WO2003054201A1 - Method for the transformation of vegetable plastids - Google Patents

Method for the transformation of vegetable plastids Download PDF

Info

Publication number
WO2003054201A1
WO2003054201A1 PCT/EP2002/014303 EP0214303W WO03054201A1 WO 2003054201 A1 WO2003054201 A1 WO 2003054201A1 EP 0214303 W EP0214303 W EP 0214303W WO 03054201 A1 WO03054201 A1 WO 03054201A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sequence
recombinase
sequences
dna
plant
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/014303
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Biesgen
Original Assignee
Sungene Gmbh & Co. Kgaa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sungene Gmbh & Co. Kgaa filed Critical Sungene Gmbh & Co. Kgaa
Priority to AU2002366865A priority Critical patent/AU2002366865A1/en
Priority to EP02805324A priority patent/EP1461439A1/en
Publication of WO2003054201A1 publication Critical patent/WO2003054201A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K14/00Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • C07K14/005Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from viruses
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8201Methods for introducing genetic material into plant cells, e.g. DNA, RNA, stable or transient incorporation, tissue culture methods adapted for transformation
    • C12N15/8214Plastid transformation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2770/00MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA ssRNA viruses positive-sense
    • C12N2770/00011Details
    • C12N2770/24011Flaviviridae
    • C12N2770/24022New viral proteins or individual genes, new structural or functional aspects of known viral proteins or genes

Definitions

  • the present invention relates to new processes for the production of transgenic plants with genetically modified plastids, and to the transgenic plants produced by these processes.
  • the aim of biotechnological work on plants is the production of plants with advantageous new properties, for example to increase agricultural productivity, to increase the quality of food or to produce certain chemicals or pharmaceuticals.
  • Piastids are organelles within plant cells with their own genome. They have an essential function in photosynthesis as well as amino acid and lipid biosynthesis.
  • the plastid genome consists of a double-stranded, circular DNA with an average size of 120 to 160 kb and lies - e.g. in leaf cells - with approximately 1900 to 50000 copies per cell before (Palmer (1985) Ann Rev Genet 19: 325-54).
  • a single plastid has a copy number of approx. 50 to 100.
  • plastids encompasses chloroplasts, proplastids, etioplasts, chromoplasts, amyloplasts, leukoplasts and elaloplasts (Heifetz P (2000) Biochimie 82: 655-666).
  • the different forms can be converted into one another and all arise from the proplastids. Therefore, all forms of the plastids contain the same genetic information.
  • green cells which contain chloroplasts as a form of expression are preferably used as the starting material for the transformation of plastids.
  • Petunia (WO 00/28014), rice (Khan MS and Maliga P (1999) Nature
  • WO 01/64024, WO 00/20611, WO 01/42441, WO 99/10513, WO 97/32977, WO 00/28014, WO 00/39313 describe methods and DNA constructs for transforming plastids of higher plants, the DNA to be transformed is incorporated into the piastome (piastid genome) via homologous recombination ("double crossover"). in the
  • homotransplastomic state In the case of plastid transformation, one speaks of having reached the homotransplastomic state. This state is achieved through a so-called “segregation and sorting" process, in which the plants are kept under constant selection pressure. Due to the persistent selection pressure, those plastids in which many copies of the plastid DNA have already been changed are enriched during the division of the cells and plastids. The selection pressure is maintained until the homotransplastoma is reached (Guda C et al. (2000) Plant Cell Reports 19: 257-262).
  • Tissue culture techniques and selection processes are usually not universally applicable to all plant species and represent a significant limitation of plastid transformation, which particularly affects the transferability of the method to species other than tobacco (Kota M et al. (1999) Proc Natl Acad Sei USA 96: 1840-1845).
  • a recently published transformation of tomato plastids is based on modifications in the regeneration and selection scheme (Ruf S et al. (2001) Nature Biotech 19: 870-875), which, however, are costly and time-consuming.
  • Another approach aims to reduce the number of plastids per cell and the number of DNA molecules per plastid so that fewer DNA molecules have to be modified (Bogorad L (2000) TIBTECH 18: 257-263). Overall, the selection and segregation processes are very time consuming.
  • WO 99/10513 describes a method in which a plastid ORI (origin of replication, origin of replication) is located on the plasmid to be transformed, so as to determine the number of to increase the integration into the plastid genome available copies of the vector to be transformed (Guda C et al. (2000) Plant Cell Reports 19: 257-262).
  • a plastid ORI oil of replication, origin of replication
  • WO 00/32799 teaches to increase the efficiency of plastid transformation by using plants with enlarged plastids. This results in a large surface area of the plastids, through which the DNA to be transformed can penetrate the plastids more easily.
  • the mechanism of DNA integration also takes place here by means of conventional homologous recombination as in the methods described above.
  • Homologous recombination itself is not discussed as a starting point for further optimization options, since it is considered to be high in plastids and therefore not limiting (Bock R and Hagemann R (2000) Progress in Botany. 61: 76-90; Maliga P et al. ( 1994) Homologous recombination and integration of foreign DNA in plastids of higher plants. In: Homologous recombination and gene silencing in plants. Paszkowski J ed., Kluwer Acade ic publishers, p.83-93; Carrer H and Maliga P (1995) Bio / Technology 13: 791-794).
  • sequence-specific recombinases cause an insertion, excision, translocation or inversion of nucleic acid fragments.
  • families of integrases such as Cre or Flp
  • family of resolvases / invertases such as that ⁇ C31 recombinase, the TP901-1 recombinase, the gin recombinase, the Hin recombinase etc.
  • Cre allows the bacteriophage PI to obtain a monomeric phage genome during its life cycle by cutting out the sequence duplications generated during the replication by the recombinase (Guo et al. (1997) Nature 389: 40-46). Cre is a 38 kD protein and catalyzes the recombination between two 34 base pair sequences (loxP).
  • LoxP consists of two 13 base pairs of palindromic sequences separated from an 8 base pair core sequence ("spacer").
  • the “repeat” sequences act as binding sequences of the Cre recombinase, whereas the sequence cut (“crossing of the sequences to be recombined”) takes place in the “spacer” region.
  • a transition complex is presumably formed from four Cre molecules and two loxP sequences (Guo et al. (1997) Nature 389: 40-46).
  • the asymmetry of the "spacer” region determines the direction of the recombination. If the two recombination sequences are aligned, integration or excision takes place. If the orientation is opposite, inversion occurs (Yang and Mizuuchi (1997) Structure 5: 1401-1406).
  • Cre is active in a variety of organisms, including plants (Albert et al. (1995) Plant J 7: 649-659; Dale and OW (1990) Gene 91: 79-85; Odell et al. (1990) Mol Gen Genet 223: 369-378). Cre can effect a sequence-specific insertion, for example in yeast or mammalian cells (Sauer and Henderson (1990) New Biol 2: 441-449).
  • the Flp inversion system of the yeast S. cerevisiae (2 ⁇ plasmid) is based on the use of an Int-Flp recombinase.
  • Flp recognizes a region - called FRT - consisting of two inverted "repeat" sequences, each 13 base pairs long, separated by a sequence (spacer) of 8 bp.
  • a third repeat which is still present in the natural sequence, does not appear to be essential for the functionality.
  • An inverted localization of repeats # 1 and # 2 is essential.
  • the offset endonucleolytic cut is made within the 8 bp sequence.
  • the length of the spacer is important. However, an insertion of a further 10 bp can be tolerated.
  • the system is based on two accompanying target sequences.
  • Flp is also functional in various systems, including in the plant cell nucleus (Lyznik et al. (1993) Nucl Acids Res 21: 969-975).
  • sequence-specific recombinase systems for the integration of heterologous sequences into the chromosomal DNA (including from plants) has been described.
  • this is an intermolecular event.
  • An attempt was made to increase the integration rate compared to the excision rate by creating at least one hybrid recombinase recognition site in the event of a recombination event between two recognition regions that are not identical but are still used by the recombinase and which can no longer or only be used very inefficiently by the corresponding recombinase , This suppresses the excision of the DNA fragment just integrated (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5: 521-527) and stabilizes the integration (Albert H et al.
  • WO 00/11155 uses recombinases to incorporate foreign DNA into eukaryotic genomes. The recombinases are expressed under the control of a eukaryotic promoter. The recombination takes place between one
  • Recognition region on the plasmid to be transformed and pseudo-recognition regions that are native to the genome of the eukaryote In WO 00/11155, a recognition region attB or attP is introduced into the genome of a eukaryotic cell. This is only shown for animal cells and there is no technical disclosure that and how one could introduce such recognition regions in organelles. In contrast to the nuclear genome, which was considered in the addressed invention by having only one (heterozygous) to two (homozygous) genome copies, there are many plastids per cell and many copies of DNA per plastid.
  • WO 01/07572 describes the use of such recombinases also in the nuclear genome of plants.
  • recombinases recognize the DNA structure of the plastid DNA and that an efficient application is possible there due to the large number and spatial separation of these DNA molecules.
  • the inventor was not faced with such a task at all, since he was looking for a method which was an alternative to the homologous recombination occurring in the nuclear genome with only very low frequencies.
  • So-called site-specific integration has so far only been used in the core genome of plants and animals.
  • the aim of the work described in the prior art was to provide an alternative method to homologous recombination for sequence-specific integration into the core genome.
  • systems such as Cre or Flp are at most as efficient as the illegitimate recombination that normally occurs there, but mostly much more inefficient (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5: 521-527).
  • the piastome is available in numerous, usually several thousand copies per cell, so that particularly high requirements must be placed on the efficiency of the insertion.
  • a first subject of the invention relates to a method for the sequence-specific integration of a DNA sequence into the plastid DNA of a plant organism or cells derived therefrom, characterized in that
  • the plastid DNA molecules of said plant organism or cell derived therefrom contain at least one recombination sequence R1 and
  • the insertion sequence is inserted into the plastidic DNA with recombination of R1 with R2, and
  • plants or cells are isolated in which the insertion sequence has been inserted into the plastid DNA molecules.
  • the method according to the invention is superior to the insertion described in the prior art by means of homologous recombination (eg double crossover), since in the latter the efficiency of the transformation (and thus the overall efficiency) is reduced by the additionally required homology areas.
  • the present invention thus solves the problem of integrating large DNA fragments (> 4 kb) in a single transformation step with sufficiently high efficiency.
  • a master plant i.e. a plant which contains a recombination sequence R1 in your piastome and which can function as a starting plant for the method according to the invention - be created in a corresponding manner.
  • Unmodified plants can also be used as master plants, provided that their piastome naturally contains a recognition sequence for a recombinase.
  • the plastids of the aforementioned master plants can then be transformed using the host-independent integration mechanism according to the invention. This can increase the efficiency of plastid transformation in the plant species, in which the integration of the foreign DNA into the piastome is a limiting factor.
  • “Plastid” means proplastids and all organelles resulting therefrom, such as chloroplasts, etioplasts, chromoplasts, amyloplasts, leukoplasts, dermatoplasts and elaloplasts (Heifetz P (2000) Biochimie 82: 655-666).
  • “Piastom” means the genome, that is, the entirety of the genetic information, of a plastid.
  • Homotransplastoma means a transplastomic and homoplastic state.
  • Transpiastome means, for example with respect to a plant, cell, tissue, plastid or plastid-DNA, all such forms of the aforementioned that have been obtained by genetic engineering methods and comprise a plastid DNA that has been modified by genetic engineering methods, the modification exemplifying substitutions, May include additions, deletions, inversions or insertions of one or more nucleotide residues.
  • Heteroplastoma means the presence of a mixed population of different plastid DNAs within a single plastid or within a population of plastids within a plant cell or tissue.
  • Homopiastoma means a uniform population of plastid DNA within a single plastid or within a population of plastids within a plant cell or Tissue. Homoplastomas Cells, tissues or plants are genetically stable because they only contain one type of plastid DNA, ie they generally remain homoplastomas even if the selection pressure no longer persists. Offspring obtained by selfing are also homoplastic.
  • predominantly homoplastom or “predominantly homotransplastom” means all those plants or cells in which the proportion of the desired plastid-modified DNA molecules with regard to a characteristic - for example with a recombination sequence - is at least 50%, preferably at least 70%, entirely is particularly preferably at least 90%, most preferably at least 95% of the totality of all plastid DNA molecules in a plant or a tissue, cell or plastid thereof.
  • Predominantly homoplastic or predominantly homotransplastome plants can be converted into homoplastome or homotransplastome plants by further maintaining the selection pressure and, if necessary, repetitive regenerations.
  • a predominantly homoplastic or homotransplastome plant is purely homoplastic or homotransplastoma.
  • a plant which, for example, is predominantly homoplastom or homotransplastom or purely homoplastom or homotransplastom with regard to a recombination sequence is consequently referred to as a "master plant”.
  • the proportion of the desired plastid-modified DNA molecules with regard to a feature can be determined, for example, by Southern analysis - as described by way of example in Example 4 - in the manner known to the person skilled in the art.
  • the relationship between the plastidic starting DNA molecules and the plastidic DNA molecules modified with regard to a feature can be determined by comparing the intensity of the respective bands.
  • Plant organism or cells derived therefrom generally means any cell, tissue, part or reproductive material (such as seeds or fruits) of an organism which is capable of photosynthesis. Included in the scope of the invention are all genera and species of higher and lower plants in the plant kingdom. Annual, perennial, monocot and dicot plants are preferred. Included are mature plants, seeds, shoots and seedlings, as well as parts derived from them, propagation material (for example tubers, seeds or fruits) and cultures, for example row or callus cultures. Mature plants mean plants at any stage of development beyond the seedling. Seedling means a young, immature plant at an early stage of development.
  • Preferred monocotyledonous plants are selected in particular from the monocotyledonous crop plants, such as, for example, the family of the Gramineae such as rice, maize, wheat or other types of cereals such as barley, millet, rye, triticale or oats, and sugar cane and all types of grasses.
  • the family of the Gramineae such as rice, maize, wheat or other types of cereals such as barley, millet, rye, triticale or oats, and sugar cane and all types of grasses.
  • Preferred dicotyledonous plants are in particular selected from the dicotyledonous crop plants, such as, for example
  • Asteraceae such as sunflower, tagetes or calendula and others
  • - Cruciferae especially the genus Brassica, especially the species napus (rape), campestris (turnip), oleracea cv Tastie (cabbage), oleracea cv Snowball Y (cauliflower) and oleracea cv Emperor (broccoli) and other types of cabbage; and the genus Arabidopsis, especially the species thaliana as well as cress or canola and others,
  • Cucurbitaceae such as melon, pumpkin or zucchini and others
  • - Leguminosae especially the genus Glycine, especially the type max (soybean) soy, as well as alfalfa, peas, beans or peanuts and others
  • Rubiaceae preferably of the subclass Lamiidae, such as, for example, Coffea arabica or Coffea liberica (coffee shrub) and others,
  • Solanaceae especially the genus Lycopersicon, especially the species esculentum (tomato) and the genus Solanu, especially the species tuberosum (potato) and melongena (eggplant) as well as tobacco or peppers and others,
  • Sterculiaceae preferably of the subclass Dilleniidae such as Theobroma cacao (cocoa bush) and others,
  • Theaceae preferably of the subclass Dilleniidae, such as, for example, Camellia sinensis or Thea sinensis (tea bush) and others,
  • flowers, shrubs or lawn examples include, but are not limited to, angiosperms, bryophytes such as hepaticae (liverwort) and musci (mosses); Pteridophytes such as ferns, horsetail and lycopods; Gymno sperms such as conifers, cycads, ginkgo and gnetals, the families of rosaceae such as rose, ericaceae such as rhododendrons and azaleas, euphorbiaceae such as poinsettias and croton, caryophyllaceae such as carnations, solanaceae such as petunias, Gesneriaceae such as the Usambareae, like the usamamineae, like the usambareaceae like orchids, iridaceae like gladiolus, iris, freesia and crocus, compositae like marigold,
  • Plant organisms in the sense of the invention are further photosynthetically active capable organisms, such as algae, cyanobacteria and mosses.
  • Preferred algae are green algae, such as algae of the genus Haematococcus, Phaedactylum tricornatum, Volvox or Dunaliella. Synechocystis is particularly preferred.
  • Cyanobacteria such as Synechocystis are photosynthetically active organisms that, although they do not contain plastids, are quasi plastids and - like the plastids - contain numerous copies of their genomic DNA. In addition, they are - from a developmental biological point of view - the forerunners of today's plastids (Bauer J et al. (2001) Cell Mol Life Sei 58 (3): 420-33).
  • Arabidopsis thaliana Most preferred are Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum, Tagetes and Brassica napus as well as all genera and species that are used as food or feed, such as the cereals described, or for the production of oils such as oilseeds, types of nuts, soy, sunflower, pumpkin and peanut.
  • recombinase means sequence-specific recombinase.
  • Sequence-specific recombinases comprise proteins which can catalyze a reciprocal exchange of DNA double strands between two DNA segments, the respective recombinase having a preference for DNA segments with a specific nucleic acid sequence. Said recombinant DNA sequences are not necessarily identical.
  • the recombinases used in the context of this invention are used in particular for the integration of DNA sequences. If other factors are required for this process - in addition to the recombinase itself - the complex of recombinase and the corresponding integration factors itself is also to be understood as a recombinase in the sense of the invention. For example, integration using the ⁇ recombinase is only possible efficiently if the IHF (“Integration host factor”) is also present.
  • said comprises
  • Recombinase complex no factors that favor cutting out previously by recombining inserted DNA sequences.
  • the complex of ⁇ recombinase and IHF does not additionally include the factor xis.
  • the speed of a recombination reaction of a sequence-specific recombinase using its preferred recognition sequence is preferably at least ten times as high as for the use of any other non-homologous sequence, preferably at least one hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high , most preferably at least ten thousand times as high.
  • a “non-homologous sequence” preferably means those which, with the same length, have a sequence identity to the preferred recognition sequence (for example their natural recognition sequence) of the respective recombinase of less than 90%, preferably less than 50%, particularly preferably less than 30% exhibit.
  • Recombinases which alone catalyze an almost irreversible integration are generally preferred. These preferably come from organisms that normally live at temperatures between 10 and 45 ° C. Although most of the known recombinases have been isolated from prokaryotes, bacteriophages or viruses, the invention is not limited to these, but can also advantageously use recombinases from eukaryotic organisms.
  • the sequence-specific recombination used in the context of this invention is not limited to a specific mechanism. As a rule, however, the recombination takes place in two steps: a sequence-specific cut of the recognition sequence followed by a relinking, whereby there is usually a covalent protein-DNA intermediate between the target sequence and the recombinase. For some recombinations, only the recombinase as a protein is required. Others may need additional help factors.
  • the recombination system used is preferably independent of the enzyme equipment of the recipient plastid.
  • Recombinases belonging to the families of integrases or resolvases / invertases are particularly preferred (Stark WM et al.
  • Integrases tyrosine recombinases
  • tyrosine recombinases have a tyrosine in the active center, which acts as a nucleophile in the cleavage step and is involved in the formation of a 3'phosphotyrosyl bond with the DNA. The reaction takes place via a "Holliday Intermediate”.
  • Resolvases / invertases (serine
  • the family of integrases include, for example, Cre recombinase from bacteriophage PI, FLP recombinase from yeast, ⁇ integrase from phage Lamda and R recombinase from pSRI plasmid from yeast Zygosaccharomyces rouxii (Araki et al (1985) J Mol Biol.
  • the ⁇ integrase usually requires further factors that bind to 35 sequences adjacent to the immediate recognition sequence.
  • IHF Integration host factor
  • the factor xis is additionally required for the reverse reaction, the cutting out. 40
  • the resolvase / invertase family includes, for example, the ⁇ C31 recombinase, R4 recombinase (GenBank Acc.-No .: D38173 nucleotides 292 to 1701), the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase (Hallet and Sherratt 45 (1997) FEMS Microbiol Rev 21: 157-178).
  • Other family members include the inverted gin of Mu phage, one of bacteriophage P and pin of el4 phage.
  • the members of the resolvases In contrast to the integrase family, the members of the resolvases generally have a conserved N-terminal catalytic domain (Crellin and Rood (1997) J Bacteriology 15 179 (16): 5148-5156; Christiansen et al. (1996) J Bacteriology 178 (17): 5164-58173). Like some of the Cre-type recombinases, some resolvases are independent of host factors (Thorpe and Smith (1998) PNAS USA 95: 5505-5510).
  • the resolvases / invertases use a different reaction mechanism than the integrases (Gopaul DN and van Duyne GD (1999) Curr Opin Structural Biol 9: 14-20; Jayaram M (1994) TIBS 19: 78-83).
  • the subgroup of “extended resolvases” is particularly preferred (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758). These have homology to the other resolvases / invertases, but have an extension at the C-terminus compared to these.
  • recombinases require little to no helper factors to catalyze the recombination between two recognition regions (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758). However, additional factors are required for the efficient catalysis of the reverse reaction. Expression of the corresponding recombinase alone can therefore, with suitable positioning of the recognition sequences, bring about an almost irreversible integration of a heterologous DNA sequence under these conditions.
  • the recombinases of phages TP901-1 and ⁇ C31 from this subgroup are particularly preferred.
  • the recombinases of the integrase family are preferably used because they naturally mediate intermolecular recombinations as a rule.
  • the recognition sequence-specific recombination mediates DNA rearrangements between segments which have no extensive homology.
  • the recombination events occur in the recognition sequence-specific recombination only at specific locations of the DNA (Craig NL (1988) Annu Rev Genet 22: 77-105).
  • Recombination systems such as the ⁇ integrase from the ⁇ phage, the recombinase from the mycobacteriophage L5 (Pena CEA et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97: 7760-7765; Lee MH et al.
  • TP901-1 (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758; Bruener A et al. (1999) J Bacteriol 181: 7291- 7297; Koch B et al. (1997) Appl Environm Microbiol 63: 2439-2441, Christiansen B et al. (1996) J Bacteriol 178: 5164-5173) naturally use two recognition regions with different sequences in their sequence, usually called attP and attB, for a recombination event. These are recombined into new, hybrid recognition regions (attR and attL) that are not used efficiently by the corresponding recombinase alone.
  • the known recombinase systems such as Cre / lox; FLP / frt from yeast; R-RS from Zygosaccharomyces rouxii (Onouchi, H et al., 1991, Nucl. Acids Res. 19: 6373-6378) or Gin-gix from the bacteriophage Mu (Maeser S and Kahmann R (1991) Mol Gen Genet 230 : 170-176) can be used in the context of this invention.
  • These systems naturally mediate a reversible recombination, whereby the balance is usually shifted to the side of the excision.
  • these systems are preferably made almost irreversible (see below).
  • the recombinases from ⁇ C31 and TP901-1 are used with particular preference. Most preferably, the recombinases with nucleic acid sequences are deposited under GenBank Acc.-No Y14232 (TP901-1; complementary bp 30 to 1487) or X59938 ( ⁇ C31; nucleotides 232 to 2073).
  • An expression cassette coding for a recombinase can be constructed in the manner known to the person skilled in the art, inserted into the cell nucleus and - optionally - stably integrated into the chromosomal DNA. The expression is then transient or - when integrated into the chromosomal DNA - stable.
  • the recombinase is preferably expressed in fusion with a plastid localization sequence (PLS).
  • PLS PLS which are enzymatically split off from the recombinase part after translocation of the recombinase into the plastids.
  • PLS which is derived from the plastid Nicotiana tabacum transketolase or another transit peptide (e.g.
  • Preferred PLS sequences are:
  • Transit peptide of isopentenyl isomerase (IPP) from Arabidopsis (GenBank Acc. -No.: NC_003074; nucleotides 604657 - 604486)
  • Arabidopsis thaliana GenBank Acc.-No .: e.g. AY054581, AY054552;
  • GenBank Acc. -No. e.g. X00806, nucleotides 1086 to 1256; X04334, X04333 (Hand JM (1989) EMBO J
  • expression cassette and transit peptide from vector pJIT117 (Guerineau F (1988) Nucleic Acids Res 16 (23): 11380.
  • the peptide sequence according to SEQ ID NO: 11 is particularly preferred.
  • the nucleic acid sequence according to SEQ ID NO: 10 is used for the construction of corresponding expression constructs.
  • Transit peptides derived from genes of vegetable fat biosynthesis such as the transit peptide of the plastid "Acyl Carrier Protein” (ACP) (e.g. Arabidopsis thaliana beta-ketoacyl-ACP synthetase 2; GenBank Acc.- No.: AF318307), the stearyl-ACP- Desaturase, ⁇ -ketoacyl-ACP synthase or the acyl-ACP thioesterase (e.g.
  • the plastid transketolase from tobacco is particularly preferred.
  • Various PLS nucleic acid cassettes can be used in the three reading frames as Kpnl / BamHI fragments for the expression of corresponding fusion proteins (the translation start (ATG codon) is located in the Ncol interface) (pTP09 SEQ ID NO: 13; pTPlO SEQ ID NO: 14; pTPll SEQ ID NO: 15).
  • Another example of a PLS that can be used advantageously is the transit peptide of the plastidic isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (SEQ ID NO: 16).
  • the nucleic acid sequences coding for three cassettes (corresponding to the three reading frames) of the PLS of the isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (EcoRV / Sall cassettes with ATG; IPP-9 SEQ ID NO: 17) can be used with very particular preference ; IPP-10 SEQ ID NO: 18; IPP-11 SEQ ID NO: 19).
  • nucleic acids according to the invention can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural nucleic acid constituents, and can consist of different heterologous gene segments from different organisms.
  • the sequence coding for the transit peptide can comprise all or part of the peptide sequence of the original protein.
  • An exact determination of the amino acid residues essential for the transport is not necessary as long as the functionality of the PLS - namely the transport into the plastids - is guaranteed and the function of the recombinase is not completely destroyed.
  • the following PLS sequences are very particularly preferred:
  • PLS1 N-MASSSSLTLSQAILSRSVPRHGSASSSQLSPSSLTFSGLKSNPNITTSRRR TPSSAAAAAWRSPAIRASAATETIEKTETAGS-C (SEQ ID NO: 12). Corresponds to the PLS of plastid transketolase from Taba.
  • PLS2 N-MSASSLFNLPLIRLRSLALSSSFSSFRFAHRPLSSISPRKLPNFRAFSGTA MTDTKDGSRVDM-C (SEQ ID NO: 16).
  • IPP-2 isopentenyl pyrophosphate isomerase-2
  • the last methionine preferably being the start methionine of the recombinase.
  • fusion proteins from PLS and recombinase are subsumed under the term recombinase. If a recombinase is expressed nuclear, the recombinase is preferably understood to mean a fusion protein composed of PLS and the recombinase.
  • Expression in plastids can also be achieved by the direct introduction of an expression cassette for the recombinase in plastids, possibly integration into the plastid DNA and Expression of the recombinase take place.
  • this expression cassette is contained in the transformation construct comprising the insertion sequence.
  • expression can also be carried out from a separate expression cassette.
  • plastid or chromoplast promoters - as described in detail below - can be used.
  • a targeted plastid expression can also be achieved if, for example, a viral, bacterial or bacteriophage promoter is used, the resulting expression cassette is inserted into the plastid DNA and the expression is then induced by the corresponding viral, bacterial or bacteriophage RNA polymerase.
  • the corresponding RNA polymerase can in turn be introduced into the plastids in various ways - preferably by nuclear transformation as a fusion protein with a PLS. Corresponding methods are described (WO 95/16783, WO 97/06250, US 5,925,806).
  • the introduction into plastids is preferably carried out by means of microinjection and particularly preferably by means of particle bombardment.
  • the recombinase can also be introduced by the for
  • Recombinase-encoding mRNA e.g., generated in vitro, e.g. can be introduced into plastids via microinjection, particle bombardment (bio- listic processes), polyethylene glycol or liposome-mediated transfection.
  • This embodiment is advantageous since no sequences coding for the recombinase remain in the piastome or genome.
  • the RNA encoding the recombinase is preferably produced by in vitro transcription in a manner known to the person skilled in the art.
  • the recombinase can be introduced directly into plastids, for example via microinjection, particle bombardment (biolistic method), polyethylene glycol transfection or liposome-mediated transfection. This embodiment is advantageous since no sequences coding for the recombinase remain in the piastome or genome. A corresponding method is described for example by Segal DJ et al. (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92: 806-810.
  • the recombinase can alternatively be introduced into plant cells as a fusion protein with the VirE2 or VirF protein of an agrobacterium and a PLS.
  • the expression cassette for the recombinase is preferably contained on the insertion sequence or the transformation construct. It is also possible to produce master plants which comprise an expression cassette for a recombinase stably integrated into the plastid DNA or the nuclear DNA.
  • the recombinase is preferably functionally present at the moment the transformation construct or insertion sequence is introduced into the plastids of the master plant.
  • the recombinase is particularly preferably introduced or activated simultaneously with or after the introduction of the insertion sequence into the plastids. Expression or activation at the right place and at the right time can be ensured by different approaches:
  • Expression of a recombinase can be controlled using an inducible promoter, preferably a chemically inducible promoter.
  • an inducible promoter preferably a chemically inducible promoter.
  • the expression cassette coding for the recombinase can be stably transformed into the plastidic or nuclear DNA of a master plant. Does the transformation into that
  • the recombinase can already be present in the plastids of the master plant if the activity is only induced by suitable techniques at the selected point in time, for example by adding chemical substances.
  • Appropriate methods have been described for sequence-specific recombinases (Angrand PO et al. (1998) Nucl Acids Res 26 (13): 3263-3269; Logie C and Stewart AF (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92 (13): 5940-5944; Imai T et al. (2001) Proc Natl Acad Sei USA 98 (1): 224-228).
  • fusion proteins from the recombinase and the ligand binding domain of a steroid hormone receptor e.g.
  • Induction can be carried out using ligands such as estradiol, dexamethasone, 4-hydroxytamoxifene or raloxifene.
  • the expression cassette coding for the recombinase is preferably introduced into the plastids simultaneously with the insertion sequence.
  • the expression cassette for the recombinase and the insertion sequence can be present on one DNA molecule or on two separate ones.
  • the two sequences are preferably present together on a DNA molecule, so that the expression cassette is contained in the transformation construct comprising the insertion sequence.
  • the sequence coding for the recombinase is removed from the piastome.
  • Various methods are known to the person skilled in the art for this purpose, which are described in detail below.
  • Another object of the invention relates to fusion proteins of recombinases of the resolvase / invertase family with plastid localization sequences, and the nucleic acid sequences coding therefor. Also included are expression cassettes which contain said nucleic acid sequences under the control of a promoter which is functional in the plant cell nucleus. Corresponding promoters are known to the person skilled in the art and are described further below.
  • Preferred resolvases / invertases are the ⁇ C31 recombinase, the R4 recombinase, the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase, as well as the recombinases Gin from Mu phage, Cin from bacteriophage P and pin from el4 phage.
  • the ⁇ C31 recombinase and the TP901-1 recombinase are very particularly preferred.
  • the proteins according to SEQ ID NO: 41, 42, 46, 47 and 61 are most preferred.
  • the sequences according to SEQ ID NO: 40 and 45 are particularly preferred as expression cassettes.
  • the sequence of the TP901-1 recombinase according to SEQ ID NO: 46 and 47 contains an amino acid exchange compared to the one stored in GenBank (SEQ ID NO: 61).
  • the invention further relates to expression cassettes which contain nucleic acid sequences coding for recombinases of the resolvase / invertase family under the control of a promoter which is functional in plant plastids.
  • a promoter which is functional in plant plastids.
  • Preferred resolvases / invertases are the ⁇ C31 recombinase, the R4 recombinase, the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase, as well as the recombinases gin from Mu phage, Cin from bacteriophage P and pin from el4 phage.
  • the ⁇ C31 recombinase and the TP901-1 recombinase are very particularly preferred.
  • Recombinase recognition sequence (as a result of “RE sequence”) generally means those sequences which are under the conditions in the
  • Plastids of the plant cell or plant used in each case allow recognition and subsequent use as a recombination substrate by a recombinase.
  • the speed of a recombination reaction of a specific recombinase using a RE sequence is preferably at least ten. times as high as for the use of any other non-homologous sequence, preferably at least a hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high, most preferably at least ten thousand times as high.
  • a “non-homologous sequence” preferably means those that are the same
  • RE sequences of the sequence-specific recombinases described above are particularly preferred.
  • the RE sequence of a particular recombinase is singular in the plastid DNA, i.e. a recombination is only created at the predefined location.
  • cases are also conceivable in which there is more than one RE sequence in the piastom. This is particularly the case if the RE sequence is located in duplicated genes (e.g. in inverted "repeats"). In the latter case, there is more than one identical RE sequence, but their context is identical, so that a targeted insertion is also carried out here. It is even preferred that the integration be carried out in all copies, so that an insertion in all copies is also necessary.
  • RE sequences that occur more than once in a piastom, but are localized in the same plastomic context are subsumed within the scope of this invention under the term of the singular RE sequences.
  • singular RE sequences from different recombinases can be present in parallel in one piastome.
  • modified recognition regions can also be used, as described, for example, for the FLP or Cre recombinase (Senecoff JF and Cox MM (1986) J Biol Chem 261: 7380-7386; Albert H et al (1995) Plant J 7: 649-659).
  • the natural sequences are preferably used in the context of this invention.
  • the recombinases themselves can be improved by mutagenesis, as has been shown for the FLP recombinase (Buchholz F et al. (1998) Nature Biotech 16: 657-662).
  • wild-type RE sequences and "pseudo" RE sequences.
  • wild-type RE sequence means sequences such as those used by the recombinase in the natural system.
  • the loxP sequence for the cre recombinase or the FRT sequence for the FLP recombinase or the GIX sequence for the gin recombinase can be derived from their homologous origin systems (for example the natural phages) and can advantageously be used in the context of this invention.
  • "Pseudo" RE sequences means those sequences which can be recognized by a recombinase and used as a substrate for recombination, but which have sequences which are not identical to the "wild-type" RE sequence.
  • Such sequences can be isolated from heterologous organisms, for example, or generated by means of artificial mutagenesis.
  • some recombinases - such as ⁇ C31 - can cause recombinations in the genomes of some eukaryotes, so they also have functional RE sequences here that are similar but not identical to the "wild-type" RE sequence.
  • "Pseudo" RE sequences can be identified by means of sequence alignments, secondary structure comparison, deletion or point mutation analysis. Functional tests are advantageously used to determine the effect of the recombinase on the RE sequences.
  • hybrid RE sequences which are composed of parts of individual RE sequences - for example - each of a portion of a "wild-type" RE sequence and a "pseudo" Re sequence.
  • the recombinase is introduced into the plastids before, at the same time and / or after the introduction of the transformation construct.
  • the plant used or the cell derived from it is predominantly homoplastomic or homotransplastomic with respect to the RE sequence, i.e. that the majority of the plastid DNA molecules contained in a plastid have this RE sequence.
  • Such plants are also referred to as master plants in the context of this invention.
  • a sequence that occurs naturally in the piastome can act as a recognition sequence for a chimeric recombinase, for example.
  • Chimeric recombinases can consist, for example, of a zinc finger domain binding the sequence of said recognition region and a catalytic domain of a recombinase (WO 96/06166). Like such zinc finger domains or such chimeric recombinases are known to the person skilled in the art (Beerli RR et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97 (4): 1495-1500; Beerli RR et al. (2000) J Biol Chem 275 (42) : 32617-32627; Segal DJ and Barbas CF 3rd.
  • the RE sequence introduced into a master plant need not be natural.
  • any RE sequence - for example a natural, mutated or pseudo RE sequence - of any recombinase can be inserted at any location on the plastid DNA.
  • the preparation is preferably carried out using a construct for inserting the RE sequence (as a result of the RE construct).
  • the RE construct preferably comprises a selection marker in order to facilitate the selection of transplastomeric plants with the successfully inserted RE sequence, which is required to produce corresponding master plants.
  • selection markers are known to the person skilled in the art which enable the selection of plastids (see below). Preferred are aadA, nptll or BADH, with aadA being particularly preferred.
  • the selection is carried out, for example, using the “segregation and sorting” process known to the person skilled in the art (described by way of example in Example 4).
  • the selection marker is preferably constructed such that a subsequent deletion from the piastome is made possible. Corresponding methods are known to the person skilled in the art and are described below.
  • the RE construct can contain further sequences. These can contain, for example, further regulatory elements for the expression of the insertion sequences to be introduced as a result.
  • the selection marker introduced in the context of the construct for inserting the RE sequence is deleted after the homoplastic master plant has been obtained by methods known to the person skilled in the art (see below).
  • natural regulatory elements present endogenously at the insertion site can also be used for the expression of genes to be introduced.
  • the RE construct comprises further flanking sequences (A and B) which enable a site-specific insertion on at least one, preferably on both sides of the RE sequence and which have a sufficient length and homology to corresponding target sequences in the piastome (A 'and B ') have to ensure a site-specific insertion by means of homologous recombination.
  • RE sequences not naturally occurring in the plastid DNA can be introduced into the plastid DNA in various ways. Examples include:
  • the integration into the plastid genome is preferably carried out with the aid of the above-described methods of homologous recombination (e.g. double crossover) which are well known to the person skilled in the art.
  • the method according to the invention itself can be used, for example, to integrate further RE sequences. Different locations of the localization or integration of a RE sequence (in the case of endogenous RE sequences already present) or integration (in the case of artificially generated RE sequences) are possible for the RE sequence. Examples include:
  • This localization has the advantage that the insertion sequence to be introduced is ultimately encoded in a plastid operon and the promoter (s) or terminator (s) do not have to be introduced separately, but the endogenous ones present at this locus can be used ( but do not have to). In such a case, only ribosome binding sites should be present at a suitable distance upstream of the coding region of the foreign genes to be introduced.
  • an intergenic region is not completely transcriptionally silent because, for example, the transcription of an adjacent gene or operon is terminated only inefficiently.
  • the localization (integration) of the RE sequence at a non-coding locus described under a) and b) has the
  • the RE sequence (and consequently the insertion sequence) is in the coding sequence of an existing gene.
  • the destruction of the gene function by the introduction of the RE sequence (in the case of an artificially generated RE sequence) or by the subsequent introduction of the insertion sequence is prevented in an inventive manner in that the RE sequence or the insertion sequence in a preferred variant of this embodiment in An intron is inserted.
  • the complete coding mRNA of the gene into which the RE sequence has been inserted is generated again by splicing the pre-RNA.
  • the insertion can also take place in a non-essential plastid gene.
  • the gene destroyed by the insertion of the RE sequence can also be reintroduced in a subsequent transformation.
  • the RE construct preferably has - particularly if the insertion into a transcriptionally active or even translated piastome region - the structure and sequence of an intron.
  • naturally occurring introns are modified so that they meet the requirements of the method according to the invention.
  • the insertion is preferably carried out in such a way that the inserted sequence is completely removed by splicing the pre-mRNA.
  • the spliced RNA ie the artificial intron
  • introns can be used if the relevant factors that mediate the splicing are simultaneously expressed in the plastids or imported into them.
  • the factors supporting the splicing are preferably coded in the intron itself.
  • group II introns are particularly preferred which themselves encode at least one of the factors necessary for the splicing. This includes the Ll.ltrB intron from Lactococcus.
  • introns that occur naturally in plastids of higher plants especially introns of group II, very particularly preferably introns that code for a protein, most preferably introns of the trnK genes of the plastid genome. In the latter case, the introns from the trnK genes of the plastids from the Arabidopsis, maize and tobacco species are particularly preferred.
  • introns with a self-splicing activity that does not depend on other protein factors or use the general factors that are universal and thus also in Plastids are present.
  • These introns include, for example
  • introns naturally occurring in the plastids of the respective plant can be used.
  • introns of a different species - for example trnK introns of a different species - are preferred.
  • introns naturally occurring in the plastids of the respective plant are modified such that they can still fulfill their function, but the sequence homology is less than 95%, preferably 80%, particularly preferably 70% of the sequence of the starting intron ,
  • Introns which naturally encode a DSB enzyme are particularly preferred.
  • Group II introns from the yeast mitochondria are also preferred.
  • the intron sequence is adapted to the insertion site so that they can splice at this locus.
  • the adaptation can affect the internal guide sequence (IGS) for group I introns or the exon binding sequence (EBS) I or / and II for group II introns.
  • IGS internal guide sequence
  • EBS exon binding sequence
  • the trnK intron from maize it could be shown that the corresponding mRNA is edited in barley plastids (Vogel J et al. (1997) J Mol Biol 270: 179-187).
  • the matK gene in the trnK intron from maize is therefore already modified by a corresponding His / Tyr exchange at the DNA level, so that RNA editing is no longer necessary.
  • the splice point is determined by mating the IGS with the exon of the corresponding transcript located 5 'and / or 3' to the intron (Lambowitz AM & Beifort M (1993) Annu Rev Biochem 62: 587-622).
