment thereof preferably serving as an immunogen. Methods for obtaining monoclonal antibodies are known to the person skilled in the art. The antibodies according to the invention can also be used, for example, for immunoprecipitation of the DegP2 protease according to the invention, for isolating related proteins from cDNA expression banks, etc. The present invention also relates to a hybridoma that produces the monoclonal antibody described above.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen, des erfindungsgemäßen Expressionsvektors oder der DegP2 -Protease oder des Proteins mit deren biologischen Aktivität zum Schutz von Pflanzen vor Lichtschäden bzw. um eine schnellere Erholung der Pflanzen von bereits eingetretenen Lichtschäden erreichen zu können. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Antisense-RNA, des Ribozyms oder des Antikörpers zur Erniedrigung oder Unterdrückung des Abbaus des Dl-Proteins.The present invention also relates to the use of the DNA sequences according to the invention, of the expression vector according to the invention or of the DegP2 protease or of the protein with their biological activity for protecting plants from light damage or in order to achieve a faster recovery of the plants from light damage which has already occurred. The present invention also relates to the use of the above-described antisense RNA, the ribozyme or the antibody for lowering or suppressing the breakdown of the Dl protein.
Da die erfindungsgemäße Protease DegP2 Homologie zu bakterieller DegP/HtrA- Protease aufweist (siehe Figur 2A) , von der angenommen wird, daß sie an der Toleranzentwicklung von Pflanzen gegen verschiedene Streßfaktoren wie Oxidation, Salz, pH-Wert und Hitze beteiligt ist (Spiess et al . , Cell 97 (1999), 339-347), kann davon ausgegangen werden, daß die DegP2-Protease über ein vergleichbares Aktivitätsspektrum verfügt. Somit betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen DNA- Sequenzen, des erfindungsgemäßen Express ionsvektors oder der DegP2-Protease oder des Proteins mit deren biologischen Aktivität zum Schutz von Pflanzen gegen Oxidations- (z.B. nach Herbizidbehandlung) , Salz-, pH- oder Hitze-Streß.Since the DegP2 protease of the invention has homology to bacterial DegP / HtrA protease (see FIG. 2A), which is believed to be involved in the development of tolerance in plants against various stress factors such as oxidation, salt, pH and heat (Spiess et al., Cell 97 (1999), 339-347), it can be assumed that the DegP2 protease has a comparable activity spectrum. The present invention thus also relates to the use of the DNA sequences according to the invention, the expression vector according to the invention or the DegP2 protease or the protein with their biological activity for protecting plants against oxidation (for example after herbicide treatment), salt, pH or heat -Stress.
Da DegP2 eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt, ist über eine Manipulation der Menge an DegP2 -Protein eine Ertragsteigerung möglich. Diese Ertragssteigerung kann einmal die Menge an Pfanzen betreffen, d.h. daß bei gleichen Kultivierungsbedingungen mehr Pflanzen wachsen oder kann die pro Pflanze erzielbare Ausbeute an Inhaltsstoffen betreffen.Since DegP2 plays an important role in photosynthesis, a manipulation of the amount of DegP2 protein can increase the yield. This increase in yield can affect the amount of plants, i.e. that more plants grow under the same cultivation conditions or may affect the yield of ingredients obtainable per plant.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kit, der eine erfindungsgemäße DNA-Sequenz oder den vorstehend beschriebenen Antikörper enthält. Je nach Ausgestaltung des diagnostischen Kits können die DNA-Sequenz bzw. der Antikörper immobilisiert sein. Der Antikörper kann beispielsweise in Immunoassays in Flüssigphase oder an einen festen Träger gebunden werden. Dabei kann der Antikörper auf verschiedene Art und Weise markiert sein . Geeignete Marker und Markierungsverfahren sind auf dem Fachgebiet bekannt. Beispiele für Immunassays sind ELISA und RIA.Finally, the present invention relates to a kit which contains a DNA sequence according to the invention or the antibody described above. Depending on the design of the diagnostic kit, the DNA sequence or the antibody can be immobilized. The antibody can be bound, for example, in liquid phase immunoassays or to a solid support. The antibody can be used in different ways and be marked. Suitable markers and labeling methods are known in the art. Examples of immunoassays are ELISA and RIA.
Kurze Beschreibung der Figuren:Brief description of the figures:
Figur 1 :Figure 1:
(A) DNA-Sequenz für DeαP2(A) DNA sequence for DeαP2
Gezeigt sind der kodierende Bereich sowie die 5 ' -UTR und 3'UTRThe coding area and the 5 'UTR and 3'UTR are shown
(B) DNA-Sequenz und abgeleitete Aminosäureseαuenz(B) DNA sequence and deduced amino acid sequence
Figur 2 : Ein in Einzelkopie vorliegendes nukleares Gen DegP2 in A. thaliana kodiert ein vermutliches Homologes der Deg/Htr- Protease-Familie des zu den Cvonabakterien gehörenden Svnechocvstis so. Stamms PCC6803Figure 2: A single copy of the nuclear gene DegP2 in A. thaliana encodes a presumed homologue of the Deg / Htr protease family of the Svnechocvstis belonging to the Cvonabacteria. PCC6803 strain
(A) Sequenzvergleich der konservierten Bereiche der HtrA- , HhoA und HhoB-Proteasen von Svnechocvstis sv. , DegPl von Arabidopsis und der neuen DegP2-Protease(A) Sequence comparison of the conserved regions of the HtrA, HhoA and HhoB proteases from Svnechocvstis sv. , DegPl from Arabidopsis and the new DegP2 protease
Die Sequenzen wurden manuell mit Hilfe des Programms CLUSTALW verglichen. Identische Aminosäuren sind auf einem grauen Hintergrund gezeigt. Lücken werden durch Striche repräsentiert und katalytische Aminosäuren sind in hellgrau durch ein Sternchen markiert.The sequences were compared manually using the CLUSTALW program. Identical amino acids are shown on a gray background. Gaps are represented by dashes and catalytic amino acids are marked in light gray by an asterisk.
(B) Schematische Darstellung der vorhergesagten Struktur von DegP2(B) Schematic representation of the predicted structure of DegP2
(C) Southern-Blot-Analvse von genomischer DNA, die mit Restriktionsenzymen geschnitten war und mit einer DegP2-Sonde unter Bedingungen geringer Stringenz inkubiert worden war(C) Southern blot analysis of genomic DNA cut with restriction enzymes and incubated with a DegP2 probe under low stringency conditions
Figur 3 : DegP2 ist eine Endopeotidase des Serin-Typs (A) Ein E.coli-Extrakt ohne rekombinante DegP2 (Kontrolle) , mit überexprimierter DegP2 und über His-Tag gereinigte DegP2 wurde auf Aktivitätsgelen getestet, die Gelatine als unspezifisches Protease-Substrat enthielten.FIG. 3: DegP2 is an endopeotidease of the serine type (A). An E. coli extract without recombinant DegP2 (control), with overexpressed DegP2 and DegP2 purified via His-Tag was tested on activity gels which contained gelatin as a non-specific protease substrate ,
(B) Zur Klassifizierung der DegP2-Protease entsprechend ihrem katalytischen Zentrum wurden Aktivitätsgele in Abwesenheit (Kontrolle) oder Gegenwart von Protease-Inhibitoren inkubiert, die gegen Serin- (PMSF, DCI und Aprotinin) , Cystein- (E-64) , Aspartat- (Pepstatin) bzw. Metallo-Proteasen (EDTA) gerichtet waren.(B) To classify the DegP2 protease according to its catalytic center, activity gels were absent (Control) or the presence of protease inhibitors which were directed against serine (PMSF, DCI and aprotinin), cysteine (E-64), aspartate (pepstatin) or metalloproteases (EDTA).
Figur 4: DegP2 ist ein extrinsisches Thylakoidmembran-Protein, das in der Stromaseite der der Stroma-Lamellen und nicht eng aneinanderliegenden Bereichen der Grana-Stapel lokalisiert ist.Figure 4: DegP2 is an extrinsic thylakoid membrane protein which is located in the stroma side of the stroma lamellae and not closely adjacent regions of the grana stack.
(A) Isolierte intakte Arajbidopsis-Chloroplasten wurden in Stroma-, Thylakoidmembran- und Thylakoidlumen-Fraktionen aufgetrennt. Proteine jeder Fraktion wurden über SDS-PAGE aufgetrennt und DepP2 wurde mittels Immunblots lokalisiert.(A) Isolated intact Arajbidopsis chloroplasts were separated into stroma, thylakoid membrane and thylakoid lumen fractions. Proteins from each fraction were separated on SDS-PAGE and DepP2 was localized using immunoblots.
(B) Die Lokalisation von DegP2 in eng anliegenden und nicht eng anliegenden Bereichen der Thylakoidmembranen wurde durch Immunblots untersucht. Als Referenz wurde die Verteilung des Dl- Proteins vom PSII-Reaktionszentrum und der A-Untereinheit des PSI-Reaktionszentrums (PSI-A) unter gleichen experimentellen Bedingungen sichtbar gemacht.(B) The localization of DegP2 in tight and not tight areas of the thylakoid membranes was examined by immunoblots. As a reference, the distribution of the Dl protein from the PSII reaction center and the A subunit of the PSI reaction center (PSI-A) was visualized under the same experimental conditions.