  • the IGS of any group I introns can be adapted accordingly such that splicing takes place at the predefined insertion point within the DSB recognition region.
  • the intron CpLSU2 from C. pallidostigmatica, which codes for the homing endonuclease I-Cpal, is preferably used.
  • Group I intron from Tetrahymena thermophila (GenBank Acc.-No .: V01416 J01235; nucleotides 53 to 465) is also preferred.
  • the IGS that can be found naturally can be adapted to the new insertion site by techniques known to those skilled in the art.
  • Group II self-splicing introns have a conserved structure and generally consist of 6 different domains.
  • Domain I contains the exon binding sites (EBS1 and EBS2), which interact with the exon 5 'from the intron during the splicing process.
  • EBS1 and EBS2 exon binding sites
  • sequences can be adapted in each case by techniques known to the person skilled in the art, such as synthetic creation of the introns or suitable PCR methods, in such a way that a correct choice of the splice sites at the insertion location selected in the DSB recognition region is ensured.
  • RE sequences for preferably different recombinases can also be incorporated via one RE construct.
  • the RE construct is preferably created in such a way that no sequences are duplicated after integration into the piastome (no homologies to native sequence regions).
  • a plant which is predominantly homotransplastome with respect to the inserted RE sequence is preferably first generated, which has a RE sequence in all or the majority of the plastids of the plant under consideration.
  • Such plants can advantageously be used as master plants. Even if the effort to insert an artificial RE sequence into the plastid DNA is relatively high and, in the case of insertion using homologous recombination (e.g. crossover), corresponds to the process for plastid transformation currently described in the prior art, this effort only has to be done once operate.
  • the homotransplastome master plant obtained can then be used for any number of different subsequent transformations using the method according to the invention, which enables a significant increase in the transformation efficiency: instead of having to go through the conventional selection process for a homotransplastome plant every time, it only has to be done once here will be realized.
  • This also includes deviations (degenerations) in the recognition sequence, which nevertheless enable recognition and recombination by the respective recombinase, for example pseudo RE sequences.
  • core sequences (“core” sequences) of these recognition sequences are included. It is known that the inner parts of the recognition sequences are sufficient for a recombination and that the outer parts are not necessarily relevant, but can also determine the efficiency of the recombination.
  • the specified sequences can be supplemented or expanded as desired on both sides, for example by adopting larger flanking areas from the corresponding natural sequences.
  • the term “RE sequence” also encompasses all essentially identical recognition sequences. Essentially identical recognition sequences mean those recognition sequences which, although they have deviations from the recognition sequence found to be optimal for the particular enzyme, still permit recombination by the same.
  • a deletion For a deletion, two RE sequences, which can recombine with each other through the action of a recombinase, are placed intramolecularly with the same orientation.
  • the sequence to be deleted is between the two RE sequences.
  • Two molecules are formed and each carries one of the two sequences that result from the recombination of said RE sequences.
  • Insertion The insertion is the reverse reaction of the deletion.
  • Two RE sequences that can be recombined are placed on 2 molecules. In the simplest application, the molecule to be inserted is circular.
  • the integration is carried out in the manner in which both RE sequences are arranged in a corresponding orientation.
  • the resulting product then carries two sequences, which result from the recombination of said RE sequences, in a corresponding orientation.
  • Enzyme suitable for the induction of DNA double-strand breaks on the recognition sequence for the targeted induction of DNA double-strand breaks generally means all those enzymes which are capable to generate sequence-specific double-strand breaks in double-stranded DNA.
  • DSBI enzyme for “double strand-break inducing enzvme”
  • Restriction endonucleases preferably type II restriction endonucleases, particularly preferably homing endonucleases as described in detail below.
  • Artificial nucleases as described in detail below, such as, for example, chimeric nucleases, mutated restriction or homing endonucleases or RNA protein particles derived from mobile introns of group II.
  • DSBI enzymes Both natural and artificially produced DSBI enzymes are suitable. Preferred are all those DSBI enzymes whose recognition sequence is known and which are either in the form of their Proteins can be obtained (for example by purification) or expressed using their nucleic acid sequence.
  • Examples of artificial DSBI enzymes are chimeric nucleases 5, which are composed of an unspecific nuclease domain and a sequence-specific DNA binding domain (eg consisting of zinc fingers) (Smith J et al. (2000) Nucl Acids Res 28 (17): 3361 -3369; Bibikova M et al. (2001) Mol Cell Biol. 21: 289-297; Chandrasegaran S and Smith J (1999) Biol Chem 10 380: 841-848; Kim YG and Chandrasegaran S (1994) Proc Natl Acad Sei USA 91: 883-887; Kim YG et al. (1996) Proc Natl Acad Sei USA 93: 1156-1160; Nahon E and Raveh D (1998) Nucl Acids Res 26: 1233-1239).
  • chimeric nucleases 5 which are composed of an unspecific nuclease domain and a sequence-specific DNA binding domain (eg consisting of zinc fingers) (Smith J
  • the DSBI enzyme is preferably selected with knowledge of its specific recognition sequence in such a way that, in addition to the target recognition sequence, it has no other functional recognition regions in the piastome. Homing endonucleases are therefore particularly preferred (overview: Beifort M and Roberts RJ (1997) Nucleic acids
  • I-NitI GenBank Acc.-No .: XI 8211, nucleotides 426 to 1163
  • 5 I-Njal GenBank Acc.-No .: X78279, nucleotides 416 to 1153
  • I-Ppol encodes the extrachromosomal DNA in the core of Physarum polycephalu (Muscarella DE and Vogt VM (1989) Cell 0 56: 443-454; Lin J and Vogt VM (1998) Mol Cell Biol
  • I-Pspl GenBank Acc.-No .: U00707, nucleotides 1839 to 3449
  • 5 I-Scal Monteilhet C et al. (2000) Nucleic Acids Res 28: 1245-1251; GenBank Acc.-No .: X95974, nucleotides 55 to 465)
  • I-Ssp6803l GenBank Acc.-No .: D64003, nucleotides 35372 to 35824.
  • I-Ppol homing endonucleases
  • PI-PspI polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polarimeric polar phosphate, phospholipases, phospholipases, and others.
  • I-Ppol is the most preferred.
  • nucleic acid sequences are used which code for a protein according to SEQ ID NO: 5, the use of the nucleic acid sequences according to is particularly preferred SEQ ID NO: 4.
  • Restriction endonucleases (type II) can also be used advantageously as DSBI enzymes if they have no interfaces in the piastome.
  • the restriction endonucleases Notl, CciNI, Fsel, Sbfl, Sdal and Sse8387I are particularly preferred.
  • DSBI enzymes are particularly preferably expressed in accordance with the methods described above for recombinases in such a way that their function in the plastids is ensured.
  • Expression as a fusion protein with a PLS or integration of an expression cassette into the plastid DNA is particularly preferred.
  • Recognition sequence for the targeted induction of DNA double-strand breaks (as a result of "DSB recognition sequence” for double-strand break recognition sequence) generally means those sequences which, under the conditions in the plastids of the plant cell or plant used in each case, the detection and cleavage by a DSBI enzyme allow.
  • DSB recognition sequences for homing endonucleases which are naturally encoded in mitochondria or nucleus of other organisms are particularly preferred.
  • DSB recognition sequences of the homing endonucleases derived from plastids can also be used.
  • the DSB recognition sequence is singular in the plastid DNA, i.e.
  • a double strand break is only generated at the predefined point.
  • cases are also conceivable in which there is more than one DSB recognition sequence in the piastom. This is particularly the case if the DSB recognition sequence is located in duplicate genes (e.g. in inverted "repeats"). In the latter case, there is more than one identical DSB recognition sequence, but their context is identical. It is even preferred that the DSB recognition sequence is present in all copies of the "repeats" so that a cut can also be made in all copies.
  • DSB recognition sequences that occur more than once in a piastom but are localized in the same plastomic context (e.g. in "repeats" or gene duplications) are subsumed within the scope of this invention under the term singular DSB recognition sequences.
  • the plant used or the cell derived from it is predominantly homoplastomic or homotransplastomic with respect to the DSB recognition sequence, i.e. that the majority of the plastid DNA molecules contained in a plastid have this DSB recognition sequence.
  • Such plants are also referred to as master plants in the context of this invention.
  • the transformation construct which is used to transform the plastids of said master plants, there is at least one RE sequence R2 which, under the action of the recombinase, can recombine with a RE sequence R1 in the master plant.
  • the recombination of R1 with R2 leads to hybrid recombinase recognition sequences (R1 / 2 or R2 / 1) which themselves represent only poor or no recombination substrates for the recombinase alone.
  • Said hybrid sequences can certainly be substrates for the recombinase in question if additional factors are added (e.g. the factor xis and IHF when using the ⁇ recombinase). However, these further factors are preferably not present in the plant organism at the same time as the recombinase.
  • the speed of a recombination reaction using the RE sequences R1 and / or R2 is preferably at least ten times as high as for the use of the hybrid sequences R1 / 2 and / or R2 / 1, preferably at least one hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high , most preferably at least ten thousand times as high.
  • the balance of the recombination lies strongly on the insertion side, so that the reaction is quasi irreversible.
  • the RE sequence (for example the RE sequence R1, R1 ', R2 or R2') - in the 5 '/ 3' direction - comprises a first sequence R-5 ', followed by a core sequence and a second sequence R-3 '.
  • a particularly preferred form of these sequences comprises the loxP sequence, the FRT sequence or the attB or attP of the ⁇ C31 or TP901-1 recombinase.
  • At least one of the two RE sequences is a pseudo RE sequence or a hybrid RE sequence.
  • the sequences R1 and R2 are preferably not identical.
  • the sequences R1 and R2 preferably correspond to the sequences attB and attP, or vice versa.
  • at least one of the two sequences attB or attP can be replaced by a corresponding pseudo-attB or pseudo-attP RE sequence.
  • the attB sequence preferably comprises - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attB-5 '), followed by a core region and a second sequence (attB-3').
  • the attP sequence preferably comprises - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attP-5 '), followed by a core region and a second sequence (attP-3').
  • An embodiment is particularly preferred in which the recombinase-mediated recombination between attB and attP produces a recombination product which can no longer act as a substrate for the recombinase alone (i.e. without the participation of additional factors).
  • This recombination product preferably contains a region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attB-5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attP-3') and a second Region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attP-5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attB-3').
  • At least one of the two RE sequences attB and / or attP is a pseudo-RE sequence (att ⁇ ) comprising - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (att ⁇ -5 '), followed by a core region and a second sequence (att ⁇ -3 ').
  • sequences resulting from the recombination include, for example, a region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (att ⁇ -5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attP- 3 ') and a second region consisting of - in the 5' / 3 'direction - a first DNA sequence (attP-5'), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (att ⁇ -3 '), whereby the resulting regions can no longer act as a substrate for the recombinase, making the insertion virtually irreversible.
  • attB and att ⁇ can also be recombined accordingly.
  • the recombination of the RE sequences lox66 and lox71 leads to a wild-type loxP RE sequence and the lox72 RE sequence
  • the TP901-1 recombinase, the ⁇ C31 recombinase, the R4 recombinase are recombinases that could be used for almost irreversible recombination.
  • ⁇ integrase preferably with coexpression of IHF
  • Cre with correspondingly mutated RE sequences, see above
  • Flp with correspondingly mutated RE sequences
  • L5 recombinase preferably with coexpression of IHF
  • Cre with correspondingly mutated RE sequences, see above
  • Flp with correspondingly mutated RE sequences
  • the transformation construct can also contain a selection marker. If there is already a selection marker in the master plant, said selection markers preferably differ.
  • the transformation construct preferably comprises one or more genes of interest.
  • Regulatory elements can also be present on the transformation construct, the RE construct has already been introduced into the master plant, or endogenous regulatory elements that are naturally present at the integration site can be used.
  • the transformation construct is preferably contained in a transformation vector, which can comprise further elements, for example for replication in bacteria.
  • the transformation construct preferably represents a circular DNA molecule.
  • the transformation construct can be identical to the transformation vector. However, it is not necessary that the vector sequences (e.g.
  • Origin of replication for the multiplication of the DNA in bacteria and possibly. a bacterial selection marker can also be integrated into the plastid genome.
  • These sequences of the vector backbone are preferably removed before the transformation.
  • the insertion sequence can be surrounded by two recognition sites for restriction enzymes. After duplicating the corresponding vector in a bacterium such as E. coli, the Then treat isolated DNA with the appropriate restriction endonuclease or the corresponding restriction endonucleases in vitro. This separates the insertion sequence from the vector backbone and can be circularized again in vitro by using a ligase. The isolated and circularized insertion sequence can then be used for the transformation.
  • the insertion sequence can also be amplified and circularized by means of a polymerase chain reaction using suitable primers.
  • the vector backbone is removed from the insertion sequence with the aid of recombinases.
  • the fragment to be transformed is surrounded with two recognition sites for a recombinase, with the aid of which the fragment to be transformed can be excised (for example Cre-lox, FLP / frt). It is possible to design the approaches in such a way that the action of the recombinase only produces the RE sequence R2 necessary for the integration of the insertion sequence.
  • the number of copies of the DNA molecules to be transformed can be increased, for example, by the transformation construct comprising elements (for example a plastid ORI origin of replication, origin of replication), which enable him to replicate autonomously in the plastid before integration into the plastid DNA or to exist stably as an extrachromosomal DNA molecule in the plastids.
  • elements for example a plastid ORI origin of replication, origin of replication
  • Corresponding methods are known to the person skilled in the art (US 5,693,507; US 5,932,479; WO 99/10513). This method is preferred because it increases the number of copies of the insertion sequences available for integration in the plastid.
  • a "replacement" strategy can also be used.
  • two RE sequences Rl and Rl ' which cannot recombine with one another under the action of the corresponding recombinase or recombinases are introduced into the master plants (or sequences which are naturally present there) are introduced.
  • the transformation construct then contains recognition sequences R2 and R2 'which do not recombine with one another under the action of the recombinase or recombinases, but Rl can recombine with R2 and Rl' with R2 '.
  • the sequence between Rl and Rl ' in the master plant replaced by the sequence between R2 and R2 'on the transformation construct.
  • the "replacement” strategy not only makes it possible to avoid vector backbone insertions, it also enables the insertion sequence (plus the portions of the recognition sequences R2 and R2 ') to be introduced as a linearized fragment.
  • Such a “replacement” strategy has been demonstrated, for example, in mouse cells with the aid of different recognition regions for the Cre recombinase (Bethke B and Sauer B (1997) Nucl Acids Res 25: 2828-2834).
  • the "Replacement” strategy was also at the core of
  • a selection marker possibly introduced with the RE construct is preferably positioned between the recognition regions Rl and Rl ', so that it is eliminated directly from the master plant when the insertion sequence is flanked by R2 and R2'.
  • 2 RE sequences (R1 and R1 'or R2 and R2') can preferably be used (for example 2 lox
  • Sequences can be used that cannot recombine with each other because they differ, for example, in the spacer
  • the RE construct preferably contains at least one recognition site for a DSBI enzyme in addition to the recognition site for a recombinase.
  • these constructs are also referred to as RE / DSB constructs, but are also subsumed under the general term of the RE construct.
  • the respective DSBI enzyme has - apart from the one introduced via the RE / DSB construct - preferably no further DSB recognition sites in the piastom (except: duplications, for example in "repeats"). It is not imperative that the DSB recognition sequence is present on the RE / DSB construct. It can also be naturally present in the piastome adjacent to the insertion site of a RE construct. A functional RE / DSB unit is only created after the inte- the RE construct into the piastom. With the help of the RE / DSB construct, a predominantly homoplastome master plant is first produced, using methods familiar to the person skilled in the art, such as, for example, homologous recombination.
  • the insertion sequence additionally introduces a sequence X into the piastome which is homologous to a sequence X 'of the master plant which is already present in the piastome.
  • This sequence X ' can be naturally present, or it can be introduced by the RE / DSB construct.
  • the sequences X and X ' are localized in such a way that the following elements lie between them - after integration of the insertion sequence by means of recombination:
  • X and X ' have an orientation and sufficient homology and length to homologously recombine with one another as a result of a sequence-specific double-strand break on the DSB recognition sequence and to cause a deletion of the sequences located between them.
  • the transformation construct, the transformation vector or the insertion sequence are introduced into the plastids as described above.
  • the insertion sequence is built into the piastome by the activity of a corresponding recombinase.
  • a system is preferably used which is almost or completely irreversible in the form used.
  • the recombinases of the phages ⁇ C31 or TP901-1 and their corresponding recognition regions are particularly preferably used.
  • a corresponding DSBI enzyme is induced, which produces a DNA double-strand break on its DSB recognition sequence in the piastome of the master plant.
  • said cut molecules cannot undergo a repair synthesis by means of a gene conversion event using copies of the plastidic DNA molecules which have already been modified in the desired manner and which can no longer be cut (ie as a result of the events described under a) above, no DSB recognition sequence more included) to be repaired.
  • the transformation construct / insertion sequence can be distributed into all or at least the majority of plasti copies of a plastid. This procedure speeds up the process
  • the transformation construct can include further elements. It may be desirable to place at least one gene for a positive and / or negative selection marker between sequence region X and the DSB recognition sequence.
  • the induced recombination also eliminates the selection markers or any other sequence section that is located between the homologous regions X and X '. Accordingly, the vector backbone can be eliminated from the piastom again, for example, if it was not removed before the insertion.
  • the endonuclease I-Ppol from Physum polycephalum is preferably used as the DSBI enzyme. However, it is also possible to use any other DSBI enzyme that is active in the organelle under consideration.
  • the DSBI enzyme is preferably activated only after the recombinase, which is responsible for the incorporation of the transformation vector / the insertion sequence.
  • various options are conceivable for realizing this.
  • Corresponding methods have already been described for the recombinase and can be transferred to the DSBI enzyme.
  • the DSBI enzyme can be expressed in fusion with a transit peptide in the core of the master plant.
  • the expression should preferably be inducible or, in the case of constitutive expression, the activity of the corresponding endonuclease should be activatable.
  • the DSBI enzyme can be expressed as a fusion with a transit peptide in agrobacteria and introduced into plant cells as a fusion protein, for example with VirF. Transient expression from the nucleus with post-translational import into the plastids under consideration is also conceivable.
  • the DSBI enzyme or a nucleic acid sequence encoding the DSBI enzyme is preferably introduced into the plastids of the master plant only with the transformation vector.
  • the DSBI enzyme is very particularly preferably encoded in a form which can be expressed in the plastid.
  • the DSBI enzyme is particularly preferably encoded on the insertion sequence. The expression of the DSBI enzyme is very particularly preferably made possible only after the insertion of the insertion sequence.
  • the DSBI enzyme can be in one In such a case, for example, after integration into the plastid DNA, it can also be controlled by regulatory elements from the piastome of the master plant. If the expression cassette for the DSBI enzyme is contained on the insertion sequence, the DSBI enzyme is - particularly preferably - flanked by areas which permit later excision of the DSBI enzyme.
  • the insertion sequence comprises at least one further nucleic acid sequence to be expressed, which preferably generates a desired phenotype in a correspondingly transformed plant.
  • these are to be provided with regulatory elements. If the insertion is into a transcriptionally active locus, no promoter sequences are required, as described above.
  • the sequences to be expressed are advantageously provided with ribosome binding sites at a suitable distance upstream of the open reading frame or already have them by nature.
  • these regulatory sequences or parts thereof can naturally also be present in the piastome or already in the first step, i.e. when generating a non-natural master plant together with that of the RE sequence are introduced into the plastid DNA.
  • “Sufficient length” means in relation to the homology sequences (eg A, A ', B, B', X, X ', Hl, H2) preferably sequences of a length of at least 20 base pairs, preferably at least 50 base pairs, particularly preferably of at least 100 base pairs, very particularly preferably of at least 250 base pairs, most preferably of at least 500 base pairs.
  • "Adequate homology" in relation to the homology sequences preferably means sequences which have a homology within these homology sequences of at least 70%, preferably 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, very particularly preferably at least 99%, most preferably 100% over a length of at least 20 base pairs, preferably at least 50 base pairs, particularly preferably of at least 100 base pairs particularly preferably of at least 250 base pairs, most preferably of at least 500 base pairs.
  • GAP Garnier ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • Gap Weight 12 Length Weight: 4
  • the transformation construct or the insertion sequence preferably comprises a selection marker which enables a selection of trans-plastomer plastids (see below), particularly preferably aadA, BADH or a "binding type" marker.
  • the selection marker is preferably constructed so that a subsequent deletion from the piastome is made possible. Corresponding methods are known to the person skilled in the art and are described below.
  • the insertion sequence, the transformation construct, the RE construct or the expression cassettes for a recombinase or a DSBI enzyme can be cloned into a standard vector such as pBluescript or pUC18 in order to construct a transformation vector.
  • the insertion sequence or transformation construct is applied as a linear or linearized DNA molecule.
  • the part of the transformation vector is applied which comprises the insertion sequence or the transformation construct with RE sequence, selection marker and / or the expression cassette for the DSBI enzyme.
  • One of the constructs described above can be introduced into the plastids of a corresponding master plant using one of the methods described. Microinjection and particle bombardment are preferred.
  • “Expression cassette” means - for example in relation to the expression cassette for a recombinase or a DSBI enzyme - such constructions in which the DNA to be expressed is functionally linked to at least one genetic control element that its expression (ie transcription and or translation ) enables or regulates.
  • the expression can be stable or transient, constitutive or inducible.
  • direct e.g. transfection, particle bombardment, microinjection
  • indirect infection e.g. agrobacterial infection, viral infection
  • a functional link is generally understood to be an arrangement in which a genetic control sequence can perform its function in relation to a nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme.
  • Function can, for example, control expression, i.e. Transcription and / or translation of the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - mean.
  • Control includes, for example, the initiation, increase, control or suppression of expression, i.e. Transcription and, if necessary, translation.
  • the control in turn, can take place in a tissue-specific or time-specific manner, for example. It can also be inducible, for example, by certain chemicals, stress, pathogens, etc.
  • a functional link is understood to mean, for example, the sequential arrangement of a promoter, the nucleic acid sequence to be expressed - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - and possibly. further regulatory elements such as a terminator such that each of the regulatory elements can fulfill its function in the expression of the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme. It is not absolutely necessary that the functional link is already given on the transformation constructs.
  • the functional linkage can also result from the insertion into the core or plastid DNA, the regulatory elements already being present in the core or plastid DNA.
  • the regulatory elements can naturally exist or can be introduced in an upstream step - for example when introducing a RE sequence.
  • nucleic acid sequence to be expressed for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - is positioned behind a sequence which acts as a promoter, so that both sequences are covalently linked to one another.
  • the distance between the promoter sequence and the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - is preferably less than 200 base pairs, particularly preferred less than 100 base pairs, very particularly preferably less than 50 base pairs.
  • the term "genetic control sequences” is to be understood broadly and means all those sequences which have an influence on the formation or the function of an expression cassette or transformation vector. Genetic control sequences ensure transcription and, if necessary, translation in the cell nucleus (or cytoplasm) or plastids.
  • the expression cassettes according to the invention preferably comprise a promoter 5 'upstream of the respective nucleic acid sequence to be expressed and a terminator sequence 3' downstream as an additional genetic control sequence, and optionally further customary regulatory elements, in each case functionally linked to the nucleic acid sequence to be expressed.
  • control sequences are sequences to which inducers or repressors bind and thus regulate the expression of the nucleic acid.
  • the natural regulation of these sequences may still be present before the actual structural genes and may have been genetically modified so that the natural regulation is switched off and the Expression of the genes was increased.
  • the expression cassette can also have a simpler structure, ie no additional regulation signals are inserted in front of the genes mentioned above and the natural promoter with its regulation is not removed. Instead, the natural control sequence is mutated so that regulation no longer takes place and gene expression is increased.
  • These modified promoters can also be placed in front of the natural genes to increase activity.
  • control sequences are suitable.
  • all promoters which can control the expression of genes, in particular foreign genes, in plants are suitable for nuclear expression (for example a viral / bacteriophage RNA polymerase, a recombinase or a DSBI enzyme in each case as a fusion protein with a plastid transit peptide).
  • Promoters which allow constitutive expression in plants are suitable (Benfey et al. (1989) EMBO J 8: 2195-2202).
  • a vegetable one is preferably used.
  • Promoter or a promoter derived from a plant virus.
  • the promoter of the 35S transcript of the cauliflower mosaic virus (Franck et al. (1980) Cell 21: 285-294; Odell et al. (1985) Nature 313: 810-812; Shewmaker et al. (1985) Virology 140: 281-288; Gardner et al. 1986, Plant Mol. Biol. 6, 221-228) or the 19S CaMV promoter (US 5,352,605 and WO 84/02913).
  • this promoter contains different recognition sequences for transcriptional effectors, which in their entirety lead to a largely permanent and constitutive expression of the introduced gene (Benfey et al.
  • Another suitable constitutive promoter is the "Rubisco small subunit (SSU)" promoter (US 4,962,028).
  • SSU Rostorf S et al.
  • the promoters of the vacuolar ATPase subunits the FBPaseP promoter (WO 98/18940) or the promoter of a proline-rich protein from wheat (WO 91/13991).
  • constitutive promoters the SuperPromotor (Ni M et al. (1995) Plant J 7: 661-676; US 5,955,646) and the nitrilase-1 promoter of the nitl gene from Arabidopsis (GenBank Acc. -No.: Y07648.2, nucleotides 2456 to 4340; Hillebrand H et al. (1998) Plant Mol Biol 36 (l): 89-99; Hillebrand H et al. (1996) Gene 170 (2): 197-200).
  • inducible particularly preferably chemically inducible promoters
  • Examples include the PRP1 promoter (Ward et al. (1993) Plant Mol Biol 22: 361-366), a promoter induced by salicylic acid (WO 95/19443), a promoter induced by benzenesulfonamide (EP-A-0388186) , a tetracycline-inducible promoter (Gatz et al. (1992) Plant J 2: 397-404), an abscisic acid-inducible promoter (EP-A 335 528), an ethanol-inducible promoter (Salter MG et al. ( 1998) Plant J.
  • PRP1 promoter Ward et al. (1993) Plant Mol Biol 22: 361-366
  • a promoter induced by salicylic acid WO 95/19443
  • a promoter induced by benzenesulfonamide EP-A-0388186
  • a tetracycline-inducible promoter Gaatz et al. (1992) Plant
  • Inducible expression of a PLS / DSBI enzyme fusion protein in the core is particularly preferred.
  • Inducible promoters also include those that can be regulated by certain repressor proteins (e.g. tet, lac).
  • Corresponding repressor proteins can be translocated into the plastids in fusion with PLS and there regulate the expression of certain genes under the control of appropriate promoters.
  • the repressor binds in the plastids to an artificial repressor binding site inserted into the piastome and can thus suppress the expression of the gene located downstream (cf. W095 / 25787).
  • the expression of a plastid-coded recombinase or a DSBI enzyme can be induced if necessary or suppressed until the moment when expression is desired.
  • promoters are preferred which are induced by biotic or abiotic stress, such as, for example, the pathogen-inducible promoter of the PRPl gene (Ward et al.,
  • the heat-inducible hsp70 promoter or the hsp80 promoter from tomato (US 5,187,267), the cold-inducible alpha-amylase promoter from the potato (WO 96/12814) or the wound-induced pinll promoter (EP-A 0 375 091).
  • the nucleic acid coding for the recombinase or the DSBI enzyme is expressed under the control of an inducible promoter. This achieves controlled, controllable expression and avoids any problems caused by constitutive expression of a recombinase or a DSBI enzyme.
  • Advantageous control sequences for the expression cassettes or vectors according to the invention include viral, bacteriophage or bacterial promoters such as cos, tac, trp, tet, phoA, tat, lpp, lac, laclq, T7, T5, T3 -, gal, trc, ara, SP6, ⁇ -PR or in the ⁇ -PL promoter. These are preferably used in combination with the 'expression of the respective corresponding RNA polymerase.
  • RNA polymerase promoter (WO 97/06250) or those in WO 00/07431, US 5,877,402, WO 97/06250, WO 98/5559,5 WO 99/46394, WO 01/42441 and Promoters described in WO 01/07590. These include the rpo B promoter element, the atpB promoter element, the clpP promoter element (see also WO 99/46394) or the 16S rDNA promoter element.
  • a polycistronic "operon" can also be assigned to the promoter (EP-A 1 076 095; WO 00/20611).
  • RNA polymerase is imported into the plastid using plastid transit peptides and specifically induces the expression of transgenic sequences there, which are under the control of the recognition sequences of the RNA polymerase and previously into the plastid one DNA were inserted (WO 95/16783; US 5,925,806; US 5,575,198).
  • NEP promoters are used. These are promoters that are functional in plastids and are recognized by the nuclear-encoded plastid RNA polymerase (NEP). Preferred are: Prrn-62; Pycf2-1577; PatpB-289; Prps2-152; Prpsl6-107; Pycfl-41; PatpI-207; PclpP-511; PclpP-173 and PaccD-129 (WO 97/06250; Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048).
  • PatpB / E-290 promoter of the atpB / E gene from tobacco (Kapoor S et al. (1997) Plant J 11: 327-337) (SEQ ID NO: 27)
  • PrpoB-345 promoter of the rpoB gene (Liere K & Maliga P (1999) EMBO J 18: 249-257) (SEQ ID NO: 28)
  • promoters belonging to class III can be used in this embodiment (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048) as well as all fragments of the class II promoters which control the transcription initiation by the NEP. Such promoters or promoter parts are not particularly highly conserved. As consensus near the transcription initiation site of NEP promoters is given: ATAGAATAAA (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048).
  • genes are surrounded by regulatory sequences that come from the plastids of the organism to be transformed. This creates sequence duplications that can lead to instabilities due to spontaneous, intrachromosomal homologous recombination events (Heifetz PB (2000)
  • promoters with their regulatory sequences such as those mentioned above can be used for the method according to the invention. Promoters isolated from prokaryotes are particularly preferred. Promoters isolated from Synechocystis or E. coli are very particularly preferred. About that In addition, synthetic promoters can also be used advantageously, such as a synthetic promoter derived from the E. coli consensus sequence for ⁇ 70 promoters:
  • N stands for any nucleotide (ie A, G, C or T). It is obvious to the person skilled in the art that individual to few base exchanges are also possible in the specified, conserved regions without destroying the function of the promoter.
  • the variable design of these synthetic promoters by using different sequence sequences makes it possible to create a large number of promoters which do not have extensive homologies, which in particular in the case that several promoters are required, the stability of the expression cassettes in the
  • these synthetic promoters can control the expression of any genes.
  • they can be used to drive the expression of a selection marker - also in order to be able to select transplastomic plants under regenerative conditions with the aid of the said selection system. Selection markers are listed below as examples.
  • synthetic promoters can be linked to any gene, for example with genes coding for antibodies, antigens or enzymes.
  • the expression cassettes consisting of such promoters preferably also contain 5 'untranslated regions (or ribosome binding sites) or 3' non-coding regions described in more detail below.
  • Genetic control sequences also include further promoters, promoter elements or minimal promoters that can modify the expression-controlling properties. Genetic control sequences also include the 5 'untranslated region (5'-UTR) or the non-coding 3' region (3'-UTR) of genes (Eibl C (1999) Plant J 19: 1-13). It has been shown that these can play a significant role in regulating gene expression in plastids of higher plants. At its core, genetic control elements such as 5'-UTR, introns or 3'UTR can also have a function in gene expression. For example, it was shown that 5 'untranslated sequences can enhance iente expression of heterologous genes. They can also promote tissue specificity (Rouster J et al. (1998) Plant J 15: 435-440).
  • Sequences were mutated against the native sequence to introduce a Pagl site.
  • Genetic control sequences especially for expression in plastids, in particular also include ribosome formation sequences for the initiation of translation. These are usually included in the 5 'UTRs. This is particularly preferred if the nucleic acid sequence to be expressed does not provide appropriate sequences or if these are provided with the
  • Expression system are not compatible. Particularly preferred is the use of a synthetic Ribosomenbinde- site (RBS) having the sequence 5'-GGAGG (N) 3 _ 10 ATG-3 ', preferably, 5'-GGAGG (N) 5 ATG-3' (SEQ ID NO: 36 ) particularly preferably 5'-GGAG-GATCTCATG-3 '(SEQ ID NO: 37).
  • RBS Ribosomenbinde- site
  • the expression cassette can advantageously contain one or more so-called “enhancer sequences” functionally linked to the promoter, which enable increased transgenic expression of the nucleic acid sequence. Additional advantageous sequences, such as further regulatory elements or terminators, can also be inserted at the 3 'end of the nucleic acid sequences to be expressed transgenically.
  • the nucleic acid sequences to be expressed transgenically can be contained in one or more copies in the gene construct. It is also possible to insert a so-called downstream box after the start codon, which generally increases expression (translation enhancer "WO 00/07431; WO 01/21782).
  • Polyadenylation signals suitable for core transformation are plant polyadenylation signals, preferably those which essentially correspond to T-DNA polyadenylation signals from Agrobacterium tumefaciens, in particular gene 3 of T-DNA (octopine synthase) of the Ti plasmid pTiACHS (Gielen et al., EMBO J. 3 (1984), 835 ff) or functional equivalents thereof.
  • particularly suitable terminator sequences are the OCS (octopine synthase) terminator and the NOS (nopalin synthase) terminator.
  • transformation vectors and insertion sequences according to the invention can comprise further nucleic acid sequences.
  • Such nucleic acid sequences can preferably represent expression cassettes. The following may be mentioned as examples, but not restrictive, for the DNA sequences to be expressed in the expression constructs:
  • Selection marker means all those nucleic acid or protein sequences whose expression (ie transcription and possibly translation) gives a cell, tissue or organism a different phenotype than an untransformed one. Selection markers include, for example, those nucleic acid or protein sequences whose expression gives a cell, tissue or organism an advantage (positive selection marker) or disadvantage (negative selection marker) over cells which do not express this nucleic acid or protein. Positive selection markers work, for example, by detoxifying a substance that has an inhibitory effect on the cell (e.g. antibiotic / herbicide resistance), or by forming a substance that enables the plant to improve regeneration or increase growth under the selected conditions (for example nutritive markers, hormone-producing markers such as ipt; see below).
  • a substance that has an inhibitory effect on the cell e.g. antibiotic / herbicide resistance
  • forming a substance that enables the plant to improve regeneration or increase growth under the selected conditions for example nutritive markers, hormone-producing markers such as ipt; see below.
  • positive selection marker includes mutated proteins or RNAs that are not sensitive to a selective agent (for example, 16S rRNA mutants that are insensitive to spectinomycin).
  • Negative selection markers work, for example, by catalyzing the formation of a toxic substance in the transformed cells (for example the codA gene).
  • selection markers can also include reporter proteins, insofar as these are suitable, transformed from non- to differentiate transformed cells, tissues or organs (for example by coloring or another detectable phenotype).
  • the selectable marker introduced into the cell nucleus or the plastids with the expression cassette gives the successfully transformed cells resistance to a biocide (for example a herbicide such as phosphinothricin, glyphosate or bromoxynil), a metabolism inhibitor such as 2-deoxyglucose-6-phosphate (WO 98/45456) or an antibiotic, such as, for example, tetracycline, ampicillin, kanamycin, G 418, neomycin, bleomycin or hygromycin.
  • a biocide for example a herbicide such as phosphinothricin, glyphosate or bromoxynil
  • a metabolism inhibitor such as 2-deoxyglucose-6-phosphate (WO 98/45456) or an antibiotic, such as, for example, tetracycline, ampicillin, kanamycin, G 418, neomycin, bleomycin or hygromycin.
  • an antibiotic such as, for example,
  • selection markers are those which confer resistance to herbicides. Examples of selection markers are:
  • PPT phosphinothricin acetyltransferases
  • PPT glutamine synthase inhibitor
  • bar Bialophos ® resistance gene
  • the bar gene coding for a phosphinothricin acetyltransferase (PAT) can be isolated from, for example, Streptomyces hygroscopicus or S. viridochromogenes.
  • the EPSPS gene of the Agrobacterium sp. strain CP4 has a natural tolerance to glyphosate, which can be transferred to corresponding transgenic plants.
  • the CP4 EPSPS gene was derived from Agrobacterium sp. strain CP4 cloned (Padgette SR et al. (1995) Crop Science 35 (5): 1451-1461).
  • glyphosate oxidoreductase coding for the glyphosate ® degrading enzyme.
  • GOX e.g. the
  • Glyphosate oxidoreductase from Achromobacter sp. Catalyzes the cleavage of a C-N bond in the glyphosate, which is thus converted to aminomethylphosphonic acid (AMPA) and glyoxylate.
  • AMPA aminomethylphosphonic acid
  • GOX can thereby confer resistance to glyphosate (Padgette SR et al. (1996) J Nutr. 1996 Mar; 126 (3): 702-16; Shah D et al. (1986) Science 233: 478-481).
  • the deh gene (coding for a dehalogenase that inactivates Dalapon ® ), (GenBank Acc. -No.: AX022822, AX022820 and W099 / 27116) bxn genes which code for bromoxynil-degrading nitrilase enzymes.
  • Neomycin phosphotransferases confer resistance to antibiotics (aminoglycosides) such as neomycin, G418, hygromycin, paromomycin or kanamycin by reducing their inhibitory effect through a phosphorylation reaction.
  • antibiotics aminoglycosides
  • the nptll gene is particularly preferred. Sequences can be obtained from GenBank (AF080390 mini transposon mTn5-GNm; AF080389 mini transposon mTn5-Nm, complete sequence).
  • the gene is already part of numerous expression vectors and can be isolated from them using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction) (AF234316 pCAMBIA-2301; AF234315 pCAMBIA-2300, AF234314 pCAMBIA-2201).
  • the NPTII gene encodes an aminoglycoside 3 'O-phosphotransferase from E. coli, Tn5 (GenBank Acc.-No: U00004 position 1401-2300; Beck et al.
  • the gene D0G R 1 was isolated from the yeast Saccharomyces cerevisiae (EP 0 807 836). It encodes a 2-deoxyglucose-6-phosphate phosphatase that confers resistance to 2-DOG (Randez-Gil et al. 1995, Yeast 11, 1233-1240; Sanz et al. (1994) Yeast 10: 1195-1202, Sequence: GenBank Acc.-No .: NC001140 Chromosome VIII, Saccharomyces cervisiae Position 194799-194056).
  • Sulfonylurea and imidazolinone inactivating acetolactate synthases which confer resistance to imidazolinone / sulfonylurea herbicides The active ingredients imazamethabenz-methyl, imazamox, imazapyr, imazaquin, imazethapyr may be mentioned as examples of imidazolinon herbicides.
  • Examples of sulfonyl urea herbicides are amidosulforon, azim-sulfuron, chlorimuronethyl, chlorosulfuron, cinosulfuron, imazosulforon, oxasulforon, prosulforon, rimsulforon, sulfosulforon. Numerous other active substances of the classes mentioned are known to the skilled worker. Are suitable
  • Nucleic acid sequences such as, for example, the sequence for Arabidopsis filed under GenBank Acc-No .: X51514 thaliana Csr 1.2 gene (EC 4.1.3.18) (Sathasivan K et al. (1990) Nucleic Acids Res. 18 (8): 2188). Acetolactate synthases that confer resistance to imidazolinone herbicides are also described under GenBank Acc.-No .:
  • Hygromycin phosphotransferases (X74325 P. pseudomallei gene for hygromycin phosphotransferase) which confer resistance to the antibiotic hygromycin.
  • the gene is part of numerous expression vectors and can be isolated from them using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction) (AF294981 pINDEX4; AF234301 pCAMBIA-1380; AF234300 pCAM- BIA-1304; AF234299 pCAMBIA-1303; AF234298 p 1302; AF354046 pCAMBIA-1305.; AF354045 pCAMBIA-1305.1)
  • chloramphenicol chloramphenicol acetyl transferase
  • Tetracycline various resistance genes are described, e.g. X65876 S. ordonez genes class D tetA and tetR for tetracycline resistance and repressor proteins X51366 Bacillus cereus plasmid pBC16 tetracycline resistance gene.
  • the gene is already part of numerous expression vectors and can be isolated from these using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction)
  • Streptomycin various resistance genes are described e.g. with the GenBank Acc.-No. : AJ278607 Corynebacterium acetoacidophilum ant gene for streptomycin adenylyl transferase.
  • the corresponding resistance gene is part of numerous cloning vectors (e.g. L36849 cloning vector pZEO) and can be isolated from these using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction).
  • cloning vectors e.g. L36849 cloning vector pZEO
  • ipt gene is a key enzyme in cytokinin biosynthesis. Its overexpression facilitates the regeneration of plants (e.g. selection on cytokinin-free medium).