(C) Die Topologie der DegP2-Protease in den Thylakoidmembranen wurde durch Inkubation der Membranen in Abwesenheit (Kontrolle) oder Gegenwart von 0,5 M NaCl oder 0,5 M CaCl2 getestet. Das Membran-Pellet (M) und der extrahierte Proteine enthaltende Überstand (S) wurden mittels SDS-PAGE und Immunblots analysiert. Als Referenz wurde die Verteilung des 33 kD-Proteins aus PsbO über SDS-PAGE und Coomassie-Blau-Färbung getestet.(C) The topology of the DegP2 protease in the thylakoid membranes was tested by incubating the membranes in the absence (control) or presence of 0.5 M NaCl or 0.5 M CaCl 2 . The membrane pellet (M) and the extracted protein-containing supernatant (S) were analyzed by SDS-PAGE and immunoblots. As a reference, the distribution of the 33 kD protein from PsbO was tested via SDS-PAGE and Coomassie blue staining.
(D) Ein Protease-Schutzassay wurde nach Zugabe von Trypsin (50 μg/ml) zu den isolierten Thylakoidmembranen (1 mg Chlorophyll/ml) und Inkubation der Proben bei 4° (30 Min.) durchgeführt. Der Schutz von DegP2 gegenüber Abbau durch Trypsin wurde mittels Immunblots untersucht. Als Referenz ist der Schutz von PsbO, einem peripheren, an der Lumen-Seite der Membran lokalisierten Protein, gezeigt.(D) A protease protection assay was performed after adding trypsin (50 µg / ml) to the isolated thylakoid membranes (1 mg chlorophyll / ml) and incubating the samples at 4 ° (30 min.). The protection of DegP2 against trypsin degradation was investigated using immunoblots. Protection of PsbO, a peripheral protein located on the lumen side of the membrane, is shown for reference.
Figur 5: Expressionsmuster von DeoP2 unter verschiedenen Streßbedingungen (A) AraJidopsis-Blätter wurden für zwei Stunden verschiedenen Streßbedingungen ausgesetzt und die Gesa t-RNA isoliert und für Northernblot-Analysen verwendet. Als Referenz ist das rRNA- Muster gezeigt, das durch Ethidiumbromid sichtbar gemacht wurde.Figure 5: Expression pattern of DeoP2 under different stress conditions (A) AraJidopsis leaves were exposed to different stress conditions for two hours and the total RNA isolated and used for Northern blot analyzes. The rRNA pattern shown by ethidium bromide is shown as a reference.
(B) Westernblot-Analysen des DegP2-Spiegels nachdem die Blätter verschiedenen Streßbedingungen für zwei Stunden ausgesetzt worden waren. Als Referenz wurde der Lhcb2-Spiegel über SDS-PAGE und Coomassie-Blau-Färbung getestet.(B) Western blot analyzes of the DegP2 level after the leaves were subjected to various stress conditions for two hours. As a reference, the Lhcb2 level was tested via SDS-PAGE and Coomassie blue staining.
Figur 6: DegP2 vermittelt GTP-abhängiq die primäre Spaltung des geschädigten Dl-Proteins aus dem PSII-ReaktionszentrumFigure 6: DegP2 mediates GTP-dependent the primary cleavage of the damaged Dl protein from the PSII reaction center
(A) Isolierte hitzebehandelte Thylakoidmembranen wurden in Abwesenheit (-DegP2) oder Gegenwart (+DegP2) von gereinigtem rekombinantem DegP2 inkubiert und der Abbau des Dl-Proteins wurde mittels Immunblots nach 30 Min. Inkubation bei 37°C bestimmt. Immunblots, die die α-Untereinheit der Fl ATPase (CFl- α) , verschiedene Untereinheiten des PSI-Komplexes und Lhcb2 zeigen, bestätigen die Selektivität des WirkungsSpektrums von DegP2.(A) Isolated heat-treated thylakoid membranes were incubated in the absence (-DegP2) or presence (+ DegP2) of purified recombinant DegP2 and the degradation of the Dl protein was determined by immunoblotting after 30 min. Incubation at 37 ° C. Immunoblots, which show the α-subunit of Fl ATPase (CFl-α), various subunits of the PSI complex and Lhcb2, confirm the selectivity of the spectrum of action of DegP2.
(B) Isolierte hitzebehandelte Thylakoidmembranen wurden mit gereinigten rekombinanten DegP2-Fraktionen rekonstituiert und der Abbau von Dl wurde nach sechsstündiger Inkubation der Proben bei 4°C oder 37°C durch Immunblots untersucht. Als negative Kontrollen wurden E. coli-Fraktionen ohne exprimiertes DegP2 (Kontrolle) oder Fraktionen mit dem überexprimierten nicht- proteolytischen Klasse la Metallothionein (MTla) mit Thylakoidmembranen rekonstituiert und parallel analysiert.(B) Isolated heat-treated thylakoid membranes were reconstituted with purified recombinant DegP2 fractions and the degradation of Dl was examined by immunoblotting after incubation of the samples at 4 ° C or 37 ° C for 6 hours. As negative controls, E. coli fractions without expressed DegP2 (control) or fractions with the overexpressed non-proteolytic class la metallothionein (MTla) with thylakoid membranes were reconstituted and analyzed in parallel.
(C) Kinetiken des Dl-Proteinabbaus in hitzebehandelten Thylakoidmembranen in Abwesenheit (-GTP) oder Anwesenheit (+GTP) von 2 mM GTP. Thylakoidmembranen wurden entweder mit gereinigtem rekombinantem DegP2 (+DegP2) oder mit überexprimiertes MTla (- DegP2) enthaltenden E. coli-Fraktionen inkubiert.(C) Kinetics of Dl protein degradation in heat-treated thylakoid membranes in the absence (-GTP) or presence (+ GTP) of 2 mM GTP. Thylakoid membranes were incubated either with purified recombinant DegP2 (+ DegP2) or with E. coli fractions containing overexpressed MTla (- DegP2).
(D) Isolierte Thylakoidmembranen wurden zur Entfernung von endogener DegP2-Aktivität mit 0,5 M NaCl gewaschen und das Dl- Protein wurde durch Beleuchtung bei 5000 μmol/m2/s (90 Min., 0°C) photogeschädigt. Die Thylakoidmembranen wurden dann zur Rekonstitution mit gereinigtem rekombinantem DegP2 verwendet und der Abbau des Dl-Proteins wurde durch Immunblots untersucht (obere und mittlere Abschnitte) . In Kontrollassays wurden der Abbau von CP43 und D2 120 Min. nach Inkubation mit mit Hochlicht vorbehandelten Proben in Gegenwart oder Abwesenheit von gereinigtem rekombinantem DegP2 durch Immunblots untersucht (unterer Abschnitt)(D) Isolated thylakoid membranes were washed with 0.5 M NaCl to remove endogenous DegP2 activity and the Dl protein was photo-damaged by illumination at 5000 μmol / m 2 / s (90 min., 0 ° C.). The thylakoid membranes were then used for reconstitution with purified recombinant DegP2 and the degradation of the Dl protein was examined by immunoblots (upper and middle sections). In control assays, the degradation of CP43 and D2 was examined by immunoblots 120 min after incubation with specimens pretreated with high light in the presence or absence of purified recombinant DegP2 (lower section)
Figur 7 : Modell des Abbaus des Dl-ProteinsFigure 7: Model of the degradation of the DI protein
Die peripher an die Stroma-Seite der Thylakoidmembranen angeheftete DegP2-Protease führt die primäre Spaltung des photogeschädigten Dl-Proteins des PSII-Reaktionszentrums am Stroma-Loop zwischen den Helices D und E durch, wodurch proteolytische Fragmente mit 23 und 10 kD erzeugt werden. Gleichzeitig ersetzt eine neu synthetisierte funktionelle Kopie das abgebaute Dl-Protein. Das 23 kD Fragment wird durch eine integrale Membran-Metalloendopeptidase weiter abgebaut.The DegP2 protease attached peripherally to the stroma side of the thylakoid membranes performs the primary cleavage of the photo-damaged Dl protein of the PSII reaction center at the stroma loop between helices D and E, thereby producing proteolytic fragments with 23 and 10 kD. At the same time, a newly synthesized functional copy replaces the degraded DL protein. The 23 kD fragment is further broken down by an integral membrane metalloendopeptidase.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.The following examples illustrate the invention.
Beispiel 1: Allgemeine VerfahrenExample 1: General procedures
(A) Züchtung von Pflanzen/Streßbedingungen(A) Plant breeding / stress conditions
Arabidopsis thaliana L. cv. Columbia wurde in einer Zuchtkammer auf Erde bei 25°C und bei einer Lichtintensität von 100 μmol/m2/s unter Kurztag-Bedingungen gezüchtet. Die Lichstreßbedingungen wurden an ausgewachsenen Blättern durchgeführt, die von 4 bis 5 Wochen alten Pflanzen abgetrennt worden waren. Die Blätter wurden auf Wasser gelegt und Licht mit einer Intensität von 2500 μmol/m2/s ausgesetzt. Bezüglich Kälte- oder Hitzestreß wurden die abgetrennten, auf Wasser liegenden Blätter für 2 Stunden in einen Inkubator mit 4 oder 42°C überführt. Entwässerungsstreß wurde bei Licht mit einer Intensität von 10 μmol/m2/s an Blättern durchgeführt, die auf Whatmann 3MM-Papier bei Raumtemperatur dehydriert worden waren. Nach zweistündiger Inkubation war der relative Wassergehalt der Blätter auf 50% reduziert. Zum Erreichen von Hochsalzstreß oder oxidativem Streß wurden die Blätter zwei Stunden in 400 mM NaCl bzw. in eine 2% H202-Lösung getaucht. UV-A-Behandlung wurde durch Beleuchtung der abgetrennten Blätter mit einer UV-Lampe (366 nm; zwei Stunden) bei einer Lichtintensität von 25 μmol/m2/s durchgeführt. Das Pflanzenmaterial wurde gesammelt und entweder gleich für Extraktionen verwendet oder in flüssigem Stickstoff eingefroren und für nachfolgende Präparationen bei -70°C aufbewahrt.Arabidopsis thaliana L. cv. Columbia was grown in a growing chamber on earth at 25 ° C and with a light intensity of 100 μmol / m 2 / s under short day conditions. The light stress conditions were carried out on adult leaves which had been separated from 4 to 5 week old plants. The leaves were placed on water and exposed to light with an intensity of 2500 μmol / m 2 / s. With regard to cold or heat stress, the separated leaves lying on water were transferred to an incubator at 4 or 42 ° C. for 2 hours. Dewatering stress was carried out with light at an intensity of 10 μmol / m 2 / s on leaves that had been dehydrated on Whatmann 3MM paper at room temperature. After two hours of incubation, the relative water content of the leaves was reduced to 50%. To achieve high salt stress or oxidative stress, the Leaves immersed for two hours in 400 mM NaCl or in a 2% H 2 0 2 solution. UV-A treatment was carried out by illuminating the separated leaves with a UV lamp (366 nm; two hours) at a light intensity of 25 μmol / m 2 / s. The plant material was collected and either used immediately for extractions or frozen in liquid nitrogen and stored at -70 ° C. for subsequent preparations.
(B) Klonierung des DegP2-Gens(B) Cloning the DegP2 gene
Basierend auf dem auf Chromosom 2 lokalisierten ORF F17A22.23, von dem angenommen wurde, daß er vielleicht DegP2-Protease in Arabidopsis kodiert, wurde ein Primerpaar entworfen (5'-AGT GCC GCC TCC GTA GCA-3 ' und 5 ' -TTA TGC CCA CAC CAG TCC ATC-3 ' ) und für die Amplifikation des DegP2 ORF aus der λ-ZAP (Stratagene, Heidelberg) . cDNA-Bank (1 x 103 pfu) verwendet, die aus Arabidopsis-Sämlingen hergestellt war. Das PCR-Zyklus-Profil war: 1 Min. Denaturierung bei 94°C, ql Min. Annealing bei 50°C und 2 Min. Primerverlängerung bei 72°C; 30 Zyklen. Das amplifizierte cDNA-Fragment (1821 bp) wurde gereinigt (Qiaex; Qiagen, Hilden) und vor der Sequenzierung der beiden DNA-Stränge (CyberGene, Stockholm, Schweden) in den Klonierungsvektor pCR2.1 (Invitrogen, San Diego) kloniert. Durch eine Suche mit der erhaltenen DegP2-Sequenz in einer EST-Datenbank (TIGR) konnte der Arabidopsis EST-Klon 133N20T7 (2280 bp) als identisch mit DegP2 identifiziert werden.A primer pair was designed based on chromosome 2 localized ORF F17A22.23, which was thought to encode DegP2 protease in Arabidopsis (5'-AGT GCC GCC TCC GTA GCA-3 'and 5' -TTA TGC CCA CAC CAG TCC ATC-3 ') and for the amplification of DegP2 ORF from the λ-ZAP (Stratagene, Heidelberg). cDNA library (1 x 10 3 pfu) used, which was made from Arabidopsis seedlings. The PCR cycle profile was: 1 min. Denaturation at 94 ° C, ql min. Annealing at 50 ° C and 2 min. Primer extension at 72 ° C; 30 cycles. The amplified cDNA fragment (1821 bp) was purified (Qiaex; Qiagen, Hilden) and cloned into the cloning vector pCR2.1 (Invitrogen, San Diego) before the sequencing of the two DNA strands (CyberGene, Stockholm, Sweden). A search with the DegP2 sequence obtained in an EST database (TIGR) identified the Arabidopsis EST clone 133N20T7 (2280 bp) as identical to DegP2.
(C) DNA-Analysen(C) DNA analysis
Genomische DNA wurde aus Blättern wie von Doyle und Doyle (Focus 12 (1990) , 13-15) beschrieben extrahiert. Die DNA (10 μg pro Reaktion) wurde mit Restriktionsenzymen gespalten, danach auf einem 0,8% Agarosegel elektrophoretisch aufgetrennt und auf "Hybond N+"-Membrane (Amersham Pharmacia, Uppsala, Schweden) gemäß den Angaben des Herstellers überführt. Die cDNA-Sonde wurde mit [α-32P]CTP mittels des "Megapri e DNA labelling kit" von Amersham Pharmacia markiert. Die Hybridisierung und die Waschschritte wurden unter Bedingungen niedriger bzw. hoher Stringenz gemäß Sambrook et al . (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Ausgabe, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)) durchgeführt.Genomic DNA was extracted from leaves as described by Doyle and Doyle (Focus 12 (1990), 13-15). The DNA (10 μg per reaction) was digested with restriction enzymes, then electrophoresed on a 0.8% agarose gel and transferred to "Hybond N +" membrane (Amersham Pharmacia, Uppsala, Sweden) according to the manufacturer's instructions. The cDNA probe was labeled with [α- 32 P] CTP using the "Megapri e DNA labeling kit" from Amersham Pharmacia. The hybridization and washing steps became lower and higher under conditions Stringency according to Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989)).
(D) RNA-Analvsen(D) RNA analysis
Gesamt-RNA wurde aus Kontrollblättern oder Streß-behandelten Blättern mittels des "RNeasy mini kit" (Qiagen) entsprechend den Angaben des Herstellers extrahiert. Nach Auftrennung von 5 μg RNA auf einem 1,2% Agarosegel wurde diese vor der Hybridisierung gemäß Sambrook (siehe oben) auf eine "Hybond N+"-Membran überführt .Total RNA was extracted from control or stress-treated leaves using the "RNeasy mini kit" (Qiagen) according to the manufacturer's instructions. After 5 μg of RNA had been separated on a 1.2% agarose gel, it was transferred to a “Hybond N + ” membrane according to Sambrook (see above) before the hybridization.
(E) Überexpression von DeqP2 in E.coli und Herstellung polyklonaler Antikörper(E) Overexpression of DeqP2 in E. coli and production of polyclonal antibodies
Die DegP2 cDNA wurde mittels der Primer 5 ' -GCC GCC TCC GTA GCA AAC-3'' und 5 ' -TGC CCA CAC CAG TCC ATC A-3 ' und dem cDNA-Plasmid des EST-Klons 133N20T7 als Matrize amplifiziert . Das DegP2- Protein wurde in E.coli als Fusionsprotein mit dem N-terminal angeknüpften Thioredoxin und den C-terminal angeknüpften His-Tag (His6) (wobei der Kit "pBAD/Topo™ ThioFusion™ Expression System, Invitrogen, verwendet wurde) gemäß dem Protokoll des Herstellers exprimiert. Das rekombinante DegP2 -Protein wurde unter denaturierenden Bedingungen mittels Affinitätschromatographie auf Ni-NTA-Agarose ( "Qiaexpress" ; Qiagen) gereinigt und von der Säule mit 200 mM Imidazol eluiert. Die DegP2 enthaltenden Fraktionen wurden über SDS-PAGE aufgetrennt und vor der Erzeugung von polyklonalen Antikörpern in Kaninchen (BioGenes, Berlin, Deutschland) auf Nitrozellulose-Membranen überführt.The DegP2 cDNA was amplified using the primers 5 '-GCC GCC TCC GTA GCA AAC-3'' and 5' -TGC CCA CAC CAG TCC ATC A-3 'and the cDNA plasmid of the EST clone 133N20T7 as a template. The DegP2 protein was used in E. coli as a fusion protein with the N-terminally linked thioredoxin and the C-terminally linked His tag (His 6 ) (using the kit "pBAD / Topo ™ ThioFusion ™ Expression System, Invitrogen). The recombinant DegP2 protein was purified under denaturing conditions using affinity chromatography on Ni-NTA agarose (“Qiaexpress”; Qiagen) and eluted from the column with 200 mM imidazole. The fractions containing DegP2 were analyzed by SDS- PAGE separated and transferred to nitrocellulose membranes before the generation of polyclonal antibodies in rabbits (BioGenes, Berlin, Germany).
(F) Protein-Analysen(F) Protein analyzes
Isolierte Thylakoid-Membranen und Stroma-Proteine wurden über SDS-PAGE aufgetrennt, wobei in der Regel 10% Polyacrylamid- Minigele (Hoefer-Minigelsystem; Amersham Pharmacia Biotech, Uppsala, Schweden) verwendet wurden. Die Gele wurden mit gleichen Proteinmengen beladen und das Immunblotten gemäß Towbin et al. (PNAS USA 76 (1979), 4350-4354) unter Verwendung eines "enhanced chemi luminescence " -Systems (ECL; Amersham International, Buckinghamshire , Großbritannien) als NachweisSystem durchgeführt.Isolated thylakoid membranes and stroma proteins were separated using SDS-PAGE, generally using 10% polyacrylamide mini gels (Hoefer mini gel system; Amersham Pharmacia Biotech, Uppsala, Sweden). The gels were loaded with equal amounts of protein and immunoblotting according to Towbin et al. (PNAS USA 76 (1979), 4350-4354) using a "enhanced chemical luminescence" system (ECL; Amersham International, Buckinghamshire, Great Britain) as a detection system.