  • the procedure for using the ipt gene is described (Ebinuma H et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 94: 2117-2121; Ebinuma, H et al. (2000) Selection of Marker-free transgenic plants using the oncogenes (ipt , rol A, B, C) of Agrobacterium as selectable markers. In Molecular Biology of Woody Plants. Kluwer Academic Publishers).
  • EP-A 0 601 092 Various other positive selection markers which give the transformed plants a growth advantage over untransformed ones, and methods for their use are described, inter alia, in EP-A 0 601 092.
  • Examples include ⁇ -glucuronidase (in conjunction with, for example, cytokininglucuronide ), Mannose-6-phosphate-isomerase (in connection with mannose), UDP-galactose-4-epimerase (in connection with eg galactose), whereby Mannose-6-phosphate isomerase is particularly preferred in connection with mannose.
  • a selection marker which is functional in plastids those which are resistant to spectinomycin, streptomycin, kanamycin, lincomycin, gentamycin, hygromycin, methotrexate, bleomycin, phleomycin, blasticidin, sulfonamide,, phosphinotricin, chlorosulfuron, bromoxymil, are particularly preferred.
  • the genes aadA, nptll, BADH, FLARE-S (a fusion of aadA and GFP, described by Khan MS & Maliga P, 1999 Nature Biotech 17: 910-915) are particularly preferred.
  • the aadA gene is primarily described as a selection marker functional in plastids (Svab Z and Maliga P (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90: 913-917). Modified 16S rDNA, the nptll gene (kanamycin resistance) and the bar gene (phosphinothricin resistance) are also described. Due to the preference of the selection marker aadA, this is preferably "recycled" i.e. after his
  • aadA is used in further transformations traveled transplastomic plant can be used again as a selection marker.
  • Another possible selection marker is betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) from spinach (Daniell H et al. (2001) Trends Plant Science 6: 237-239; Daniell H et al. (2001) Curr Genet 39: 109-116 ; WO 01/64023; WO 01/64024; WO 01/64850).
  • Lethal-acting agents such as glyphosate can also be used in conjunction with corresponding detoxifying or resistant enzymes (WO 01/81605).
  • Binding type markers can also be used.
  • point mutations can be introduced at a site of the 23SrDNA (position 2073 or 2074 of the 23SrRNA from tobacco, sequence: AAAGACCCTATGAAG) (for example sequence: GG.AGACCCTATGAAG), which confer resistance to lincomycin derived from a mutated 23SrDNA (Cseplö A et al. (1988) Mol Gen Genet 214: 295-299).
  • Other point mutations include those in the 16S rRNA of tobacco that confer resistance to spectinomycin (mutation underlined):
  • Negative selection markers allow, for example, the
  • sequences that code for recombinases, selection markers or for DSBI enzymes can be deleted from the genome / piastome again after successful use of the method according to the invention.
  • the negative selection marker introduced into the plant converts a compound which otherwise has no adverse effect on the plant into a compound with an adverse effect.
  • genes which have an adverse effect per se such as, for example, TK thymidine kinase (TK) and Diphtheria Toxin A fragment (DT-A), the codA gene product coding for a cytosine deaminase (Gleave AP et al. (1999) Plant Mol Biol 40 (2): 223-35; Perera RJ et al.
  • concentrations of antibiotics, herbicides, biocides or toxins used for the selection must be adapted to the respective test conditions or organisms.
  • kanamycin 50 mg / L
  • hygromycin B 40 mg / L
  • phosphinothricin Ppt
  • septinomycin Spec 500 mg / L.
  • Functional analogs of the nucleic acids mentioned can be expressed coding for selection markers.
  • Functional analogs here means all the sequences that have essentially the same function i.e. are able to select transformed organisms.
  • the functional analogue can differ in other characteristics. For example, it may have a higher or lower activity, or it may have other functionalities.
  • Functional analogs furthermore mean sequences which code for fusion proteins consisting of one of the preferred selection markers and another protein, for example another preferred selection marker, one of the reporter mentioned below. proteins or a PLS.
  • a fusion of the GFP (green fluorescent protein) and the aadA gene may be mentioned as an example (Sidorov VA et al. (1999) Plant J 19: 209-216).
  • Reporter genes code for easily quantifiable proteins, which use their own color or enzyme activity to ensure an assessment of the transformation efficiency, the expression site or time or the identification of transgenic plants. Genes coding for reporter proteins are very particularly preferred (see also Schenborn E, Groskreutz D. Mol Biotechnol. 1999; 13 (1): 29-44) such as
  • Green fluorescence protein (GFP) (Chui WL et al., Curr Biol 1996, 6: 325-330; Leffel SM et al., Biotechniques. 23 (5): 912-8, 1997; Sheen et al. ( 1995) Plant Journal 8 (5) -777-784; Haseloff et al. (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94 (6): 2122-2127; Reichel et al. (1996) Proc Natl Acad Sei USA 93 (12 ): 5888-5893; Tian et al. (1997) Plant Cell Rep 16: 267-271; WO 97/41228).
  • ⁇ -galactosidase encoded for an enzyme for which various chromogenic substrates are available.
  • GUS ⁇ -glucuronidase
  • uidA ⁇ -glucuronidase
  • R-Locus gene product protein that regulates the production of anthocyanin pigments (red coloring) in plant tissue and thus enables a direct analysis of the promoter activity without the addition of additional auxiliaries or chromogenic substrates (Dellaporta et al., In: Chromosome Structure and Function: Impact of New Concepts, 18th Stadler Genetics Symposium, 11: 263-282, 1988).
  • ⁇ -lactamase (Sutcliffe (1978) Proc Natl Acad Sei USA 75: 3737-3741), enzyme for various chromogenic substrates (eg PADAC, a chromogenic cephalosporin).
  • PADAC a chromogenic cephalosporin
  • xylE gene product (Zukowsky et al. (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80: 1101-1105), catechol dioxygenase, which can convert chromogenic catechols.
  • Tyrosinase (Katz et al. (1983) J Gen Microbiol 129: 2703-2714), enzyme that oxidizes tyrosine to DOPA and dopaquinone, which consequently form the easily detectable melanin.
  • Aequorin (Prasher et al. (1985) Biochem Biophys Res Commun 126 (3): 1259-1268) can be used in calcium-sensitive bioluminescence detection.
  • the selection marker or the reporter gene is preferably encoded on the RE or RE / DSB construct and / or transformation construct, particularly preferably on the insertion sequence. However, it can also be encoded on an independent transformation construct which is introduced into the core or the plastids of a plant cell in a co-transformation with the transformation construct of interest.
  • transformation vectors and insertion sequences according to the invention can contain further functional elements.
  • the concept of further functional elements is to be understood broadly. Preference is given to all those elements which have an influence on the production, propagation, function, use or value of the insertion sequences, transformation constructs or vectors used in the process according to the invention. As examples, however, are not restrictive for the other functional elements:
  • Origins of replication which increase the expression cassettes or vectors according to the invention in, for example, E. coli or else in
  • E. coli ORI examples are the pBR322 ori, the P15A ori (Sambrook et al... Molecular Cloning A Laboratory Manual, 2 nd ed Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) or the colEl- ORI, for example, from pBLUESCRIPT. Plastid ORIs are described in US 5,693,507, US 5,932,479 or WO 99/10513.
  • MCS Multiple cloning regions
  • border sequences which are an agrobacterium-mediated transfer in plant cells for the
  • an insertion sequence or an expression construct - for example for a recombinase, a DSBI enzyme or a selection marker - can advantageously be implemented using vectors into which these constructs or cassettes are inserted.
  • Vectors can be, for example, plasmids, cosmids, phages, viruses, retroviruses or also agrobacteria.
  • the expression cassette is introduced by means of plasmid vectors. Those vectors are preferred which ensure stable integration of the
  • the production of a transformed organism or a transformed cell requires that the corresponding DNA is introduced into the corresponding host cell or into the plastids thereof.
  • a large number of methods are available for this process, which is referred to as transformation (see also Keown et al. (1990) Methods in Enzymology 185: 527-537).
  • the DNA can be introduced directly by microinjection, electroporation or by bombardment with DNA-coated microparticles.
  • the cell can also be chemically permeabilized, for example with polyethylene glycol, so that the DNA can get into the cell by diffusion.
  • the transformation can also be carried out by fusion with other DNA-containing units such as minicells, cells, or lysosomes
  • Liposomes are done. Also to be mentioned are the transfection using calcium phosphate, DEAE-dextran or cationic lipids, transduction, infection, the incubation of dry embryos in DNA-containing solution, the sonication and the transformation of intact cells or tissue by micro or macro injection into tissue or embryos, tissue electroporation or the vacuum infiltration of seeds. Such processes are familiar to the person skilled in the art. In the case of injection or electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements for the plasmid used. Simple plasmids such as the pUC series can be used. If whole plants are to be regenerated from the transformed cells, it is useful that there is an additional selectable marker gene on the plasmid. The processes for regenerating plants from plant tissues or plant cells are also described. 5
  • the DNA is introduced into the plastids. It is only crucial for the present invention that the DNA is introduced into the plastids. However, the present invention is not limited to one
  • a transformation by means of a direct transfer of the DNA into plastids of protoplasts is preferred, for example using PEG (polyethylene glycol) (Koop HU et al. (1996) Planta 199: 193-201; Kofer W et al. (1998) In Vitro Cell Dev Biol Plant 34: 303-309; Dix PJ and Kavanagh TA (1995)
  • PEG polyethylene glycol
  • the DNA to be transformed is e.g. Gold or tungsten particles applied. These particles are then accelerated to the explant to be transformed (Dix PJ and Kavanagh TA (1995) Euphytica.
  • transplasto plants are regenerated in a manner familiar to those skilled in the art under selection pressure on a suitable medium.
  • Corresponding methods are described (e.g. US 5,451,513; US 5,877,402; Svab Z et al. (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87: 8526-8530; Svab Z and Maliga P
  • the DNA can be introduced into the plastids by means of microinjection.
  • a particular method of microinjection has recently been described (Knoblauch M et al. (1999) Nature Biotech 17: 906-909; van Bei AJE et al. (2001) Curr Opin Biotechnol
  • a transformation can also be carried out by bacterial infection using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes (Horsch RB (1986) Proc Natl Acad Sei USA 83 (8): 2571-2575; Fraley et al. (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80: 4803-4807; Bevans et al. (1983) Nature 304: 184-187).
  • the expression cassette for example for the DSBI enzyme, is preferably integrated into special plasmids, either into a shuttle or intermediate vector or a binary vector. Binary vectors are preferably used. Binary vectors can replicate in both E.
  • coli and Agrobacterium can be transformed directly into Agrobacterium (Holsters et al. (1978) Mol Gen Genet 163: 181-187).
  • Various binary vectors are known and some are commercially available, for example pBIN19 (Clontech Laboratories, Inc. USA; Bevan et al. (1984) Nucl Acids Res 12: 8711).
  • the selection marker gene allows selection of transformed agrobacteria and is, for example, the nptll gene which confers resistance to kanamycin.
  • the binary plasmid can be transferred into the agrobacterial strain, for example, by electroporation or other transformation methods (Mozo & Hooykaas 1991, Plant Mol. Biol. 16, 917-918).
  • the coculture of the plant explants with the agrobacterial strain usually takes place for two to three days.
  • the agrobacterium which acts as the host organism in this case, should already contain a plasmid with the vir region.
  • Many strains of Agrobacterium tumefaciens are able to transfer genetic material, e.g. the strains EHAl01 [pEHAl01] (Hood EE et al. (1996) J Bacteriol 168 (3): 1291-1301), EHA105 [pEHA105] (Hood et al. (1993) Transgenic Research 2: 208-218), LBA4404 [ pAL4404] (Hoekema et al.
  • plant explants with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes are co-cultivated.
  • infected plant material e.g. leaf, root or stem parts, but also protoplasts or suspensions of plant cells
  • whole plants can be regenerated using a suitable medium, which can contain, for example, antibiotics or biocides for the selection of transformed cells.
  • a co-transformed selection marker allows the selection of transformed cells from untransformed (McCormick et al. (1986) Plant Cell Reports 5: 81-84).
  • the plants obtained can be grown, grown and crossed in a conventional manner. Two or more generations should be cultivated to ensure that genomic integration is stable and inheritable.
  • the Agrobacterium-mediated transformation is best suited for dicotyledonous plant cells, whereas the direct transformation techniques are suitable for every cell type.
  • the Agrobacterium-mediated transformation is particularly preferably used for the core transformation
  • the direct transformation techniques are particularly preferably used for the plastid transformation.
  • a complete plant can be obtained using methods known to the person skilled in the art. This is based, for example, on callus cultures. The formation of shoots and roots can be induced in a known manner from these still undifferentiated cell masses. The sprouts obtained can be planted out and grown.
  • a deletion is particularly advantageous since the selection marker is no longer absolutely necessary after the selection phase and is therefore superfluous. The deletion also increases consumer acceptance and is desirable considering regulatory considerations.
  • the plastid's protein synthesis apparatus does not become unnecessary burdened by the synthesis of the marker protein, which has a potentially advantageous effect on the properties of the corresponding plant.
  • recombinases that can be used are, for example: PhiC31 (Kuhstoss & Rao (1991) J Mol Biol 222: 897-908), TP901-1 (Christiansen et al. (1996) J Bacteriol 178: 5164-5173), xisF from Anabaena ( Ramaswamy et al. (1997) Mol Microbiol 23: 1241-1249), PhiLC3 integrase (Lillehaug et al. (1997) Gene 188: 129-136) or the recombinase encoded by the R4 phage gene (Matsuura et al (1996) J Bacteriol 178: 3374-3376).
  • the deletion is realized by intramolecular (eg intrachromosomal) recombination on the basis of sequence duplications introduced accordingly.
  • the efficiency of the latter can be increased by the targeted introduction of double-strand breaks near the sequence duplications (cf. FIG. 8).
  • the sequence to be deleted is flanked on both sides by homology sequences H1 and H2, which are of sufficient length and homology to recombine with one another.
  • the recombination is induced by inducing at least one sequence-specific double-strand break near one of the two homology sequences located in the DSB recognition sequence. This DSB recognition sequence is preferably located between the two homology sequences.
  • a DSBI enzyme is preferably expressed or introduced to induce the double-strand break. This method is particularly preferably used for the deletion of selection markers from the piastome.
  • Another object of the invention relates to the transplastomic, predominantly homoplastic, plants produced by the process according to the invention, and parts thereof, such as leaves, roots, seeds, fruits, tubers, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such.
  • Another object of the invention relates to the plants used in the method according to the invention which have an expression cassette according to the invention for a fusion protein from a PLS and a recombinase of the family of
  • Resolvases / invertases under the control of a promoter functional in the plant cell nucleus The expression cassette is particularly preferably stably integrated into the nuclear DNA. Also included are parts of the same, such as leaves, roots, seeds, tubers, fruits, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such plants.
  • the invention further relates to expression cassettes which contain nucleic acid sequences coding for recombinases of the resolvase / invertase family under the control of a promoter which is functional in plant plastids.
  • the expression cassette is particularly preferably stably integrated into the piastom. Also included are parts of the same, such as leaves, roots, seeds, tubers, fruits, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such plants.
  • Genetically modified plants according to the invention which can be consumed by humans and animals can also be used, for example, directly or after preparation known per se as food or feed.
  • the invention further relates to the use of the transplastomic, predominantly homoplastic, plants according to the invention described above and the cells, cell cultures, parts derived from them, such as roots, leaves, etc. in transgenic plant organisms, and transgenic propagation material such as seeds or fruits, for the production of food or feed, pharmaceuticals or fine chemicals.
  • Fine chemicals means enzymes such as the industrial enzymes mentioned below, vitamins such as tocopherols and tocotrienols (eg vitamin E) and vitamin B2, amino acids such as methionine, lysine or glutamate, carbohydrates such as starch, amylose, amylopectin or sucrose, fatty acids such as for example saturated, unsaturated and polyunsaturated fatty acids, natural and synthetic flavors, aromas such as linalo- 01. menthol, borneon (camphor), pinene, limonene or geraniol and dyes such as retinoids (e.g. vitamin A), flavonoids (e.g.
  • tocopherols and tocotrienols and carotenoids are particularly preferred.
  • the transformed host organisms and the isolation from the host organisms or from the growth medium are cultivated using methods known to those skilled in the art.
  • the production of pharmaceuticals such as antibodies or vaccines has been described (Hood EE, Jilka JM. (1999) Curr Opin Biotechnol. 10 (4): 382-386; Ma JK and Vine ND (1999) Curr Top Microbiol Immunol .236 : 275-92).
  • the method according to the invention is particularly suitable for the production of industrial enzymes in the context of so-called "phytofarming".
  • industrial enzymes lipases, esterases, proteases, nitrilases, acylases, epoxyhydrolases, amidases, phosphatases, xylanases, alcohol dehydrogenases, amylases, glucosidases, galactosidases, pullulanases, endocellulases, glucancleas, nuclitaminases, cellenase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, monolitase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cell
  • SEQ ID NO: 1 pCB42-94 base vector for plastid transformation.
  • SEQ ID NO: 6 oligonucleotide primers pl9 5 5 '-TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3'
  • SEQ ID NO: 7 oligonucleotide primer p20 5 '-GGGGTACCAAATCCAACTAG-3'
  • SEQ ID NO: 8 oligonucleotide primers p21: 5 '-GGAGCTCGCTCCCCCGCCGTCGTTC-3'
  • SEQ ID NO: 9 oligonucleotide primer p22 5 '-GATGCATGATGACTTGACGGCATCCTC-3'
  • Arabidopsis thaliana plastid isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) transit peptide.
  • SEQ ID NO: 27 45 nucleic acid sequence coding for the promoter PatpB / E-290 from tobacco. 28 SEQ ID NO: 28
  • SEQ ID NO: 38 oligonucleotide primer p65: 5 '-ATGGATCCATATGGCCATGGCACAAGGGGTTGTG-3'
  • SEQ ID NO: 39 oligonucleotide primer p66: 5 '-CCCGGGCTCGAGCTGCAGCTACGCCGCTACGTC -3' 40.
  • SEQ ID NO: 43 oligonucleotide primer p71: 5 '-TGGATCCATATGGCCATGGCTAAGAAAGTAG-3'
  • SEQ ID NO: 44 oligonucleotide primer p72: 5 '-CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG-3'
  • Binary vector pCB245-37 comprising expression cassette coding 20 for fusion protein from PLS and TP901-1 recombinase
  • 35 vector pCB384-40 comprising attP recognition region for the recombinase from TP901-1 and attP recognition region for the recombinase from ⁇ C31 and an expression cassette for the homing endonuclease I-Ppol
  • SEQ ID NO: 51 oligonucleotide primer p354
  • SEQ ID NO: 53 nucleic acid sequence coding for insert 5 from vector pCB557-l
  • SEQ ID NO: 54 nucleic acid sequence coding for the insert from vector pCB554-3
  • SEQ ID NO: 55 oligonucleotide primer p268
  • SEQ ID NO: 56 oligonucleotide primer p72
  • SEQ ID NO: 57 nucleic acid sequence coding for PCR product
  • SEQ ID NO: 58 nucleic acid sequence coding for Southern 0 blot probe
  • SEQ ID NO: 59 nucleic acid sequence coding for one
  • Promoter sequence derived from the consensus sequence of the ⁇ 70 promoters 5 from E. coli.
  • SEQ ID NO: 60 nucleic acid sequence coding for the insert from vector pCB487-20 comprising sequence coding for TP901 recombinase 0
  • U '/ W' Recombinase recognition site, can preferably only recombine with U / W
  • Hl, H2 pair of homologous sequences Hl and H2
  • Hl / 2 sequence as a result of the homologous recombination of Hl and H2
  • Fig.LA/B Introduction of a RE sequence in the piastom by means of double "cross-over"
  • an RE construct is first introduced into plastids of a higher plant.
  • the RE construct is preferably equipped with homologous target regions and with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR) and in this embodiment preferably contains a RE sequence.
  • the RE construct can - optionally - already encode further genes of interest. Usually homoplastic master plants are produced.
  • a / A 'or B / B' represents the result of a homologous recombination. Even if these sequences are still present in the piastom in subsequent steps, they are no longer shown in the corresponding figures, since they are functionally irrelevant are.
  • Fig. 2 Introduction of an insertion sequence with an expression cassette for a recombinase and possibly
  • Explants of the master plants produced by embodiment 1 are used for a further transformation with a circular transformation construct according to the invention.
  • the recombinase is expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter that is functional in plastids.
  • Fig.3 Introduction of an insertion sequence with a selection marker, if necessary, and other genes of interest and expression / introduction of the recombinase into trans
  • the recombinase is not encoded by the transformation construct, but rather is either expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the core) or in the form of RNA or as protein in the plastids.
  • This embodiment is particularly preferred when the transformation construct does not comprise any promoter elements and an expression of the encoded genes only after insertion. tion into the piastome using plastidic, endogenous promoters.
  • an RE construct with two RE sequences is first introduced into plastids of a higher plant.
  • the RE construct is preferably equipped with homologous target regions and with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR).
  • the two introduced RE sequences may be the same or different, but preferably cannot recombine with one another under the influence of a recombinase.
  • the RE construct can - optionally - already encode further genes of interest. Usually homoplastic master plants are produced.
  • Fig. 5 Introduction of an insertion sequence with two RE sequences and possibly with selection markers and other genes of interest
  • Explants of the master plants produced under embodiment 2 are used for a further transformation with a transformation construct according to the invention, which in turn has two RE sequences.
  • the construct can be linear or circular (Fig. 5).
  • the two RE sequences may be the same or different, but preferably cannot recombine with one another under the influence of a recombinase.
  • the recombinase or the recombinases can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the core) or in the form of RNA or as a protein in the plastids are transfected.
  • Fig. 6 Introduction of a RE / DSB construct with a RE sequence and a DSB recognition sequence
  • a RE / DSB construct with at least one RE sequence and one DSB recognition sequence is first introduced into plastids of a higher plant.
  • the RE construct is preferably homologous Target regions and equipped with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR).
  • the RE construct can - optionally - already encode other genes of interest - such as a negative selection marker. Usually homoplastic master plants are produced.
  • Fig. 7A-C Introduction of an insertion sequence and expression / introduction of a recombinase and a DSBI enzyme
  • Explants of the master plants produced according to embodiment 3 are used for a further transformation with a transformation construct according to the invention, which in turn has a RE sequence and additionally contains sequence sections which are homologous to those in the RE / DSB construct (e.g. Sequence of a selection marker or a part thereof).
  • a corresponding recombination product results from the action of a recombinase (FIG. 7A).
  • the recombinase can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the nucleus) or in the form of RNA or as protein in the plastids.
  • the recombination product is then exposed to the action of a DSBI enzyme that recognizes and cuts the DSB recognition sequence introduced by the RE / DSB construct.
  • the DSBI enzyme can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the nucleus) or in the form of RNA or as a protein in the plastids be transfected.
  • the cut creates an intramolecular homologous recombination between homologous sequences. In the case shown, these homologous sequences are represented, for example, by duplicating a selection marker or parts thereof.
  • the homologous recombination causes the deletion of the DSB recognition sequence. In a preferred embodiment, the homologous recombination additionally deletes a negative selection marker (FIG. 7B).
  • the piastomart produced in this way can no longer be cut by the DSBI enzyme which is still present, while the copies of the master plant produced with the RE / DSB construct, which have not yet inserted the insertion sequence by recombination, can still be cut.
  • This builds in Selection pressure, which - supported by a repair synthesis - leads to a rapid accumulation of the desired plastid DNA molecules (Fig. 7C).
  • the order of the expressed genes in an operon is interchangeable and can vary in the embodiments described above.
  • the recombinase and / or the DSBI enzyme can be expressed on the transformation construct and / or separately (in the core or plastids) or introduced in another way - for example by transfection with RNA or protein in plastids.
  • Fig. 8 Deletion of sequences by means of intramolecular homologous recombination induced by sequence-specific double-strand breaks
  • sequences for example coding for selection markers or DSBI enzymes — are preferably flanked by homology sequences Hl and H2 which are of sufficient length and homology to recombine with one another.
  • the recombination is induced by induction of at least one double-strand break between the two homology sequences located in the DSB recognition sequence.
  • a DSBI enzyme is preferably transiently expressed or introduced to induce the double-strand break (FIG. 8).
  • the order of the expressed genes in an operon is interchangeable and can vary in the embodiments described above. If only one homology sequence is used to insert the insertion sequence, it can also be located on the 5 '(as shown in the figures) or 3' side of the double-strand break.
  • the DSBI enzyme can be expressed on the transformation construct and / or separately (in the core or plastids) or introduced in another way - for example by transfection with RNA or protein in plastids.
  • Fig. 9 Southern analysis of predominantly homotransplastomas
  • A Wild-type and predominantly homotransplastome master plants were analyzed for the modification (introduction of a RE and DSB recognition sequence) in a Southern blot (cf. Example 4).
  • a band of approximately 3.8 kb was detected in the DNA treated here with HindIII (lanes 2, 3 and 4 corresponding to lines CB199NTH-4, -6, and -8), while a band was found in the unmodified wild-type plant of about 7.7 kb was detected (lane 5).
  • lines CB199NTH-4, -6, and -8 in addition to the expected approximately 3.8 kb band and the approximately 7.7 kb band, a band at approximately 5.2 kb can also be seen.
  • This band results (as illustrated in B) from the hybridization of the 16SrRNA promoter which is contained in the probe with the 16SrRNA promoter which can be found downstream of the selection marker aadA.
  • This approximately 5.2 kb band is significantly weaker than the 3.8 kb band because only a small proportion of the probe actually hybridizes with this fragment (wt, unmodified wild type plant; m - molecular size standard)
  • Fig. 11 Southern analysis of predominantly homotransplastomic plants
  • A Wild-type and predominantly homotransplastome master plants were analyzed for the modification (introduction of a RE and DSB recognition sequence) in a Southern (cf. Example 14). As a result of the modification, a band of approximately 1.7 kb was detected in the DNA treated here with EcoRI (lanes 1 and 4 corresponding to lines CB456NTH-1 and -15), while a band of approximately 3.1 kb was found in the unmodified wild-type plant was detected (lane 6). (wt - unmodified wild type plant; wild type - shows the expected fragment size in unmodified wild type plants; trans- genic - shows the expected fragment size in plants CB456NTH)
  • Expression cassette for the selection marker aadA Psynth. - synthetic promoter derived from the consensus sequence for E. coli ⁇ 70 promoters).
  • oligonucleotides can be carried out, for example, in a known manner using the phosphoamidite method (Voet, Voet, 2nd edition, Wiley Press New York, pages 896-897).
  • the cloning steps carried out in the context of the present invention such as e.g. Restriction cleavages, agorose gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linking of DNA fragments, transformation of E. coli cells, cultivation of bacteria, multiplication of phages and sequence analysis of recombinant DNA are like Sambrook et al. (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press; ISBN 0-87969-309-6.
  • the sequencing of recombinant DNA molecules is carried out with a laser fluorescence DNA sequencer ALF-Express (Pharmacia, Upsala, Sweden) according to the method of Sanger (Sanger et al. (1977) Proc Natl Acad Sei USA 74: 5463-5467).
  • Example 1 Creating a basic vector for plastid transformation
  • the selected target regions were cloned from the piastome of the tobacco variety SRI using PCR.
  • the left target region was amplified with the primers pl9 and p20.
  • pl9 5 '-TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3' (SEQ ID NO: 6)
  • p20 5 '-GGGGTACCAAATCCAACTAG-3' (SEQ ID NO: 7)
  • the primers p21 and p22 were used to amplify the right target region, with the latter primer also introducing spectinomycin resistance into the amplified part of the 16SrDNA in addition to the SRI resistance (binding type marker).
  • the two amplified regions were cloned into pBluescript and pZeroBlunt and sequenced.
  • the left and right target regions were then cloned into the backbone of the pUC19 vector.
  • the interfaces EcoO109l and PvuII of the vector were used for this.
  • a multiple cloning site from the pBluescript (from Kpnl to Sacl) was cloned between the left and right target regions. This is located in the base vector for the plastid transformation between the two plastidically encoded genes trnV and rrnl6.
  • This base vector for plastid transformation was given the designation pCB42-94 (SEQ ID NO: 1).
  • the vector contains the following sequence elements:
  • Position complementary bp 55-1405 right target region with the partial gene of 16SrRNA (complementary bp 56 to 1322). In the latter there are mutations for streptomycin resistance (SRI, position bp 346) and spectinomycin resistance (SPC1, position bp 68).
  • Example 2 Creation of a vector (pCB199-3) for the introduction of a non-naturally occurring DSB recognition sequence for the homing endonucleases
  • this vector with the designation pCB199-3 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with SEQ ID NO: 2.
  • the sequence which replaces the complete MCS from Kpnl to Sacl is given. However, due to the cloning strategy, there is no longer a Kpnl interface in the sequence given.
  • Example 3 Creation of a further vector (pCB401-20) for the introduction of a non-naturally occurring recognition region for the homing endonucleases I-Ppol and RE sequences (attB) for the recombinases ⁇ C31 and TP901-1 in the piastome of tobacco
  • the vector described here contains no promoter and 3'UTR, which was linked directly to the selection marker aadA. Rather, the expression of the aadA gene is controlled starting from the promoter of the trnV gene, which is located in the plastid genome or in the left target region upstream of the aadA gene.
  • the aim of creating this vector was to duplicate sequences to avoid cations by exploiting regulatory areas from the tobacco plastid genome. For this purpose, various elements were successively cloned into the multiple cloning site of the base vector pCB42-94 for the plastid transformation:
  • Ribosome binding site (complementary bp 1033 to 1050)
  • the vector obtained in this way also conferred spectinomycin resistance in E. coli.
  • this vector with the designation pCB401-20 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with the SEQ ID NO: 3.
  • the whole is the MCS replacing sequence (from Sacl to Kpnl) given.
  • Example 4 Creating predominantly homoplastomic tobacco master plants that have a non-natural DSB
  • the plasmid pCB199-3 was introduced into the plastids of tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana) as described below.
  • the regenerated plants were named CB199NTH. Independent lines have been given different end numbers (e.g. CB199NTH-4).
  • the vector pCB401-20 is introduced into the plastids of tobacco.
  • the resulting plants are designated CB401NTH accordingly.
  • leaf disks with a diameter of 2.0 to 2.5 cm were cut out from plants grown in vitro using a sterile cork borer and the top of each leaf was placed on a petri dish with bombardment medium (MS salts (Sig a-Aldrich): 4.3 g / L; sucrose: 30.0 g / L, phytoagar (Duchefa, P1003): 0.6% (w / v), pH 5.8
  • 1.0 mg / L thiamine Duchefa, T0614
  • 0.1 g / L myo-innositol Duchefa, 10609
  • the plasmid DNA to be transformed (purified from E. coli by means of Nucleobond AX100 Macherey & Nagel) applied according to the following protocol to 0.6 ⁇ gold particles ("coating").
  • 30 mg of gold powder (BioRad) was taken up in ethanol.
  • 60 ⁇ l of the gold suspension are transferred to a new Eppendorf tube and the gold particles are sedimented by centrifugation (for 10 seconds).
  • the gold particles were washed twice in 200 ⁇ l sterile water and, after a further centrifugation step, taken up in 55 ⁇ l water. With constant mixing (vortexing), the following was quickly added: 10
  • the particle cannon (BioRad, PDSlOOOHe) was prepared and the leaf explants at a distance
  • the leaf segments were transferred to fresh regeneration medium plus 500 mg / L spectinomycin. This process was repeated until green shoots formed on the explants. The rungs were separated with a scalpel and on growth medium (like bombardment medium, however
  • explants 45 can again be cut off from the regenerated plants and placed on regeneration medium with 1000 mg / L spectinomycin.
  • Regenerating shoots are placed in jars with growth medium plus 500 to 1000 mg / L spectinomycin. After rooting, the plants are transferred to the greenhouse and grown there until they reach seed maturity.
  • a corresponding probe for radioactive hybridization was created using the HighPrime (Röche) system.
  • the membrane was first washed for 1 h at 65 ° C. with HybPuffer (1% (w / v) bovine sums albumin; 7% (w / v) SDS; 1 mM EDTA; 0.5 M sodium phosphate buffer, pH 7.2). prehybridized.
  • the heat-denatured probe was then added and hybridization was carried out at 65 ° C. overnight.
  • the blots were then washed as follows: rinsing once with 2xSSPE / 0.1% SDS; for 15 min. wash at 65 ° C with 2xSSPE / 0.1% SDS; for 15 min.
  • the hybridization was then analyzed using a phospho-imager (Molecular Imager FX, BioRad).
  • CB199NTH-4, -6 and -8 hybridized with a radioactively labeled probe (1082 bp Bspl20I / SacI fragment from pCB199-3), which with part of the 16S rDNA hybridized. While, as expected, a band of approximately 3100 bp was detected in the wild type (untransformed plant), a band at 1750 bp was predominantly detected in the transplastomic lines, which results from the insertion of the insertion sequence from pCB199-3 into the piastom (FIG. 9 ). The plants obtained can be understood as predominantly homotransplastoma.
  • the PCR fragment obtained was cloned in pGEM-Teasy and sequenced.
  • the resulting vector was named pCBl09-28.
  • the gene coding for the recombinase was then fused to sequences which code for the IPP transit peptide and functionally coupled to the 35S promoter and before the ocs terminator.
  • a nos promoter - pat - nos terminator element was present as a selection marker, which allowed the selection of transgenic plants for phosphinotricin.
  • the finished binary construct was named pCBl93-17.
  • the sequence of the insert is described under SEQ ID NO: 40 and contains the following elements:
  • Position base pair 563 to 733 sequence coding for
  • Position base pair 749 to 2590 gene coding for the ⁇ C31
  • the plasmid pCB193-17 was transformed by means of agrobacterium-mediated transformation in tobacco (N. tabcum cv. Petit Havana) according to methods familiar to the person skilled in the art. Transgenic plants from this transformation were designated CB193NTH. Expression of the ⁇ C31 recombinase was detected using RealTime PCR.
  • the recombinase from the phage TP901-1 was present as a prophage in a lysogenic strain of Lactococcus lactis (strain 901-1)) was amplified by means of PCR.
  • the following oligonucleotides were used for this:
  • p72 CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 44)
  • the PCR fragment of 1486 bp obtained was cloned into pCR2.1-TOPO (Invitrogen) and sequenced.
  • the resulting vector was named pCBl27-2 (two differences were found in the sequence compared to the published sequence, one of which leads to an amino acid exchange (VIA)).
  • the gene coding for the recombinase was then fused to sequences which code for the IPP transit peptide and functionally coupled to the 35S promoter and before the ocs terminator.
  • a nos promoter - pat - nos terminator element was present as a selection marker, which allowed the selection of transgenic plants for phosphinotricin.
  • the finished binary construct was named pCB245-37.
  • the sequence of the insert is described under SEQ ID NO: 45 and contains the following elements:
  • Position base pair 568 to 738 sequence coding for IPP transit peptide
  • Position base pair 748 to 2205 gene coding for the TP901-1
  • Position base pair 2231 to 2422 ocs terminator
  • the plasmid pCB245-37 was transformed by means of agrobacterium-mediated transformation in tobacco (N. tabcu cv. Petit Havana) according to methods familiar to the person skilled in the art. Transgenic plants from this transformation were designated CB245NTH.
  • the Expression of the TP901-1 recombinase was detected using RealTime PCR.
  • the homing endonuclease I-Ppol was generated from 26 synthetically generated oligonucleotides by means of PCR based on the method of Stemmer WPC et al. (1995) Gene 164: 49-53 (SEQ ID NO: 4).
  • the underlying sequence was derived from the published sequence (Accession No. M38131 nucleotides 86 to 577). Some mutations were introduced to remove restriction endonuclease recognition sites from the gene, but none of them required an altered amino acid sequence.
  • the various elements necessary for such a vector were successively cloned into the backbone of pBLUESCRIPT.
  • the specified sequence replaces the multiple cloning site of pBLUESCRIPT from Kpnl to Sacl, the Kpnl interface no longer being functionally present in the specified sequence due to the cloning strategy.
  • the backbone of the vector corresponds to that of the pBLUESCRIPT.
  • the vector obtained was designated pCB249-24.
  • the insert is described by SEQ ID NO: 48 and comprises the following elements:
  • Position base pair 861 to 910 attP recognition region for the
  • Position base pair 925 to 1031 Prpsl6 promoter from tobacco
  • Position base pair 1076 to 1879 nptll gene
  • Example 9 Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of corresponding master plants and which enables a cut by a DSBI enzyme
  • the various elements necessary for such a vector were successively cloned into the backbone of pBLUESCRIPT.
  • the specified sequence replaces the multiple cloning site of pBLUESCRIPT from Kpnl to Sacl, the Kpnl interface no longer being functionally present in the specified sequence due to the cloning site.
  • the backbone of the vector corresponds to that of the pBLUESCRIPT.
  • the vector obtained was designated pCB384-40.
  • the insert is described by SEQ ID NO: 49 and comprises the following elements: i) Position base pair 70 to 765: homologous region to piastome sequences in the master plants CB199NTH - after integration of the insertion sequence under consideration here using PhiC31 recombinase, this region is duplicated as a direct "repeat" (same orientation) to the homologous sequences from CB199NTH. This allows the intrachromosomal recombination after the insertion of the insertion sequence, which leads to the elimination of the I-Ppol recognition region from the piastom copies already modified by insertion. It contains complementary from base pair 70 to
  • the insertion sequence was first cut out of the plasmid in vitro and then circularized. 5 ⁇ g of the DNA from pCB249-24 were incubated for 2 hours with 10 U Sall (Röche) and 10U Xhol (Röche) in a 20 ⁇ l restriction mixture under the conditions specified by the manufacturer. The mixture was then incubated at 65 ° C. for 20 minutes. A ligation reaction was carried out at 14 ° C. overnight (addition of 5 ⁇ l lOx ligase buffer, 2U T4 ligase (Röche) to the restriction mixture and make up to 50 ⁇ l with water). Recircularization of the fragments was predominantly observed under the chosen conditions (not shown).
  • the DNA was extracted from the ligation mixture using the Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega). cleaned. The ligation approach was used instead of bacteria. In contrast to the manufacturer's protocol, the DNA was eluted in 30 ⁇ l (instead of 50 ⁇ l) of water. The DNA purified in this way was used in a coating mixture as described in Example 4 (less than the 55 ⁇ l of water specified above was then used).
  • Example 4 The DNA was then shot onto tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana CB199NTH X CB193NTH) leaves as described in Example 4. In contrast to the information in Example 4, the selection is made for 30, 50 or 100 mg / L kanamycin.
  • the insertion sequence was first cut out of the plasmid in vitro and then circularized. 5 ⁇ g of the DNA from pCB384-40 were incubated with 10 U Sall (Röche) and 10U Xhol (Röche) in a 20 ⁇ l restriction mixture under the conditions specified by the manufacturer for 2 h. The mixture was then incubated at 65 ° C. for 20 minutes. A ligation reaction was carried out at 14 ° C. overnight (addition of 5 ⁇ l lOx ligase buffer, 2U T4 ligase (Röche) to the restriction mixture and make up to 50 ⁇ l with water). Recircularization of the fragments was predominantly observed under the chosen conditions
  • the DNA was purified from the ligation mixture using the Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega). The ligation approach was used instead of bacteria. In contrast to the manufacturer's protocol, the DNA was eluted in 30 ⁇ l (instead of 50 ⁇ l) of water. The DNA purified in this way was used in a coating mixture as described in Example 4 (less than the 55 ⁇ l of water specified above was then used). The DNA was then shot onto tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana CB199NTH X CB193NTH) leaves as described in Example 4. In contrast to the information in Example 4, the selection is made for 30, 50 or 100 mg / L kanamycin.
  • Example 13 Creating another vector (pCB456-2) for the introduction of a non-naturally occurring one
  • the aim of this approach was to create a further vector for plastid transformation which did not have any comprehensive homologies to sequences in the plastid genome owns.
  • the selection marker aadA in this plasmid is under the control of a synthetic promoter, which is derived from the consensus sequence for E. coli ⁇ 70 promoters.
  • a region downstream of the 3'psbA-1 gene from Synechocystis was used as the 3 'end.
  • the RE sequence was located immediately downstream, but upstream introduced 3 psbA l ⁇ sequence from Synechocystis in the molecule of the aadA gene which here.
  • the genes on the insertion sequence can then - optionally - be inserted without a promoter on the insertion sequence. After the insertion, corresponding genes in the insertion sequence then also come under the control of the synthetic promoter upstream of the aadA gene in the master plant. This allows - optionally - to create an operon structure consisting of the aadA and the genes introduced below in the piastom.