(G) Aktivitats-Assays und Inhibitor-Studien(G) activity assays and inhibitor studies
Für Aktivitäts-Assays wurde 1 μg gereinigte DegP2-Protease (mit His-TAG) bei 4°C auf 10% SDS-Polyacrylamidgelen mit 0,2% Gelatine (Typ "B bloom 75"; Sigma, Deisenhofen) als unspezifisches Protease-Substrat aufgetrennt. Die Gele wurden dann zum Austausch von SDS und zur Renaturierung der DegP2-Protease 30 Min. bei 25°C in 50 M Tris (pH-Wert 8,0), 5 mM MgCl2 und 1% Triton-X?" inkubiert. Der Puffer wurde gegen einen Puffer ohne Detergens ausgetauscht und das Gel für weitere 16 Stunden bei 37°C inkubiert, um einen Abbau der Gelatine zu erlauben. Nach der Anfärbung des Gels mit einer Coomassie-Blau-Lösung (40% Ethanol, 10% Essigsäure, 0,1% Coomassie-Blau R-250) und Entfärbung mit einer Lösung aus 40% Ethanol und 10% Essigsäure war eine weiße Zone auf einem blauen Hintergrund sichtbar, die der Position der aktiven DegP2-Protease entsprach.For activity assays, 1 μg of purified DegP2 protease (with His-TAG) at 4 ° C. on 10% SDS polyacrylamide gels with 0.2% gelatin (type "B bloom 75"; Sigma, Deisenhofen) as a non-specific protease substrate separated. The gels were then incubated for 30 minutes at 25 ° C. in 50 M Tris (pH 8.0), 5 mM MgCl 2 and 1% Triton-X? "To exchange SDS and to renaturate the DegP2 protease Buffer was exchanged for a buffer without detergent and the gel was incubated for a further 16 hours at 37 ° C. to allow the gelatin to degrade. After staining the gel with a Coomassie blue solution (40% ethanol, 10% acetic acid, 0.1% Coomassie Blue R-250) and decolorization with a solution of 40% ethanol and 10% acetic acid, a white zone was visible on a blue background which corresponded to the position of the active DegP2 protease.
Zur Klassifizierung der DegP2-Protease wurden Aktivitätsgele in Abwesenheit (Kontrolle) oder Anwesenheit von Protease- Inhibitoren (100 μg/ml PMSF, 10 μg/ml DCI, lμg/ l Aprotinin, 1 μg/ml E64 [3-carboxy-trans-2 , 3-epoxypropyl-leucylamido (4- guanidino)butan) , 1 μg/ml Pepstatin und 500 μg/ml EDTA gemäß den Protokollen der Hersteller (Boehringer Mannheim, Mannheim, Deutschland, und Sigma, Deisenhofen) inkubiert.To classify the DegP2 protease, activity gels in the absence (control) or presence of protease inhibitors (100 μg / ml PMSF, 10 μg / ml DCI, 1 μg / l aprotinin, 1 μg / ml E64 [3-carboxy-trans-2 , 3-epoxypropyl-leucylamido (4-guanidino) butane), 1 μg / ml pepstatin and 500 μg / ml EDTA according to the manufacturer's protocols (Boehringer Mannheim, Mannheim, Germany, and Sigma, Deisenhofen).
(H) Lokalisation von DegP2 in Chloroplasten-Unterfraktionen und deren Topologie in den Thylakoid-Membranen(H) Localization of DegP2 in chloroplast sub-fractions and their topology in the thylakoid membranes
Intakte Arabidopsis-Chloroplasten wurden auf einem Percoll- Gradienten gemäß Cline (J. Biol. Chem. (1986), 261: 14804-14810) isoliert und gereinigt. Zur weiteren Fraktionierung wurden die Chloroplasten über osmotischen Schock (10 Min. bei 4°C) in 50 mM Tris (pH-Wert 8,0) und 5 M MgCl2 bei einer Chlorophyll- Konzentration von 1 mg/ml aufgebrochen und die Thylakoid- und Stroma-Fraktionen durch Zentrifugation bei 10.000 x g (10 Min., 4°C) getrennt. Zur Präparation von Thylakoidlumen wurden isolierte Thylakoide im vorstehenden Puffer inkubiert, 10 mal für 30 Sek. bei 4°C mit Ultraschall behandelt (Stärke: 8,0; Misonix Inc., Farmingdale, NY, USA) und die Thylakoid-Membranen wurden von der löslichen Lumen-Fraktion durch Zentrifugation bei 220.000 x g (1 Stunde bei 4°C) abgetrennt. Die Proteine in jeder Fraktion wurden durch SDS-PAGE aufgetrennt und die Position von DegP2 durch Immunblots bestimmt.Intact Arabidopsis chloroplasts were isolated and purified on a Percoll gradient according to Cline (J. Biol. Chem. (1986), 261: 14804-14810). For further fractionation, the chloroplasts were broken up by osmotic shock (10 min. At 4 ° C.) in 50 mM Tris (pH 8.0) and 5 M MgCl 2 at a chlorophyll concentration of 1 mg / ml and the thylakoid and Stroma fractions separated by centrifugation at 10,000 xg (10 min., 4 ° C). For the preparation of thylakoid lumens, isolated thylakoids were incubated in the above buffer, treated with ultrasound 10 times for 30 seconds at 4 ° C. (strength: 8.0; Misonix Inc., Farmingdale, NY, USA) and the thylakoid membranes were removed from the soluble lumen fraction separated by centrifugation at 220,000 xg (1 hour at 4 ° C). The proteins in each fraction were separated by SDS-PAGE and the position of DegP2 was determined by immunoblots.
Zur Isolierung eng anliegender und nicht eng anliegender Membranbereiche wurden die Thylakoide mittels einer "Yeda"- Presse mechanisch aufgebrochen und die Membranfragmente wurden durch differentielle Zentrifugation und wäßrige Polymer-Zwei- Phasen-Partitionierung wie von Andersson und Anderson (Biochim. Biophys. Acta 593 (1980), 427-440) beschrieben aufgetrennt.To isolate closely fitting and not closely fitting membrane areas, the thylakoids were broken up mechanically using a "Yeda" press and the membrane fragments were separated by differential centrifugation and aqueous polymer two-phase partitioning as described by Andersson and Anderson (Biochim. Biophys. Acta 593 ( 1980), 427-440).
Zur Isolierung der peripheren Thylakoidproteine wurden die Thylakoidmembranen in 25 mM MES (pH-Wert 6,5) bei einer Chlorophyllkonzentration von 0,1 mg/ml resuspendiert und die extrinsischen Membranproteine mit 0,5 M NaCl oder 0,5 CaCl2 30 Min. bei 4°C im Dunkeln unter leichtem Rühren extrahiert. Die Suspension wurde bei 220.000 x g (1 Stunde bei 4°C) zentrifugiert und das Pellet (integrale Membranproteine) und der Überstand (periphere Membranproteine) wurden mittels SDS-PAGE und Immunblots analysiert.To isolate the peripheral thylakoid proteins, the thylakoid membranes were resuspended in 25 mM MES (pH 6.5) at a chlorophyll concentration of 0.1 mg / ml and the extrinsic membrane proteins with 0.5 M NaCl or 0.5 CaCl 2 30 min. extracted at 4 ° C in the dark with gentle stirring. The suspension was centrifuged at 220,000 xg (1 hour at 4 ° C) and the pellet (integral membrane proteins) and the supernatant (peripheral membrane proteins) were analyzed by SDS-PAGE and immunoblots.
Die Topologie der DegP2-Protease wurde mittels eines Proteaseschutzassays getestet. Isolierte Thylakoidmembranen wurden in 50 mM HEPES (pH-Wert 8,0) und 330 mM Sorbitol bei einer Chlorophyllkonzentration von 1 mg/ml resuspendiert und 30 Min. bei 4°C mit 50 μg/ml Trypsin inkubiert. Der Schutz von DegP2 gegen Trypsin-Abbau wurde mittels Immunblots getestet.The topology of the DegP2 protease was tested using a protease protection assay. Isolated thylakoid membranes were resuspended in 50 mM HEPES (pH 8.0) and 330 mM sorbitol at a chlorophyll concentration of 1 mg / ml and incubated for 30 min at 4 ° C. with 50 μg / ml trypsin. The protection of DegP2 against trypsin degradation was tested using immunoblots.
(I) Rekonstitution von rekombinantem DegP2 mit Thylakoidmembranen. Für Rekonstitutions-Studien wurden Thylakoidmembranen isoliert und 9 μg Chlorophyll enthaltende Aliquots 10 Min. bei 90°C (zur Arretierung endogener proteolytischer Aktivitäten) denaturiert. Nach Zugabe von angereichertem rekombinantem DegP2 (0,1 μg Protein) wurden die Assays 2 Stunden bei 4 oder 37°C in 50 mM Tris (pH-Wert 9,5) , 5 mM MgCl2, 2 mM GTP inkubiert. Der Abbau des Dl-Proteins wurde mittels SDS-PAGE und Immunblots untersucht.(I) Reconstitution of recombinant DegP2 with thylakoid membranes. For reconstitution studies, thylakoid membranes were isolated and 9 µg chlorophyll-containing aliquots were denatured for 10 minutes at 90 ° C (to arrest endogenous proteolytic activities). After adding enriched recombinant DegP2 (0.1 μg protein), the assays were incubated for 2 hours at 4 or 37 ° C. in 50 mM Tris (pH 9.5), 5 mM MgCl 2 , 2 mM GTP. The breakdown of the Dl protein was investigated using SDS-PAGE and immunoblots.