  • Synthetic promoter (complementary bp 1226-1260) b) Ribosome binding site (complementary bp 1214-1218) c) aadA gene (complementary bp 414-1208) d) Core recognition region for the homing endonuclease I-Ppol (complementary bp 331-345 ) e) attB RE sequence for the recombinases ⁇ C31 (bp 285-324) and TP901-1 (complementary bp 276-176) f) 3'psbA-l from Synechocystis (complementary bp 19-155)
  • the vector obtained in this way also conferred spectinomycin resistance in E. coli.
  • this vector called pCB456-2 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with SEQ ID NO: 50.
  • the entire MCS is replacing Sequence (from Sacl to Kpnl) given.
  • Example 14 Creation of predominantly homotransplastomic master plants which contain a non-natural DSB recognition sequence and non-natural RE sequences (attB)
  • Example 4 Analogously to pCB199-3 in Example 4, the vector pCB456-2 was introduced into the plastids of tobacco. Deviating from the description in Example 4, however, the shoots obtained were grown on growth medium which contained 30 g / L sucrose (instead of the game 4 specified 10 g / L), cultivated. The resulting plants were named CB456NTH. Southern hybridization identified 2 lines (CB456NTH-1 and -15) from the spectinomycin-resistant plants which were obtained after the transformation and which had inserted the insertion sequence from pCB456-2 into their piastome. In the Southern experiment, a probe was used (SEQ ID NO: 58) which was directed against a fragment of the 16SrDNA.
  • This probe was suitable for detecting a fragment of approximately 3.1 kb from DNA which had been digested with EcoRI and which corresponds to the wild type. In contrast, an approximately 1.7 kb fragment was detected when the insertion sequence from pCB456-2 had been inserted into the corresponding piastom copies (see FIG. 11).
  • Example 15 Creating a sequence of the TP901-1 recombinase with a modified amino acid sequence
  • a PCR reaction was carried out with pCBl27-2 as the template and the oligonucleotides p354 (SEQ ID NO: 51) and p355 (SEQ ID NO: 52) as the primer, in order to insert a ribosome binding site upstream of the sequence coding for the TP901-1 recombinase and correct the described deviation in the amino acid sequence (see Example 5.2).
  • the amplified 5 V region of the recombinase was cloned into pCR4Blunt TOPO (Invitrogen) and then ligated as a Spel ⁇ HindiII fragment into the vector pCB127-2 treated with Xbal and HindIII.
  • the resulting vector was named pCB487-20.
  • the insert in this vector is described by SEQ ID NO: 60. It includes a ribosome site and codes for the TP901-1 recombinase (with a native amino acid sequence; SEQ ID NO: 61).
  • Example 16 Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of master plants CB456NTH and additionally enables a cut by a DSBI enzyme
  • SEQ ID No: 53 includes the following elements:
  • Position base pair 150-460 homologous region to plastome sequences of the master plant CB456NTH - after integration of the insertion sequence considered here using asC31 or TP901 recombinase, this region is duplicated as a direct “repeat” (same orientation) to the homologous sequences from CB456NTH This allows intrachromosomal recombination after insertion of the insertion sequence, which leads to the elimination of the I-Ppol recognition region from the plastom copies of the master plant which have already been modified by insertion.
  • Insertion sequence no longer encoded for a functional DSBI enzyme This vector was created as follows. Vector pCB557-l was treated with the restriction enzyme Eco0109l. This removed a 230 bp fragment from the gene coding for the homing endonuclease I-Ppol. The remaining vector portion was recircularized in a ligation reaction. The resulting vector was named pCB559-6.
  • the insert in pCB554-3 is described by SEQ ID NO: 54.
  • the vector backbone corresponds to that of the pBLUESCRIPT.
  • Example 16 Creation of an in vitro PCR product for the transient, plastid expression of the TP901 recombinase
  • telomere sequence The gene coding for the TP901-1 recombinase from pCB487-20 was fused with a synthetic promoter in a suitable orientation. The fusion product is then amplified by means of PCR; the resulting product is called PCR TP-Rek.
  • p268 TCGACTTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACATG (SEQ ID NO: 55)
  • p72 CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 56)
  • TP-Rek comprises 1527 bp (SEQ ID NO: 57) and comprises the following elements:
  • Example 17 Transformations of CB456NTH master plants for the integration of an insertion sequence by means of recognition site-specific recombination
  • the insertion sequence or the entire insertion construct is to be incorporated into the plastome sequence of the master plants CB456NTH by the transient expression of the recombinase in plastids.
  • the corresponding DNA is applied to the gold particles analogously to Example 4.
  • the following combinations of DNA are introduced simultaneously into the plastids of the master plants CB456NTH. If only the insertion sequence is introduced into the plastids, this is first cut out of the insertion construct in vitro as described in Example 12 (in the case of pCB559-6 and pCB557-l this is done with the help of the restriction endonuclease Kpnl) and circularized. If the entire, untreated insertion construct is used in the transformation, the vector backbone is also incorporated into the plastids.
  • the particle cannon transformation process is essentially as described in Example 14 for the creation of CB456NTH.
  • the bombardment medium is replaced by regeneration medium and instead of spectomycin, kanamycin is used as a selective agent.
  • the bombarded explants remain on regeneration medium for 2 days and are then cut into segments of approximately 0.5 cm2. These are incubated for 4 to 6 weeks on regeneration medium plus 30 mg / L kanamycin. The explants are then incubated for 7 to 10 weeks on regeneration medium plus 50 mg / L kanamycin. The explants are then - optionally - incubated on regeneration medium plus 80 mg / L kanamycin. Emerging plants are again placed on growth medium (plus kanamycin) until they form roots. Rooting can also take place in the absence of the selective agent.

Abstract

The invention relates to new methods for producing transgenic plants with genetically modified plastids and the transgenic plants produced by said methods.

Description

Verfahren zur Transformation von pflanzlichen PiastidenProcess for the transformation of plant plastids
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verfahren zur Herstellung transgener Pflanzen mit gentechnisch veränderten Piastiden, sowie die mit diesen Verfahren hergestellten transgenen Pflanzen.The present invention relates to new processes for the production of transgenic plants with genetically modified plastids, and to the transgenic plants produced by these processes.
Ziel biotechnologischer Arbeiten an Pflanzen ist die Herstellung von Pflanzen mit vorteilhaften, neuen Eigenschaften zum Beispiel zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität, zur Qualitätssteigerung bei Nahrungsmitteln oder zur Produktion bestimmter Chemikalien oder Pharmazeutika.The aim of biotechnological work on plants is the production of plants with advantageous new properties, for example to increase agricultural productivity, to increase the quality of food or to produce certain chemicals or pharmaceuticals.
Piastiden stellen Organellen innerhalb pflanzlicher Zellen mit einem eigenen Genom dar. Sie haben eine wesentliche Funktion in der Photosynthese sowie der Aminosäure- und Lipidbiosynthese . Das Genom der Piastiden besteht aus einer doppelsträngigen, zirku- lären DNA mit einer durchschnittlichen Größe von 120 bis 160 kb und liegt - z.B. in Blattzellen - mit ca. 1900 bis 50000 Kopien pro Zelle vor (Palmer (1985) Ann Rev Genet 19:325-54). Ein einzelnes Plastid trägt dabei eine Kopienzahl von ca. 50 bis 100. Der Begriff der Piastiden umfasst Chloroplasten, Proplastiden, Etioplasten, Chromoplasten, Amyloplasten, Leukoplasten und Elaio- plasten (Heifetz P (2000) Biochimie 82:655-666). Die verschiedenen Formen sind in einander überführbar und entstehen alle aus den Proplastiden. Daher enthalten alle Ausprägungsformen der Piastiden die gleiche Erbinformation. Bevorzugt werden in der Literatur jedoch grüne Zellen, die Chloroplasten als Ausprägungsform enthalten, als Ausgangsmaterial für die Transformation von Piastiden genutzt.Piastids are organelles within plant cells with their own genome. They have an essential function in photosynthesis as well as amino acid and lipid biosynthesis. The plastid genome consists of a double-stranded, circular DNA with an average size of 120 to 160 kb and lies - e.g. in leaf cells - with approximately 1900 to 50000 copies per cell before (Palmer (1985) Ann Rev Genet 19: 325-54). A single plastid has a copy number of approx. 50 to 100. The term plastids encompasses chloroplasts, proplastids, etioplasts, chromoplasts, amyloplasts, leukoplasts and elaloplasts (Heifetz P (2000) Biochimie 82: 655-666). The different forms can be converted into one another and all arise from the proplastids. Therefore, all forms of the plastids contain the same genetic information. In the literature, however, green cells which contain chloroplasts as a form of expression are preferably used as the starting material for the transformation of plastids.
Neben Tabak wurde die Piastidentransformation in Kartoffel (Sidorov VA et al . (1999) Plant J 19:209-216; WO 00/28014),In addition to tobacco, the plastid transformation in potatoes (Sidorov VA et al. (1999) Plant J 19: 209-216; WO 00/28014),
Petunie (WO 00/28014), Reis (Khan MS und Maliga P (1999) NaturePetunia (WO 00/28014), rice (Khan MS and Maliga P (1999) Nature
Biotech 17:910-915; WO 00/07431; US 6,153,813), ArabidopsisBiotech 17: 910-915; WO 00/07431; US 6,153,813), Arabidopsis
(Sikdar SR et al . (1998) Plant Cell Reports 18: 20-24;(Sikdar SR et al. (1998) Plant Cell Reports 18: 20-24;
WO 97/32977) und Raps (WO 00/39313) gezeigt (Übersichtsartikel: Bogorad L (2000) TIBTECH 18:257-263). Kürzlich wurden auch trans- plastome Tomatenpflanzen beschrieben (Ruf S et al . (2001) NatureWO 97/32977) and rapeseed (WO 00/39313) (review article: Bogorad L (2000) TIBTECH 18: 257-263). Recently, plastoplastome tomato plants have also been described (Ruf S et al. (2001) Nature
Biotech 19:870- 875) .Biotech 19: 870-875).
Es ist für die Pflanzenbiotechnologie von großem wirtschaftlichen Interesse, effiziente Methoden für die Piastidentransformation zu entwickeln (McFadden G (2001) Plant Physiol. 125:50-53). Die stabile Transformation von Piastiden höherer Pflanzen gehört dabei zu den großen Herausforderungen.It is of great economic interest for plant biotechnology to develop efficient methods for plastid transformation (McFadden G (2001) Plant Physiol. 125: 50-53). The stable transformation of plastids of higher plants is one of the major challenges.
Die bei der Insertion in die nukleare DNA oft angewandte 5 Technik der ungezielten (illegitimen) DNA-Insertion hat bei der Piastidentransformation den Nachteil, dass mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf dem gendichten plastidären Genom ein essentielles Gen getroffen wird, was häufig letal für die Pflanze wäre. In Piastiden ist daher eine gezielte Insertion von Fremd- 10 DNA vorteilhaft.The technique of non-targeted (illegitimate) DNA insertion that is often used when inserting into nuclear DNA has the disadvantage in plastid transformation that it is very likely that an essential gene will be struck on the gene-tight plastid genome, which would often be lethal for the plant , A targeted insertion of foreign DNA is therefore advantageous in plastids.
Verschiedene Verfahren zur gezielten Insertion in das plastidäre Genom sind beschrieben. Zuerst wurde die Piastidentransformation in Grünalgen beschrieben (Boynton JE et al. (1988) Science 240: 15 1534-1538; Blowers AD et al. (1989) Plant Cell 1:123-132), später in höheren Pflanzen wie Tabak (Svab Z et al . (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87:8526-8530).Various methods for targeted insertion into the plastid genome have been described. The plastid transformation in green algae was first described (Boynton JE et al. (1988) Science 240: 15 1534-1538; Blowers AD et al. (1989) Plant Cell 1: 123-132), later in higher plants such as tobacco (Svab Z et al. (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87: 8526-8530).
EP-A 0 251 654, US 5,932,479, US 5,451,513, US 5,877,402,EP-A 0 251 654, US 5,932,479, US 5,451,513, US 5,877,402,
20 WO 01/64024, WO 00/20611, WO 01/42441, WO 99/10513, WO 97/32977, WO 00/28014, WO 00/39313 beschreiben Methoden und DNA-Konstrukte zur Transformation von Piastiden höherer Pflanzen, wobei die zu transformierende DNA über homologe Rekombination ("Doppel- Crossover" ) in das Piastom (Piastidengenom) eingebaut wird. Im20 WO 01/64024, WO 00/20611, WO 01/42441, WO 99/10513, WO 97/32977, WO 00/28014, WO 00/39313 describe methods and DNA constructs for transforming plastids of higher plants, the DNA to be transformed is incorporated into the piastome (piastid genome) via homologous recombination ("double crossover"). in the
25 allgemeinen werden auf jeder Seite der zu insertierenden Sequenz homologe Regionen von 1000 bp oder mehr genutzt. Dies führt sehr schnell zu großen Vektoren, deren Handhabung wenig komfortabel ist. Darüber hinaus sinkt die Effizienz der Transformation. Mit zunehmender Länge der zu integrierenden Fremd-DNA sinkt die25 general homologous regions of 1000 bp or more are used on each side of the sequence to be inserted. This very quickly leads to large vectors, whose handling is not very comfortable. In addition, the efficiency of the transformation decreases. The decreases with increasing length of the foreign DNA to be integrated
30 Effizienz der homologen Rekombination. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass für jede Pflanzenart ein homologer Bereich identifiziert werden muss, der für den Prozess der DNA Integration mittels Doppel-Crossover genutzt werden kann. WO 99/10513 beansprucht, eine intergenische DNA Sequenz identifiziert zu30 Efficiency of homologous recombination. Another disadvantage is the fact that a homologous area must be identified for each plant species that can be used for the process of DNA integration by means of double crossover. WO 99/10513 claims to identify an intergenic DNA sequence
35 haben, die ausreichend homolog zwischen den Genomen der Chloroplasten vieler höherer Pflanzen sei und so als universelle Zielsequenz fungieren kann. Dass dieser Vektor bei anderen Arten als Tabak erfolgreich genutzt werden kann, wurde indies nicht nachgewiesen. Im Gegenteil: In WO 01/64024 passt derselbe Erfinder 0 den Transformationsvektor an Nicht-Tabak Pflanzenarten an, indem er aus diesen isolierte homologe DNA-Sequenzen verwendet. Da bei allen der oben beschriebenen Verfahren nur wenige Rekombinations- ereignisse resultieren, ist eine Selektion der rekombinanten plastidären DNA-Moleküle erforderlich. 5 Die Plastiden-DNA höherer Pflanzen liegt in bis zu mehreren tausend Kopien pro Zelle vor. Um eine stabile Integration der Fremd-DNA zu erreichen, müssen alle Kopien der Plastiden-DNA gleichermaßen verändert werden. Im Fall der Plastidentrans- formation spricht man davon, den homotransplastomen Zustand erreicht zu haben. Diesen Zustand erreicht man durch einen sogenannten "segregation and sorting" Prozess, indem man die Pflanzen unter ständigen Selektionsdruck hält. Durch den anhaltenden Selektionsdruck werden während der Zeil- und Piastidenteilung solche Piastiden angereichert, in denen bereits viele Kopien der plastidären DNA verändert wurden. Der Selektionsdruck wird aufrecht gehalten, bis der homotransplastome Zustand erreicht ist (Guda C et al . (2000) Plant Cell Reports 19:257-262). Es ist eine große Herausforderung, alle Kopien des Piastidengenoms zu ver- ändern, um homotransplastome Pflanzen zu erhalten, die auch über Generationen ohne Zugabe eines Selektionsmittels das Fremdgen stabil in ihr plastidäres Genom eingebaut haben (Bogorad L (2000) TIBTECH 18:257-263). Zusätzlich zu dem ständigen Selektionsdruck wird gegebenenfalls durch wiederholte Regeneration bereits trans- formierten Gewebes das Erreichen des homotransplastomen Zustand sichergestellt (Svab Z und Maliga P (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90:913-917). Dies jedoch schränkt das Pflanzenmaterial, welches für die Piastidentransformation zur Verfügung steht, ein. Es wird daher vorgeschlagen, das Transgen ggf. mit einem anderen Gen, welches essentiell für das Überleben der Pflanze ist, zu koppeln. Allgemein wird als einzige Pflanzenart, deren Piastiden effizient transformiert werden können, Tabak angesehen. Die Limitierung der Technik wird vor allem in der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Gewebekultur und den Regenerationsprotokollen gesehen (Ruf, S. et al. 2001 Nature Biotech. 19: 870-875). Gewebekultur-Techniken und Selektionsprozesse sind meist nicht universell auf alle Pflanzenarten anwendbar und stellen eine wesentliche Limitierung der Piastidentransformation dar, die insbesondere die Übertragbarkeit der Methode auf andere Arten als Tabak betrifft (Kota M et al. (1999) Proc Natl Acad Sei USA 96:1840- 1845). Eine kürzlich veröffentlichte Transformation von Piastiden von Tomate basiert auf Modifikationen im Regenerations- und Selektionsschema (Ruf S et al. (2001) Nature Biotech 19:870-875), die jedoch kosten- und zeitintensiv sind. Ein anderer Ansatz zielt darauf ab, die Anzahl der Piastiden pro Zelle und der DNA Moleküle pro Plastid zu reduzieren, um so weniger DNA Moleküle modifizieren zu müssen (Bogorad L (2000) TIBTECH 18:257-263). Insgesamt sind die Selektions- und Segregationsprozesse sehr zeitaufwendig.35, which is sufficiently homologous between the genomes of the chloroplasts of many higher plants and can thus act as a universal target sequence. However, it has not been proven that this vector can be successfully used in species other than tobacco. On the contrary: In WO 01/64024 the same inventor 0 adapts the transformation vector to non-tobacco plant species by using homologous DNA sequences isolated therefrom. Since only a few recombination events result in all of the methods described above, a selection of the recombinant plastid DNA molecules is necessary. 5 The plastid DNA of higher plants is available in up to several thousand copies per cell. To achieve a stable integration of the foreign DNA, all copies of the plastid DNA must be changed equally. In the case of plastid transformation, one speaks of having reached the homotransplastomic state. This state is achieved through a so-called "segregation and sorting" process, in which the plants are kept under constant selection pressure. Due to the persistent selection pressure, those plastids in which many copies of the plastid DNA have already been changed are enriched during the division of the cells and plastids. The selection pressure is maintained until the homotransplastoma is reached (Guda C et al. (2000) Plant Cell Reports 19: 257-262). It is a major challenge to modify all copies of the plastid genome in order to obtain homotransplastome plants that have stably incorporated the foreign gene into their plastid genome without the addition of a selection agent for generations (Bogorad L (2000) TIBTECH 18: 257-263 ). In addition to the constant selection pressure, repeated regeneration of already transformed tissue ensures that the homotransplastomic state is reached (Svab Z and Maliga P (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90: 913-917). However, this limits the plant material that is available for plastid transformation. It is therefore proposed to couple the transgene with another gene that is essential for the survival of the plant. In general, tobacco is regarded as the only plant species whose plastids can be transformed efficiently. The limitation of the technique is seen above all in the currently available tissue culture and the regeneration protocols (Ruf, S. et al. 2001 Nature Biotech. 19: 870-875). Tissue culture techniques and selection processes are usually not universally applicable to all plant species and represent a significant limitation of plastid transformation, which particularly affects the transferability of the method to species other than tobacco (Kota M et al. (1999) Proc Natl Acad Sei USA 96: 1840-1845). A recently published transformation of tomato plastids is based on modifications in the regeneration and selection scheme (Ruf S et al. (2001) Nature Biotech 19: 870-875), which, however, are costly and time-consuming. Another approach aims to reduce the number of plastids per cell and the number of DNA molecules per plastid so that fewer DNA molecules have to be modified (Bogorad L (2000) TIBTECH 18: 257-263). Overall, the selection and segregation processes are very time consuming.
WO 99/10513 beschreibt ein Verfahren bei dem auf dem zu transformierenden Plasmid ein plastidärer ORI (origin of replication, Replikationsursprung) lokalisiert wird, um so die Anzahl der für die Integration in das Piastidengenom zur Verfügung stehenden Kopien des zu transformierenden Vektors zu erhöhen (Guda C et al . (2000) Plant Cell Reports 19:257-262).WO 99/10513 describes a method in which a plastid ORI (origin of replication, origin of replication) is located on the plasmid to be transformed, so as to determine the number of to increase the integration into the plastid genome available copies of the vector to be transformed (Guda C et al. (2000) Plant Cell Reports 19: 257-262).
Die Notwendigkeit die Technik der Piastidentransformation zu verbessern wird auch bei Heifetz und Tuttle erwähnt (Heifetz P und Tuttle AM (2001) Curr Opin Plant Biol 4:157-161). WO 00/32799 lehrt, die Effizienz der Piastidentransformation durch den Einsatz von Pflanzen mit vergrößerten Plastiden zu erhöhen. Dadurch ergibt sich eine große Oberfläche der Plastiden, durch die die zu transformierende DNA leichter in die Plastiden eindringen kann. Der Mechanismus der DNA Integration erfolgt aber auch hier mittels konventioneller homologer Rekombination wie bei den oben beschriebenen Verfahren.The need to improve the technique of plastid transformation is also mentioned in Heifetz and Tuttle (Heifetz P and Tuttle AM (2001) Curr Opin Plant Biol 4: 157-161). WO 00/32799 teaches to increase the efficiency of plastid transformation by using plants with enlarged plastids. This results in a large surface area of the plastids, through which the DNA to be transformed can penetrate the plastids more easily. The mechanism of DNA integration also takes place here by means of conventional homologous recombination as in the methods described above.
Die homologe Rekombination selber wird nicht als Ansatzpunkt für weitere Optimierungsmöglichkeiten diskutiert, da sie in Plastiden als hoch und damit nicht limitierend angesehen wird (Bock R und Hagemann R (2000) Progress in Botany. 61:76-90; Maliga P et al . (1994) Homologous recombination and Integration of foreign DNA in plastids of higher plants. In: Homologous recombination and gene silencing in plants. Paszkowski J ed., Kluwer Acade ic publishers, S.83-93; Carrer H und Maliga P (1995) Bio/Technology 13: 791-794) .Homologous recombination itself is not discussed as a starting point for further optimization options, since it is considered to be high in plastids and therefore not limiting (Bock R and Hagemann R (2000) Progress in Botany. 61: 76-90; Maliga P et al. ( 1994) Homologous recombination and integration of foreign DNA in plastids of higher plants. In: Homologous recombination and gene silencing in plants. Paszkowski J ed., Kluwer Acade ic publishers, p.83-93; Carrer H and Maliga P (1995) Bio / Technology 13: 791-794).
Allgemein werden also optimierte Gewebe- und Regenerationstechniken als Ansatz favorisiert, die jedoch den Nachteil haben, dass sie nicht universell auf alle Pflanzenarten anwendbar sind, sondern jeweils an deren Eigenarten angepasst werden müssen. Nur zwei Arbeiten schlagen vor, auch durch eine Verbesserung derIn general, optimized tissue and regeneration techniques are favored as an approach, but they have the disadvantage that they are not universally applicable to all plant species, but must be adapted to their characteristics. Only two works suggest, also by improving the
Insertionshäufigkeit der zu transformierenden DNA in die DNA von Organellen die Transformation dieser zu verbessern. In dem einen Fall wird dabei keine technische Lehre beschrieben, wie man eine Verbesserung der Integrationshäufigkeit in plastidäre DNA er- reichen kann (van Bei AJE et al . (2001) Curr Opin Biotechnol. 12: 144-149). Odom OW et al . (2001 Mol. Cell Biol. 21: 3472-3481) schlagen allgemein vor, die Transformationseffizienz durch Verwendung selten schneidende Restriktionsendonuklease zu steigern.Frequency of insertion of the DNA to be transformed into the DNA of organelles to improve the transformation of these. In one case, no technical teaching is described on how to improve the frequency of integration into plastid DNA (van Bei AJE et al. (2001) Curr Opin Biotechnol. 12: 144-149). Odom OW et al. (2001 Mol. Cell Biol. 21: 3472-3481) generally suggest increasing transformation efficiency by using rarely cutting restriction endonuclease.
Sequenzspezifische Rekombinasen bewirken - in Abhängigkeit von der Lokalisation und Orientierung der entsprechenden Erkennungssequenzen - eine Insertion, Excision, Translokation oder Inversion von Nukleinsäurefrag enten. Es wird zwischen den Familien der Integrasen, wie beispielsweise Cre oder Flp, und der Familie der Resolvasen/Invertasen, wie beispielsweise die ΦC31 Rekombinase, die TP901-1 Rekombinase, die Gin Rekombinase, die Hin Rekombinase etc. unterschieden.Depending on the location and orientation of the corresponding recognition sequences, sequence-specific recombinases cause an insertion, excision, translocation or inversion of nucleic acid fragments. There is a difference between the families of integrases, such as Cre or Flp, and the family of resolvases / invertases, such as that ΦC31 recombinase, the TP901-1 recombinase, the gin recombinase, the Hin recombinase etc.
Diese Enzyme erkennen in der Regel relativ kurze, spezifische Nukleinsäuresequenzen, die sowohl der Erkennung als auch der Rekombination dienen. Beispielhaft seien die Cre Rekombinase (Sternberg und Hamilton (1981) J Mol Biol 150:467-486), die Flp Rekombinase (Brosch et al. (1982) Cell 29:227-234) und die R Rekombinase (Matsuzaki et al. (1990) J Bacteriology 172:610-618) zu nennen.These enzymes usually recognize relatively short, specific nucleic acid sequences that are used both for recognition and for recombination. Examples include the Cre recombinase (Sternberg and Hamilton (1981) J Mol Biol 150: 467-486), the Flp recombinase (Brosch et al. (1982) Cell 29: 227-234) and the R recombinase (Matsuzaki et al. ( 1990) J Bacteriology 172: 610-618).
Die Cre Rekombinase erlaubt es dem Bacteriophagen Pl, während seines Lebenszyklus ein monomeres Phagengenom zu erhalten, indem die während der Replikation erzeugten Sequenzduplikationen durch die Rekombinase ausgeschnitten werden (Guo et al. (1997) Nature 389:40-46) . Cre ist ein 38 kD Protein und katalysiert die Rekombination zwischen zwei 34 Basenpaarsequenzen (loxP) .The Cre recombinase allows the bacteriophage PI to obtain a monomeric phage genome during its life cycle by cutting out the sequence duplications generated during the replication by the recombinase (Guo et al. (1997) Nature 389: 40-46). Cre is a 38 kD protein and catalyzes the recombination between two 34 base pair sequences (loxP).
loxP 5 ' -ATAACTTCGTATA GCATACAT TATACGAAGTTAT-3 'loxP 5 '-ATAACTTCGTATA GCATACAT TATACGAAGTTAT-3'
LoxP besteht aus zwei 13 Basenpaar palindromischen Sequenzen getrennt von einer 8 Basenpaar Kernsequenz ("Spacer"). Die "Repeat"-Sequenzen fungieren als Bindesequenzen der Cre-Rekombi- nase, wohingegen der Sequenzschnitt ("Kreuzung der zu rekombi- nierenden Sequenzen") in der "Spacer" Region erfolgt. Vermutlich wird ein Übergangskomplex aus vier Cre-Molekülen und zwei loxP Sequenzen gebildet (Guo et al . (1997) Nature 389:40-46). Die Asymmetrie der "Spacer" Region bedingt die Richtung der Rekombination. Sind die beiden Rekombinationssequenzen gleichgerichtet, so erfolgt Integration bzw. Excision. Ist die Orientierung gegenläufig, so erfolgt Inversion (Yang and Mizuuchi (1997) Structure 5:1401-1406). Cre ist in einer Vielzahl von Organismen aktiv, einschließlich Pflanzen (Albert et al. (1995) Plant J 7:649-659; Dale und OW (1990) Gene 91:79-85; Odell et al . (1990) Mol Gen Genet 223:369- 378). Cre kann eine sequenzspezifische Insertion beispielsweise in Hefe oder Säugerzellen bewirken (Sauer und Henderson (1990) New Biol 2:441-449).LoxP consists of two 13 base pairs of palindromic sequences separated from an 8 base pair core sequence ("spacer"). The “repeat” sequences act as binding sequences of the Cre recombinase, whereas the sequence cut (“crossing of the sequences to be recombined”) takes place in the “spacer” region. A transition complex is presumably formed from four Cre molecules and two loxP sequences (Guo et al. (1997) Nature 389: 40-46). The asymmetry of the "spacer" region determines the direction of the recombination. If the two recombination sequences are aligned, integration or excision takes place. If the orientation is opposite, inversion occurs (Yang and Mizuuchi (1997) Structure 5: 1401-1406). Cre is active in a variety of organisms, including plants (Albert et al. (1995) Plant J 7: 649-659; Dale and OW (1990) Gene 91: 79-85; Odell et al. (1990) Mol Gen Genet 223: 369-378). Cre can effect a sequence-specific insertion, for example in yeast or mammalian cells (Sauer and Henderson (1990) New Biol 2: 441-449).
Das Flp Inversionssystem der Hefe S. cerevisiae (2μ Plasmid) basiert auf der Nutzung einer Int-Flp Rekombinase. Flp erkennt eine Region - genannt FRT - bestehend zwei jeweils 13 Basenpaar langen invertierten "Repeat"-Sequenzen, getrennt durch eine Sequenz (Spacer) von 8 bp. Ein in der natürlichen Sequenz weiterhin vorliegender dritter Repeat scheint für die Funktionalität nicht essentiell zu sein. Essentiell ist eine invertierte Lokalisation der Repeats #1 und #2. Der versetzte endonukleolytische Schnitt erfolgt innerhalb der 8 bp Sequenz . Die Länge des Spacers ist wichtig. Eine Insertion von weiteren 10 bp kann jedoch toleriert werden. Das System basiert auf zwei flankierenden Zielsequenzen.The Flp inversion system of the yeast S. cerevisiae (2μ plasmid) is based on the use of an Int-Flp recombinase. Flp recognizes a region - called FRT - consisting of two inverted "repeat" sequences, each 13 base pairs long, separated by a sequence (spacer) of 8 bp. A third repeat, which is still present in the natural sequence, does not appear to be essential for the functionality. An inverted localization of repeats # 1 and # 2 is essential. The offset endonucleolytic cut is made within the 8 bp sequence. The length of the spacer is important. However, an insertion of a further 10 bp can be tolerated. The system is based on two accompanying target sequences.
#1 spacer #2 #3# 1 spacer # 2 # 3
FRT 5-GAAGTTCCTATaC TTTCTAGA GAATAGGAACTTC [ C GAATAGGAACTTC] -3 'FRT 5-GAAGTTCCTATaC TTTCTAGA GAATAGGAACTTC [C GAATAGGAACTTC] -3 '
Wie Cre ist auch Flp in verschiedenen Systemen funktioneil, einschließlich im pflanzlichen Zellkern (Lyznik et al. (1993) Nucl Acids Res 21:969-975).Like Cre, Flp is also functional in various systems, including in the plant cell nucleus (Lyznik et al. (1993) Nucl Acids Res 21: 969-975).
Natürlicherweise sind viele Rekombinationssysteme reversibel. Beim Nutzen der Rekombinasen wie Cre oder FLP liegt das Gleichgewicht der Reaktion weit auf der Seite der Excision. Daher sind diese Systeme - ohne weitere Modifikation - nicht für die Integration von Femd-DNA, sondern nur für die Excision (z.B. Marker- excision) geeignet. So wurde das Cre-lox System des Phagen Pl genutzt, um den Selektionsmarker aadA wieder aus dem plastidären Genom zu entfernen (Hajdukieicz PTJ et al. (2001) Plant J 27:161-170; Corneille S et al . (2001) Plant J 27: 171-178;Many recombination systems are of course reversible. When using recombinases such as Cre or FLP, the equilibrium of the reaction lies far on the side of the excision. Therefore, these systems - without further modification - are not suitable for the integration of foreign DNA, but only for excision (e.g. marker excision). The Cre-lox system of phage PI was used to remove the selection marker aadA from the plastid genome (Hajdukieicz PTJ et al. (2001) Plant J 27: 161-170; Corneille S et al. (2001) Plant J 27: 171-178;
WO01/21768; WO01/29241) . Es gibt bisher keine Beschreibungen zum Nutzen von Rekombinasen bei intermolekularen Reaktionen, insbesondere zur Integration von Fremd-DNA, in Plastiden. Wirtsorganismus-unabhängige Rekombinationssysteme sind in Plastiden bislang lediglich im Zusammenhang einer Deletion definierter Sequenzen aus dem Piastom beschrieben worden.WO01 / 21768; WO01 / 29241). So far, there are no descriptions of the benefits of recombinases in intermolecular reactions, in particular for the integration of foreign DNA, in plastids. Recombinant systems independent of the host organism have so far only been described in plastids in connection with a deletion of defined sequences from the piastome.
Die Nutzung von sequenzspezifischen Rekombinasesystemen zur Integration heterologer Sequenzen in die chromosomale DNA (u.a. von Pflanzen) ist beschrieben. Dabei handelt es sich - im Unterschied zu der Excision, die intramolekular verläuft - um ein intermolekulares Ereignis. So wurde versucht, die Integrationsrate im Vergleich zur Excisionsrate zu erhöhen, indem bei einem Rekombinationsereignis zwischen zwei nicht identischen aber noch von der Rekombinase genutzten Erkennungsregionen wenigstens eine hybride Rekombinase-Erkennungsstelle entsteht, die nicht mehr oder nur sehr ineffizient von der entsprechenden Rekombinase genutzt werden kann. Damit wird die Excision des gerade integrierten DNA Fragmentes unterdrückt (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5:521-527) und eine Stabilisierung der Integration erreicht (Albert H et al. (1995) Plant J 7:649-659). Ähnliches wird durch eine gezielte, zeitlich eng begrenzte Expression der enstprechenden Rekombinase - wie Cre oder Flp - erreicht (Metzger D und Feil R (1999) Curr Opin Biotechnol 10:470-476; Albert H et al. (1995) Plant J 7:649-659). Die aktuelle Forschung zur Optimierung der Piastidentransformation richtet sich nicht auf eine Optimierung der homologen Rekombination, sondern zum Beispiel auf verbesserte Selektionsmarker, verbesserte Selektions- und Regenerationstechniken etc.The use of sequence-specific recombinase systems for the integration of heterologous sequences into the chromosomal DNA (including from plants) has been described. In contrast to the excision, which is intramolecular, this is an intermolecular event. An attempt was made to increase the integration rate compared to the excision rate by creating at least one hybrid recombinase recognition site in the event of a recombination event between two recognition regions that are not identical but are still used by the recombinase and which can no longer or only be used very inefficiently by the corresponding recombinase , This suppresses the excision of the DNA fragment just integrated (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5: 521-527) and stabilizes the integration (Albert H et al. (1995) Plant J 7: 649-659). Something similar is achieved by targeted, time-limited expression of the corresponding recombinase - such as Cre or Flp (Metzger D and Feil R (1999) Curr Opin Biotechnol 10: 470-476; Albert H et al. (1995) Plant J 7: 649-659). Current research on optimizing plastid transformation is not aimed at optimizing homologous recombination, but rather, for example, at improved selection markers, improved selection and regeneration techniques, etc.
Die Rekombinase des Phagen ΦC31 wurde schon für biotechnologische Applikationen in der Vergangenheit eingesetzt. US 5,190,871 beschreibt ein Verfahren, mit dessen Hilfe ein Plasmid mit Hilfe der Erkennungsstellen-spezifischen Integrationsfunktion des Phagen ΦC31 in das Genom eines Streptomyceten eingebaut wird. Die Integration erfolgt an die in diesen Wirtszellen natürlich vorhandene Erkennungsregion attB. WO 00/11155 nutzt Rekombinasen zum Einbau von Fremd-DNA in eukaryotische Genome. Dabei werden die Rekombinasen unter der Kontrolle eines eukaryotischen Promotorε exprimiert. Die Rekombination erfolgt dabei zwischen einerThe recombinase of the phage ΦC31 has already been used for biotechnological applications in the past. No. 5,190,871 describes a method by means of which a plasmid is inserted into the genome of a streptomycete with the aid of the recognition site-specific integration function of the phage PhC31. The integration takes place in the recognition region attB, which is naturally present in these host cells. WO 00/11155 uses recombinases to incorporate foreign DNA into eukaryotic genomes. The recombinases are expressed under the control of a eukaryotic promoter. The recombination takes place between one
Erkennungsregion auf dem zu transformierenden Plasmid und pseudo- Erkennungsregionen, die sich nativ im Genom des Eukaryoten befinden. In WO 00/11155 wird eine Erkennungsregion attB oder attP in das Genom einer eukaryotischen Zelle eingebracht. Dies wird nur für tierische Zellen gezeigt und es gibt keine technische Offenbarung, dass und wie man solche Erkennungsregionen auch in Organellen einbringen könnte. Im Gegensatz zum Kerngenom, welches in der angesprochenen Erfindung betrachtet wurde, indem nur eine (heterozygot) bis zwei (homozygot) Genomkopien vorliegen, gibt es viele Plastiden pro Zelle und viele DNA-Kopien pro Plastid.Recognition region on the plasmid to be transformed and pseudo-recognition regions that are native to the genome of the eukaryote. In WO 00/11155, a recognition region attB or attP is introduced into the genome of a eukaryotic cell. This is only shown for animal cells and there is no technical disclosure that and how one could introduce such recognition regions in organelles. In contrast to the nuclear genome, which was considered in the addressed invention by having only one (heterozygous) to two (homozygous) genome copies, there are many plastids per cell and many copies of DNA per plastid.
Während WO 00/11155 nur Untersuchungen in Bakterien und tierischen Zellen durchführt, beschreibt WO 01/07572 das Nutzen solcher Rekombinasen auch im Kerngenom von Pflanzen. Auch hier wird nicht gezeigt, dass solche Rekombinasen die DNA Struktur der Plastiden-DNA erkennen und dort eine effiziente Anwendung aufgrund der Vielzahl und räumlichen Trennung dieser DNA Moleküle möglich ist. Tatsächlich stellte sich eine solche Aufgabe dem Erfinder auch gar nicht, da er ein Verfahren suchte, das eine Alternative für die im Kerngenom nur mit sehr geringen Frequenzen auftretende Homologe Rekombination darstellt.While WO 00/11155 only carries out investigations in bacteria and animal cells, WO 01/07572 describes the use of such recombinases also in the nuclear genome of plants. Here, too, it is not shown that such recombinases recognize the DNA structure of the plastid DNA and that an efficient application is possible there due to the large number and spatial separation of these DNA molecules. In fact, the inventor was not faced with such a task at all, since he was looking for a method which was an alternative to the homologous recombination occurring in the nuclear genome with only very low frequencies.
Unterschiedliche Rekombinasen bevorzugen unterschiedliche Konformationen der DNA, die sie als Substrate nutzen (Sadowski PD (1986) J Bacteriol 165:341-347). Es ist daher unklar ob und welche Rekombinasen - neben dem Cre-lox System - in Plastiden funktionieren. Es wurden bisher noch nie Rekombinasen der Resolvase/Invertase Familie in Plastiden höherer Pflanzen eingesetzt. Da die Nukleosomen gänzlich anders aufgebaut sind als die Chromosomen im Zellkern, konnte auch nicht aus der erfolgreichen Verwendung von bestimmten Rekombinasen im pflanzlichen Zellkern davon ausgegangen werden, dass diese auch mit plastidärer DNA als ein Substrat genutzt werden können.Different recombinases prefer different conformations of the DNA that they use as substrates (Sadowski PD (1986) J Bacteriol 165: 341-347). It is therefore unclear whether and which recombinases - in addition to the Cre-lox system - work in plastids. So far, no recombinases of the resolvase / invertase family have been used in plastids of higher plants. Since the nucleosomes are constructed completely differently than the chromosomes in the cell nucleus, it was also not possible to use certain recombinases in the plant cell nucleus assume that these can also be used as a substrate with plastid DNA.
Die sogenannte Erkennungsstellen-spezifische Integration (site- specific Integration) wurde bisher nur im Kerngenom von Pflanzen und Tieren angewendet. Ziel der im Stand der Technik beschriebenen Arbeiten war die Bereitstellung eines Alternatiwerfahrens zu der homologen Rekombination für eine sequenzspezifische Integration in das Kerngenom. Im Kerngenom höherer Eukaryonten sind Systeme wie Cre oder Flp allenfalls so effizient wie die dort normalerweise auftretende illegitime Rekombination, meist jedoch wesentlich ineffizienter (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5:521-527). Im Unterschied zu Kerngenom liegt das Piastom in zahlreichen, meist mehreren tausend Kopien pro Zelle vor, so dass hier besonders hohe Anforderungen an die Effizienz der Insertion gestellt werden müssen.So-called site-specific integration has so far only been used in the core genome of plants and animals. The aim of the work described in the prior art was to provide an alternative method to homologous recombination for sequence-specific integration into the core genome. In the core genome of higher eukaryotes, systems such as Cre or Flp are at most as efficient as the illegitimate recombination that normally occurs there, but mostly much more inefficient (Sauer B (1994) Curr Opin Biotechnol 5: 521-527). In contrast to the nuclear genome, the piastome is available in numerous, usually several thousand copies per cell, so that particularly high requirements must be placed on the efficiency of the insertion.