Zur Untersuchung eines durch Licht ausgelösten Abbaus des Dl- Proteins wurden zur Reduktion endogener DegP2-Aktivität isolierte Thylakoidmembranen mit 0,5 M NaCl gewaschen und danach entweder bei Dunkelheit oder in starkem Licht (5000 μmol/m2/s) wie von Spetea et al . (PNAS USA 96 (1999), 6547-6552) beschrieben 90 Min. bei 0°C inkubiert. Aliquots der Thylakoidmembranen wurden für Rekonstitutionsstudien verwendet und nach Abbau des Dl-Proteins für 120 Min. bei 37° und einer Lichtintensität von 10 μmol/m2/s in Gegenwart oder Abwesenheit von rekombinantem DegP2 wurden Immunoblots angefertigt.To investigate light-induced degradation of the Dl protein, isolated thylakoid membranes were washed with 0.5 M NaCl to reduce endogenous DegP2 activity and then either in the dark or in strong light (5000 μmol / m 2 / s) as described by Spetea et al , (PNAS USA 96 (1999), 6547-6552) for 90 minutes at 0 ° C. Aliquots of the thylakoid membranes were used for reconstitution studies and after the Dl protein had been broken down for 120 min at 37 ° and a light intensity of 10 μmol / m 2 / s in the presence or absence of recombinant DegP2, immunoblots were prepared.
Beispiel 2 : Isolierung des DegP2 kodierenden GensExample 2: Isolation of the gene encoding DegP2
Die DegP/Htr-Familie in Prokaryonten (einschließlich der Cyanobakterien, von denen Chloroplasten abstammen) umfaßt drei Endopeptidasen des Serintyps (DegP (=HtrA) , DegQ (=HhoA)und DegS (=HtrH oder HhoB) ) . Kürzlich wurde ein Homologes der DegP von Cyanobakterien in Chloroplasten von Arabidopsis und Erbse identifiziert (DegPl) und es konnte gezeigt werden, daß dieses Protein mit der Lumen-Seite der Thylakoidmembranen assoziiert ist. BLAST-Suchen der Arabidopsis-Datenbank mit dem konservierten Aminosäurebereich der Familie der Deg/Htr- Proteasen von dem Stamm PC6803 (CyanoJa7teriu-τ. Synechocystis sp. ) offenbarten die Gegenwart eines weiteren hochkonservierten Homologen zu der DegP/HtrA-Protease, das die Bezeichnung DegP2 erhielt. Es wurde davon ausgegangen, daß ein auf Chromosom 2 von Arabi dops i s gelegenes Gen (Zugangsnummer AC005309, Proteinidentität AAC63648) diese Protease kodiert.The DegP / Htr family in prokaryotes (including the cyanobacteria from which chloroplasts are derived) comprises three serine-type endopeptidases (DegP (= HtrA), DegQ (= HhoA) and DegS (= HtrH or HhoB)). A homologue of the DegP of cyanobacteria in chloroplasts from Arabidopsis and pea was recently identified (DegPl) and it was shown that this protein is associated with the lumen side of the thylakoid membranes. BLAST searches of the Arabidopsis database with the conserved amino acid region of the family Deg / Htr proteases from strain PC6803 (CyanoJa7teriu-τ. Synechocystis sp.) Revealed the presence of another highly conserved homologue to the DegP / HtrA protease, the name DegP2 received. It was assumed that a gene located on Arabidopsis chromosome 2 (accession number AC005309, Protein identity AAC63648) encodes this protease.
Basierend auf der angenommenen genomischen Sequenz von DegP2 wurden Primer entworfen und in einer PCR zur Amplifikation von DegP2-cDNA aus einer Arabidopsis-cDNA-Bank verwendet. Die DegP2- cDNA-Sequenz enthält einen offenen Leserahmen (ORF) von 1821 bp, der ein Protein mit 607 Aminosäuren (relative molekulare Masse: 66,8 kD) kodiert. Ein Homologievergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenzen offenbarte, daß die Gesamtsequenz-Homologie von DegP2 und DegPl zu der Deg/Htr-Protease der Cyanobakterien 44% bzw. 48-51% beträgt. Ein Vergleich der konservierten Bereiche von DegP2 und DegPl und mit den homologen Proteasen der Deg/Htr-Familie von Synechocystis ist in Figur 2A gezeigt. Drei Aminosäuren (S, H und D) , die an der katalytischen Aktivität der Serinproteasen der Deg/Htr-Familie beteiligt sind, sind in DegP2 an hochkonservierten Positionen vorhanden. DegP2 weist ein N- terminales Transitpeptid auf (Aminosäuren 1-69, typisch für in Plastide importierte Proteine) auf und zwei stark konservierte Domänen (Figur 2B) . Eine für Serinproteasen des Trypsintyps spezifische katalytische Domäne wurde zwischen den Aminosäuren 144 und 282 gefunden, außerdem eine Wiederholungseinheit von 65 Aminosäuren (die sogenannte PDZ-Domäne) zwischen den Aminosäuren 308 und 373. Die PDZ-Domäne in Eukaryonten wird allgemein als eine Protein/Protein-Interaktionsstelle angesehen, wobei für Prokaryoten die gleiche Funktion angenommen wird. Hydropathie- Plots offenbarten, daß das reife DegP2-Protein ein vorwiegend hydrophiles Protein mit einer molekularen Masse von 60 kD ist und zwar keine Transmembran-Domänen aufweist, jedoch ein kurzes hydrophobes, am C-Terminus gelegenes Segement (Aminosäuren 440- 450) .Based on the assumed genomic sequence of DegP2, primers were designed and used in a PCR for the amplification of DegP2 cDNA from an Arabidopsis cDNA library. The DegP2 cDNA sequence contains an open reading frame (ORF) of 1821 bp, which encodes a protein with 607 amino acids (relative molecular mass: 66.8 kD). A homology comparison of the deduced amino acid sequences revealed that the overall sequence homology of DegP2 and DegPl to the Deg / Htr protease of the cyanobacteria was 44% and 48-51%, respectively. A comparison of the conserved regions of DegP2 and DegPl and with the homologous proteases of the Deg / Htr family from Synechocystis is shown in FIG. 2A. Three amino acids (S, H and D), which are involved in the catalytic activity of the serine proteases of the Deg / Htr family, are present in highly conserved positions in DegP2. DegP2 has an N-terminal transit peptide (amino acids 1-69, typical for proteins imported into plastids) and two strongly conserved domains (FIG. 2B). A catalytic domain specific for trypsin-type serine proteases has been found between amino acids 144 and 282, as well as a repeating unit of 65 amino acids (the so-called PDZ domain) between amino acids 308 and 373. The PDZ domain in eukaryotes is commonly referred to as a protein / protein -Interaction point, whereby the same function is assumed for prokaryotes. Hydropathy plots revealed that the mature DegP2 protein is a predominantly hydrophilic protein with a molecular mass of 60 kD and does not have any transmembrane domains, but a short hydrophobic segment located at the C-terminus (amino acids 440-450).
Zur Untersuchung der Kopienzahl des DegP2-Gens in Arabidopsis wurde genomische DNA isoliert, mit Restriktionsenzymen gespalten und mit DegP2-cDNA hybridisiert. Unabhängig von der Stringenz der Hybridisierung konnte ein Einzelbande nachgewiesen werden (Figur 2C) , was anzeigt, daß das DegP2-Gen an einem einzelnen Locus im Arabidopsis-Genom vorhanden ist. Beispiel 3: Biochemische Charakterisierung der proteolytisehenTo investigate the copy number of the DegP2 gene in Arabidopsis, genomic DNA was isolated, cleaved with restriction enzymes and hybridized with DegP2 cDNA. A single band could be detected regardless of the stringency of the hybridization (FIG. 2C), which indicates that the DegP2 gene is present at a single locus in the Arabidopsis genome. Example 3: Biochemical characterization of proteolytic
Aktivität von DegP2DegP2 activity
Zur Untersuchung der proteolytischen Aktivität von DegP2 wurde dieses in einem bakteriellen System als Fusionsprotein mit einem His-Tag am C-Terminus überexprimiert . Die proteolytische Aktivität eines E. coli-Extrakts mit überexprimiertem DegP2 und die rekombinantes DegP2 enthaltenden, über Affinitätschromatographie gereinigten Fraktionen wurden auf einem unspezifischen Proteasesubstrat (Gelatine) getestet (Figur 3A) . Als negative Kontrollen wurden ein E.coli-Extrakt ohne rekombinantes DegP2 (Figur 3A) und ein E.coli-Extrakt mit einem überexpr imier ten nichtpro t eolyt i sehen Protein (das Metallothionein der Klasse la) auf Aktivitätsgelen unter identischen experimentellen Bedingungen analysiert. Die Ergebnisse zeigen (Figur 3A, unterer Abschnitt) , daß die überexprimiertes DegP2 enthaltenden Fraktionen Gelatine im Bereich der Wanderung von DegP2 abbauen können. Eine schwächere in den DegP2 enthaltenden Fraktionen sichtbare proteolytische Bande könnte ein Autodegradationsprodukt von DegP2 darstellen. Zwar waren in Kontrollfraktionen verschiedene proteolytische Aktivitäten sichtbar, das Fehlen des Gelatineabbaus in dem der DegP2-Wanderung entsprechenden Bereich zeigte jedoch, daß die gemessene Proteolyse durch die rekombinante DegP2-Protease vermittelt wurde (Figur 3A) .To study the proteolytic activity of DegP2, it was overexpressed in a bacterial system as a fusion protein with a His tag at the C-terminus. The proteolytic activity of an E. coli extract with overexpressed DegP2 and the fractions containing recombinant DegP2 and purified by affinity chromatography were tested on a non-specific protease substrate (gelatin) (FIG. 3A). As negative controls, an E. coli extract without recombinant DegP2 (FIG. 3A) and an E. coli extract with an overexpressed non-protective protein (the class la metallothionein) were analyzed on activity gels under identical experimental conditions. The results show (FIG. 3A, lower section) that the fractions containing overexpressed DegP2 can degrade gelatin in the region of DegP2 migration. A weaker proteolytic band visible in the fractions containing DegP2 could represent an autodegradation product of DegP2. Although various proteolytic activities were visible in control fractions, the lack of gelatin degradation in the region corresponding to the DegP2 migration showed that the measured proteolysis was mediated by the recombinant DegP2 protease (FIG. 3A).
Die Gegenwart von konservierten katalytischen Aminosäuren in der DegP2-Sequenz (Figur 2A) ließ darauf schließen, daß dieses Enzym eine Serin-Endopeptidase des Trypsintyps ist. Zur Bestätigung dieser Vermutung wurden in vitro-Studien mit verschiedenen Protease-Inhibitoren durchgeführt (Figur 3B) . Der Gelatine-Abbau in Aktivitätsgelen durch überexprimiertes DegP2 wurde vollständig arretiert bzw. stark reduziert in Gegenwart von Serinprotease-Inhibitoren wie z.B. 3 , 4-Dichlorisocoumarin (DCI) , Aprotinin oder Phenylmethylsulfonat (PMSF) . Gegen Cystein-, Aspartat- oder Metallo-Endopeptidasen gerichtete Inhibitoren führten zu keiner signifikanten Beeinflussung der proteolytischen Aktivität von DegP2.The presence of conserved catalytic amino acids in the DegP2 sequence (Figure 2A) suggested that this enzyme is a trypsin type serine endopeptidase. To confirm this assumption, various protease inhibitors were carried out in vitro (FIG. 3B). The gelatin breakdown in activity gels due to overexpressed DegP2 was completely arrested or greatly reduced in the presence of serine protease inhibitors such as 3,4-dichloroisocoumarin (DCI), aprotinin or phenylmethylsulfonate (PMSF). Inhibitors directed against cysteine, aspartate or metallo-endopeptidases did not significantly affect the proteolytic activity of DegP2.
Beispiel 4: Studien zur Chloroplasten-Lokalisation von DegP2 und zur Thylakoidmembran-TopologieExample 4: Studies on the chloroplast localization of DegP2 and on the thylakoid membrane topology
Zur Untersuchung der subzelluären Lokalisierung von DegP2 wurde ein polyklonaler Antikörper gegen das rekombinante Protein erzeugt. Die Fraktionierung isolierter intakter Chloroplasten in Stroma, Thylakoidmembrane und Thylakoidlumen und im Anschluß daran die Immunblot-Analyse der Fraktionen offenbarten, daß der überwältigende Anteil der DegP2 - Pro t eas e mit den Thylakoidmembranen assoziiert war, in den Stroma-Fraktionen konnten nur sehr geringe Mengen nachgewiesen werden (Figur 4A) . Die Gegenwart von DegP2 im Stroma dürfte durch eine Kontamination dieser Fraktion mit kleinen Membranfragmenten hervorgerufen sein, die während der Zentrifugation nicht sedimentierten. Diese Ergebnisse stehen in Einklang mit der aufgrund der Presequenz von DegP2 vorhergesagten Lokalisierung. Die weitere Fraktionierung der Thylakoidmembranen in eng anliegende und nicht eng anliegende Membranbereiche mittels differenzieller Zentrifugation und wäßriger Polymer-Zwei-Phasen- Partition zeigte, daß 80 - 90% dieses Enzyms in dem Stroma- Lamellen vorhanden waren und 10 - 20% in Fraktionen, die in nicht eng anliegenden Bereichen von Grana-Stapeln angereichert waren, die aus Grana-Rändern und Grana-Endmembranen bestandenA polyclonal antibody against the recombinant protein was generated to investigate the subcellular localization of DegP2. The fractionation of isolated intact chloroplasts in stroma, thylakoid membrane and thylakoid lumen and then the immunoblot analysis of the fractions revealed that the overwhelming proportion of DegP2 - Protass e was associated with the thylakoid membranes, in the stroma fractions only very small amounts can be detected (Figure 4A). The presence of DegP2 in the stroma may be caused by contamination of this fraction with small membrane fragments that did not sediment during centrifugation. These results are consistent with the location predicted based on the presequence of DegP2. Further fractionation of the thylakoid membranes into tight and not tight membrane areas by means of differential centrifugation and aqueous polymer two-phase partition showed that 80-90% of this enzyme was present in the stroma lamellae and 10-20% in fractions that were enriched in non-close-fitting areas by stacks of grana consisting of grana edges and grana end membranes
(Figur 4B) . Die Verteilung von Untereinheit A des PSI- Reaktionszentru s (PSI-A) und des Dl-Proteins war in Übereinstimmung mit früheren Daten. Während die überwältigende Mehrheit des Dl-Proteins im Grana-Bereich nachgewiesen wurde, wurde die Mehrheit von PSI-A in den Stroma-Lamellen gefunden(Figure 4B). The distribution of subunit A of the PSI reaction center (PSI-A) and the Dl protein was in agreement with previous data. While the overwhelming majority of the Dl protein was detected in the Grana region, the majority of PSI-A was found in the stroma lamella
(Figur 4B) .(Figure 4B).
Um zu untersuchen, ob die DegP2-Protease ein peripheres oder integral es Membranprotein i s t , wurden di e isol i ert en Thylakoidmembranen zur Freisetzung extrinsischer Membranproteine mit Salz gewaschen . Die Extraktion von DegP2 mit 0 , 5 M NaCl oder 0 , 5 M CaCl2 aus den Thylakoiden zeigte , daß dieses Protein ein peripheres Membranprotein ist (Figur 4C , unterer Abschnitt) . Außerdem deutet die Gegenwart von DegP2 im NaCl -Überstand darauf hin, daß dieses Protein mit der Stroma-Seite der Membranen assoziiert ist . Als Referenz ist das Fraktionierungsmuster des 33 kD-Proteins aus dem Sauerstoff -entwickelnden Komlex (PsbO) von PSII gezeigt (Figur 4C, unterer Abschnitt ) . PsbO ist ein peripheres Membranprotein , das auf der Lumen-Seite der Thylakoidmembran lokalisiert ist . Es konnte gezeigt werden, daß PsbO mit 1 M CaCl2 leicht aus der Membran extrahiert werden kann, nicht j edoch mit 1 M NaCl .In order to investigate whether the DegP2 protease is a peripheral or integral membrane protein, the isolated thylakoid membranes were used to release extrinsic membrane proteins washed with salt. Extraction of DegP2 with 0.5 M NaCl or 0.5 M CaCl 2 from the thylakoids showed that this protein is a peripheral membrane protein (FIG. 4C, lower section). In addition, the presence of DegP2 in the NaCl supernatant indicates that this protein is associated with the stroma side of the membranes. For reference, the fractionation pattern of the 33 kD protein from PSII's oxygen-evolving complex (PsbO) is shown (Figure 4C, lower section). PsbO is a peripheral membrane protein located on the lumen side of the thylakoid membrane. It could be shown that PsbO can be easily extracted from the membrane with 1 M CaCl 2 , but not with 1 M NaCl.
Die Topologie von DegP2 innerhalb der Thylakoidmembranen wurde außerdem anhand der Empfänglichkeit gegenüber zugegebenem Tryps in veri f iziert ( Figur 4D , rechter Abschnitt ) . Die Inkubation der isolierten Thylakoidmembranen mit Trypsin führte zu einer Spaltung von DegP2 was zeigt , daß dieses Protein nicht von der Lipid-Doppelschicht geschützt wird und somit für einen Abbau durch Trypsin empfänglich ist . Im Gegensatz dazu war PsbO vor einem tryptischen Abbau geschützt (Figur 4D, linker Abschnitt ) .The topology of DegP2 within the thylakoid membranes was also verified by the susceptibility to added tryps (FIG. 4D, right section). The incubation of the isolated thylakoid membranes with trypsin led to a cleavage of DegP2, which shows that this protein is not protected by the lipid bilayer and is therefore susceptible to degradation by trypsin. In contrast, PsbO was protected from tryptic degradation (Figure 4D, left section).