Im Unterschied zu Plastiden ist die Insertion in die Kern-DNA mittels homologer Rekombination problematisch und erfolgt meist mittels zufälliger illegitimen Integration. Dies zeigt, dass im Kern-Genom etablierte Techniken nicht unbedingt auf die Plastiden übertragen werden können. Bei Plastiden höherer Pflanzen findet im Gegensatz zu der Situation im Kern nahezu ausschließlich und mit hoher Effizienz eine Integration über homologe Rekombination statt (Bock R und Hagemann R (2000) Progress in Botany 61:76-90; Maliga P et al . (1994) Homologous recombination and Integration of foreign DNA in plastids of higher plants. In Homologous recombination and gene silencing in plants. Paszkowski J, ed. (Kluwer Academic publishers) , S. 83-93).In contrast to plastids, insertion into the core DNA by means of homologous recombination is problematic and usually takes place by means of random illegitimate integration. This shows that techniques established in the core genome cannot necessarily be transferred to the plastids. In contrast to the situation in the core, plastids of higher plants are almost exclusively and highly efficiently integrated via homologous recombination (Bock R and Hagemann R (2000) Progress in Botany 61: 76-90; Maliga P et al. (1994) Homologous recombination and Integration of foreign DNA in plastids of higher plants. In Homologous recombination and gene silencing in plants. Paszkowski J, ed. (Kluwer Academic publishers), pp. 83-93).
Die Effizienz der homologen Rekombination zur DNA-Integration in das Piastom wurde allgemein nicht als limitierender Faktor angesehen und - im Gegenteil - als unkritisch eingestuft, so dass der Einsatz von Rekombinasen zur Integration von Fremd-DNA in die Plastiden-DNA überflüssig erscheint.The efficiency of homologous recombination for DNA integration into the piastome was generally not regarded as a limiting factor and - on the contrary - was classified as uncritical, so that the use of recombinases to integrate foreign DNA into the plastid DNA appears to be superfluous.
Wie die oben beschriebenen Verfahren und Probleme bei der Piastidentransformation deutlich hervorheben, ist die Bereitstellung neuer Verfahren zur Herstellung homotransplastomer Pflanzen ein lange bestehendes ungelöstes Bedürfnis der Pflanzenbiotechnologie. Ein weiteres Bedürfnis ist die Vermeidung von Antibiotika- oder Herbizidselektionsmarkern aus Gründen der Zulassung und Verbraucherakzeptanz. Für die Piastidentransformation ist bisher noch kein Verfahren beschrieben, dass ohne einen solchen Selektionsmarker auskommt . Es ergab sich daher die Aufgabe, neue Verfahren zu entwickeln, die eine effiziente Integration von Fremd-DNA in alle Kopien der Plastiden-DNA sicher stellt und so eine effiziente Selektion entsprechender homotransplastomer Pflanzen ermöglicht. Darüber hin- i aus stellt sich die Aufgabe, effiziente Verfahren bereitzustellen für die Integration insbesondere großer DNA Fragmente in das Piastom in einem einzigen Transformationsschritt. Diese Aufgabe wurde durch Bereitstellung des erfindungsgemäßen Integrationsverfahrens gelöst .As the processes and problems in plastid transformation described above clearly highlight, the provision of new processes for the production of homotransplastomeric plants is a long-standing unsolved need in plant biotechnology. Another need is to avoid antibiotic or herbicide selection markers for regulatory and consumer acceptance reasons. No method has yet been described for plastid transformation that can do without such a selection marker. The task therefore arose to develop new methods which ensure efficient integration of foreign DNA into all copies of the plastid DNA and thus enable efficient selection of appropriate homotransplastomeric plants. In addition, there is the task of providing efficient methods for the integration of large DNA fragments in particular into the piastome in a single transformation step. This object has been achieved by providing the integration method according to the invention.
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur sequenzspezifischen Integration einer DNA-Sequenz in die plastidäre DNA eines pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleitete Zellen, dadurch gekennzeichnet, dassA first subject of the invention relates to a method for the sequence-specific integration of a DNA sequence into the plastid DNA of a plant organism or cells derived therefrom, characterized in that
a) die plastidären DNA-Moleküle besagten pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleitete Zelle mindestens eine Rekombinationssequenz Rl enthalten unda) the plastid DNA molecules of said plant organism or cell derived therefrom contain at least one recombination sequence R1 and
b) i) mindestens ein Transformationskonstrukt umfassend eine Insertionssequenz zumindest einseitig flankiert von mindestens einer weiteren Rekombinationssequenzen R2 sowieb) i) at least one transformation construct comprising an insertion sequence flanked at least on one side by at least one further recombination sequence R2 and
ii) mindestens eine sequenzspezifische Rekombinase geeignet zur Induktion von Rekombinationsereignissen an besagten Rekombinationssequenzen Rl und R2ii) at least one sequence-specific recombinase suitable for inducing recombination events on said recombination sequences R1 and R2
in mindestens einem Plastid besagten pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleiteten Zellen zusammengebracht werden, undin at least one plastid of said plant organism or cells derived therefrom, and
c) die Insertionssequenz in die plastidäre DNA unter Rekombination von Rl mit R2 insertiert, undc) the insertion sequence is inserted into the plastidic DNA with recombination of R1 with R2, and
d) Pflanzen oder Zellen isoliert werden, bei denen die Insertionssequenz in die plastidären DNA-Moleküle insertiert wurde.d) plants or cells are isolated in which the insertion sequence has been inserted into the plastid DNA molecules.
Das System ermöglicht überraschenderweise eine erheblicheThe system surprisingly enables a substantial one
Steigerung der Effizienz bei der Herstellung überwiegend homo- transplastomer Pflanzen. Dabei wird sowohl die Effizienz der Insertion in die plastidäre DNA als auch die Effizienz des Selek- tionsprozess überwiegend homotransplastomer Pflanzen gesteigert. Besonders vorteilhaft ist, dass bei Ausnutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf homologe Bereiche in den Transformations- vektoren verzichtet werden kann. Dadurch werden die Vektoren kleiner und leichter handhabbar. Ferner wird die Effizienz der Piastidentransformation und damit die Gesamteffizienz des Verfahrens gesteigert. Letzteres ist insbesondere dann von Interesse, wenn im Rahmen der Insertionssequenz große DNA-Fragmente in das Piastom eingebracht werden sollen, was - beispielsweise - im Fall der Einbringung mehrerer Gene gegeben ist. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren, der im Stand der Technik beschriebenen Insertion mittels homologer Rekombination (z.B. Doppel-Crossover) überlegen, da beim letzteren die Effizienz der Transformation (und somit die Gesamteffizienz) durch die zusätzlich erforderlichen Homologiebereiche reduziert wird. Somit löst die vorliegende Erfindung das Problem der Integration großer DNA Fragmente (> 4kb) in einem einzigen Transformationsschritt mit ausreichend hoher Effizienz .Increased efficiency in the production of predominantly homo-transplastomer plants. This increases both the efficiency of insertion into the plastid DNA and the efficiency of the selection process of predominantly homotransplastomeric plants. It is particularly advantageous that when using the method according to the invention, homologous areas in the transformation vectors can be dispensed with. This will make the vectors smaller and easier to handle. Furthermore, the efficiency of plastid transformation and thus the overall efficiency of the method is increased. The latter is of particular interest if large DNA fragments are to be introduced into the piastome as part of the insertion sequence, which is the case, for example, if several genes are introduced. As a result, the method according to the invention is superior to the insertion described in the prior art by means of homologous recombination (eg double crossover), since in the latter the efficiency of the transformation (and thus the overall efficiency) is reduced by the additionally required homology areas. The present invention thus solves the problem of integrating large DNA fragments (> 4 kb) in a single transformation step with sufficiently high efficiency.
Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens sind: Es muss nur einmal eine sogenannte Masterpflanze - d.h. eine Pflanze, die in Ihrem Piastom eine Rekombinationssequenz Rl enthält und als Ausgangspflanze für das erfindungsgemäße Verfahren fungieren kann - in einer entsprechenden Art erstellt werden. Es können auch nicht-modifizierte Pflanzen als Masterpflanzen verwendet werden, soweit deren Piastom natürlicherweise eine Erkennungssequenz für eine Rekombinase enthält. Die Plastiden der vorgenannten Masterpflanzen können anschließend mit Hilfe des erfindungsgemäßen, wirtsunabhängigen Integrationsmechanismus transformiert werden. Dadurch kann man die Effizienz der Piastidentransformation in den Pflanzenspezies steigern, in denen die Integration der Fremd-DNA in das Piastom ein limitierender Faktor ist. Auf den Transformationsvektoren werden nur wenige Basenpaar lange Sequenzen- abschnitte benötigt, die den Integrationsort in das Piastom bestimmen. Im Gegensatz dazu benötigt man für die Integration mittels Doppel-Crossover Sequenzabschnitte mit extensiver Homologie zum Piastom der Wirtspflanze. Damit können die Transformationsvektoren der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig klein gehalten werden. Darüber hinaus ist die wirtsunabhängige Integration auch weitgehend unabhängig von der Länge der in die Masterpflanze einzubringenden DNA. Es können leicht sehr viele Gene oder sehr große Gene in die Organellen einer solchen Masterpflanzen mit dem hier beschriebenen Verfahren integriert werden.Advantages of the procedure described here are: A master plant - i.e. a plant which contains a recombination sequence R1 in your piastome and which can function as a starting plant for the method according to the invention - be created in a corresponding manner. Unmodified plants can also be used as master plants, provided that their piastome naturally contains a recognition sequence for a recombinase. The plastids of the aforementioned master plants can then be transformed using the host-independent integration mechanism according to the invention. This can increase the efficiency of plastid transformation in the plant species, in which the integration of the foreign DNA into the piastome is a limiting factor. Only a few base pairs long sequence sections are required on the transformation vectors, which determine the integration site in the piastom. In contrast, sequence cross-sections with extensive homology to the piastome of the host plant are required for integration by means of double crossover. The transformation vectors of the present invention can thus be kept relatively small. In addition, the host-independent integration is largely independent of the length of the DNA to be introduced into the master plant. Very many genes or very large genes can easily be integrated into the organelles of such a master plant using the method described here.
Gegenüber der Transformation des Zellkerns hat die Transformation von Plastiden zahlreiche Vorteile. Unter anderem sind zu nennen:Compared to the transformation of the cell nucleus, the transformation of plastids has numerous advantages. These include:
a) Während die homologe Rekombination in die nukleare DNA nur schwer zu realisieren ist, kann in Plastiden DNA leicht an einem vordefinierten Ort mittels Doppel-Crossover, einer Form der homologer Rekombination, integriert werden. Positions- effekte oder "Genesilencing", die man bei Kerntransformationen aufgrund der illegitimen Integration an einen nicht vordefinierten Lokus findet, werden so vermieden.a) While homologous recombination into nuclear DNA is difficult to achieve, plastid DNA can easily be integrated at a predefined location using double crossover, a form of homologous recombination. Positions effects or "genesilencing" that can be found in core transformations due to the illegitimate integration into a non-predefined locus are avoided.
b) Es können sehr hohe Expressionslevel erreicht werden, vermutlich aufgrund der hohen Kopiezahl der plastidären DNA.b) Very high levels of expression can be achieved, presumably due to the high copy number of the plastid DNA.
c) Die DNA der Plastiden wird bei höheren Pflanzen in der Regel nur maternal vererbt, so dass die eingebrachte Fremd-DNA nicht über Pollen verbreitet und ein Auskreuzen somit effektiv unterbunden werden kann.c) The DNA of the plastids is usually only maternally inherited in higher plants, so that the introduced foreign DNA cannot be spread via pollen and cross-breeding can thus be effectively prevented.
d) Die prokaryotische Natur der Plastiden ermöglicht die Expression von Genen im Rahmen einer polycistronischen Operonstruktur . Daher ist es nicht notwendig, jedes zu exprimierende Gen mit einem eigenen Promotor etc. auszurüsten. Dies erleichtert das Einbringen vieler Gene auf einmal, etwa um ganze Biosynthesewege in die Plastiden einzubringen .d) The prokaryotic nature of the plastids enables the expression of genes in the context of a polycistronic operon structure. It is therefore not necessary to equip each gene to be expressed with its own promoter, etc. This makes it easier to insert many genes at once, for example to insert entire biosynthetic pathways into the plastids.
"Plastid" meint Proplastiden sowie alle daraus aus hervorgehenden Organellen wie beispielsweise Chloroplasten, Etioplasten, Chromoplasten, Amyloplasten, Leukoplasten, Dermaplasten und Elaio- plasten (Heifetz P (2000) Biochimie 82:655-666).“Plastid” means proplastids and all organelles resulting therefrom, such as chloroplasts, etioplasts, chromoplasts, amyloplasts, leukoplasts, dermatoplasts and elaloplasts (Heifetz P (2000) Biochimie 82: 655-666).
"Piastom" meint das Genom, also die Gesamtheit der genetischen Information, eines Plastids."Piastom" means the genome, that is, the entirety of the genetic information, of a plastid.
"Homotransplastom" meint einen transplastomen und homoplastomen Zustand."Homotransplastoma" means a transplastomic and homoplastic state.
"Transpiastom" meint in Bezug auf beispielsweise eine Pflanze, Zelle, Gewebe, Plastid oder plastidäre-DNA alle solche durch gentechnische Methoden zustande gekommene Formen der vorgenannten, die eine plastidäre DNA umfassen, die durch gentechnische Methoden modifiziert wurde, wobei die Modifikation beispielhaft Substitutionen, Additionen, Deletionen, Inversion oder Insertionen eines oder mehrerer Nukleotidreste umfassen kann."Transpiastome" means, for example with respect to a plant, cell, tissue, plastid or plastid-DNA, all such forms of the aforementioned that have been obtained by genetic engineering methods and comprise a plastid DNA that has been modified by genetic engineering methods, the modification exemplifying substitutions, May include additions, deletions, inversions or insertions of one or more nucleotide residues.
"Heteroplastom" meint das Vorliegen einer gemischten Population verschiedener plastidärer DNAs innerhalb eines einzelnen Plastides oder innerhalb einer Population von Plastiden innerhalb einer pflanzlichen Zelle oder Gewebe."Heteroplastoma" means the presence of a mixed population of different plastid DNAs within a single plastid or within a population of plastids within a plant cell or tissue.
"Homopiastom" meint eine einheitliche Population von plastidärer DNA innerhalb eines einzelnen Plastides oder innerhalb einer Population von Plastiden innerhalb einer pflanzlichen Zelle oder Gewebe. Homoplastome Zellen, Gewebe oder Pflanzen sind genetisch stabil, da sie nur eine Art plastidärer DNA umfassen d.h. sie bleiben im allgemeinen homoplastom auch wenn den Selektionsdruck nicht mehr anhält. Durch Selbstung erhaltene Nachkommen sind ebenfalls homoplastom."Homopiastoma" means a uniform population of plastid DNA within a single plastid or within a population of plastids within a plant cell or Tissue. Homoplastomas Cells, tissues or plants are genetically stable because they only contain one type of plastid DNA, ie they generally remain homoplastomas even if the selection pressure no longer persists. Offspring obtained by selfing are also homoplastic.
Im Rahmen dieser Erfindung meint "überwiegend homoplastom" oder "überwiegend homotransplastom" all solche Pflanzen oder Zellen, bei denen der Anteil der erwünschten plastidären hinsichtlich eines Merkmals veränderten DNA-Moleküle - beispielsweise mit einer Rekombinationssequenz - mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 90 %, am meistens bevorzugt mindestens 95 % von der Gesamtheit aller plastidären DNA-Moleküle in einer Pflanze oder einem Gewebe, Zelle bzw. Plastid derselben beträgt. Überwiegend homoplastome oder überwiegend homotransplastome Pflanzen können durch weiteres Aufrechterhalten des Selektionsdruckes und gegebenenfalls wiederholenden Regenerationen in homoplastome oder homotransplastome Pflanzen umgewandelt werden. In einer besonderen Ausführungsform ist daher eine überwiegend homoplastome bzw. homotransplastome Pflanze rein homoplastom bzw. homotransplastom. Eine Pflanze, die beispielsweise bezüglich einer Rekombinationssequenz überwiegend homoplastom bzw. homotransplastom oder rein homoplastom bzw. homotransplastom ist, wird infolge als "Masterpflanze" bezeich- net. Der Anteil der erwünschten plastidären hinsichtlich eines Merkmals veränderten DNA-Moleküle kann beispielsweise mittels Southern Analyse - wie beispielhaft in Beispiel 4 beschrieben - in der dem Fachmann bekannten Weise ermittelt werden. Das Verhältnis zwischen den plastidären Ausgangs-DNA Molekülen und den hinsichtlich eines Merkmals veränderten plastidären DNA-Molekülen lässt sich durch Vergleich der Intensität der jeweiligen Banden bestimmen.In the context of this invention, "predominantly homoplastom" or "predominantly homotransplastom" means all those plants or cells in which the proportion of the desired plastid-modified DNA molecules with regard to a characteristic - for example with a recombination sequence - is at least 50%, preferably at least 70%, entirely is particularly preferably at least 90%, most preferably at least 95% of the totality of all plastid DNA molecules in a plant or a tissue, cell or plastid thereof. Predominantly homoplastic or predominantly homotransplastome plants can be converted into homoplastome or homotransplastome plants by further maintaining the selection pressure and, if necessary, repetitive regenerations. In a particular embodiment, therefore, a predominantly homoplastic or homotransplastome plant is purely homoplastic or homotransplastoma. A plant which, for example, is predominantly homoplastom or homotransplastom or purely homoplastom or homotransplastom with regard to a recombination sequence is consequently referred to as a "master plant". The proportion of the desired plastid-modified DNA molecules with regard to a feature can be determined, for example, by Southern analysis - as described by way of example in Example 4 - in the manner known to the person skilled in the art. The relationship between the plastidic starting DNA molecules and the plastidic DNA molecules modified with regard to a feature can be determined by comparing the intensity of the respective bands.
"Pflanzlicher Organismus oder von diesem abgeleitete Zellen" meint allgemein jede Zelle, Gewebe, Teile oder Vermehrungsgut (wie Samen oder Früchte) eines Organismus, der zur Photosynthese befähigt ist. Eingeschlossen sind im Rahmen der Erfindung alle Gattungen und Arten höherer und niedrigerer Pflanzen des Pflanzenreiches. Einjährige, mehrjährige, monocotyledone und dicotyledone Pflanzen sind bevorzugt. Eingeschlossen sind reife Pflanze, Saatgut, Sprosse und Keimlinge, sowie davon abgeleitete Teile, Vermehrungsgut (zum Beispiel Knollen, Samen oder Früchte) und Kulturen, zum Beispiel Zeil- oder Kalluskulturen. Reife Pflanzen meint Pflanzen zu jedem beliebigen Entwicklungsstadium jenseits des Keimlings. Keimling meint eine junge, unreife Pflanze in einem frühen Entwicklungsstadium. Bevorzugt sind Pflanzen nachfolgender Pflanzenfamilien: Amaranth- aceae, Asteraceae, Brassicaceae, Carophyllaceae, Chenopodiaceae, Compositae, Cruciferae, Cucurbitaceae, Labiatae, Leguminosae, Papilionoideae, Liliaceae, Linaceae, Malvaceae, Rosaceae, Rubiaceae, Saxifragaceae, Scrophulariaceae, Solanacea, Sterculiaceae, Tetragoniacea, Theaceae, Umbelliferae."Plant organism or cells derived therefrom" generally means any cell, tissue, part or reproductive material (such as seeds or fruits) of an organism which is capable of photosynthesis. Included in the scope of the invention are all genera and species of higher and lower plants in the plant kingdom. Annual, perennial, monocot and dicot plants are preferred. Included are mature plants, seeds, shoots and seedlings, as well as parts derived from them, propagation material (for example tubers, seeds or fruits) and cultures, for example row or callus cultures. Mature plants mean plants at any stage of development beyond the seedling. Seedling means a young, immature plant at an early stage of development. Preferred are plants the following plant families: Amaranthaceae, Asteraceae, Brassicaceae, Carophyllaceae, Chenopodiaceae, Compositae, Cruciferae, Cucurbitaceae, Labiatae, Leguminosae, Papilionoideae, Liliaceae, Linaceae, Malvaceae, Rosaceae, Rubiaceae, Saxifragaceae, Scrophulariaceae, Solanacea, Sterculiaceae, Tetragoniacea, Theaceae, Umbelliferae.
Bevorzugte monokotyle Pflanzen sind insbesondere ausgewählt aus den monokotylen Kulturpflanzen, wie zum Beispiel der Familie der Gramineae wie Reis, Mais, Weizen oder andere Getreidearten wie Gerste, Hirse, Roggen, Triticale oder Hafer sowie dem Zuckerrohr sowie alle Arten von Gräsern.Preferred monocotyledonous plants are selected in particular from the monocotyledonous crop plants, such as, for example, the family of the Gramineae such as rice, maize, wheat or other types of cereals such as barley, millet, rye, triticale or oats, and sugar cane and all types of grasses.
Bevorzugte dikotyle Pflanzen sind insbesondere ausgewählt aus den dikotylen Kulturpflanzen, wie zum BeispielPreferred dicotyledonous plants are in particular selected from the dicotyledonous crop plants, such as, for example
- Asteraceae wie Sonnenblume, Tagetes oder Calendula und andere mehr,- Asteraceae such as sunflower, tagetes or calendula and others,
- Compositae, besonders die Gattung Lactuca, ganz besonders die Art sativa (Salat) und andere mehr,- Compositae, especially the genus Lactuca, especially the species sativa (salad) and others,
- Cruciferae, besonders die Gattung Brassica, ganz besonders die Arten napus (Raps) , campestris (Rübe) , oleracea cv Tastie (Kohl) , oleracea cv Snowball Y (Blumenkohl) und oleracea cv Emperor (Broccoli) und weitere Kohlarten; und der Gattung Arabidopsis, ganz besonders die Art thaliana sowie Kresse oder Canola und andere mehr,- Cruciferae, especially the genus Brassica, especially the species napus (rape), campestris (turnip), oleracea cv Tastie (cabbage), oleracea cv Snowball Y (cauliflower) and oleracea cv Emperor (broccoli) and other types of cabbage; and the genus Arabidopsis, especially the species thaliana as well as cress or canola and others,
- Cucurbitaceae wie Melone, Kürbis oder Zucchini und andere mehr,- Cucurbitaceae such as melon, pumpkin or zucchini and others,
- Leguminosae besonders die Gattung Glycine, ganz besonders die Art max (Sojabohne) Soja sowie Alfalfa, Erbse, Bohnengewächsen oder Erdnuss und andere mehr- Leguminosae especially the genus Glycine, especially the type max (soybean) soy, as well as alfalfa, peas, beans or peanuts and others
- Rubiaceae, bevorzugt der Unterklasse Lamiidae wie beispielsweise Coffea arabica oder Coffea liberica (Kaffestrauch) und andere mehr,Rubiaceae, preferably of the subclass Lamiidae, such as, for example, Coffea arabica or Coffea liberica (coffee shrub) and others,
- Solanaceae besonders die Gattung Lycopersicon, ganz besonders die Art esculentum (Tomate) und die Gattung Solanu , ganz besonders die Art tuberosum (Kartoffel) und melongena (Aubergine) sowie Tabak oder Paprika und andere mehr,- Solanaceae especially the genus Lycopersicon, especially the species esculentum (tomato) and the genus Solanu, especially the species tuberosum (potato) and melongena (eggplant) as well as tobacco or peppers and others,
- Sterculiaceae, bevorzugt der Unterklasse Dilleniidae wie beispielsweise Theobroma cacao (Kakaostrauch) und andere mehr, - Theaceae, bevorzugt der Unterklasse Dilleniidae wie beispielsweise Camellia sinensis oder Thea sinensis (Teestrauch) und andere mehr,Sterculiaceae, preferably of the subclass Dilleniidae such as Theobroma cacao (cocoa bush) and others, Theaceae, preferably of the subclass Dilleniidae, such as, for example, Camellia sinensis or Thea sinensis (tea bush) and others,
i - Umbelliferae, besonders die Gattung Daucus (ganz besonders die Art carota (Karrotte) ) und Apium (ganz besonders die Art graveolens dulce (Seiarie) ) und andere mehr; und die Gattung Capsicum, ganz besonders die Art annum (Pfeffer) und andere mehr,i - Umbelliferae, especially the genus Daucus (especially the species carota (carrot)) and Apium (especially the species graveolens dulce (Seiarie)) and others more; and the genus Capsicum, especially the species annum (pepper) and others,
sowie Lein, Soja, Baumwolle, Hanf, Flachs, Gurke, Spinat, Möhre, Zuckerrübe und den verschiedenen Baum-, Nuss- und Weinarten, insbesondere Banane und Kiwi .as well as flax, soybeans, cotton, hemp, flax, cucumber, spinach, carrot, sugar beet and the various types of trees, nuts and wines, in particular banana and kiwi.
Umfasst sind ferner Schmuckpflanzen, Nutz- oder Zierbäume,Also includes ornamental plants, useful or ornamental trees,
Blumen, Schnittblumen, Sträucher oder Rasen. Beispielhaft aber nicht einschränkend seien zu nennen Angiospermen, Bryophyten wie zum Beispiel Hepaticae (Leberblümchen) und Musci (Moose) ; Pteridophyten wie Farne, Schachtelhalm und Lycopoden; Gymno- spermen wie Koniferen, Cycaden, Ginkgo und Gnetalen, die Familien der Rosaceae wie Rose, Ericaceae wie Rhododendrons und Azaleen, Euphorbiaceae wie Weihnachtssterne und Kroton, Caryophyllaceae wie Nelken, Solanaceae wie Petunien, Gesneriaceae wie das Usambaraveilchen, Balsaminaceae wie das Springkraut, Orchidaceae wie Orchideen, Iridaceae wie Gladiolen, Iris, Freesie und Krokus, Compositae wie Ringelblume, Geraniaceae wie Geranien, Liliaceae wie der Drachenbaum, Moraceae wie Ficus, Araceae wie Philodendron und andere mehr.Flowers, cut flowers, shrubs or lawn. Examples include, but are not limited to, angiosperms, bryophytes such as hepaticae (liverwort) and musci (mosses); Pteridophytes such as ferns, horsetail and lycopods; Gymno sperms such as conifers, cycads, ginkgo and gnetals, the families of rosaceae such as rose, ericaceae such as rhododendrons and azaleas, euphorbiaceae such as poinsettias and croton, caryophyllaceae such as carnations, solanaceae such as petunias, Gesneriaceae such as the Usambareae, like the usamamineae, like the usambareaceae like orchids, iridaceae like gladiolus, iris, freesia and crocus, compositae like marigold, geraniaceae like geranium, liliaceae like the dragon tree, moraceae like ficus, araceae like philodendron and others.
Pflanzliche Organismen im Sinne der Erfindung sind weiterhin weitere photosynthetisch aktive befähigte Organismen, wie zum Beispiel Algen, Cyanobakterien sowie Moose. Bevorzugte Algen sind Grünalgen, wie beispielsweise Algen der Gattung Haematococcus , Phaedactylum tricornatum, Volvox oder Dunaliella. Insbesondere bevorzugt ist Synechocystis. Cyanobakterien wie z.B. Synecho- cystis sind photosynthetisch aktive Organismen, die zwar keine Plastiden beinhalten aber quasi Plastiden darstellen und - wie die Plastiden - zahlreiche Kopien ihrer genomischen DNA enthalten. Sie gelten darüberhinaus - entwicklungsbiologisch gesehen - als Vorläufer der heutigen Plastiden (Bauer J et al . (2001) Cell Mol Life Sei 58 (3) :420-33) .Plant organisms in the sense of the invention are further photosynthetically active capable organisms, such as algae, cyanobacteria and mosses. Preferred algae are green algae, such as algae of the genus Haematococcus, Phaedactylum tricornatum, Volvox or Dunaliella. Synechocystis is particularly preferred. Cyanobacteria such as Synechocystis are photosynthetically active organisms that, although they do not contain plastids, are quasi plastids and - like the plastids - contain numerous copies of their genomic DNA. In addition, they are - from a developmental biological point of view - the forerunners of today's plastids (Bauer J et al. (2001) Cell Mol Life Sei 58 (3): 420-33).
Am meisten bevorzugt sind Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum, Tagetes und Brassica napus sowie alle Gattungen und Arten, die als Nahrungs- oder Futtermittel zum Einsatz kommen, wie die beschriebenen Getreidearten, oder sich zur Herstellung von Ölen eignen, wie Ölsaaten, Nussarten, Soja, Sonnenblume, Kürbis und Erdnuss.Most preferred are Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum, Tagetes and Brassica napus as well as all genera and species that are used as food or feed, such as the cereals described, or for the production of oils such as oilseeds, types of nuts, soy, sunflower, pumpkin and peanut.
"Rekombinase" meint im Rahmen dieser Erfindung sequenzspezifische Rekombinase. Sequenzspezifische Rekombinasen umfasst Proteine, die einen reziproken Austausch von DNA Doppelsträngen zwischen zwei DNA Segmenten katalysieren können, wobei die jeweilige Rekombinase eine Preferenz für DNA Segmente mit einer bestimmten Nukleinsäurese uenz hat. Besagte miteinander rekombinierende DNA Sequenzen sind nicht notwendigerweise identisch.In the context of this invention, “recombinase” means sequence-specific recombinase. Sequence-specific recombinases comprise proteins which can catalyze a reciprocal exchange of DNA double strands between two DNA segments, the respective recombinase having a preference for DNA segments with a specific nucleic acid sequence. Said recombinant DNA sequences are not necessarily identical.
Die im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Rekombinasen werden insbesondere zur Integration von DNA Sequenzen verwendet . Sind für diesen Prozess - neben der Rekombinase selber - weitere Faktoren erforderlich, so ist der Komplex aus Rekombinase und den entsprechenden Integrationsfaktoren selber auch als Rekombinase im Sinne der Erfindung zu verstehen. Beispielsweise ist eine Integration mittels der λ-Rekombinase nur dann effizient möglich, wenn auch zugleich der IHF ("Integration host factor") vorhanden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst besagterThe recombinases used in the context of this invention are used in particular for the integration of DNA sequences. If other factors are required for this process - in addition to the recombinase itself - the complex of recombinase and the corresponding integration factors itself is also to be understood as a recombinase in the sense of the invention. For example, integration using the λ recombinase is only possible efficiently if the IHF (“Integration host factor”) is also present. In a preferred embodiment, said comprises
Rekombinase-Komplex keine Faktoren, die ein Ausschneiden zuvor durch Rekombination insertierter DNA-Sequenzen begünstigen. Beispielsweise umfasst der Komplex aus λ-Rekombinase und IHF nicht noch zusätzlich den Faktor xis.Recombinase complex no factors that favor cutting out previously by recombining inserted DNA sequences. For example, the complex of λ recombinase and IHF does not additionally include the factor xis.
Bevorzugt ist die Geschwindigkeit einer Rekombinationsreaktion einer sequenzspezifischen Rekombinase unter Einsatz ihrer bevorzugten Erkennungssequenz (beispielsweise ihrer natürlichen Erkennungssequenz) mindestens zehnfach so hoch wie für den Ein- satz einer beliebigen anderen nicht-homologen Sequenz, bevorzugt mindestens hundertfach so hoch, besonders bevorzugt mindestens eintausendfach so hoch, am meistens bevorzugt mindestens zehntausendfach so hoch. Dabei meint eine "nicht-homologe Sequenz" bevorzugt solche, die bei gleicher Länge, eine Sequenzidentität zu der bevorzugten Erkennungssequenz (beispielsweise ihrer natürlichen Erkennungssequenz) der jeweiligen Rekombinase von weniger als 90 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 30 % aufweisen.The speed of a recombination reaction of a sequence-specific recombinase using its preferred recognition sequence (for example its natural recognition sequence) is preferably at least ten times as high as for the use of any other non-homologous sequence, preferably at least one hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high , most preferably at least ten thousand times as high. A “non-homologous sequence” preferably means those which, with the same length, have a sequence identity to the preferred recognition sequence (for example their natural recognition sequence) of the respective recombinase of less than 90%, preferably less than 50%, particularly preferably less than 30% exhibit.
Allgemein bevorzugt sind Rekombinasen, die alleine eine nahezu irreversible Integration katalysieren. Bevorzugt stammen diese aus Organismen, die normalerweise bei Temperaturen zwischen 10 und 45°C leben. Auch wenn die meisten bekannten Rekombinasen aus Prokaryoten, Bakteriophagen bzw. Viren isoliert wurden, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern kann auch Rekombinasen aus eukaryotischen Organismen vorteilhaft einsetzen. Die im Rahmen dieser Erfindung genutzte sequenzspezifische Rekombination ist nicht auf einen bestimmten Mechanismus limitiert. In der Regel erfolgt die Rekombination jedoch in zwei Schritten: Einem sequenzspezifischen Schnitt der Erkennungs- 5 sequenz gefolgt von einer Wiederverknüpfung, wobei meist ein kovalentes Protein-DNA Intermediat zwischen Zielsequenz und Rekombinase vorliegt. Für manche Rekombinationen ist allein die Rekombinase als Protein erforderlich. Andere können weitere Hilfsfaktoren benötigen. Bevorzugt ist das benutzte Rekombi- 10 nationssystem unabhängig von der Enzymausstattung des Empfänger- plastids.Recombinases which alone catalyze an almost irreversible integration are generally preferred. These preferably come from organisms that normally live at temperatures between 10 and 45 ° C. Although most of the known recombinases have been isolated from prokaryotes, bacteriophages or viruses, the invention is not limited to these, but can also advantageously use recombinases from eukaryotic organisms. The sequence-specific recombination used in the context of this invention is not limited to a specific mechanism. As a rule, however, the recombination takes place in two steps: a sequence-specific cut of the recognition sequence followed by a relinking, whereby there is usually a covalent protein-DNA intermediate between the target sequence and the recombinase. For some recombinations, only the recombinase as a protein is required. Others may need additional help factors. The recombination system used is preferably independent of the enzyme equipment of the recipient plastid.
Besonders bevorzugt sind Rekombinasen, die zu den Familien der Integrasen oder der Resolvasen/Invertasen zählen (Stark WM et al .Recombinases belonging to the families of integrases or resolvases / invertases are particularly preferred (Stark WM et al.
15 (1992) Trends Genet 8:432-439). Integrasen (Tyrosin-Rekombinasen) haben ein Tyrosin im aktiven Zentrum, welches als Nucleophil im Spaltungsschritt fungiert und in der Bildung einer 3'Phospho- tyrosylbindung mit der DNA involviert ist. Die Reaktion erfolgt über ein "Holliday Intermediat". Resolvasen/Invertasen (Serin-15 (1992) Trends Genet 8: 432-439). Integrases (tyrosine recombinases) have a tyrosine in the active center, which acts as a nucleophile in the cleavage step and is involved in the formation of a 3'phosphotyrosyl bond with the DNA. The reaction takes place via a "Holliday Intermediate". Resolvases / invertases (serine
20 Rekombinasen) haben ein Serin im aktiven Zentrum, welches als Nucleophil im Spaltungsschritt fungiert und in der Bildung einer 5 ' Phosphoserinylbindung mit der DNA involviert ist. Die Reaktion erfolgt nicht über ein "Holliday Intermediat".20 recombinases) have a serine in the active center, which acts as a nucleophile in the cleavage step and is involved in the formation of a 5 'phosphoserinyl bond with the DNA. The reaction does not take place via a "Holliday Intermediate".
25 Die Familie der Integrasen (auch Tyrosin-Rekombinasen genannt) umfassen beispielhaft die Cre Rekombinase aus dem Bakteriophagen Pl, die FLP Rekombinase aus Hefe, die λ-Integrase des Phagen Lamda sowie die R Rekombinase des pSRl Plasmid der Hefe Zygosaccharomyces rouxii (Araki et al. (1985) J Mol Biol.The family of integrases (also called tyrosine recombinases) include, for example, Cre recombinase from bacteriophage PI, FLP recombinase from yeast, λ integrase from phage Lamda and R recombinase from pSRI plasmid from yeast Zygosaccharomyces rouxii (Araki et al (1985) J Mol Biol.
30 182:191-203) und die h Rekombinase (Argos, et al . (1986) EMBO J 5:433-440, 1986; Sadowski PD (1995) Progress Nucl Acid Res Mol Biol 51:53-91) .30 182: 191-203) and the h recombinase (Argos, et al. (1986) EMBO J 5: 433-440, 1986; Sadowski PD (1995) Progress Nucl Acid Res Mol Biol 51: 53-91).
Die λ-Integrase benötigt in der Regel weitere Faktoren, die an 35 Sequenzen benachbart zu unmittelbaren Erkennungssequenz binden. Neben der Rekombinase (auch Int für Integrase bezeichnet) wird noch IHF ("Integration host factor") benötigt. Für die Umkehrreaktion, das Ausschneiden, ist zusätzlich noch der Faktor xis erforderlich. 40The λ integrase usually requires further factors that bind to 35 sequences adjacent to the immediate recognition sequence. In addition to the recombinase (also called Int for integrase), IHF ("Integration host factor") is also required. The factor xis is additionally required for the reverse reaction, the cutting out. 40
Die Familie der Resolvasen/Invertasen umfasst beispielhaft die ΦC31 Rekombinase, R4 Rekombinase (GenBank Acc.-No.: D38173 Nukleotide 292 bis 1701) , das Hin Inversionssystem aus Salmonella typhimurium und die TP901-1 Rekombinase (Hallet und Sherratt 45 (1997) FEMS Microbiol Rev 21:157-178). Weitere Familienmitglieder umfassen die Invertasen Gin des Mu Phagen, ein des Bakteriophagen P und Pin des el4 Phagen.The resolvase / invertase family includes, for example, the ΦC31 recombinase, R4 recombinase (GenBank Acc.-No .: D38173 nucleotides 292 to 1701), the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase (Hallet and Sherratt 45 (1997) FEMS Microbiol Rev 21: 157-178). Other family members include the inverted gin of Mu phage, one of bacteriophage P and pin of el4 phage.
Im Unterschied zu der Integrase-Familie haben die Mitglieder der Resolvasen in der Regel eine konservierte N-terminale kata- lytische Domaine (Crellin und Rood (1997) J Bacteriology 15 179(16) :5148-5156; Christiansen et al. (1996) J Bacteriology 178(17) :5164-58173) . Wie einige der Cre-typ Rekombinasen sind manche Resolvasen unabhängig von Faktoren des Wirtes (Thorpe und Smith (1998) PNAS USA 95:5505-5510). Die Resolvasen/Invertasen nutzen einen anderen Reaktionsmechanismus als die Integrasen (Gopaul DN und van Duyne GD (1999) Curr Opin Structural Biol 9:14-20; Jayaram M (1994) TIBS 19:78-83). Besonders bevorzugt ist die Untergruppe der "Extended Resolvases" (Brondsted L und Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758). Diese haben eine Homologie zu den anderen Resolvasen/Invertasen, weisen aber im Vergleich zu diesen eine Extension am C-Terminus auf. Der Vorteil dieser Rekombinasen liegt darin, dass sie wenig bis keine Helferfaktoren für die Katalyse der Rekombination zwischen zwei Erkennungsregionen benötigen (Brondsted L und Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65:752-758). Für die effiziente Katalyse der Umkehrreaktion hingegen werden weitere Faktoren benötigt . Durch Expression der entsprechenden Rekombinase alleine kann man daher bei geeigneter Positionierung der Erkennungssequenzen eine unter diesen Bedingungen nahezu irreversible Integration einer heterologen DNA-Sequenz bewirken. Besonders bevorzugt aus dieser Untergruppe sind die Rekombinasen der Phagen TP901-1 und ΦC31.In contrast to the integrase family, the members of the resolvases generally have a conserved N-terminal catalytic domain (Crellin and Rood (1997) J Bacteriology 15 179 (16): 5148-5156; Christiansen et al. (1996) J Bacteriology 178 (17): 5164-58173). Like some of the Cre-type recombinases, some resolvases are independent of host factors (Thorpe and Smith (1998) PNAS USA 95: 5505-5510). The resolvases / invertases use a different reaction mechanism than the integrases (Gopaul DN and van Duyne GD (1999) Curr Opin Structural Biol 9: 14-20; Jayaram M (1994) TIBS 19: 78-83). The subgroup of “extended resolvases” is particularly preferred (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758). These have homology to the other resolvases / invertases, but have an extension at the C-terminus compared to these. The advantage of these recombinases is that they require little to no helper factors to catalyze the recombination between two recognition regions (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758). However, additional factors are required for the efficient catalysis of the reverse reaction. Expression of the corresponding recombinase alone can therefore, with suitable positioning of the recognition sequences, bring about an almost irreversible integration of a heterologous DNA sequence under these conditions. The recombinases of phages TP901-1 and ΦC31 from this subgroup are particularly preferred.
Bevorzugt werden die Rekombinasen der Integrase-Familie genutzt, weil sie natürlicherweise in der Regel intermolekulare Rekombinationen vermitteln.The recombinases of the integrase family are preferably used because they naturally mediate intermolecular recombinations as a rule.
Besonders bevorzugt werden in der vorliegenden Erfindung Rekombinasen eingesetzt, die zwei unterschiedliche Erkennunsregionen rekombinieren und die bei der Rekombination entstehenden hybriden Erkennungsregion von der Rekombinase nicht mehr effizient oder nur mit einem weiteren Faktor erkannt und genutzt werden.In the present invention, particular preference is given to using recombinases which recombine two different recognition regions and which the recombinase no longer recognizes and uses the hybrid recognition region which arises during the recombination efficiently or only with a further factor.
Während bei den Rekombinationsereignissen der homologen Rekombi- nation (z.B. Doppel-Crossovers) extensive Sequenzhomologie benötigt wird, vermittelt die Erkennungssequenz-spezifische Rekombination DNA-Umordnungen zwischen Segmenten, die keine extensive Homologie aufweisen. Die Rekombinationsereignisse treten bei der Erkennungssequenz-spezifischen Rekombination aus- schließlich an spezifischen Stellen der DNA auf (Craig NL (1988) Annu Rev Genet 22:77-105). Rekombinationssysteme wie die λ Integrase aus dem λ-Phagen, die Rekombinase aus dem Mycobakteriophagen L5 (Pena CEA et al . (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97:7760-7765; Lee MH et al. (1991) Proc Natl Acad Sei USA 88:3111-3115), die Rekombinase aus dem Phagen ΦC31 (Kuhstoss S und Rao RN (1991) J Mol Biol 222: 897-908; Groth AC et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97: 5995- 6000; Rausch H und Lehmann M (1991) Nucl Acids Res . 19: 5187- 5189; Thorpe HM und Smith MCM (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95: 5505-5510; Kuhstoss S. et al. (1991) Gene 102:145-146; Harris JE et al . (1983) Gene 22:167-174) oder die Rekombinase aus dem PhagenWhile extensive sequence homology is required for the recombination events of the homologous recombination (eg double crossovers), the recognition sequence-specific recombination mediates DNA rearrangements between segments which have no extensive homology. The recombination events occur in the recognition sequence-specific recombination only at specific locations of the DNA (Craig NL (1988) Annu Rev Genet 22: 77-105). Recombination systems such as the λ integrase from the λ phage, the recombinase from the mycobacteriophage L5 (Pena CEA et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97: 7760-7765; Lee MH et al. (1991) Proc Natl Acad Sei USA 88: 3111-3115), the recombinase from the phage ΦC31 (Kuhstoss S and Rao RN (1991) J Mol Biol 222: 897-908; Groth AC et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97: 5995- 6000; Rausch H and Lehmann M (1991) Nucl Acids Res. 19: 5187-5189; Thorpe HM and Smith MCM (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95: 5505-5510; Kuhstoss S. et al. (1991) Gene 102: 145 -146; Harris JE et al. (1983) Gene 22: 167-174) or the phage recombinase
TP901-1 (Brondsted L und Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65:752-758; Bruener A et al. (1999) J Bacteriol 181: 7291- 7297; Koch B et al. (1997) Appl Environm Microbiol 63: 2439-2441, Christiansen B et al. (1996) J Bacteriol 178:5164-5173) nutzen natürlicherweise für ein Rekombinationsereignis zwei in ihrer Sequenz unterschiedliche Erkennungsregionen, in der Regel attP und attB genannt. Diese werden zu neuen, hybriden Erkennungsregionen (attR und attL) rekombiniert, die nicht von der entsprechenden Rekombinase allein effizient genutzt werden. Erst wenn ein oder mehrere weitere Faktoren hinzu kommen, werden diese Erkennungsregionen wieder erkannt und eine Rekombination (Rückreaktion) zwischen diesen kann erfolgen. Eine Vielzahl von Faktoren, die für die katalytische Wirkung der λ-Rekombinase eine Rolle spielen, sind bekannt (Landy A (1993) Curr Opin Gen Develop 3:699-707). Als weitere, bevorzugt verwendete Rekombinasen seien zu nennen: xisF aus Anabaena (Ramaswamy KS et al. (1997) Mol Microbiol 23:1241-1249; Carrasco CD et al . (1994) Genes Develop 8:74-83), Integrase vom Phagen ΦLC3 (Lillehaug D (1997) Gene 188:129-136), Rekombinase kodiert vom sre Gen des R4-Phagen (Matsuura M et al. (1996) J Bacteriol 178:3374-3376).TP901-1 (Brondsted L and Hammer K (1999) Appl Environm Microbiol 65: 752-758; Bruener A et al. (1999) J Bacteriol 181: 7291- 7297; Koch B et al. (1997) Appl Environm Microbiol 63: 2439-2441, Christiansen B et al. (1996) J Bacteriol 178: 5164-5173) naturally use two recognition regions with different sequences in their sequence, usually called attP and attB, for a recombination event. These are recombined into new, hybrid recognition regions (attR and attL) that are not used efficiently by the corresponding recombinase alone. Only when one or more other factors are added, these recognition regions are recognized again and a recombination (back reaction) between them can take place. A large number of factors which play a role in the catalytic action of the λ recombinase are known (Landy A (1993) Curr Opin Gen Develop 3: 699-707). Other preferred recombinases to be mentioned are: xisF from Anabaena (Ramaswamy KS et al. (1997) Mol Microbiol 23: 1241-1249; Carrasco CD et al. (1994) Genes Develop 8: 74-83), phage integrase ΦLC3 (Lillehaug D (1997) Gene 188: 129-136), recombinase encoded by the sre gene of the R4 phage (Matsuura M et al. (1996) J Bacteriol 178: 3374-3376).
Neben den bevorzugt genutzten Rekombinasesystemen, die allein natürlicherweise eine irreversible Reaktion vermitteln, sind auch die bekannten Rekombinase Systeme wie Cre/lox; FLP/frt aus der Hefe; R-RS aus Zygosaccharomyces rouxii (Onouchi, H et al., 1991, Nucl. Acids Res. 19: 6373-6378) oder Gin-gix aus dem Bakterio- phagen Mu (Maeser S und Kahmann R (1991) Mol Gen Genet 230:170-176) im Rahmen dieser Erfindung nutzbar. Diese Systeme vermitteln natürlicherweise eine reversible Rekombination, wobei das Gleichgewicht meist auf die Seite der Excision verschoben ist . Für die Anwendung im Rahmen dieser Erfindung werden diese Systeme bevorzugt nahezu irreversibel gemacht (siehe unten) .In addition to the preferred recombinase systems that naturally mediate an irreversible reaction, the known recombinase systems such as Cre / lox; FLP / frt from yeast; R-RS from Zygosaccharomyces rouxii (Onouchi, H et al., 1991, Nucl. Acids Res. 19: 6373-6378) or Gin-gix from the bacteriophage Mu (Maeser S and Kahmann R (1991) Mol Gen Genet 230 : 170-176) can be used in the context of this invention. These systems naturally mediate a reversible recombination, whereby the balance is usually shifted to the side of the excision. For use in the context of this invention, these systems are preferably made almost irreversible (see below).
Ganz besonders bevorzugt werden die Rekombinasen aus ΦC31 und TP901-1 genutzt. Am meisten bevorzugt sind die Rekombinasen mit Nukleinsäuresequenzen hinterlegt unter den GenBank Acc.-No Y14232 (TP901-1; komplementär bp 30 bis 1487) bzw. X59938 (ΦC31; Nukleo- tide 232 bis 2073) .The recombinases from ΦC31 and TP901-1 are used with particular preference. Most preferably, the recombinases with nucleic acid sequences are deposited under GenBank Acc.-No Y14232 (TP901-1; complementary bp 30 to 1487) or X59938 (ΦC31; nucleotides 232 to 2073).
Es sind verschiedene Verfahren denkbar, um eine Rekombinase in Plastiden einzubringen oder dort zu exprimieren. Beispielhaft jedoch nicht einschränkend sind zu nennen:Various methods are conceivable to introduce a recombinase into plastids or to express them there. Examples include, but are not limited to:
a) Nukleare Expression unter Verwendung plastidärer Transit- peptidea) Nuclear expression using plastid transit peptides
Eine Expressionskassette kodierend für eine Rekombinase kann in der dem Fachmann bekannten Weise konstruiert, in den Zellkern eingeführt und - optional - stabil in die chromosomale DNA integriert werden. Die Expression erfolgt dann transient oder - bei Integration in die chromosomale DNA - stabil . Für einen Transport in die Plastiden wird die Rekombinase bevorzugt in Fusion mit einer Plastidenlokalisationsse uenz (PLS) exprimiert. Verfahren, an sich nicht in den Plastiden lokalisierte Proteine, gezielt in die Plastiden zu transportieren sowie verschiedene PLS-Sequenzen sind beschrieben (Klosgen RB und Weil JH (1991) Mol Gen Genet 225 (2) :297-304; Van Breuse- gem F et al. (1998) Plant Mol Biol 38 (3) : 491-496) . Bevorzugt sind PLS, welche nach Translokation der Rekombinase in die Plastiden vom Rekombinase-Teil enzymatisch abgespalten werden. Insbesondere bevorzugt ist die PLS, die von der plastidären Nicotiana tabacum Transketolase oder einem anderen Transitpeptid (z.B. dem Transitpeptid der kleinen Untereinheit der Rubisco oder der Ferredoxin NADP Oxido- reduktase als auch der Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2) oder dessen funktionellem Äquivalent abgeleitet ist. Für die nukleare Expression sind im Prinzip alle Promotoren geeignet, die eine Expression in Pflanzen ermöglichen. Beispiele sind weiter unten gegeben. Bevorzugt sind konstitutive Promotoren wie der 35S Promotor des CaMV oder der Nitrilase-1 Promotor des nitl Gens aus Arabidopsis (GenBank Acc.-No. : Y07648.2, Nukleotide 2456 bis 4340; Hillebrand H et al. (1998) Plant Mol Biol 36 (l):89-99; Hillebrand H et al . (1996) Gene 170(2) :197-200) .An expression cassette coding for a recombinase can be constructed in the manner known to the person skilled in the art, inserted into the cell nucleus and - optionally - stably integrated into the chromosomal DNA. The expression is then transient or - when integrated into the chromosomal DNA - stable. For transport into the plastids, the recombinase is preferably expressed in fusion with a plastid localization sequence (PLS). Methods of specifically transporting proteins that are not per se localized in the plastids into the plastids as well as various PLS sequences are described (Klosgen RB and Weil JH (1991) Mol Gen Genet 225 (2): 297-304; Van Breuse- gem F et al. (1998) Plant Mol Biol 38 (3): 491-496). Preferred are PLS which are enzymatically split off from the recombinase part after translocation of the recombinase into the plastids. Particularly preferred is the PLS, which is derived from the plastid Nicotiana tabacum transketolase or another transit peptide (e.g. the transit peptide of the small subunit of Rubisco or the ferredoxin NADP oxidoreductase as well as the isopentenyl pyrophosphate isomerase-2) or its functional equivalent. In principle, all promoters which allow expression in plants are suitable for nuclear expression. Examples are given below. Constitutive promoters such as the 35S promoter of the CaMV or the nitrilase-1 promoter of the nitl gene from Arabidopsis (GenBank Acc.-No .: Y07648.2, nucleotides 2456 to 4340; Hillebrand H et al. (1998) Plant Mol Biol 36 (l): 89-99; Hillebrand H et al. (1996) Gene 170 (2): 197-200).
Bevorzugte PLS Sequenzen sind:Preferred PLS sequences are:
i) das Transitpeptid der Isopentenylisomerase (IPP) aus Arabidopsis (GenBank Acc. -No. : NC_003074; Nukleotide 604657 - 604486) ii) Transitpeptide abgeleitet von der kleine Untereinheit (SSU) der Ribulosebisphosphatcarboxylase (Rubisco ssu) aus beispielsweise Erbse, Mais, Sonnenblume oder Arabidopsis.i) the transit peptide of isopentenyl isomerase (IPP) from Arabidopsis (GenBank Acc. -No.: NC_003074; nucleotides 604657 - 604486) ii) Transit peptides derived from the small subunit (SSU) of ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco ssu) from, for example, pea, corn, sunflower or Arabidopsis.
Arabidopsis thaliana: GenBank Acc.-No.: z.B. AY054581, AY054552;Arabidopsis thaliana: GenBank Acc.-No .: e.g. AY054581, AY054552;
Erbse, GenBank Acc . -No . : z.B. X00806, Nukleotide 1086 bis 1256; X04334, X04333 (Hand JM (1989) EMBO JPea, GenBank Acc. -No. : e.g. X00806, nucleotides 1086 to 1256; X04334, X04333 (Hand JM (1989) EMBO J
8 (11) :3195-206) . Hier besonders bevorzugt: Expressionskassette und Transitpeptid (Erbse, rbcS3A) aus Vektor pJIT117 (Guerineau F (1988) Nucleic Acids Res 16 (23) :11380. Besonders bevorzugt ist die Peptidse- quenz gemäß SEQ ID NO: 11. Am meisten bevorzugt für die Verwendung zur Konstruktion von entsprechenden Expressionskonstrukten ist die Nukleinsäuresequenz gemäß SEQ ID NO: 10.8 (11): 3195-206). Particularly preferred here: expression cassette and transit peptide (pea, rbcS3A) from vector pJIT117 (Guerineau F (1988) Nucleic Acids Res 16 (23): 11380. The peptide sequence according to SEQ ID NO: 11 is particularly preferred. Most preferred for the The nucleic acid sequence according to SEQ ID NO: 10 is used for the construction of corresponding expression constructs.
- Mais, GenBank Acc . -No. : z.B. S42568, S42508- Maize, GenBank Acc. -No. : e.g. S42568, S42508
Sonnenblume, GenBank Acc . -No. : Y00431, Nukleotide 301 bis 465.Sunflower, GenBank Acc. -No. : Y00431, nucleotides 301 to 465.
iü) Transitpeptide abgeleitet von Genen der pflanzlichen Fettbiosynthese wie das Transitpeptid des plastidären "Acyl Carrier Protein" (ACP) (z.B. die Arabidopsis thaliana beta-ketoacyl-ACP synthetase 2; GenBank Acc.- No. : AF318307), die Stearyl-ACP-Desaturase, ß-Ketoacyl- ACP Synthase oder die Acyl-ACP-Thioesterase (z.B.iü) Transit peptides derived from genes of vegetable fat biosynthesis such as the transit peptide of the plastid "Acyl Carrier Protein" (ACP) (e.g. Arabidopsis thaliana beta-ketoacyl-ACP synthetase 2; GenBank Acc.- No.: AF318307), the stearyl-ACP- Desaturase, β-ketoacyl-ACP synthase or the acyl-ACP thioesterase (e.g.
A. thaliana mRNA for acyl- (acyl carrier protein) thio- esterase: GenBank Acc . -No . : Z36911) .A. thaliana mRNA for acyl- (acyl carrier protein) thioesterase: GenBank Acc. -No. : Z36911).
iv) das Transitpeptid der GBSSI ("Starch Granule Bound Synthase I")iv) the transit peptide of GBSSI ("Starch Granule Bound Synthase I")
v) das Transitpeptid der LHCP II Gene.v) the transit peptide of the LHCP II genes.
Besonders bevorzugt ist die plastidäre Transketolase aus Tabak (SEQ ID NO: 12) . Zur Expression entsprechender Fusionsproteine können im Rahmen dieser Erfindung verschiedene PLS-Nukleinsäurekassetten in den drei Leserastern als Kpnl/BamHI Fragment verwendet werden (der Translationsstart (ATG-Kodon) ist in der Ncol Schnittstelle lokalisiert) (pTP09 SEQ ID NO: 13; pTPlO SEQ ID NO: 14; pTPll SEQ ID NO: 15). Ein weiteres Beispiel für eine vorteilhaft einzusetzende PLS ist das Transitpeptid der plastidären Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana (SEQ ID NO: 16) . Ganz besonders bevorzugt können die Nukleinsäuresequenzen kodierend für drei Kassetten (entsprechend den drei Leserastern) der PLS der Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana verwendet werden (EcoRV/ Sall-Kassetten mit ATG; IPP-9 SEQ ID NO: 17; IPP-10 SEQ ID NO: 18; IPP-11 SEQ ID NO: 19).The plastid transketolase from tobacco (SEQ ID NO: 12) is particularly preferred. Various PLS nucleic acid cassettes can be used in the three reading frames as Kpnl / BamHI fragments for the expression of corresponding fusion proteins (the translation start (ATG codon) is located in the Ncol interface) (pTP09 SEQ ID NO: 13; pTPlO SEQ ID NO: 14; pTPll SEQ ID NO: 15). Another example of a PLS that can be used advantageously is the transit peptide of the plastidic isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (SEQ ID NO: 16). The nucleic acid sequences coding for three cassettes (corresponding to the three reading frames) of the PLS of the isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (EcoRV / Sall cassettes with ATG; IPP-9 SEQ ID NO: 17) can be used with very particular preference ; IPP-10 SEQ ID NO: 18; IPP-11 SEQ ID NO: 19).
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können synthetisch hergestellt oder natürlich gewonnen sein oder eine Mischung aus synthetischen und natürlichen Nukleinsäure-Bestandteilen enthalten, sowie aus verschiedenen heterologen Genabschnitten verschiedener Organismen bestehen.The nucleic acids according to the invention can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural nucleic acid constituents, and can consist of different heterologous gene segments from different organisms.
Die für das Transitpeptid kodierende Sequenz kann ganz oder teilweise die Peptidsequenz des Ursprungsproteins umfassen. Eine exakte Bestimmung der für den Transport essentiellen Aminosäurereste ist nicht erforderlich, solange die Funktionalität der PLS - nämlich der Transport in die Plastiden - gewährleistet ist, und die Funktion der Rekombinase nicht gänzlich zerstört wird. Ganz besonders bevorzugt sind die nachfolgenden PLS-Sequenzen:The sequence coding for the transit peptide can comprise all or part of the peptide sequence of the original protein. An exact determination of the amino acid residues essential for the transport is not necessary as long as the functionality of the PLS - namely the transport into the plastids - is guaranteed and the function of the recombinase is not completely destroyed. The following PLS sequences are very particularly preferred:
PLS1 : N-MASSSSLTLSQAILSRSVPRHGSASSSQLSPSSLTFSGLKSNPNITTSRRR TPSSAAAAAWRSPAIRASAATETIEKTETAGS-C (SEQ ID NO: 12) . Entspricht der PLS der plastidären Transketolase aus Taba .PLS1: N-MASSSSLTLSQAILSRSVPRHGSASSSQLSPSSLTFSGLKSNPNITTSRRR TPSSAAAAAWRSPAIRASAATETIEKTETAGS-C (SEQ ID NO: 12). Corresponds to the PLS of plastid transketolase from Taba.
PLS2 : N-MSASSLFNLPLIRLRSLALSSSFSSFRFAHRPLSSISPRKLPNFRAFSGTA MTDTKDGSRVDM-C (SEQ ID NO: 16) . Entspricht der PLS der Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2), wobei das letzte Methionin bevorzugt das Start- Methionin der Rekombinase ist.PLS2: N-MSASSLFNLPLIRLRSLALSSSFSSFRFAHRPLSSISPRKLPNFRAFSGTA MTDTKDGSRVDM-C (SEQ ID NO: 16). Corresponds to the PLS of the isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2), the last methionine preferably being the start methionine of the recombinase.
Fusionsproteine aus PLS und Rekombinase sind im Rahmen dieser Erfindung unter dem Begriff der Rekombinase subsumiert. Wird eine Rekombinase nuklear exprimiert, so wird unter der Rekombinase bevorzugt ein Fusionsprotein aus PLS und der Rekombinase verstanden.In the context of this invention, fusion proteins from PLS and recombinase are subsumed under the term recombinase. If a recombinase is expressed nuclear, the recombinase is preferably understood to mean a fusion protein composed of PLS and the recombinase.
Expression in PlastidenExpression in plastids
Eine Expression in Plastiden kann auch durch direkte Einführung einer Expressionskassette für die Rekombinase in Plastiden, ggf. Integration in die plastidäre DNA und Expression der Rekombinase erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Expressionskassette in dem die Insertionssequenz umfassenden Transformationskonstrukt enthalten. Die Expression kann aber auch von einer separaten Expressionskassette aus realisiert werden.Expression in plastids can also be achieved by the direct introduction of an expression cassette for the recombinase in plastids, possibly integration into the plastid DNA and Expression of the recombinase take place. In a preferred embodiment, this expression cassette is contained in the transformation construct comprising the insertion sequence. However, expression can also be carried out from a separate expression cassette.
Dabei können zum einen spezifische Plastiden- oder Chromo- plasten-Promotoren - wie unten im Detail beschrieben - zum Einsatz kommen. Eine gezielte plastidäre Expression kann auch erreicht werden, wenn man zum Beispiel einen viralen, bakteriellen oder Bakteriophagen Promotor verwendet, die resultierende Expressionskassette in die plastidäre DNA einbringt und die Expression dann durch die korrespondierende virale, bakterielle oder Bakteriophagen RNA-Polymerase indu- ziert. Die korrespondierende RNA-Polymerase kann wiederum auf verschiedene Art und Weise - bevorzugt durch nukleare Transformation als Fusionsprotein mit einer PLS - in die Plastiden eingebracht werden. Entsprechende Verfahren sind beschrieben (WO 95/16783, WO 97/06250, US 5,925,806). Das Einbringen in Plastiden wird bevorzugt mittels Mikroinjektion und besonders bevorzugt mittels Partikelbeschuss durchgeführt.On the one hand, specific plastid or chromoplast promoters - as described in detail below - can be used. A targeted plastid expression can also be achieved if, for example, a viral, bacterial or bacteriophage promoter is used, the resulting expression cassette is inserted into the plastid DNA and the expression is then induced by the corresponding viral, bacterial or bacteriophage RNA polymerase. The corresponding RNA polymerase can in turn be introduced into the plastids in various ways - preferably by nuclear transformation as a fusion protein with a PLS. Corresponding methods are described (WO 95/16783, WO 97/06250, US 5,925,806). The introduction into plastids is preferably carried out by means of microinjection and particularly preferably by means of particle bombardment.
c) Einbringen als RNAc) Introduction as RNA
Die Rekombinase kann auch durch Einführung der für dieThe recombinase can also be introduced by the for
Rekombinase kodierenden - beispielsweise in vitro erzeugten - mRNA z.B. über Mikroinjektion, Partikel-Bombardierung (bio- listische Verfahren) , Polyethylenglykol- oder Liposomen-ver- mittelte Transfektion in Plastiden eingebracht werden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da hier keine die Rekombinase kodierenden Sequenzen im Piastom oder Genom verbleiben. Bevorzugt wird die die Rekombinase kodierende RNA durch in vitro Transkription in einer dem Fachmann bekannten Weise hergestellt.Recombinase-encoding mRNA, e.g., generated in vitro, e.g. can be introduced into plastids via microinjection, particle bombardment (bio- listic processes), polyethylene glycol or liposome-mediated transfection. This embodiment is advantageous since no sequences coding for the recombinase remain in the piastome or genome. The RNA encoding the recombinase is preferably produced by in vitro transcription in a manner known to the person skilled in the art.
d) Einbringen als Proteind) Introduction as a protein
Die Rekombinase kann direkt beispielsweise über Mikroinjektion, Partikel-Bombardierung (biolistische Verfahren) , Polyethylenglykol-Transfektion oder Liposomen-vermittelte Transfektion in Plastiden eingebracht werden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da hier keine die Rekombinase kodierenden Sequenzen im Piastom oder Genom verbleiben. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise beschrieben bei Segal DJ et al. (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92:806-810. Die Rekombinase kann alternativ als Fusionsprotein mit dem VirE2 oder VirF Protein eines Agrobakterium sowie einer PLS in Pflanzenzellen eingeschleust werden. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise für die Cre-Rekombinase beschrieben (Vergunst AC et al. (2000) Science 290:979-982). Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da hier keine die Rekombinase kodierenden Sequenzen im Genom verbleiben.The recombinase can be introduced directly into plastids, for example via microinjection, particle bombardment (biolistic method), polyethylene glycol transfection or liposome-mediated transfection. This embodiment is advantageous since no sequences coding for the recombinase remain in the piastome or genome. A corresponding method is described for example by Segal DJ et al. (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92: 806-810. The recombinase can alternatively be introduced into plant cells as a fusion protein with the VirE2 or VirF protein of an agrobacterium and a PLS. Corresponding methods are described, for example, for Cre recombinase (Vergunst AC et al. (2000) Science 290: 979-982). This embodiment is advantageous since no sequences encoding the recombinase remain in the genome.
Natürlich sind auch Kombinationen der oben beschriebenen Möglich- keiten denkbar.Combinations of the options described above are of course also conceivable.
Bevorzugt ist die Expressionskassette für die Rekombinase auf der Insertionssequenz oder dem Transformationskonstrukt enthalten. Es können auch Masterpflanzen erzeugt werden, die eine Expressions- kassette für eine Rekombinase stabil in die plastidäre DNA oder die nukleare DNA integriert umfassen.The expression cassette for the recombinase is preferably contained on the insertion sequence or the transformation construct. It is also possible to produce master plants which comprise an expression cassette for a recombinase stably integrated into the plastid DNA or the nuclear DNA.
Bevorzugt ist die Rekombinase im Moment des Einbringen des Trans- formationskonstruktes bzw. der Insertionssequenz in den Plastiden der Masterpflanze funktioneil vorhanden.The recombinase is preferably functionally present at the moment the transformation construct or insertion sequence is introduced into the plastids of the master plant.
Besonders bevorzugt wird die Rekombinase gleichzeitig mit oder nach der Einführung der Insertionssequenz in die Plastiden eingebracht bzw. aktiviert. Die Expression bzw. Aktivierung am richtigen Ort und zur richtigen Zeit kann durch verschiedene Ansätze sichergestellt werden:The recombinase is particularly preferably introduced or activated simultaneously with or after the introduction of the insertion sequence into the plastids. Expression or activation at the right place and at the right time can be ensured by different approaches:
a) Induzierbare Expressiona) Inducible expression
Die Expression einer Rekombinase kann unter Verwendung eines induzierbaren Promotor, bevorzugt eines chemisch induzierbaren Promotors, gesteuert werden. Dazu kann beispielsweise die für die Rekombinase kodierende Expressionskassette stabil in die plastidäre oder nukleare DNA einer Masterpflanze transformiert werden. Erfolgt die Transformation in dasExpression of a recombinase can be controlled using an inducible promoter, preferably a chemically inducible promoter. For this purpose, for example, the expression cassette coding for the recombinase can be stably transformed into the plastidic or nuclear DNA of a master plant. Does the transformation into that
Kerngenom, so muss - wie oben beschrieben - die subzelluläre Lokalisation durch geeignete PLS-Transitpeptide sichergestellt werden. Kurz vor oder während der Transformation mit der Insertionssequenz oder dem Transformationskonstrukt wird dann in Abhängigkeit von dem gewählten induzierbarenNuclear genome, as described above, the subcellular localization must be ensured by suitable PLS transit peptides. Shortly before or during the transformation with the insertion sequence or the transformation construct, depending on the chosen inducible one
System die Expression der Rekombinase durch Applikation des entsprechenden Induktors eingeschaltet. Dem Fachmann sind verschiedene Verfahren oder Promotoren zur induzierten Expression bekannt. Als Stimulus können chemische Substanzen oder auch physikalische Stimuli wie beispielsweise erhöhte Temperatur oder Verwundung etc. fungieren. Verschiedene Beispiele sind weiter unten beschrieben.System switched on the expression of the recombinase by application of the appropriate inductor. Various methods or promoters for induced expression are known to the person skilled in the art. Chemical substances or physical stimuli such as increased stimuli can be used as the stimulus Temperature or wound etc. act. Various examples are described below.
b) Induzierbare Aktivitätb) Inducible activity
Die Rekombinase kann bereits in den Plastiden der Masterpflanze vorliegen, wenn die Aktivität durch geeignete Techniken erst zum gewählten Zeitpunkt etwa durch Zugabe chemischer Substanzen induziert wird. Entsprechende Verfahren sind für sequenzspezifische Rekombinasen beschrieben (Angrand PO et al. (1998) Nucl Acids Res 26 (13) :3263-3269; Logie C und Stewart AF (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92 (13 ): 5940-5944; Imai T et al . (2001) Proc Natl Acad Sei USA 98 (1) : 224-228) . Bei diesen Verfahren werden Fusionsproteine aus der Rekombi- nase und der Ligandenbindedomäne eines Steroidhormonrezeptors (z.B. des humanen Androgenrezeptors, oder mutierte Varianten des humanen Estrogenrezeptors wie dort beschrieben) eingesetzt. Die Induktion kann mit Liganden wie beispielsweise Estradiol, Dexamethason, 4-Hydroxytamoxifen oder Raloxifen erfolgen.The recombinase can already be present in the plastids of the master plant if the activity is only induced by suitable techniques at the selected point in time, for example by adding chemical substances. Appropriate methods have been described for sequence-specific recombinases (Angrand PO et al. (1998) Nucl Acids Res 26 (13): 3263-3269; Logie C and Stewart AF (1995) Proc Natl Acad Sei USA 92 (13): 5940-5944; Imai T et al. (2001) Proc Natl Acad Sei USA 98 (1): 224-228). In these methods, fusion proteins from the recombinase and the ligand binding domain of a steroid hormone receptor (e.g. the human androgen receptor, or mutated variants of the human estrogen receptor as described there) are used. Induction can be carried out using ligands such as estradiol, dexamethasone, 4-hydroxytamoxifene or raloxifene.
Die meisten Rekombinasen sind als Multimer (oft als Tetramer) aktiv (Stark et al . , 1992, TIG 8: 432-439). Es ist denkbar, die Multimerisierung induzierbar zu gestaltet, indem bei- spielsweise die natürlichen Multimerisierungsdomänen gegen die Bindungsdomäne eines niedermolekularen Liganden ausgetauscht werden. Zugabe eines dimeren Liganden bewirkt dann Dimerisierung des Fusionsproteins. Entsprechende induzierbare Dimerisierungsverfahren als auch die Herstellung der dimeren Liganden sind beschrieben (Amara JF et al . (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94(20): 10618-1623; Muthuswamy SK et al . (1999) Mol Cell Biol 19(10): 6845-6857; Schultz LW und Clardy J (1998) Bioorg Med Chem Lett 8(l):l-6; Keenan T et al . (1998) Bioorg Med Chem. 6 (8) : 1309-1335) .Most recombinases are active as multimers (often as tetramers) (Stark et al., 1992, TIG 8: 432-439). It is conceivable to make the multimerization inducible by, for example, exchanging the natural multimerization domains for the binding domain of a low molecular weight ligand. The addition of a dimeric ligand then causes the fusion protein to dimerize. Corresponding inducible dimerization processes and the preparation of the dimeric ligands have been described (Amara JF et al. (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94 (20): 10618-1623; Muthuswamy SK et al. (1999) Mol Cell Biol 19 (10) : 6845-6857; Schultz LW and Clardy J (1998) Bioorg Med Chem Lett 8 (l): 1-6; Keenan T et al. (1998) Bioorg Med Chem. 6 (8): 1309-1335).
c) Cotransfektionc) Cotransfection
Bevorzugt wird die Expressionskassette kodierend für die Rekombinase gleichzeitig mit der Insertionssequenz in die Plastiden eingebracht. Dabei können die Expressionskassette für die Rekombinase und die Insertionssequenz auf einem DNA- Molekül oder auf zwei getrennten vorliegen. Bevorzugt liegen die beiden Sequenzen auf einem DNA-Molekül zusammen vor, so dass die Expressionskassette in dem die Insertionssequenz umfassenden Transformationskonstrukt enthalten ist. Dabei wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, nachdem homoplastome Pflanzen regeneriert wurden, die Sequenz kodierend für die Rekombinase aus dem Piastom wieder entfernt. Dem Fachmann sind dazu verschiedene Verfahren bekannt, die weiter unten im Detail beschrieben sind.The expression cassette coding for the recombinase is preferably introduced into the plastids simultaneously with the insertion sequence. The expression cassette for the recombinase and the insertion sequence can be present on one DNA molecule or on two separate ones. The two sequences are preferably present together on a DNA molecule, so that the expression cassette is contained in the transformation construct comprising the insertion sequence. In a particularly preferred embodiment, after homoplastomic plants have been regenerated, the sequence coding for the recombinase is removed from the piastome. Various methods are known to the person skilled in the art for this purpose, which are described in detail below.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft Fusionsproteine von Rekombinasen der Familie der Resolvasen/Invertasen mit Plastidlokalisationssequenzen, sowie die für diese kodierenden Nukleinsäuresequenzen. Umfasst sind ferner Expressionskassetten, die besagte Nukleinsäuresequenzen unter Kontrolle eines im pflanzlichen Zellkern funktioneilen Promotors enthalten. Entsprechende Promotoren sind dem Fachmann bekannt und weiter unten beschrieben. Bevorzugte Resolvasen/Invertasen sind die ΦC31 Rekombinase, die R4 Rekombinase, das Hin Inversionssystem aus Salmonella typhimurium und die TP901-1 Rekombinase, sowie die Rekombinasen Gin des Mu Phagen, Cin des Bakteriophagen P und Pin des el4 Phagen. Ganz besonders bevorzugt sind die ΦC31 Rekombinase und die TP901-1 Rekombinase. Am meisten bevorzugt sind die Proteine gemäß SEQ ID NO: 41, 42, 46, 47 und 61. Als Expressionskassetten bevorzugt sind insbesondere die Sequenzen gemäß SEQ ID NO: 40 und 45. Die angegebene Sequenz der TP901-1 Rekombinase gemäß SEQ ID NO: 46 und 47 enthält im Vergleich zu der in der GenBank hinterlegten (SEQ ID NO: 61) einen Aminosäure- austausch.Another object of the invention relates to fusion proteins of recombinases of the resolvase / invertase family with plastid localization sequences, and the nucleic acid sequences coding therefor. Also included are expression cassettes which contain said nucleic acid sequences under the control of a promoter which is functional in the plant cell nucleus. Corresponding promoters are known to the person skilled in the art and are described further below. Preferred resolvases / invertases are the ΦC31 recombinase, the R4 recombinase, the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase, as well as the recombinases Gin from Mu phage, Cin from bacteriophage P and pin from el4 phage. The ΦC31 recombinase and the TP901-1 recombinase are very particularly preferred. The proteins according to SEQ ID NO: 41, 42, 46, 47 and 61 are most preferred. The sequences according to SEQ ID NO: 40 and 45 are particularly preferred as expression cassettes. The sequence of the TP901-1 recombinase according to SEQ ID NO: 46 and 47 contains an amino acid exchange compared to the one stored in GenBank (SEQ ID NO: 61).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft Expressionskassetten, die Nukleinsäuresequenzen kodierend für Rekombinasen der Familie der Resolvasen/Invertasen unter Kontrolle eines in pflanzlichen Plastiden funktionellen Promotors enthalten. Entsprechende Promotoren sind dem Fachmann bekannt und weiter unten beschrieben. Bevorzugte Resolvasen/Invertasen sind die ΦC31 Rekombinase, die R4 Rekombinase, das Hin InversionsSystem aus Salmonella typhimurium und die TP901-1 Rekombinase, sowie die Rekombinasen Gin des Mu Phagen, Cin des Bakteriophagen P und Pin des el4 Phagen. Ganz besonders bevorzugt sind die ΦC31 Rekombinase und die TP901-1 Rekombinase.The invention further relates to expression cassettes which contain nucleic acid sequences coding for recombinases of the resolvase / invertase family under the control of a promoter which is functional in plant plastids. Corresponding promoters are known to the person skilled in the art and are described further below. Preferred resolvases / invertases are the ΦC31 recombinase, the R4 recombinase, the Hin inversion system from Salmonella typhimurium and the TP901-1 recombinase, as well as the recombinases gin from Mu phage, Cin from bacteriophage P and pin from el4 phage. The ΦC31 recombinase and the TP901-1 recombinase are very particularly preferred.
"Rekombinase-Erkennungssequenz" (infolge "RE-Sequenz" ) meint allgemein solche Sequenzen, die unter den Bedingungen in den"Recombinase recognition sequence" (as a result of "RE sequence") generally means those sequences which are under the conditions in the
Plastiden der jeweils verwendeten pflanzlichen Zelle oder Pflanze die Erkennung und nachfolgende Verwendung als Rekombinations- substrat durch eine Rekombinase erlauben.Plastids of the plant cell or plant used in each case allow recognition and subsequent use as a recombination substrate by a recombinase.
Bevorzugt ist die Geschwindigkeit einer Rekombinationsreaktion einer bestimmten Rekombinase unter Einsatz einer RE-Sequenz (beispielsweise ihrer natürlichen Erkennungssequenz) mindestens zehn- fach so hoch wie für den Einsatz einer beliebigen anderen nichthomologen Sequenz, bevorzugt mindestens hundertfach so hoch, besonders bevorzugt mindestens eintausendfach so hoch, am meistens bevorzugt mindestens zehntausendfach so hoch. Dabei meint eine "nicht-homologe Sequenz" bevorzugt solche, die bei gleicherThe speed of a recombination reaction of a specific recombinase using a RE sequence (for example its natural recognition sequence) is preferably at least ten. times as high as for the use of any other non-homologous sequence, preferably at least a hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high, most preferably at least ten thousand times as high. Here, a “non-homologous sequence” preferably means those that are the same
Länge, eine Sequenzidentität zu der bevorzugten Erkennungssequenz (beispielsweise ihrer natürlichen Erkennungsse uenz ) der jeweiligen Rekombinase von weniger als 90 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 30 % aufweisen.Length, a sequence identity to the preferred recognition sequence (for example its natural recognition sequence) of the respective recombinase of less than 90%, preferably less than 50%, particularly preferably less than 30%.
Besonders bevorzugt sind RE-Sequenzen der oben beschriebenen sequenzspezifischen Rekombinasen. Bevorzugt ist die RE-Sequenz einer bestimmten Rekombinase singulär in der plastidären DNA, d.h. eine Rekombination wird nur an der so vordefinierten Stelle erzeugt. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, bei denen mehr als eine RE-Sequenz im Piastom vorhanden ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die RE-Sequenz in duplizierten Genen (z.B. in invertierten "Repeats") lokalisiert ist. Im letzteren Fall liegen mehr als eine identische RE-Sequenz vor, ihr Kontext ist jedoch identisch, so dass auch hier eine gezielte Insertion erfolgt. Es ist sogar bevorzugt, dass die Integration in alle Kopien erfolgt, so dass auch eine Insertion in allen Kopien erforderlich ist. RE- Sequenzen, die zwar mehr als einmal in einem Piastom auftreten, jedoch im gleichen plastomen Kontext lokalisiert sind (z.B. in "Repeats" oder Genduplikationen) sind Im Rahmen dieser Erfindung unter dem Begriff der singulären RE-Sequenzen subsumiert. Natürlich können singuläre RE-Sequenzen unterschiedlicher Rekombinasen parallel in einem Piastom vorliegen.RE sequences of the sequence-specific recombinases described above are particularly preferred. Preferably, the RE sequence of a particular recombinase is singular in the plastid DNA, i.e. a recombination is only created at the predefined location. However, cases are also conceivable in which there is more than one RE sequence in the piastom. This is particularly the case if the RE sequence is located in duplicated genes (e.g. in inverted "repeats"). In the latter case, there is more than one identical RE sequence, but their context is identical, so that a targeted insertion is also carried out here. It is even preferred that the integration be carried out in all copies, so that an insertion in all copies is also necessary. RE sequences that occur more than once in a piastom, but are localized in the same plastomic context (e.g. in "repeats" or gene duplications) are subsumed within the scope of this invention under the term of the singular RE sequences. Of course, singular RE sequences from different recombinases can be present in parallel in one piastome.