Beispiel 5 : Die Expression von DegP2 variiert unter verschiedenen StreßbedingungenExample 5: The expression of DegP2 varies under different stress conditions
Um die Auswirkung von verschiedenen Streßarten auf die Expression des DegP2-Gens zu untersuchen, wurden Blätter von Arabidopsis Kältestreß, einem Hitzeschock, Hochsalzbedingungen, Austrocknung, oxidativem Streß, UV-A-Bestrahlung und Lichtstreß ausgesetzt und danach wurde die Konzentration des DegP2- Transkripts und des Proteins mittels Northern- (Figur 5A) oder Western-Blots (Figur 5B) untersucht . Als Kontrolle wurden Blätter normalen Licht- bzw. Temperaturbedingungen ausgesetzt und die Menge des unter diesen Bedingungen exprimierten DegP2- Trankripts und Proteins als Referenz verwendet . Nachdem die Blätter erhöhten Temperaturen und einer Behandlung mit H202 ausgesetzt worden waren, konnten nur Spuren des DegP2 - Transkripts und des Proteins nachgewiesen werden . Auch Salzstreß und Austrockung führten zur einer Verringerung der Menge des DegP2 -Transkripts (Figur 5A) . Im Gegensatz dazu war die Menge des DegP2 -Proteins unter den letzten beiden Bedingungen im Vergleich zu der Kontrollprobe in den Thylakoidmembranen zwei- bis vierfach erhöht . Außerdem förderte der Lichtstreß die Akkumulierung von DegP2 in der Thylakoidmembran (Figur 5B) .To examine the effect of various types of stress on the expression of the DegP2 gene, leaves of Arabidopsis were subjected to cold stress, heat shock, high salt conditions, dehydration, oxidative stress, UV-A radiation and light stress, and then the concentration of the DegP2 transcript and of the protein was examined by means of Northern (FIG. 5A) or Western blots (FIG. 5B). As a control, leaves were exposed to normal light or temperature conditions and the amount of DegP2 transcript and protein expressed under these conditions was used as a reference. after the Leaves were exposed to elevated temperatures and treatment with H 2 0 2 , only traces of the DegP2 transcript and the protein could be detected. Salt stress and dehydration also led to a reduction in the amount of DegP2 transcript (FIG. 5A). In contrast, the amount of DegP2 protein was increased two to four times under the last two conditions compared to the control sample in the thylakoid membranes. In addition, the light stress promoted the accumulation of DegP2 in the thylakoid membrane (Figure 5B).
Beispiel 6 : Das physiologische Ziel von DegP2 ist das photogeschädigte Dl-Protein des PSII-ReaktionszentrumsExample 6: The physiological target of DegP2 is the photo-damaged Dl protein of the PSII reaction center
Da der Abbau des Dl-Proteins nach Photoinhibition durch eine membrangebundene Protease des Serintyps katalysiert wird, erschien die Untersuchung des phsiologischen Ziels der DegP2- Protease von Interesse . Die Zugabe von DegP2 zu isolierten Thylakoidmembranen, deren endogenen proteolytischen Aktivitäten durch Erhitzen inhibiert worden waren, führte zum spezifischen Verschwinden eines 32 kD Membranproteins , was über SDS-PAGE und Coomassie-Blau-Färbung nachgewiesen werden konnte . Das 32 kD Protein wurde dann nicht beeinflußt , wenn ein E . coli- Kontrollextrakt zu dem Rekonstitutionsassay gegeben wurde . Um die Identität des 32 kD Proteins zu bestimmen wurden Immunblots mit einem polyklonalen anti-Di -Antikörper durchgeführt . Die während der Rekonstitution mit gereinigtem rekombinantem DegP2 abgebaute Bande konnte als das Dl -Protein des PSII- Reaktionszentrums identifiziert werden (Figur 6A, linker Abschnitt ) . Über Immunblots konnte auch das typische proteolytische N-terminale 23 kD Fragment des Dl-Proteins nachgewiesen werden . Das entsprechende proteolytische C- terminale 10 kD Fragment wurde von dem verwendeten anti-Dl- Antikörper nicht erkannt . Immunblots mit Antikörpern gegen Lhcb2 , der α-Untereinheit der Fl ATPase, und gereinigtes Gesamt - PSI ergaben, daß sich die Konzentration dieser Proteine in den Thylakoidmembranen in der Gegenwart von DegP2 nicht signifikant änderte (Figur 6A, rechter Abschnitt) . Dies bestätigt die Selektivität der DegP2-Proteolyse.Since the degradation of the Dl protein after photoinhibition is catalyzed by a membrane-bound protease of the serine type, the investigation of the physiological goal of the DegP2 protease appeared of interest. The addition of DegP2 to isolated thylakoid membranes whose endogenous proteolytic activities had been inhibited by heating led to the specific disappearance of a 32 kD membrane protein, which could be demonstrated by SDS-PAGE and Coomassie blue staining. The 32 kD protein was not affected when an E. coli control extract was added to the reconstitution assay. In order to determine the identity of the 32 kD protein, immunoblots were carried out with a polyclonal anti-Di antibody. The band degraded during the reconstitution with purified recombinant DegP2 could be identified as the Dl protein of the PSII reaction center (FIG. 6A, left section). The typical proteolytic N-terminal 23 kD fragment of the Dl protein was also detected by immunoblots. The corresponding proteolytic C-terminal 10 kD fragment was not recognized by the anti-Dl antibody used. Immunoblots with antibodies to Lhcb2, the α subunit of Fl ATPase, and purified total PSI showed that the concentration of these proteins in the thylakoid membranes was not significant in the presence of DegP2 changed (Figure 6A, right section). This confirms the selectivity of DegP2 proteolysis.
Die DegP/HtrA-Protease in E.coli hat bei niedrigen Temperaturen eine Chaperon-Funktion, bei erhöhten Temperaturen eine proteolytische Aktivität. Es konnte gezeigt werden, daß unter 22°C bakterielle DegP/HtrA proteolytisch inaktiv ist. Um zu untersuchen, ob DegP2 sich in höheren Pflanzen ähnlich verhält wurden die Rekonstitutionsassays bei 4 und 37°C in Gegenwart oder Abwesenheit von rekombinantem DegP2 durchgeführt. Die ErgebnisseThe DegP / HtrA protease in E. coli has a chaperone function at low temperatures and a proteolytic activity at elevated temperatures. It could be shown that bacterial DegP / HtrA is proteolytically inactive below 22 ° C. To investigate whether DegP2 behaves similarly in higher plants, the reconstitution assays were carried out at 4 and 37 ° C in the presence or absence of recombinant DegP2. The results
(Figur 6B) zeigen, daß in Gegenwart von DegP2 das Dl-Protein bei beiden Temperaturen abgebaut wird, das proteolytische 23 kD Fragment wurde jedoch nur in Assays nachgewiesen, die bei 4°C durchgeführt worden waren. Die Tatsache, daß dieses Fragment in Assays bei 37°C fehlt, deutet darauf hin, daß entweder überexprimiertes DegP2 an einer sekundären Spaltung beteiligt war oder endogene Thylakoidproteasen noch partielle Aktivität beibehalten hatten. In mit E.coli-Extrakten rekonstituierten Kontrollassays ohne rekombinantes DegP2 oder mit Klasse la- Metallothionein exprimierenden Extrakten konnten bei 37°C nur geringe Mengen des 23 kD Abbaufragments nachgewiesen werden. Dies spricht zugunsten der Annahme, daß während der Inkubationszeit denaturiertes endogenes DegP2 eine proteolytische Restaktivität wiedererlangte. Diese Ergebnisse zeigen, daß DegP2 tatsächlich die primäre Spaltung des Dl- Proteins katalysiert, das durch Hitzebehandlung denaturiert worden war, wobei dieser Prozeß nicht temperaturabhängig ist. Die geringe Temperatur führte jedoch zu einer signifikanten Abnahme der Abbaukinetik des proteolytischen 23 kD Fragments(FIG. 6B) show that in the presence of DegP2, the Dl protein is broken down at both temperatures, but the 23 kD proteolytic fragment was only detected in assays which had been carried out at 4 ° C. The fact that this fragment is missing in assays at 37 ° C indicates that either overexpressed DegP2 was involved in a secondary cleavage or that endogenous thylakoid proteases still retained partial activity. In control assays reconstituted with E. coli extracts without recombinant DegP2 or with extracts expressing class la metallothionein, only small amounts of the 23 kD degradation fragment could be detected at 37 ° C. This supports the assumption that endogenous DegP2 denatured during the incubation period regained proteolytic activity. These results show that DegP2 actually catalyzes the primary cleavage of the Dl protein that has been denatured by heat treatment, which process is not temperature dependent. However, the low temperature led to a significant decrease in the degradation kinetics of the 23 kD proteolytic fragment
(Figur 6B) , vermutlich durch eine partielle Hemmung der FtsH- Protease.(Figure 6B), presumably by partial inhibition of the FtsH protease.
Um zu untersuchen, ob der Abbau des Dl-Proteins durch rekombinantes DegP2 durch die Gegenwart von GTP stimuliert wird, wurden die Kinetiken des Dl-Abbaus in Gegenwart bzw. Abwesenheit von GTP gemessen. Die Ergebnisse (Figur 6C, linker Abschnitt) zeigen, daß der Abbau des Dl-Proteins bis zu zwei- bis vierfach durch Zugabe von GTP stimuliert wurde. In Abwesenheit von rekombinantem DegP2 beeinflußte die Zugabe von GTP den Dl- Spiegel in hitzeinaktivierten Thylakoidmembranen nicht (Figur 5C, rechter Abschnitt) .In order to investigate whether the degradation of the Dl protein by recombinant DegP2 is stimulated by the presence of GTP, the kinetics of the Dl degradation in the presence or absence of GTP were measured. The results (Figure 6C, left section) show that the degradation of the Dl protein up to two to fourfold was stimulated by adding GTP. In the absence of recombinant DegP2, the addition of GTP did not affect the DI level in heat-inactivated thylakoid membranes (FIG. 5C, right section).