Anstelle der natürlichen RE-Sequenzen der genutzten Rekombinasen können auch modifizierte Erkennungsregionen genutzt werden, wie sie zum Beispiel für die FLP oder Cre Rekombinase beschrieben wurden (Senecoff JF und Cox MM (1986) J Biol Chem 261:7380-7386; Albert H et al . (1995) Plant J 7:649-659). Bevorzugt werden jedoch die natürlichen Sequenzen im Rahmen dieser Erfindung genutzt. Darüber hinaus können die Rekombinasen selbst durch eine Mutagenese verbessert werden, wie es etwa für die FLP Rekombinase gezeigt wurde (Buchholz F et al. (1998) Nature Biotech 16:657-662) .Instead of the natural RE sequences of the recombinases used, modified recognition regions can also be used, as described, for example, for the FLP or Cre recombinase (Senecoff JF and Cox MM (1986) J Biol Chem 261: 7380-7386; Albert H et al (1995) Plant J 7: 649-659). However, the natural sequences are preferably used in the context of this invention. In addition, the recombinases themselves can be improved by mutagenesis, as has been shown for the FLP recombinase (Buchholz F et al. (1998) Nature Biotech 16: 657-662).
Es ist auch denkbar, zwei nicht miteinander rekombinierende RE- Sequenzen (die von ein und der selben oder verschiedenen Rekombinasen erkannt werden) flankierend zu einem zu integrierenden DNA- Segment zu nutzen. Diese können bevorzugt mit jeweils kompatiblen Erkennungsregionen in einem anderen Molekül rekombiniert werden (Hoess RH et al . (1986) Nucl Acids Res 14: 2287-2300). Grundsätzlich kann zwischen "wildtyp" RE-Sequenzen und "pseudo" RE-Sequenzen unterschieden werden. Dabei meint "wildtyp" RE- Sequenz solche Sequenzen, wie sie im natürlichen System von der Rekombinase genutzt werden. Beispielsweise die loxP Sequenz für die cre Rekombinase oder die FRT Sequenz für die FLP Rekombinase oder die GIX Sequenz für die Gin Rekombinase. Diese Sequenzen können aus ihren homologen Ursprungssystemen (beispielsweise den natürlichen Phagen) abgeleitet und vorteilhaft im Rahmen dieser Erfindung eingesetzt werden. "Pseudo" RE-Sequenzen meint solche Sequenzen, die von einer Rekombinase erkannt und als Substrat für eine Rekombination genutzt werden können jedoch Sequenzen haben, die mit der "wildtyp" RE-Sequenz nicht identisch sind. Solche Sequenzen können beispielsweise aus heterologen Organismen isoliert werden, oder mittels künstlicher Mutagenese erzeugt werden. Beispielsweise können manche Rekombinasen - wie beispielsweise ΦC31 - in den Genomen mancher Eukaryoten Rekombinationen bewirken, haben also auch hier funktioneile RE-Sequenzen, die ähnlich aber nicht identisch zu der "wildtyp" RE-Sequenz sind. "Pseudo" RE-Sequenzen können mittels Sequenzalignmen , Sekundär- strukturvergleich, Deletions- oder Punktmutationsanalyse identifiziert werden. Dabei kommen vorteilhafterweise funktionelle Tests zum Einsatz, um die Wirkung der Rekombinase auf die RE- Sequenzen zu bestimmen. Ferner umfasst sind hybride RE-Sequenzen, die sich aus Teilen einzelner RE-Sequenzen - beispielsweise - aus jeweils einem Anteil einer "wildtyp" RE-Sequenz und einer "pseudo" Re-Sequenz zusammensetzen.It is also conceivable to use two RE sequences that do not recombine with one another (which are recognized by one and the same or different recombinases) to flank a DNA segment to be integrated. These can preferably be recombined with compatible recognition regions in another molecule (Hoess RH et al. (1986) Nucl Acids Res 14: 2287-2300). A basic distinction can be made between "wild-type" RE sequences and "pseudo" RE sequences. Here, "wild-type" RE sequence means sequences such as those used by the recombinase in the natural system. For example, the loxP sequence for the cre recombinase or the FRT sequence for the FLP recombinase or the GIX sequence for the gin recombinase. These sequences can be derived from their homologous origin systems (for example the natural phages) and can advantageously be used in the context of this invention. "Pseudo" RE sequences means those sequences which can be recognized by a recombinase and used as a substrate for recombination, but which have sequences which are not identical to the "wild-type" RE sequence. Such sequences can be isolated from heterologous organisms, for example, or generated by means of artificial mutagenesis. For example, some recombinases - such as ΦC31 - can cause recombinations in the genomes of some eukaryotes, so they also have functional RE sequences here that are similar but not identical to the "wild-type" RE sequence. "Pseudo" RE sequences can be identified by means of sequence alignments, secondary structure comparison, deletion or point mutation analysis. Functional tests are advantageously used to determine the effect of the recombinase on the RE sequences. Also included are hybrid RE sequences which are composed of parts of individual RE sequences - for example - each of a portion of a "wild-type" RE sequence and a "pseudo" Re sequence.
Die Rekombinase wird in die Plastiden vor, gleichzeitig und/oder nach Einführung des Transformationskonstruktes eingebracht.The recombinase is introduced into the plastids before, at the same time and / or after the introduction of the transformation construct.
Bevorzugt ist die eingesetzte Pflanze oder von dieser abgeleitete Zelle bezüglich der RE-Sequenz überwiegend homoplastom oder homotransplastom, d.h. dass die überwiegende Anzahl der in einem Plastid enthaltenen plastidären DNA-Moleküle diese RE-Sequenz aufweisen. Solche Pflanzen werden auch als Masterpflanzen im Rahmen dieser Erfindung bezeichnet.Preferably, the plant used or the cell derived from it is predominantly homoplastomic or homotransplastomic with respect to the RE sequence, i.e. that the majority of the plastid DNA molecules contained in a plastid have this RE sequence. Such plants are also referred to as master plants in the context of this invention.
Prinzipiell können zwei Arten von RE-Sequenzen genutzt werden:In principle, two types of RE sequences can be used:
a) Natürliche, endogene RE-Sequenza) Natural, endogenous RE sequence
Eine natürlicherweise im Piastom vorkommende Sequenz kann als Erkennungssequenz für beispielsweise eine chimäre Rekombinase fungieren. Chimäre Rekombinasen können beispielsweise durch Fusion einer die Sequenz besagter Erkennungsregion bindenden Zinkfingerdomäne und eine katalytischen Domäne einer Rekombinase bestehen (WO 96/06166) . Wie solche Zinkfingerdomänen bzw. solche Chimären Rekombinasen erstellt werden, ist dem Fachmann bekannt (Beerli RR et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97(4) :1495-1500; Beerli RR et al.(2000) J Biol Chem 275(42) :32617-32627; Segal DJ and Barbas CF 3rd. (2000) Curr Opin Chem Biol 4(l):34-39; Kang JS and Kim JS (2000) J Biol Chem 275(12) :8742-8748; Beerli RR et al . (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95 (25) : 14628-14633 ; Kim JS et al . (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94 (8) : 3616-3620; Klug A (1999) J Mol Biol 293 (2) :215-218; Tsai SY et al . (1998) Adv Drug Deliv Rev 30(1-3) :23-31; Mapp AK et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97(8) :3930-3935; Sharrocks AD et al. (1997) Int J Biochem Cell Biol 29(12) :1371-1387; Zhang L et al . (2000) J Biol Chem 275(43) :33850-33860) . Verfahren zur Herstellung und Selektion von Zink-Finger DNA-Bindedomänen mit hoher Sequenzspezifität sind beschrieben (WO 96/06166, WO 98/53059, WO 98/53057).A sequence that occurs naturally in the piastome can act as a recognition sequence for a chimeric recombinase, for example. Chimeric recombinases can consist, for example, of a zinc finger domain binding the sequence of said recognition region and a catalytic domain of a recombinase (WO 96/06166). Like such zinc finger domains or such chimeric recombinases are known to the person skilled in the art (Beerli RR et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97 (4): 1495-1500; Beerli RR et al. (2000) J Biol Chem 275 (42) : 32617-32627; Segal DJ and Barbas CF 3rd. (2000) Curr Opin Chem Biol 4 (l): 34-39; Kang JS and Kim JS (2000) J Biol Chem 275 (12): 8742-8748; Beerli RR et al. (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95 (25): 14628-14633; Kim JS et al. (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94 (8): 3616-3620; Klug A (1999) J Mol Biol 293 (2): 215-218; Tsai SY et al. (1998) Adv Drug Deliv Rev 30 (1-3): 23-31; Mapp AK et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 97 (8): 3930-3935; Sharrocks AD et al. (1997) Int J Biochem Cell Biol 29 (12): 1371-1387; Zhang L et al. (2000) J Biol Chem 275 (43): 33850-33860). Methods for the production and selection of zinc finger DNA binding domains with high sequence specificity are described (WO 96/06166, WO 98/53059, WO 98/53057).
Darüber hinaus ist es denkbar, bekannte Rekombinasen einer Mutagenese zu unterziehen, bis sie eine ausgewählte Sequenz des Piastidengenoms einer betrachteten Pflanzenspezies als Substrat erkennen. Pflanzen mit endogenen, natürlichen RE-Sequenzen stellen quasi natürlich vorkommende "Masterpflanzen" dar. Bei ihnen ist die RE-Sequenz natürlicherweise homoplastom vorhanden. Dies erübrigt die Einführung und Selektion künstlicher RE-Sequenzen.In addition, it is conceivable to subject known recombinases to mutagenesis until they recognize a selected sequence of the plastid genome of a plant species under consideration as a substrate. Plants with endogenous, natural RE sequences are quasi-naturally occurring "master plants". The RE sequence is naturally homoplastic in them. This eliminates the need to introduce and select artificial RE sequences.
Künstlich eingeführte RE-SequenzArtificially introduced RE sequence
Dem Fachmann ist bewusst, dass die in eine Masterpflanze eingebrachte RE-Sequenz nicht natürlich sein muss. Prinzipiell kann jede RE-Sequenz - beispielsweise eine natürliche, mutierte oder pseudo RE-Sequenz - einer beliebigen Rekombinase an jede beliebige Stelle der plastidären DNA insertiert werden. Die Herstellung erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Konstrukt zur Insertion der RE-Sequenz (infolge RE- Konstrukt) .The person skilled in the art is aware that the RE sequence introduced into a master plant need not be natural. In principle, any RE sequence - for example a natural, mutated or pseudo RE sequence - of any recombinase can be inserted at any location on the plastid DNA. The preparation is preferably carried out using a construct for inserting the RE sequence (as a result of the RE construct).
Bevorzugt umfasst das RE-Konstrukt einen Selektionsmarker, um die zur Erzeugung entsprechender Masterpflanzen erforderliche Selektion transplastomer Pflanzen mit der erfolgreich inser- tierten RE-Sequenz zu erleichtern. Dem Fachmann sind verschiedene Selektionsmarker bekannt, die eine Selektion von Plastiden ermöglichen (s.u.). Bevorzugt sind aadA, nptll oder BADH, wobei aadA besonders bevorzugt ist. Die Selektion erfolgt beispielsweise mit Hilfe des dem Fachmann bekannten "segregation and sorting" Prozess (beispielhaft unter Beispiel 4 beschrieben) . Der Selektionsmarker ist bevorzugt so konstruiert, dass eine nachfolgende Deletion aus dem Piastom ermöglicht wird. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt und unten beschrieben.The RE construct preferably comprises a selection marker in order to facilitate the selection of transplastomeric plants with the successfully inserted RE sequence, which is required to produce corresponding master plants. Various selection markers are known to the person skilled in the art which enable the selection of plastids (see below). Preferred are aadA, nptll or BADH, with aadA being particularly preferred. The selection is carried out, for example, using the “segregation and sorting” process known to the person skilled in the art (described by way of example in Example 4). The selection marker is preferably constructed such that a subsequent deletion from the piastome is made possible. Corresponding methods are known to the person skilled in the art and are described below.
Das RE-Konstrukt kann neben dem Selektionsmarker weitere Sequenzen enthalten. Diese können beispielsweise weitere regulatorische Elemente für die Expression der infolge einzuführenden Insertionssequenzen enthalten. Der im Rahmen des Konstruktes zur Insertion der RE-Sequenz eingeführte Selektionsmarker wird in einer bevorzugten Ausführungsform nach Erhalt der homoplastomen Masterpflanze durch dem Fachmann bekannte Verfahren deletiert (s.u.).In addition to the selection marker, the RE construct can contain further sequences. These can contain, for example, further regulatory elements for the expression of the insertion sequences to be introduced as a result. In a preferred embodiment, the selection marker introduced in the context of the construct for inserting the RE sequence is deleted after the homoplastic master plant has been obtained by methods known to the person skilled in the art (see below).
Alternativ, können auch natürliche, endogen am Insertionsort vorhandene regulatorische Elemente für die Expression in Folge einzubringender Gene genutzt werden.Alternatively, natural regulatory elements present endogenously at the insertion site can also be used for the expression of genes to be introduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das RE-Konstrukt zur Ermöglichung einer ortsspezifischen Insertion an mindestens einer, bevorzugt an beiden Seiten der RE-Sequenz weitere flankierende Sequenzen (A und B) , die eine ausreichende Länge und Homologie zu entsprechenden Zielsequenzen im Piastom (A' und B' ) haben, um eine ortsspezifische Insertion mittels homologer Rekombination zu gewährleisten.In a preferred embodiment, the RE construct comprises further flanking sequences (A and B) which enable a site-specific insertion on at least one, preferably on both sides of the RE sequence and which have a sufficient length and homology to corresponding target sequences in the piastome (A 'and B ') have to ensure a site-specific insertion by means of homologous recombination.
Nicht natürlicherweise in der plastidären DNA vorkommende RE- Sequenzen können auf verschiedene Arten in die plastidäre DNA eingeführt werden. Beispielhaft seien zu nennen:RE sequences not naturally occurring in the plastid DNA can be introduced into the plastid DNA in various ways. Examples include:
a) Integration mittels homologer Rekombination (z.B. Doppel- Crossover)a) Integration using homologous recombination (e.g. double crossover)
Bevorzugt wird die Integration in das Piastidengenom mit Hilfe der oben beschriebenen, dem Fachmann allgemein bekannten Verfahren der homologen Rekombination (z.B. Doppel-Cross- over) durchgeführt.The integration into the plastid genome is preferably carried out with the aid of the above-described methods of homologous recombination (e.g. double crossover) which are well known to the person skilled in the art.
b) Integration unter Verwendung natürlicher oder endogener ErkennungsSequenzen für ein Enzym geeignet zur Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen (infolge DSB-Erkennungssequenz; siehe unten) .b) Integration using natural or endogenous recognition sequences for an enzyme suitable for inducing DNA double-strand breaks (as a result of the DSB recognition sequence; see below).
c) Integration in Folge einer Rekombination mit Rekombinasen. Das erfindungsgemäße Verfahren selber kann genutzt werden, um beispielsweise weitere RE-Sequenzen zu integrieren. Es sind verschiedene Orte der Lokalisation bzw. Integration einer RE-Sequenz (bei bereits vorhandenen endogenen RE-Sequenzen) bzw. Integration (bei künstlich generierten RE-Sequenzen) für die RE- Sequenz möglich. Beispielhaft seien zu nennen:c) Integration as a result of recombination with recombinases. The method according to the invention itself can be used, for example, to integrate further RE sequences. Different locations of the localization or integration of a RE sequence (in the case of endogenous RE sequences already present) or integration (in the case of artificially generated RE sequences) are possible for the RE sequence. Examples include:
a) Lokalisation (Integration) in einer transkriptioneil stillen Regiona) Localization (integration) in a transcriptionally silent region
Lokalisation (Integration) der RE-Sequenz in einer transkriptionell stillen Region des Piastidengenoms (inter- genische Region) ist die bevorzugte Ausführungsform. Eine Störung der plastidären Funktionen kann so weitgehend ausgeschlossen werden. Hierbei ist zu beachten, dass für eine Expression (z.B. von Selektionsmarkern oder anderen Genen von Interesse) gegebenenfalls entsprechende regulatorische Elemente wie Promotoren etc. mit eingebracht werden müssen.Localization (integration) of the RE sequence in a transcriptionally silent region of the plastid genome (intergenic region) is the preferred embodiment. A disruption of the plastid functions can be largely excluded. It should be noted here that for an expression (e.g. of selection markers or other genes of interest) appropriate regulatory elements such as promoters etc. may have to be included.
b) Lokalisation (Integration) in eine transkriptionell aktive, aber nicht-kodierende (intercistronische) Regionb) Localization (integration) in a transcriptionally active, but non-coding (intercistronic) region
Diese Lokalisation (Integration) hat den Vorteil, dass dadurch die einzubringende Insertionssequenz letztendlich in einem plastidären Operon kodiert ist und Promotor (en) bzw. Terminator (en) nicht gesondert mit eingebracht werden müssen, sondern die endogen an diesem Locus vorhandenen ausgenutzt werden können (aber nicht müssen) . Es sollten in einem solchen Fall lediglich Ribosomenbindestellen in geeignetem Abstand stromaufwärts der kodierenden Region der einzubringenden Fremd-Gene vorhanden sein.This localization (integration) has the advantage that the insertion sequence to be introduced is ultimately encoded in a plastid operon and the promoter (s) or terminator (s) do not have to be introduced separately, but the endogenous ones present at this locus can be used ( but do not have to). In such a case, only ribosome binding sites should be present at a suitable distance upstream of the coding region of the foreign genes to be introduced.
Es ist jedoch auch denkbar, dass eine intergenische Region nicht vollständig transkriptionell still ist, weil beispielsweise eine nur ineffiziente Termination der Transkription von einem benachbarten Gen oder Operon erfolgt .However, it is also conceivable that an intergenic region is not completely transcriptionally silent because, for example, the transcription of an adjacent gene or operon is terminated only inefficiently.
c) Lokalisation (Integration) in eine transkriptionell aktive, kodierende Regionen.c) Localization (integration) in a transcriptionally active coding region.
Die unter a) und b) beschriebene Lokalisation (Integration) der RE-Sequenz an einem nicht kodierenden Locus, hat denThe localization (integration) of the RE sequence at a non-coding locus described under a) and b) has the
Vorteil, dass die Insertion der Fremd-DNA die Funktion des Piastidengenoms mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht beein- flusst. Nicht-kodierende Bereiche sind jedoch weniger konserviert als kodierende. Um ein möglichst universelles Verfahren zu haben, dass in vielen Pflanzenarten funktioniert, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die RE-Sequenz (und infolge die Insertionssequenz) in der kodierende Sequenz eines bestehenden Gens lokalisiert. Die Zerstörung der Genfunktion durch die Einführung der RE-Sequenz (bei einer künstlich generierten RE-Sequenz) oder durch die nachfolgende Einführung der Insertionssequenz wird auf erfinderische Weise dadurch verhindert, dass die RE-Sequenz bzw. die Insertionssequenz in einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform im Rahmen eines Introns eingebracht wird. Auf diese Weise wird die vollständige kodierende mRNA des Gens, in das die RE-Sequenz insertiert wurde, durch Spleißen der pre-RNA wieder generiert . Alternativ kann die Insertion auch in ein nicht-essentielles plastidäres Gen erfolgen. Auch kann das durch die Insertion der RE-Sequenz zerstörte Gen in einer nachfolgenden Transformation wieder eingebracht werden.The advantage that the insertion of the foreign DNA is not likely to influence the function of the plastid genome. However, non-coding areas are less conserved than coding areas. In order to have a method which is as universal as possible and which works in many plant species, in a particularly preferred embodiment the RE sequence (and consequently the insertion sequence) is in the coding sequence of an existing gene. The destruction of the gene function by the introduction of the RE sequence (in the case of an artificially generated RE sequence) or by the subsequent introduction of the insertion sequence is prevented in an inventive manner in that the RE sequence or the insertion sequence in a preferred variant of this embodiment in An intron is inserted. In this way, the complete coding mRNA of the gene into which the RE sequence has been inserted is generated again by splicing the pre-RNA. Alternatively, the insertion can also take place in a non-essential plastid gene. The gene destroyed by the insertion of the RE sequence can also be reintroduced in a subsequent transformation.
Das RE-Konstrukt hat bevorzugt - insbesondere wenn die Insertion in eine transkriptionell aktive oder gar translatierte Piastomregion erfolgt - die Struktur und Sequenz eines Introns . In der Regel werden dazu natürlicherweise vorkommende Introns so modifiziert, dass sie den Erfordernissen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens genügen. Bevorzugt erfolgt die Insertion derart, dass die insertierte Sequenz durch Spleißen der pre-mRNA restlos entfernt wird. Die herausgespleißte RNA (also das artifizielle Intron) stellt dann die mRNA beispielsweise für die Translation auf ihr kodierter Proteine dar. Da die Transkription des Introns der regulatorischen Kontrolle des Gens, in das das Intron integriert wurde, unterliegt, kann man sich alle regulatorischen Elemente stromaufwärts bzw. stromabwärts der Gene oder des Gens von Interesse in dem Intron sparen. Dadurch kann man die Konstrukte entsprechend klein halten. Darüber hinaus sind alle Introns nutz- bar, wenn man gleichzeitig die entsprechenden Faktoren, die das Spleißen vermitteln, in den Plastiden exprimiert oder sie in diese importiert. Bevorzugt sind die das Spleißen unterstützenden Faktoren im Intron selbst kodiert. Besonders bevorzugt werden in dieser Ausführungsform Introns der Gruppe II, die selbst wenigstens einen der für das Spleißen notwendigen Faktoren kodieren. Dazu gehört das Ll.ltrB Intron aus Lactococcus . Ebenfalls bevorzugt sind Introns, die natürlicherweise in Plastiden höherer Pflanzen vorkommen, besonders Introns der Gruppe II, ganz besonders bevorzugt Introns, die für ein Protein kodieren, am meisten bevorzugt Introns der trnK Gene des Plastidengenoms. Im letzteren Fall sind besonders bevorzugt die Introns aus den trnK Genen der Plastiden aus den Arten Arabidopsis, Mais und Tabak.The RE construct preferably has - particularly if the insertion into a transcriptionally active or even translated piastome region - the structure and sequence of an intron. As a rule, naturally occurring introns are modified so that they meet the requirements of the method according to the invention. The insertion is preferably carried out in such a way that the inserted sequence is completely removed by splicing the pre-mRNA. The spliced RNA (ie the artificial intron) then represents the mRNA, for example for translation on its encoded proteins. Since the transcription of the intron is subject to the regulatory control of the gene into which the intron has been integrated, all regulatory elements can be viewed upstream or downstream of the genes or gene of interest in the intron. This allows you to keep the constructs small. In addition, all introns can be used if the relevant factors that mediate the splicing are simultaneously expressed in the plastids or imported into them. The factors supporting the splicing are preferably coded in the intron itself. In this embodiment, group II introns are particularly preferred which themselves encode at least one of the factors necessary for the splicing. This includes the Ll.ltrB intron from Lactococcus. Also preferred are introns that occur naturally in plastids of higher plants, especially introns of group II, very particularly preferably introns that code for a protein, most preferably introns of the trnK genes of the plastid genome. In the latter case, the introns from the trnK genes of the plastids from the Arabidopsis, maize and tobacco species are particularly preferred.
Bevorzugt sind Introns mit einer selbst-spleißenden Aktivität, die nicht von weiteren Proteinfaktoren abhängt oder die allgemeine Faktoren benutzen, die universell und damit auch in Plastiden vorhanden sind. Zu diesen Introns gehören beispielsweisePreferred are introns with a self-splicing activity that does not depend on other protein factors or use the general factors that are universal and thus also in Plastids are present. These introns include, for example
a) das Intron der Gruppe I aus Tetahymena (GenBank Acc.-No.: X54512; Kruger K et al . (1982) Cell 31:147-157; Roman J und Woodson SA (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95:2134-2139)a) the intron of Group I from Tetahymena (GenBank Acc.-No .: X54512; Kruger K et al. (1982) Cell 31: 147-157; Roman J and Woodson SA (1998) Proc Natl Acad Sei USA 95: 2134 -2139)
b) das rll-Intron der Gruppe II aus Scenedesmus obliquus (GenBank Acc.-No.: X17375.2 Nukleotide 28831 bis 29438; Holländer V und Kück U (1999) Nucl Acids Res 27: 2339-2344; Herden- berger F et al. (1994) Nucl Acids Res 22: 2869-2875; Kück U et al. (1990) Nucl Acids Res 18:2691-2697).b) the group II rll intron from Scenedesmus obliquus (GenBank Acc.-No .: X17375.2 nucleotides 28831 to 29438; Holländer V and Kück U (1999) Nucl Acids Res 27: 2339-2344; Herdenberger F et al. (1994) Nucl Acids Res 22: 2869-2875; Kück U et al. (1990) Nucl Acids Res 18: 2691-2697).
c) das Ll.LtrB Intron (GenBank Acc.-No.: U50902 Nukleotide 2854 bis 5345)c) the Ll.LtrB intron (GenBank Acc.-No .: U50902 nucleotides 2854 to 5345)
d) das trnK-Intron aus Arabidopsis (GenBank Acc.-No.: AP000423 Neukleotide komplementär 1752 bis 4310), Mais (GenBank Acc.- No.: X86563 Nukleotide komplementär 1421 bis 3909) oder Tabak (GenBank Acc.-No.: Z00044 Nukleotide komplementär 1752 bis 4310)d) the trnK intron from Arabidopsis (GenBank Acc.-No .: AP000423 neucleotides complementary 1752 to 4310), maize (GenBank Acc.-No .: X86563 nucleotides complementary 1421 to 3909) or tobacco (GenBank Acc.-No .: Z00044 nucleotides complementary 1752 to 4310)
Sowohl artfremde als auch natürlicherweise in den Plastiden der jeweiligen Pflanze vorkommende Introns können genutzt werden. Zur Vermeidung von durch Sequenzduplikation bedingte Instabilitäten sind artfremde Introns - beispielsweise artfremde trnK-Introns - bevorzugt. Natürlicherweise in den Plastiden der jeweiligen Pflanze vorkommende Introns werden in einer bevorzugten Aus- führungsform so modifiziert, dass sie zwar ihre Funktion noch erfüllen können, die Sequenzhomologie jedoch geringer als 95 %, bevorzugt 80 %, besonders bevorzugt 70 % zu der Sequenz des Ausgangsintrons ist.Both intrinsic and introns naturally occurring in the plastids of the respective plant can be used. In order to avoid instabilities caused by sequence duplication, introns of a different species - for example trnK introns of a different species - are preferred. In a preferred embodiment, introns naturally occurring in the plastids of the respective plant are modified such that they can still fulfill their function, but the sequence homology is less than 95%, preferably 80%, particularly preferably 70% of the sequence of the starting intron ,
Besonders bevorzugt sind Introns, die natürlicherweise ein DSB- Enzym (insbesondere eine Homing Endonuklease kodieren) . Besonders bevorzugt ist das Intron Cp.LSU2 aus Chlamydomonas pallidostig- matica, welches das Enzym I-Cpal kodiert (Tunnel M et al . (1995) Mol Biol Evol 12:533-545). Bevorzugt sind ferner die Introns der Gruppe II aus den Mitochondrien der Hefe.Introns which naturally encode a DSB enzyme (in particular a homing endonuclease) are particularly preferred. The intron Cp.LSU2 from Chlamydomonas pallidostigmatica, which encodes the enzyme I-Cpal (Tunnel M et al. (1995) Mol Biol Evol 12: 533-545), is particularly preferred. Group II introns from the yeast mitochondria are also preferred.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Intronsequenz dem Insertionsort angepasst, so dass sie an diesem Lokus spleißen können. Die Anpassung kann bei Gruppe I Introns die internal guide sequence (IGS) bzw. bei den Introns der Gruppe II die exon binding sequence (EBS) I oder/und II betreffen. Im Fall des trnK Introns aus Mais konnte gezeigt werden, dass eine Editierung (His420Tyr) der entsprechenden mRNA in Plastiden der Gerste erfolgt (Vogel J et al. (1997) J Mol Biol 270:179- 187) . In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher das matK Gen im trnK-Intron aus Mais bereits durch einen entsprechenden His/Tyr-Austausch auf DNA-Ebene modifiziert, so dass eine RNA- Editierung nicht mehr erforderlich ist.In a preferred embodiment, the intron sequence is adapted to the insertion site so that they can splice at this locus. The adaptation can affect the internal guide sequence (IGS) for group I introns or the exon binding sequence (EBS) I or / and II for group II introns. In the case of the trnK intron from maize, it could be shown that the corresponding mRNA is edited in barley plastids (Vogel J et al. (1997) J Mol Biol 270: 179-187). In a preferred embodiment, the matK gene in the trnK intron from maize is therefore already modified by a corresponding His / Tyr exchange at the DNA level, so that RNA editing is no longer necessary.
Die Spleißstelle wird im Fall von Gruppe I Introns bestimmt durch die Paarung der IGS mit dem 5' und/oder 3' zum Intron gelegenen Exon des entsprechenden Transkriptes (Lambowitz AM & Beifort M (1993) Annu Rev Biochem 62:587-622) . Durch dem Fachmann bekannte Techniken wie PCR oder synthetisches Erstellen von Nukleotid- sequenzen können die IGS beliebiger Gruppe I Introns entsprechend so angepasst werden, dass ein Spleißen an der vordefinierten Insertionsstelle innerhalb der DSB-Erkennungsregion erfolgt. Bevorzugt wird das Intron CpLSU2 aus C. pallidostigmatica genutzt, welches für die Homing Endonuklease I-Cpal codiert. Bevorzugt wird ferner das Gruppe I Intron aus Tetrahymena thermo- phila (GenBank Acc.-No.: V01416 J01235; Nukleotide 53 bis 465). Die natürlicherweise zu findende IGS kann durch den Fachmann bekannte Techniken an die neue Insertionsstelle angepasst werden.In the case of group I introns, the splice point is determined by mating the IGS with the exon of the corresponding transcript located 5 'and / or 3' to the intron (Lambowitz AM & Beifort M (1993) Annu Rev Biochem 62: 587-622). Using techniques known to the person skilled in the art, such as PCR or the synthetic generation of nucleotide sequences, the IGS of any group I introns can be adapted accordingly such that splicing takes place at the predefined insertion point within the DSB recognition region. The intron CpLSU2 from C. pallidostigmatica, which codes for the homing endonuclease I-Cpal, is preferably used. Group I intron from Tetrahymena thermophila (GenBank Acc.-No .: V01416 J01235; nucleotides 53 to 465) is also preferred. The IGS that can be found naturally can be adapted to the new insertion site by techniques known to those skilled in the art.
Selbst-spleißende Introns der Gruppe II besitzen eine konser- vierte Struktur und bestehen im allgemeinen aus 6 verschiedenen Domänen. Domäne I beinhaltet die Exon-Bindestellen (EBS1 und EBS2), die beim Spleißvorgang eine Interaktion mit dem 5' vom Intron gelegenen Exon eingehen. Darüber hinaus findet eine Interaktion zwischen der "5 Region" und der "δ' Region" am 3' Exon statt (Lambowitz AM & Beifort M (1993) Annu Rev Biochem 62:587-622; Michel F & Ferat JL (1995) Annu Rev Biochem 64:435-461). Diese Sequenzen können durch dem Fachmann bekannte Techniken wie synthetisches Erstellen der Introns oder geeignete PCR Methoden jeweils derart angepasst werden, dass eine korrekte Wahl der Spleißstellen an dem in der DSB-Erkennungsregion gewählten Insertionsort gewährleistet ist.Group II self-splicing introns have a conserved structure and generally consist of 6 different domains. Domain I contains the exon binding sites (EBS1 and EBS2), which interact with the exon 5 'from the intron during the splicing process. In addition, there is an interaction between the "5 region" and the "δ 'region" at the 3' exon (Lambowitz AM & Beifort M (1993) Annu Rev Biochem 62: 587-622; Michel F & Ferat JL (1995) Annu Rev Biochem 64: 435-461). These sequences can be adapted in each case by techniques known to the person skilled in the art, such as synthetic creation of the introns or suitable PCR methods, in such a way that a correct choice of the splice sites at the insertion location selected in the DSB recognition region is ensured.
Selbstverständlich können über ein RE-Konstrukte auch gleich mehrere RE-Sequenzen für bevorzugt unterschiedliche Rekombinasen eingebaut werden. Das RE-Konstrukt wird dabei bevorzugt in der Art und Weise erstellt, dass nach der Integration in das Piastom keine Sequenzen dupliziert vorliegen (keine Homologien zu nativen Sequenzbereichen) .Of course, several RE sequences for preferably different recombinases can also be incorporated via one RE construct. The RE construct is preferably created in such a way that no sequences are duplicated after integration into the piastome (no homologies to native sequence regions).
Bevorzugt wird so zunächst eine bezüglich der insertierten RE- Sequenz überwiegend homotransplastome Pflanze erzeugt, die eine RE-Sequenz in allen oder der überwiegenden Anzahl der Plastiden der betrachteten Pflanze besitzen. Solche Pflanzen können vorteilhaft als Masterpflanzen eingesetzt werden. Auch wenn der Aufwand zur Insertion einer künstlichen RE-Sequenz in die plastidäre DNA relativ hoch ist und im Fall der Insertion mittels homologer Rekombination (z.B. Crossover) dem der zur Zeit im Stand der Technik beschriebenen Verfahren zur Piastidentransformation entspricht, so muss dieser Aufwand lediglich einmalig betrieben werden. Die erhaltene homotransplastome Masterpflanze kann dann für beliebig viele unterschiedliche nachfolgende Transformationen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, was eine erhebliche Steigerung der Transformations- effizienz ermöglicht: Statt den herkömmlichen Selektionsprozess für eine homotransplastome Pflanze jedes Mal vollständig durchlaufen zu müssen, muss er hier nur einmal realisiert werden.In this way, a plant which is predominantly homotransplastome with respect to the inserted RE sequence is preferably first generated, which has a RE sequence in all or the majority of the plastids of the plant under consideration. Such plants can advantageously be used as master plants. Even if the effort to insert an artificial RE sequence into the plastid DNA is relatively high and, in the case of insertion using homologous recombination (e.g. crossover), corresponds to the process for plastid transformation currently described in the prior art, this effort only has to be done once operate. The homotransplastome master plant obtained can then be used for any number of different subsequent transformations using the method according to the invention, which enables a significant increase in the transformation efficiency: instead of having to go through the conventional selection process for a homotransplastome plant every time, it only has to be done once here will be realized.
Aufgrund der Vielzahl der im Stand der Technik beschriebenen Rekombinasen mit definierten RE-Sequenzen, ist es möglich und bevorzugt, Masterpflanzen zu erzeugen, die mehrere verschiedene singuläre RE-Sequenzen in ihr plastidäres Genom eingebaut haben. Es können dann auch verschiedene Transformationsvektoren - auch gleichzeitig - eingebracht werden. Beim Nutzen verschiedener Erkennungsregionen, die entweder schon in der Masterpflanze vorhanden sind oder aber jeweils mit dem neu transformierten Transformationskonstrukt eingebracht werden, kann das Verfahren beliebig oft wiederholt werden. Nicht alle eingebrachten Vektoren müssen mittels Rekombinasen insertiert werden (es können auch verschiedene Insertionssequenzen mittels verschiedener Integrationsmechanismen insertiert werden) ; nicht alle - optional kein - Transformationskonstrukte müssen einen Selektionsmarker kodieren. Selektionsmarker können auch in trans auf einem anderen Konstrukt vorhanden sein. Dieses zusätzliche Konstrukt kann auch nur einen Selektionsmarker umfassen (beispielsweise "binding type marker" wie z.B. eine Punktmutation in der 16SrDNA zum Erreichen einer Spectomycinresistenz) .Due to the large number of recombinases with defined RE sequences described in the prior art, it is possible and preferred to generate master plants which have incorporated several different singular RE sequences into their plastid genome. Different transformation vectors can then also be introduced - also simultaneously. When using different recognition regions that are either already present in the master plant or that are introduced with the newly transformed transformation construct, the process can be repeated as often as required. Not all vectors introduced have to be inserted using recombinases (different insertion sequences can also be inserted using different integration mechanisms); not all - optionally none - transformation constructs have to code a selection marker. Selection markers can also be present in trans on another construct. This additional construct can also comprise only one selection marker (for example "binding type marker" such as a point mutation in the 16SrDNA to achieve spectomycin resistance).
Für im Rahmen der Erfindung vorteilhaft einzusetzende RE- Sequenzen seien beispielhaft - aber nicht einschränkend - die in nachfolgender Tabelle 1 wiedergegebenen ErkennungsSequenzen für die jeweiligen aufgeführten Rekombinasen genannt. Tabelle 1: ErkennungsSequenzen von RekombinasenFor RE sequences to be used advantageously within the scope of the invention, the recognition sequences for the respective recombinases listed in Table 1 below may be mentioned by way of example, but not by way of limitation. Table 1: Recognition sequences of recombinases
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000037_0001
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000037_0001
Dabei sind auch Abweichungen (Degenerationen) der Erkennungs- sequenz umfasst, die dennoch Erkennung und Rekombination durch die jeweilige Rekombinase ermöglichen, beispielsweise pseudo RE- Sequenzen. Ferner sind Kernsequenzen ( "Core"-Sequenzen) dieser ErkennungsSequenzen umfasst. Es ist bekannt, dass auch die inneren Anteile der ErkennungsSequenzen für eine Rekombination genügen und dass die äußeren nicht unbedingt relevant sind, jedoch die Effizienz der Rekombination mitbestimmen können. Ferner können die angegebenen Sequenzen beliebig an beiden Seiten ergänzt oder erweitert werden, indem beispielsweise, größere flankierende Bereiche aus den entsprechenden natürlichen Sequenzen übernommen werden. Der Begriff der RE-Sequenz umfasst insofern auch alle wesentlichen gleichen ErkennungsSequenzen. Im wesentlichen gleiche ErkennungsSequenzen meint solche Erkennungssequenzen, die zwar Abweichungen von der für das jeweilige Enzym als optimal gefundenen Erkennungssequenz aufweisen, jedoch eine Rekombination durch dasselbe noch erlauben.This also includes deviations (degenerations) in the recognition sequence, which nevertheless enable recognition and recombination by the respective recombinase, for example pseudo RE sequences. Furthermore, core sequences (“core” sequences) of these recognition sequences are included. It is known that the inner parts of the recognition sequences are sufficient for a recombination and that the outer parts are not necessarily relevant, but can also determine the efficiency of the recombination. Furthermore, the specified sequences can be supplemented or expanded as desired on both sides, for example by adopting larger flanking areas from the corresponding natural sequences. In this respect, the term “RE sequence” also encompasses all essentially identical recognition sequences. Essentially identical recognition sequences mean those recognition sequences which, although they have deviations from the recognition sequence found to be optimal for the particular enzyme, still permit recombination by the same.
Da die loxP Sequenz bislang nur im Pl Phagengenom gefunden wurde, bedingt die Verwendung der identischen loxP Sequenz eine vorhergehende Einführung derselben in das Piastom (s.u. mittels z.B. homologer Rekombination) . Verschiedene Studien haben jedoch bereits gezeigt, dass eine exakte Identität mit der natürlichen loxP Sequenz nicht zwingend für eine Cre-vermittelte Rekombination erforderlich ist (Sternberg et al. (1981) J Mol Biol 150:487-507; Sauer J (1992) Mol Biol 223:911-928; Sauer (1996) Nucl Acids Res 24:4608-4613).Since the loxP sequence has so far only been found in the PI phage genome, the use of the identical loxP sequence requires a prior introduction of the same into the piastome (see below, e.g. using homologous recombination). However, various studies have already shown that an exact identity with the natural loxP sequence is not absolutely necessary for Cre-mediated recombination (Sternberg et al. (1981) J Mol Biol 150: 487-507; Sauer J (1992) Mol Biol 223: 911-928; Sauer (1996) Nucl Acids Res 24: 4608-4613).
Orientierung und Lokalisation der RE-SequenzenOrientation and localization of the RE sequences
Deletion: Für eine Deletion werden zwei RE-Sequenzen, die durch die Einwirkung einer Rekombinase miteinander rekombinieren können, intramolekular mit gleicher Orientierung plaziert. Die zu deletierende Sequenz befindet sich zwischen den beiden RE-Sequenzen. Es entstehen 2 Moleküle und jedes trägt eine der beiden Sequenzen, die sich aus der Rekombination besagter RE-Sequenzen ergeben. Insertion: Die Insertion ist die Rückreaktion der Deletion. Zwei miteinander rekombinierbare RE-Sequenzen werden auf 2 Molekülen plaziert. Das zu insertierende Molekül ist in der einfachsten Anwendung zirkulär. Die Integration wird in der Art und Weise vorgenommen, in der sich beide RE-Sequenzen in entsprechender Orientierung anordnen. Das entstehende Produkt trägt dann zwei Sequenzen, die sich aus der Rekombination besagter RE-Sequenzen ergeben, in entsprechender Orientierung.Deletion: For a deletion, two RE sequences, which can recombine with each other through the action of a recombinase, are placed intramolecularly with the same orientation. The sequence to be deleted is between the two RE sequences. Two molecules are formed and each carries one of the two sequences that result from the recombination of said RE sequences. Insertion: The insertion is the reverse reaction of the deletion. Two RE sequences that can be recombined are placed on 2 molecules. In the simplest application, the molecule to be inserted is circular. The integration is carried out in the manner in which both RE sequences are arranged in a corresponding orientation. The resulting product then carries two sequences, which result from the recombination of said RE sequences, in a corresponding orientation.