Schließlich wurde ein Experiment entworfen um untersuchen zu können, ob DegP2 das Dl-Protein in durch starke Beleuchtung photoinhibierten Thylakoidmembranen abbauen kann. Es wurde davon ausgegangen, daß eine solche Behandlung zuerst einen irreversiblen oxidativen Schaden induziert, was wiederum eine Konformationsänderung des Dl-Proteins auslöst, wodurch Stellen, die normalerweise vor Proteolyse geschützt sind, jetzt zugänglich sind. Mittels Verwendung von mit Dunkelheit oder starkem Licht vorbehandelten Thylakoidmembranen, bei denen gegen das Dl-Protein gerichtete endogene proteolytische Aktivität durch NaCl-Waschschritte teilweise entfernt worden war, konnte gezeigt werden, daß zugegebenes rekombinantes DegP2 lichtgeschädigte Dl-Protein erkennen und abbauen kann (Figur 6D, oberer und mittlerer Abschnitt) . In Abwesenheit von rekombinantem DegP2 konnten nur Spuren des proteolytischen 23 kD-Frag ent nachgewiesen werden und diese standen vermutlich mit der Aktivität von verbleibendem endogenen DegP2 in Zusammenhang. Im Gegensatz dazu war das Dl-Protein in der Dunkel-Kontrollprobe für einen proteolytischen Abbau durch überexprimiertes DegP2 nicht empfänglich. Über einen Turnover des Reaktionszentrum- Pendants des Dl-Proteins, nämlich das D2-Protein, und einen leichten Abbau von CP43 unter starken photoinhibitorischen Bedingungen wurde bereits berichtet. Es wurde daher noch untersucht, ob die proteolytische Aktivität von DegP2 auch gegen diese beiden Proteine gerichtet ist. Immunblots-Analysen zeigten, daß weder das D2-Protein noch C43 durch DegP2-Protease unter den getesteten Bedingungen abgebaut wurden.Finally, an experiment was designed to investigate whether DegP2 can degrade the Dl protein in thylakoid membranes photoinhibited by strong lighting. Such treatment was believed to first induce irreversible oxidative damage, which in turn triggers a change in the conformation of the Dl protein, making sites that are normally protected from proteolysis now accessible. By using thylakoid membranes pretreated with darkness or strong light, in which endogenous proteolytic activity directed against the Dl protein had been partially removed by NaCl washing steps, it could be shown that added recombinant DegP2 can recognize and degrade light-damaged Dl protein (FIG. 6D , upper and middle section). In the absence of recombinant DegP2, only traces of the proteolytic 23 kD fragments could be detected and these were probably related to the activity of the remaining endogenous DegP2. In contrast, the Dl protein in the dark control sample was not susceptible to proteolytic degradation by overexpressed DegP2. A turnover of the reaction center counterpart of the Dl protein, namely the D2 protein, and a slight degradation of CP43 under strong photoinhibitory conditions have already been reported. It was therefore investigated whether the proteolytic activity of DegP2 is also directed against these two proteins. Immunoblot analyzes showed that neither the D2 protein nor C43 were degraded by DegP2 protease under the conditions tested.
Folgender Klon wurde bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascheroder Weg, Braunschweig (DSMZ) gemäß Budapester Vertrag am 26. Januar 2001 hinterlegt: Escherichia coli DegP2 : DSM 14011 The following clone was deposited with the German Collection for Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Mascheroder Weg, Braunschweig (DSMZ) in accordance with the Budapest Treaty on January 26, 2001: Escherichia coli DegP2: DSM 14011

Claims

Patentansprüche claims
1. DNA-Sequenz, die die Protease DegP2 mit der in Figur 1B gezeigten Aminosäuresequenz kodiert.1. DNA sequence encoding the protease DegP2 with the amino acid sequence shown in FIG. 1B.
2. DNA-Sequenz nach Anspruch 1, die den kodierenden Bereich der in Figur 1 gezeigten DNA-Sequenz umfaßt.2. DNA sequence according to claim 1, which comprises the coding region of the DNA sequence shown in Figure 1.
3. DNA-Sequenz, die ein Protein mit den biologischen Eigenschaften der Protease DegP2 kodiert,3. DNA sequence encoding a protein with the biological properties of the protease DegP2,
(a) die sich von der DNA-Sequenz von Anspruch 2 in der Codonsequenz aufgrund der Degeneration des genetischen Codes unterscheidet ;(a) which differs from the DNA sequence of claim 2 in the codon sequence due to the degeneration of the genetic code;
(b) die mit der DNA-Sequenz von Anspruch 2 oder 3(a) unter stringenten Bedingungen hybridisiert;(b) which hybridizes to the DNA sequence of claim 2 or 3 (a) under stringent conditions;
(c) die zu der DNA-Sequenz nach Anspruch 2 oder 3 (a) eine Homologie von mindestens 65% aufweist; oder(c) which has at least 65% homology to the DNA sequence of claim 2 or 3 (a); or
(d) die ein Fragment, eine allelische Variante oder eine andere Variante der DNA-Sequenz von Anspruch 2 oder 3 (a) bis 3 (c) ist.(d) which is a fragment, an allelic variant or another variant of the DNA sequence of claims 2 or 3 (a) to 3 (c).
4. Ribozym, dadurch gekennzeichnet, daß es zu der DNA-Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3 komplementär ist und an die von dieser DNA-Sequenz transkribierte mRNA spezifisch binden und diese spalten kann, wodurch die Synthese des von dieser DNA- Sequenz kodierten Proteins verringert oder gehemmt wird.4. Ribozyme, characterized in that it is complementary to the DNA sequence according to any one of claims 1 to 3 and can specifically bind to the mRNA transcribed by this DNA sequence and can cleave it, whereby the synthesis of the encoded by this DNA sequence Protein is reduced or inhibited.
5. Antisense-RNA, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu der DNA- Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3 komplementär ist und an die von dieser DNA-Sequenz transkribierte mRNA spezifisch binden kann, wodurch die Synthese des von dieser DNA-Sequenz kodierten Proteins verringert oder gehemmt wird.5. Antisense RNA, characterized in that it is complementary to the DNA sequence according to one of claims 1 to 3 and can bind specifically to the mRNA transcribed by this DNA sequence, thereby the synthesis of the protein encoded by this DNA sequence is reduced or inhibited.
6. Vektor, die DNA-Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder die das Ribozym nach Anspruch 4 oder die Antisense-RNA nach Anspruch 5 kodierende DNA enthaltend.6. vector, the DNA sequence according to one of claims 1 to 3 or the ribozyme according to claim 4 or the antisense RNA according to Claim 5 containing coding DNA.
7. Wirtszelle, die mit dem Expressionsvektor nach Anspruch 6 transformiert ist.7. host cell transformed with the expression vector of claim 6.
8. DegP2-Protease oder Protein mit deren biologischer Aktivität, die (das) (a) von der DNA-Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3 kodiert wird oder (b) diesselbe Funktionalität in einem in- vitro Assay zeigt.8. DegP2 protease or protein with their biological activity which (which) (a) is encoded by the DNA sequence according to one of claims 1 to 3 or (b) shows the same functionality in an in vitro assay.
9. Verfahren zur Herstellung einer DegP2-Protease oder eines Proteins mit dessen biologischer Aktivität, das die Züchtung der Wirtszelle nach Anspruch 7 unter geeigneten Bedingungen und die Gewinnung des Proteins aus der Zelle oder dem Zuchtmedium umfaßt .9. A method for producing a DegP2 protease or a protein with its biological activity, which comprises culturing the host cell according to claim 7 under suitable conditions and recovering the protein from the cell or the culture medium.
10. Antikörper, der an die DegP2-Protease oder ein Protein mit deren biologischer Aktivität gemäß Anspruch 8 spezifisch bindet.10. Antibody that specifically binds to the DegP2 protease or a protein with its biological activity according to claim 8.
11. Verwendung der DNA-Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Expressionsvektors nach Anspruch 6 oder der DegP2-Protease oder des Proteins mit deren biologischer Aktivität nach Anspruch 9 zum Schutz von Pflanzen vor durch Licht induzierten Schäden, zur schnelleren Erholung von Pflanzen von bereits eingetretenen Lichtschäden, zum Schutz vor hohen Salzkonzentrationen, Austrocknung oder oxidativem Stress.11. Use of the DNA sequence according to one of claims 1 to 3, the expression vector according to claim 6 or the DegP2 protease or the protein with its biological activity according to claim 9 for protecting plants from damage induced by light, for faster recovery of plants of light damage that has already occurred, to protect against high salt concentrations, dehydration or oxidative stress.
12. Verwendung des Ribozyms nach Anspruch 4, der Antisense-RNA nach Anspruch 5, des Expressionsvektors nach Anspruch 6 oder des Antikörpers nach Anspruch 10 zur Erniedrigung oder Unterdrückung des Abbaus des photogeschädigten Dl-Proteins .12. Use of the ribozyme according to claim 4, the antisense RNA according to claim 5, the expression vector according to claim 6 or the antibody according to claim 10 for reducing or suppressing the degradation of the photo-damaged Dl protein.
13. Kit, der die DNA-Sequenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder den Antikörper nach Anspruch 10 enthält. 13. Kit containing the DNA sequence according to one of claims 1 to 3 and / or the antibody according to claim 10.
14. Transgene Pflanze, die den Vektor gemäß Anspruch 6 enthält.14. Transgenic plant containing the vector according to claim 6.
15. Transgene Pflanze gemäß Anspruch 14, die der Gruppe Gramineen, Chenopodien, Leguminosen, Brasicaceen, Solanaceen, Pilze, Moose oder Algen entstammt.15. Transgenic plant according to claim 14, which comes from the group Gramineae, Chenopodia, legume, Brasicaceae, Solanaceae, fungi, moss or algae.
16. Transgene Pflanze gemäß Anspruch 15, wobei es sich um Weizen, Gerste, Reis, Mais, Zuckerrübe, Zuckerrohr, Kartoffel, Raps, Senf, Rüben, Flachs, Erbse, Bohne, Lupine oder Tabak handelt. 16. The transgenic plant according to claim 15, which is wheat, barley, rice, corn, sugar beet, sugar cane, potato, rapeseed, mustard, beet, flax, pea, bean, lupine or tobacco.
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