Es ist auch möglich, zwei RE-Sequenzen, die nicht miteinander rekombinieren können, auf einem Molekül mit gleicher Orientierung zu plazieren. In dem zweiten Molekül, welches dann nicht zwangsläufig zirkulär sein muss, werden dann ebenfalls zwei RE-Sequenzen, welche nicht miteinander aber mit denen auf dem anderen Molekül rekombinieren können, mit gleicher Orientierung plaziert (s. unten "Replacement" Strategie). Das Ergebnis der bevorzugten Reaktion ist ein Austausch der zwischen den RE-Sequenzen auf beiden Molekülen befindlichen Sequenzen.It is also possible to place two RE sequences, which cannot recombine with one another, on a molecule with the same orientation. In the second molecule, which then does not necessarily have to be circular, two RE sequences, which cannot recombine with each other but with those on the other molecule, are then also placed with the same orientation (see "Replacement" strategy below). The result of the preferred reaction is an exchange of the sequences between the RE sequences on both molecules.
Inversion: Zwei miteinander rekombinierbare RE-Sequenzen werden auf einem Molekül mit gegenläufiger Orientierung plaziert. Die zugehörige Rekombinase kann dann eine Inversion der zwischen den RE-Sequenzen befindlichen Sequenzen bedingen. Sofern die durch die Rekombination entstehenden hybriden RE-Sequenzen nicht durch Einwirkung besagter Rekombinase allein wieder miteinander rekombinieren können, ist die Inversion irreversibel.Inversion: Two RE sequences that can be recombined are placed on a molecule with opposite orientation. The associated recombinase can then cause an inversion of the sequences located between the RE sequences. If the hybrid RE sequences resulting from the recombination cannot recombine with one another by the action of said recombinase alone, the inversion is irreversible.
"Enzym geeignet zur Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen an der Erkennungssequenz zur gezielten Induktion von DNA-Doppelstrang- brüchen" (infolge "DSBI-Enzym" für "double strand-break inducing enzvme" ) meint allgemein all solche Enzyme, die in der Lage sind, sequenzspezifisch Doppelstrangbrüche in doppelsträngige DNA zu erzeugen. Beispielsweise aber nicht einschränkend sind zu nennen:"Enzyme suitable for the induction of DNA double-strand breaks on the recognition sequence for the targeted induction of DNA double-strand breaks" (as a result of "DSBI enzyme" for "double strand-break inducing enzvme") generally means all those enzymes which are capable to generate sequence-specific double-strand breaks in double-stranded DNA. For example, but not restrictive:
1. Restriktionsendonukleasen, bevorzugt Typ II Restriktions- endonukleasen, besonders bevorzugt Homing-Endonukleasen wie weiter unten im Detail beschrieben.1. Restriction endonucleases, preferably type II restriction endonucleases, particularly preferably homing endonucleases as described in detail below.
2. Künstliche Nukleasen wie weiter unten im Detail beschrieben, wie beispielsweise chimere Nukleasen, mutierte Restriktionsoder Homing-Endonukleasen oder RNA-Proteinpartikel abgeleitet von mobilen Introns der Gruppe II.2. Artificial nucleases as described in detail below, such as, for example, chimeric nucleases, mutated restriction or homing endonucleases or RNA protein particles derived from mobile introns of group II.
Sowohl natürliche als auch künstlich hergestellte DSBI-Enzyme sind geeignet. Bevorzugt sind all solche DSBI-Enzyme, deren Erkennungssequenz bekannt ist und die entweder in Form ihrer Proteine (beispielsweise durch Aufreinigung) gewonnen oder unter Verwendung ihrer Nukleinsäuresequenz exprimiert werden können.Both natural and artificially produced DSBI enzymes are suitable. Preferred are all those DSBI enzymes whose recognition sequence is known and which are either in the form of their Proteins can be obtained (for example by purification) or expressed using their nucleic acid sequence.
Als künstliche DSBI-Enzyme seien beispielhaft chimäre Nukleasen 5 zu nennen, die sich aus einer unspezifischen Nukleasedomäne und einer sequenzspezifischen DNA-Bindungsdomäne (z.B. bestehend aus Zinkfingern) zusammensetzen (Smith J et al. (2000) Nucl Acids Res 28(17) :3361-3369; Bibikova M et al . (2001) Mol Cell Biol. 21:289-297; Chandrasegaran S und Smith J (1999) Biol Chem 10 380:841-848; Kim YG und Chandrasegaran S (1994) Proc Natl Acad Sei USA 91:883-887; Kim YG et al. (1996) Proc Natl Acad Sei USA 93:1156-1160; Nahon E und Raveh D (1998) Nucl Acids Res 26:1233-1239) .Examples of artificial DSBI enzymes are chimeric nucleases 5, which are composed of an unspecific nuclease domain and a sequence-specific DNA binding domain (eg consisting of zinc fingers) (Smith J et al. (2000) Nucl Acids Res 28 (17): 3361 -3369; Bibikova M et al. (2001) Mol Cell Biol. 21: 289-297; Chandrasegaran S and Smith J (1999) Biol Chem 10 380: 841-848; Kim YG and Chandrasegaran S (1994) Proc Natl Acad Sei USA 91: 883-887; Kim YG et al. (1996) Proc Natl Acad Sei USA 93: 1156-1160; Nahon E and Raveh D (1998) Nucl Acids Res 26: 1233-1239).
15 Bevorzugt wird das DSBI-Enzym unter Kenntnis seiner spezifischen Erkennungssequenz so ausgewählt, dass es zusätzlich zu der Ziel- Erkennungssequenz keine weitere funktioneilen Erkennungsregionen im Piastom besitzt. Ganz besonders bevorzugt sind deshalb Homing- Endonukleasen (Übersicht: Beifort M und Roberts RJ (1997) NucleicThe DSBI enzyme is preferably selected with knowledge of its specific recognition sequence in such a way that, in addition to the target recognition sequence, it has no other functional recognition regions in the piastome. Homing endonucleases are therefore particularly preferred (overview: Beifort M and Roberts RJ (1997) Nucleic
20 Acids Res 25:3379-3388; Jasin M (1996) Trends Genet 12:224-228; Internet: http: //rebase.neb.com/rebase/rebase.homing.html; Roberts RJ and Macelis D (2001) Nucleic Acids Res 29: 268-269). Diese erfüllen aufgrund ihrer langen Erkennungssequenzen diese Anforderung. Aufgrund der geringen Größe des Piastoms ist es 5 jedoch auch denkbar, dass DSBI-Enzyme mit kürzeren Erkennungssequenzen (beispielsweise Restriktionsendonukleasen) mit Erfolg eingesetzt werden können.20 Acids Res 25: 3379-3388; Jasin M (1996) Trends Genet 12: 224-228; Internet: http: //rebase.neb.com/rebase/rebase.homing.html; Roberts RJ and Macelis D (2001) Nucleic Acids Res 29: 268-269). Due to their long recognition sequences, these meet this requirement. However, due to the small size of the piastome, it is also conceivable that DSBI enzymes with shorter recognition sequences (for example restriction endonucleases) can be used successfully.
Ganz besonders bevorzugt sind 00 are very particularly preferred
I-NanI (Eide M et al. (1999) Eur J Biochem. 259:281-288; GenBank Acc.-No.: X78280, Nukleotide 418 bis 1155),I-NanI (Eide M et al. (1999) Eur J Biochem. 259: 281-288; GenBank Acc.-No .: X78280, nucleotides 418 to 1155),
I-NitI (GenBank Acc.-No.: XI 8211 , Nukleotide 426 bis 1163), 5 I-Njal (GenBank Acc.-No.: X78279, Nukleotide 416 bis 1153),I-NitI (GenBank Acc.-No .: XI 8211, nucleotides 426 to 1163), 5 I-Njal (GenBank Acc.-No .: X78279, nucleotides 416 to 1153),
I-Ppol kodiert auf der extrachromosomaler DNA im Kern von Physarum polycephalu (Muscarella DE und Vogt VM (1989) Cell 0 56:443-454; Lin J und Vogt VM (1998) Mol Cell BiolI-Ppol encodes the extrachromosomal DNA in the core of Physarum polycephalu (Muscarella DE and Vogt VM (1989) Cell 0 56: 443-454; Lin J and Vogt VM (1998) Mol Cell Biol
18:5809-5817; GenBank Acc.-No.: M38131, Nukleotide 86 bis 577; siehe auch SEQ ID NO: 4),18: 5809-5817; GenBank Acc.-No .: M38131, nucleotides 86 to 577; see also SEQ ID NO: 4),
I-Pspl (GenBank Acc.-No.: U00707, Nukleotide 1839 bis 3449), 5 I-Scal (Monteilhet C et al . (2000) Nucleic Acids Res 28: 1245-1251; GenBank Acc.-No.: X95974, Nukleotide 55 bis 465)I-Pspl (GenBank Acc.-No .: U00707, nucleotides 1839 to 3449), 5 I-Scal (Monteilhet C et al. (2000) Nucleic Acids Res 28: 1245-1251; GenBank Acc.-No .: X95974, nucleotides 55 to 465)
Endo Scel (Kawasaki et al. (1991) J Biol Chem 266:5342-5347, identisch zu F-Scel; GenBank Acc.-No.: M63839, Nukleotide 159 bis 1589) ,Endo Scel (Kawasaki et al. (1991) J Biol Chem 266: 5342-5347, identical to F-Scel; GenBank Acc.-No .: M63839, nucleotides 159 to 1589),
I-SceII (Sarguiel B et al. (1990) Nucleic Acids Res 18:5659-5665) ,I-SceII (Sarguiel B et al. (1990) Nucleic Acids Res 18: 5659-5665),
I-SceIII (Sarguiel B et al . (1991) Mol Gen Genet. 255:340-341),I-SceIII (Sarguiel B et al. (1991) Mol Gen Genet. 255: 340-341),
I-Ssp6803l (GenBank Acc.-No.: D64003, Nukleotide 35372 bis 35824),I-Ssp6803l (GenBank Acc.-No .: D64003, nucleotides 35372 to 35824),
I-Tevl (Chu et al. (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87:3574-3578; Bell-Pedersen et al. (1990) Nucleic Acids Resl8:3763-3770; GenBank Acc . -No. : AF158101, Nukleotide 144431 bis 143694) ,I-Tevl (Chu et al. (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87: 3574-3578; Bell-Pedersen et al. (1990) Nucleic Acids Resl8: 3763-3770; GenBank Acc. -No.: AF158101, nucleotides 144431 until 143694),
I-TevII (Bell-Pedersen et al. (1990) Nucleic Acids Res 18: 3763-3770,-GenBank Acc.-No. : AF158101, Nukleotide 45612 bis 44836) ,I-TevII (Bell-Pedersen et al. (1990) Nucleic Acids Res 18: 3763-3770, -GenBank Acc.-No .: AF158101, nucleotides 45612 to 44836),
I-TevIII (Eddy et al. (1991) Genes Dev. 5:1032-1041),I-TevIII (Eddy et al. (1991) Genes Dev. 5: 1032-1041),
Ganz besonders bevorzugt sind kommerziell erhältliche Homing- Endonukleasen wie I-Ppol, PI-PspI oder Pl-Scel . Am meisten bevor- zugt ist I-Ppol.Commercially available homing endonucleases such as I-Ppol, PI-PspI or Pl-Scel are very particularly preferred. I-Ppol is the most preferred.
Am meisten bevorzugt ist die Homing-Endonuklease gemäß den Proteinsequenzen beschrieben durch SEQ ID NO: 5. Bei der Herstellung entsprechender Expressionskassetten werden demzufolge Nuleinsäuresequenzen eingesetzt, die für ein Protein gemäß SEQ ID NO: 5 kodieren, insbesondere bevorzugt ist dabei die Verwendung der Nukleinsäuresequenzen gemäß SEQ ID NO: 4.The homing endonuclease according to the protein sequences described by SEQ ID NO: 5 is most preferred. In the production of corresponding expression cassettes, therefore, nucleic acid sequences are used which code for a protein according to SEQ ID NO: 5, the use of the nucleic acid sequences according to is particularly preferred SEQ ID NO: 4.
Weiterhin können Restriktionsendonukleasen (Typ II) vorteil- haft als DSBI-Enzyme verwendet werden, wenn sie keine Schnittstellen im Piastom aufweisen. Besonders bevorzugt sind dabei die Restriktionsendonukleasen Notl, CciNI, Fsel, Sbfl, Sdal und Sse8387I.Restriction endonucleases (type II) can also be used advantageously as DSBI enzymes if they have no interfaces in the piastome. The restriction endonucleases Notl, CciNI, Fsel, Sbfl, Sdal and Sse8387I are particularly preferred.
Besonders bevorzugt werden DSBI-Enzyme entsprechend den oben für Rekombinasen beschriebenen Verfahren so exprimiert, dass die Ausübung ihrer Funktion in den Plastiden gewährleistet ist. Besonders bevorzugt ist dabei die Expression als Fusionsprotein mit einer PLS oder die Integration einer Expressionskassette in die plastidäre DNA.DSBI enzymes are particularly preferably expressed in accordance with the methods described above for recombinases in such a way that their function in the plastids is ensured. Expression as a fusion protein with a PLS or integration of an expression cassette into the plastid DNA is particularly preferred.
"Erkennungssequenz zur gezielten Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen" (infolge "DSB-Erkennungssequenz" für Doppelstrangbruch- Erkennungssequenz) meint allgemein solche Sequenzen, die unter den Bedingungen in den Plastiden der jeweils verwendeten pflanzlichen Zelle oder Pflanze die Erkennung und Spaltung durch ein DSBI-Enzym erlauben. Besonders bevorzugt sind DSB-Erkennungs- sequenzen für Homing-Endonukleasen, die natürlicherweise in Mito- chondrien oder Kern anderer Organismen kodiert sind. Es können auch DSB-Erkennungssequenzen der Homing-Endonukleasen genutzt werden, die aus Plastiden (beispielsweise von Grünalgen) stammen. Bevorzugt ist die DSB-Erkennungssequenz singulär in der plastidären DNA, d.h. ein Doppelstrangbruch wird nur an der vordefinierten Stelle erzeugt. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, bei denen mehr als eine DSB-Erkennungssequenz im Piastom vorhanden ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die DSB-Erkennungs- sequenz in duplizierten Genen (z.B. in invertierten "Repeats") lokalisiert ist. Im letzteren Fall liegen mehr als eine identische DSB-Erkennungssequenz vor, ihr Kontext ist jedoch identisch. Es ist sogar bevorzugt, dass die DSB-Erkennungssequenz in alle Kopien der "Repeats" vorhanden ist, so dass auch ein Schnitt in allen Kopien erfolgen kann. DSB-Erkennungssequenzen, die zwar mehr als einmal in einem Piastom auftreten, jedoch im gleichen plastomen Kontext lokalisiert sind (z.B. in "Repeats" oder Genduplikationen) sind Im Rahmen dieser Erfindung unter dem Begriff der singulären DSB-Erkennungssequenzen subsumiert."Recognition sequence for the targeted induction of DNA double-strand breaks" (as a result of "DSB recognition sequence" for double-strand break recognition sequence) generally means those sequences which, under the conditions in the plastids of the plant cell or plant used in each case, the detection and cleavage by a DSBI enzyme allow. DSB recognition sequences for homing endonucleases which are naturally encoded in mitochondria or nucleus of other organisms are particularly preferred. DSB recognition sequences of the homing endonucleases derived from plastids (for example from green algae) can also be used. Preferably, the DSB recognition sequence is singular in the plastid DNA, i.e. a double strand break is only generated at the predefined point. However, cases are also conceivable in which there is more than one DSB recognition sequence in the piastom. This is particularly the case if the DSB recognition sequence is located in duplicate genes (e.g. in inverted "repeats"). In the latter case, there is more than one identical DSB recognition sequence, but their context is identical. It is even preferred that the DSB recognition sequence is present in all copies of the "repeats" so that a cut can also be made in all copies. DSB recognition sequences that occur more than once in a piastom but are localized in the same plastomic context (e.g. in "repeats" or gene duplications) are subsumed within the scope of this invention under the term singular DSB recognition sequences.
Bevorzugt ist die eingesetzte Pflanze oder von dieser abgeleitete Zelle bezüglich der DSB-Erkennungssequenz überwiegend homoplastom oder homotransplastom, d.h. dass die überwiegende Anzahl der in einem Plastid enthaltenen plastidären DNA-Moleküle diese DSB- Erkennungssequenz aufweisen. Solche Pflanzen werden auch als Masterpflanzen im Rahmen dieser Erfindung bezeichnet.Preferably, the plant used or the cell derived from it is predominantly homoplastomic or homotransplastomic with respect to the DSB recognition sequence, i.e. that the majority of the plastid DNA molecules contained in a plastid have this DSB recognition sequence. Such plants are also referred to as master plants in the context of this invention.
Tabelle 2 : Erkennungssequenzen und Herkunftsorganismus von DSBI- Enyzmen ("Λ" gibt innerhalb einer Erkennungssequenz die Schnitt- stelle des DSBI-Enzyms an.) Table 2: Detection sequences and organism of origin of DSBI enzymes (" Λ " indicates the interface of the DSBI enzyme within a detection sequence.)
Figure imgf000042_0001
Aufbau des Transformationskonstruktes mit der Insertionssequenz
Figure imgf000042_0001
Construction of the transformation construct with the insertion sequence
Auf dem Transformationskonstrukt, welches zur Transformation der Plastiden besagter Masterpflanzen genutzt wird, befindet sich wenigstens eine RE-Sequenz R2, welche unter Einwirkung der Rekombinase mit einer RE-Sequenz Rl in der Masterpflanze rekombinieren kann.On the transformation construct, which is used to transform the plastids of said master plants, there is at least one RE sequence R2 which, under the action of the recombinase, can recombine with a RE sequence R1 in the master plant.
In einer bevorzugten Ausführungsform führt die Rekombination von Rl mit R2 zu hybriden Rekombinaseerkennungssequenzen (Rl/2 bzw. R2/1) , die selber für die Rekombinase allein nur schlechte oder keine Rekombinationssubstrate darstellen. Dabei können besagte hybride Sequenzen durchaus Substrate für die betreffende Rekombinase darstellen, wenn weitere Faktoren hinzutreten (z.B. die Faktor xis und IHF bei Einsatz der λ Rekombinase) . Bevorzugt sind diese weiteren Faktoren jedoch nicht gleichzeitig mit der Rekombinase in dem pflanzlichen Organismus vorhanden. Bevorzugt ist die Geschwindigkeit einer Rekombinationsreaktion unter Einsatz der RE-Sequenzen Rl und/oder R2 mindestens zehnfach so hoch wie für den Einsatz der hybriden Sequenzen Rl/2 und/oder R2/1, bevorzugt mindestens hundertfach so hoch, besonders bevorzugt mindestens eintausendfach so hoch, am meistens bevorzugt mindestens zehntausendfach so hoch. Dadurch liegt das Gleichgewicht der Rekombination stark auf der Seite der Insertion, so dass die Reaktion quasi irreversibel ist.In a preferred embodiment, the recombination of R1 with R2 leads to hybrid recombinase recognition sequences (R1 / 2 or R2 / 1) which themselves represent only poor or no recombination substrates for the recombinase alone. Said hybrid sequences can certainly be substrates for the recombinase in question if additional factors are added (e.g. the factor xis and IHF when using the λ recombinase). However, these further factors are preferably not present in the plant organism at the same time as the recombinase. The speed of a recombination reaction using the RE sequences R1 and / or R2 is preferably at least ten times as high as for the use of the hybrid sequences R1 / 2 and / or R2 / 1, preferably at least one hundred times as high, particularly preferably at least one thousand times as high , most preferably at least ten thousand times as high. As a result, the balance of the recombination lies strongly on the insertion side, so that the reaction is quasi irreversible.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die RE-Sequenz (beispielsweise die RE-Sequenz Rl, Rl' , R2 oder R2 ' ) - in 5 ' /3 ' -Richtung - eine erste Sequenz R-5', gefolgt von einer Kern- sequenz sowie einer zweiten Sequenz R-3'. Eine besonders bevorzugte Form dieser Sequenzen umfasst die loxP Sequenz, die FRT Sequenz oder die attB bzw. attP der ΦC31 oder TP901-1 Rekombinase.In a preferred embodiment, the RE sequence (for example the RE sequence R1, R1 ', R2 or R2') - in the 5 '/ 3' direction - comprises a first sequence R-5 ', followed by a core sequence and a second sequence R-3 '. A particularly preferred form of these sequences comprises the loxP sequence, the FRT sequence or the attB or attP of the ΦC31 or TP901-1 recombinase.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der beiden RE-Sequenzen eine pseudo RE-Sequenz oder eine hybride RE-Sequenz .In a further preferred embodiment, at least one of the two RE sequences is a pseudo RE sequence or a hybrid RE sequence.
Ist die Rekombinase beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe der Resolvasen/Invertasen wie - besonders bevorzugt - ΦC31 Rekombinase, TP901-1 Rekombinase oder R4 Rekombinase, so sind die Sequenzen Rl und R2 bevorzugt nicht identisch. Bevorzugt entsprechen die Sequenzen Rl und R2 den Sequenzen attB und attP, oder umgekehrt . Weiterhin kann mindestens eine der beiden Sequenzen attB oder attP durch eine entsprechende pseudo-attB oder pseudo-attP RE-Sequenz ausgetauscht sein. Die attB Sequenz umfasst bevorzugt - in 5 ' /3 '-Richtung - eine erste DNA-Sequenz (attB-5'), gefolgt von einer Kernregion und einer zweiten Sequenz (attB-3').If, for example, the recombinase is selected from the group of resolvases / invertases such as — particularly preferably — C31 recombinase, TP901-1 recombinase or R4 recombinase, the sequences R1 and R2 are preferably not identical. The sequences R1 and R2 preferably correspond to the sequences attB and attP, or vice versa. Furthermore, at least one of the two sequences attB or attP can be replaced by a corresponding pseudo-attB or pseudo-attP RE sequence. The attB sequence preferably comprises - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attB-5 '), followed by a core region and a second sequence (attB-3').
Die attP Sequenz umfasst bevorzugt - in 5 ' /3 '-Richtung - eine erste DNA-Sequenz (attP-5'), gefolgt von einer Kernregion und einer zweiten Sequenz (attP-3').The attP sequence preferably comprises - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attP-5 '), followed by a core region and a second sequence (attP-3').
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der durch die Rekombinase-vermittelte Rekombination zwischen attB und attP ein Rekombinationsprodukt entsteht, dass nicht mehr als Substrat für die Rekombinase allein (d.h ohne Mitwirkung zusätzlicher Faktoren) fungieren kann. Dieses Rekombinationsprodukt enthält bevorzugt eine Region bestehend aus - in 5' /3 '-Richtung - einer ersten DNA-Sequenz (attB-5'), gefolgt von dem Rekombinationsergebnis der beiden Kernregionen und einer zweiten Sequenz (attP-3') sowie eine zweite Region bestehend aus - in 5 ' /3 ' -Richtung - einer ersten DNA-Sequenz (attP-5'), gefolgt von dem Rekombinations- ergebnis der beiden Kernregionen und einer zweiten Sequenz (attB-3' ) .An embodiment is particularly preferred in which the recombinase-mediated recombination between attB and attP produces a recombination product which can no longer act as a substrate for the recombinase alone (i.e. without the participation of additional factors). This recombination product preferably contains a region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attB-5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attP-3') and a second Region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attP-5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attB-3').
Insbesondere bevorzugt, ist mindestens eine der beiden RE- Sequenzen attB und/oder attP eine pseudo-RE-Sequenz (attφ) umfassend - in 5 ' /3 ' -Richtung - eine erste DNA-Sequenz (attφ-5'), gefolgt von einer Kernregion und einer zweiten Sequenz (attφ-3'). Die bei der Rekombination entstehenden Sequenzen umfassen beispielhaft eine Region bestehend aus - in 5' /3 '-Richtung - einer ersten DNA-Sequenz (attφ-5'), gefolgt von dem Rekombinations- ergebnis der beiden Kernregionen und einer zweiten Sequenz (attP-3') sowie eine zweite Region bestehend aus - in 5'/3'- Richtung - einer ersten DNA-Sequenz (attP-5'), gefolgt von dem Rekombinationsergebnis der beiden Kernregionen und einer zweiten Sequenz (attφ-3'), wobei die entstandenen Regionen nicht mehr als Substrat für die Rekombinase fungieren können, wodurch die Insertion quasi irreversibel ist. Alternativ können natürlich auch attB und attφ entsprechend rekombiniert werden.Particularly preferably, at least one of the two RE sequences attB and / or attP is a pseudo-RE sequence (attφ) comprising - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attφ-5 '), followed by a core region and a second sequence (attφ-3 '). The sequences resulting from the recombination include, for example, a region consisting of - in the 5 '/ 3' direction - a first DNA sequence (attφ-5 '), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attP- 3 ') and a second region consisting of - in the 5' / 3 'direction - a first DNA sequence (attP-5'), followed by the recombination result of the two core regions and a second sequence (attφ-3 '), whereby the resulting regions can no longer act as a substrate for the recombinase, making the insertion virtually irreversible. Alternatively, of course, attB and attφ can also be recombined accordingly.
So führt beispielsweise bei Verwendung der Cre Rekombinase die Rekombination der RE-Sequenzen lox66 und lox71 (s. oben) zu einer wildtyp loxP RE-Sequenz und der lox72 RE-SequenzFor example, when using the Cre recombinase, the recombination of the RE sequences lox66 and lox71 (see above) leads to a wild-type loxP RE sequence and the lox72 RE sequence
(5' -taccgttcgtata gcatacat tatacgaacggta-3 ' ) , die nur noch sehr ineffizient miteinander rekombinieren können (Araki K et al. (1997) Nucl Acids Res 25:868-872). Ebenso führt die Rekombination der RE-Sequenzen lox76 und lox75 (s. oben) zu einer wiltyp loxP RE-Sequenz und der lox72 RE-Sequenz (5 ' -taccgggcgtata gcatacat tatacgcccggta-3 ' ) , die nur noch sehr ineffizient miteinander rekombinieren können. Gleichermaßen führt die Rekombination der RE-Sequenzen lox43 und lox44 zu Wildtyp loxP RE-Sequenz und der lox65 RE-Sequenz (5-aatgcatgctata gcatacat tataggtaccgag-3 ' ) , die nur noch sehr ineffizient miteinander rekombinieren können (Albert H et al . (1995) Plant J 7:649- 659). Allgemein sollten für die Verwendung im Rahmen dieser Erfindung "right element (RE) mutant lox sites" und "left element (LE) mutant lox sites" etabliert werden, welche miteinander rekombinieren können. Die resultierende loxP (Wildtyp) RE-Sequenz und die RE/LE mutierte RE-Sequenz rekombinieren nur noch sehr schlecht miteinander. Dies liegt vor allem daran, dass die LE/RE Mutante nicht mehr als Substrat erkannt werden kann.(5 '-taccgttcgtata gcatacat tatacgaacggta-3'), which can only recombine with one another very inefficiently (Araki K et al. (1997) Nucl Acids Res 25: 868-872). Likewise, the recombination of the RE sequences lox76 and lox75 (see above) leads to a wiltyp loxP RE sequence and the lox72 RE sequence (5 '-taccgggcgtata gcatacat tatacgcccggta-3'), which can only recombine with one another very inefficiently. Likewise, the recombination of the RE sequences lox43 and lox44 for wild-type loxP RE sequence and the lox65 RE sequence (5-aatgcatgctata gcatacat tataggtaccgag-3 '), which can only recombine with one another very inefficiently (Albert H et al. (1995) Plant J 7: 649-659). In general, "right element (RE) mutant lox sites" and "left element (LE) mutant lox sites" should be established for use in the context of this invention, which can recombine with one another. The resulting loxP (wild-type) RE sequence and the RE / LE mutated RE sequence only recombine very poorly. This is mainly due to the fact that the LE / RE mutant can no longer be recognized as a substrate.
Als Rekombinasen, die für nahezu irreversible Rekombination genutzt werden könnten, sind insbesondere die TP901-1 Rekombi- nase, die ΦC31 Rekombinase, die R4 Rekombinase. Möglich sind ferner λ-Integrase (bevorzugt mit Coexpression von IHF) , Cre (mit entsprechend mutierten RE-Sequenzen, s.o.), Flp (mit entsprechend mutierten RE-Sequenzen) und die L5 Rekombinase.In particular, the TP901-1 recombinase, the ΦC31 recombinase, the R4 recombinase are recombinases that could be used for almost irreversible recombination. Also possible are λ integrase (preferably with coexpression of IHF), Cre (with correspondingly mutated RE sequences, see above), Flp (with correspondingly mutated RE sequences) and the L5 recombinase.
Ferner kann das Transformationskonstrukt einen Selektionsmarker enthalten. Falls in der Masterpflanze bereits ein Selektionsmarker vorhanden ist, unterscheiden sich vorzugsweise besagten Selektionsmarker. Darüberhinaus umfasst das Transformationskonstrukt bevorzugt ein oder mehrere Gene von Interesse.The transformation construct can also contain a selection marker. If there is already a selection marker in the master plant, said selection markers preferably differ. In addition, the transformation construct preferably comprises one or more genes of interest.
Regulatorische Elemente können ebenfalls auf dem Transformationskonstrukt vorhanden sein, mit dem RE-Konstrukt bereits in die Masterpflanze eingebracht worden sein, oder es können endogene, natürlicherweise am Integrationsort vorhandene regulatorische Elemente genutzt werden.Regulatory elements can also be present on the transformation construct, the RE construct has already been introduced into the master plant, or endogenous regulatory elements that are naturally present at the integration site can be used.
Das Transformationskonstrukt ist bevorzugt in einem Transformationsvektor enthalten, der weitere Elemente, wie beispielsweise für eine Replikation in Bakterien, umfassen kann.The transformation construct is preferably contained in a transformation vector, which can comprise further elements, for example for replication in bacteria.
Enthält das Transformationskonstrukt nur eine einzelne RE-Sequenz R2, so stellt das Transformationskonstrukt bevorzugt ein zirkuläres DNA-Molekül dar. In diesem Fall kann das Transformationskonstrukt mit dem Transformationsvektor identisch sein. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die vektoriellen Sequenzen (z.B.If the transformation construct contains only a single RE sequence R2, the transformation construct preferably represents a circular DNA molecule. In this case, the transformation construct can be identical to the transformation vector. However, it is not necessary that the vector sequences (e.g.
Replikationsursprung zur Vermehrung der DNA in Bakterien und ggf . einen bakteriellen Selektionsmarker ebenfalls) in das Plastiden- genom integriert werden. Bevorzugt werden diese Sequenzen des Vektorrückgrats vor der Transformation entfernt. Dazu kann man beispielsweise die Insertionssequenz von zwei Erkennungsstellen für Restriktionsenzyme umgeben. Nach Vervielfältigen des entsprechenden Vektors in einem Bakterium wie E. coli kann man die isolierte DNA sodann mit der entsprechenden Restriktionsendo- nuklease bzw. den entsprechenden Restriktionsendonukleasen in vitro behandeln. Damit wird die Insertionssequenz vom Vektorrückgrat getrennt und kann in vitro durch den Einsatz einer Ligase wieder zirkularisiert werden. Die isolierte und zirku- larisierte Insertionssequenz kann dann für die Transformation eingesetzt werden. Alternativ kann die Insertionssequenz auch mittels Polymerasekettenreaktion unter Wahl geeigneter Primer amplifiziert und zirkularisiert werden.Origin of replication for the multiplication of the DNA in bacteria and possibly. a bacterial selection marker) can also be integrated into the plastid genome. These sequences of the vector backbone are preferably removed before the transformation. For example, the insertion sequence can be surrounded by two recognition sites for restriction enzymes. After duplicating the corresponding vector in a bacterium such as E. coli, the Then treat isolated DNA with the appropriate restriction endonuclease or the corresponding restriction endonucleases in vitro. This separates the insertion sequence from the vector backbone and can be circularized again in vitro by using a ligase. The isolated and circularized insertion sequence can then be used for the transformation. Alternatively, the insertion sequence can also be amplified and circularized by means of a polymerase chain reaction using suitable primers.
Alternativ und besonders bevorzugt wird das Vektorrückgrat von der Insertionssequenz mit Hilfe von Rekombinasen entfernt. Dazu umgibt man das zu transformierende Fragment mit zwei Erkennungsstellen für eine Rekombinase, mit deren Hilfe man eine Excision des zu transformierenden Fragmentes vornehmen kann (beispielsweise Cre-lox, FLP/frt) . Es ist möglich, die Ansätze in der Art zu gestalten, dass durch die Aktion der Rekombinase erst die für die Integration der Insertionssequenz notwendige RE-Sequenz R2 entsteht.Alternatively and particularly preferably, the vector backbone is removed from the insertion sequence with the aid of recombinases. For this purpose, the fragment to be transformed is surrounded with two recognition sites for a recombinase, with the aid of which the fragment to be transformed can be excised (for example Cre-lox, FLP / frt). It is possible to design the approaches in such a way that the action of the recombinase only produces the RE sequence R2 necessary for the integration of the insertion sequence.
Es ist auch möglich, den kompletten Transformationsvektor zu transformieren und mittels Rekombinasen zu integrieren. Bevorzugt werden in diesem Fall die Vektorrückgratsequenzen anschließend durch geeignete Exeisionsverfahren wieder eliminiert.It is also possible to transform the complete transformation vector and integrate it using recombinases. In this case, the vector backbone sequences are then preferably eliminated again by suitable excision methods.
Um die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens der Integration mittels Erkennungsstellen-spezifischer Rekombination weiter zu steigern, kann beispielsweise die Kopiezahl der zu transformierenden DNA Moleküle erhöht werden, indem das Transformations- konstrukt Elemente (z.B. einen plastidären ORI origin of replica- tion, Replikationsursprung) umfasst, die es ihm ermöglichen, vor der Integration in die plastidäre DNA im Plastid autonom zu replizieren oder stabil als extrachromosomales DNA-Molekül in den Plastiden zu existieren. Entsprechende Verfahren sind dem Fach- mann bekannt (US 5,693,507; US 5,932,479; WO 99/10513). Dieses Verfahren ist bevorzugt, da es die zur Integration im Plastid zur Verfügung stehende Kopienzahl der Insertionssequenzen steigert.In order to further increase the efficiency of the method of integration according to the invention by means of recognition site-specific recombination, the number of copies of the DNA molecules to be transformed can be increased, for example, by the transformation construct comprising elements (for example a plastid ORI origin of replication, origin of replication), which enable him to replicate autonomously in the plastid before integration into the plastid DNA or to exist stably as an extrachromosomal DNA molecule in the plastids. Corresponding methods are known to the person skilled in the art (US 5,693,507; US 5,932,479; WO 99/10513). This method is preferred because it increases the number of copies of the insertion sequences available for integration in the plastid.
Alternativ kann auch eine "Replacement" Strategie genutzt werden. Dazu werden in den Masterpflanzen zwei RE-Sequenzen Rl und Rl', die unter Einwirkung der entsprechenden Rekombinase bzw. Rekombinasen nicht miteinander rekombinieren können, eingebracht (bzw. Sequenzen genutzt, die natürlicherweise dort vorhanden sind) . Das Transformationskonstrukt enthält dann ErkennungsSequenzen R2 und R2 ' , die nicht miteinander unter Einwirkung der Rekombinase oder Rekombinasen rekombinieren, wobei aber Rl mit R2 und Rl' mit R2 ' rekombinieren kann. Dadurch wird die Sequenz zwischen Rl und Rl' in der Masterpflanze durch die Sequenz zwischen R2 und R2' auf dem Transformationskonstrukt ausgetauscht. Die "Replacement" Strategie ermöglicht es nicht nur, Vektorrückgrat Insertionen zu vermeiden, ermöglicht es darüber hinaus, die Insertionssequenz (zuzgl. der Anteile der Erkennungssequenzen R2 und R2 ' ) als linearisiertes Fragment einzubringen. Eine solche "Replacement" Strategie wurde zum Beispiel in Mauszellen mit Hilfe unterschiedlicher Erkennungsregionen für die Cre Rekombinase demonstriert (Bethke B and Sauer B (1997) Nucl Acids Res 25:2828-2834). Die "Replacement" Strategie wurde auch bereits im Kern vonAlternatively, a "replacement" strategy can also be used. For this purpose, two RE sequences Rl and Rl 'which cannot recombine with one another under the action of the corresponding recombinase or recombinases are introduced into the master plants (or sequences which are naturally present there) are introduced. The transformation construct then contains recognition sequences R2 and R2 'which do not recombine with one another under the action of the recombinase or recombinases, but Rl can recombine with R2 and Rl' with R2 '. As a result, the sequence between Rl and Rl ' in the master plant replaced by the sequence between R2 and R2 'on the transformation construct. The "replacement" strategy not only makes it possible to avoid vector backbone insertions, it also enables the insertion sequence (plus the portions of the recognition sequences R2 and R2 ') to be introduced as a linearized fragment. Such a "replacement" strategy has been demonstrated, for example, in mouse cells with the aid of different recognition regions for the Cre recombinase (Bethke B and Sauer B (1997) Nucl Acids Res 25: 2828-2834). The "Replacement" strategy was also at the core of
Schizisacchromyces pombe mit der Rekombinase ΦC31 verwirklicht (Thomason LC (2001) Mol Gen Genet 265:1031-1038). Beim Nutzen der "Replacement" Strategie wird ein eventuell mit dem RE-Konstrukt eingebrachter Selektionsmarker bevorzugt zwischen den Erkennungs- regionen Rl und Rl' positioniert, so dass er bei Insertion der Insertionssequenz flankiert von R2 und R2 ' direkt aus der Masterpflanze eliminiert wird.Schizisacchromyces pombe realized with the recombinase ΦC31 (Thomason LC (2001) Mol Gen Genet 265: 1031-1038). If the "replacement" strategy is used, a selection marker possibly introduced with the RE construct is preferably positioned between the recognition regions Rl and Rl ', so that it is eliminated directly from the master plant when the insertion sequence is flanked by R2 and R2'.
Bevorzugt können bei der "Replacement" Strategie 2 RE-Sequenzen (Rl und Rl ' bzw. R2 und R2 ' ) (beispielsweise jeweils 2 loxIn the "Replacement" strategy, 2 RE sequences (R1 and R1 'or R2 and R2') can preferably be used (for example 2 lox
Sequenzen) genutzt werden, die nicht miteinander rekombinieren können, weil sie sich beispielsweise im Spacer unterscheidenSequences) can be used that cannot recombine with each other because they differ, for example, in the spacer
(siehe auch Bethke B et al . (1997) Nucl Acids Res 25:2828-2834).(see also Bethke B et al. (1997) Nucl Acids Res 25: 2828-2834).
Ähnliches auch für das FLP/frt beschrieben worden, bei dem ins- besondere die meisten Nukleotide der Spacer Region ausgetauscht werden können (Schlake, T & Bode, J, 1994, Biochemistry 33:The same has also been described for the FLP / frt, in which in particular most of the nucleotides of the spacer region can be exchanged (Schlake, T & Bode, J, 1994, Biochemistry 33:
12746-12751) .12746-12751).
Für die Replacement Strategie können auch 2 gleiche attB bzw. attP Sites genutzt werden. Diese können nicht untereinander rekombinieren.2 identical attB or attP sites can also be used for the replacement strategy. These cannot recombine with each other.
In einer weiteren - besonders bevorzugten Ausführungsform - enthält das RE-Konstrukt bevorzugt zusätzlich zur Erkennungsstelle für eine Rekombinase auch mindestens eine Erkennungsstelle für ein DSBI-Enzym. Diese Konstrukte werden infolge auch als RE/DSB- Konstrukt bezeichnet, sind aber auch unter dem allgemeinen Begriff des RE-Konstruktes subsumiert.In a further — particularly preferred embodiment — the RE construct preferably contains at least one recognition site for a DSBI enzyme in addition to the recognition site for a recombinase. As a result, these constructs are also referred to as RE / DSB constructs, but are also subsumed under the general term of the RE construct.
Das jeweilige DSBI-Enzym besitzt - außer der über das RE/DSB- Konstrukt eingebrachten - bevorzugt keine weiteren DSB- Erkennungsstellen im Piastom (außer: Duplikationen beispielsweise in "repeats"). Es ist nicht zwingend notwendig, dass die DSB-Erkennungssequenz auf dem RE/DSB-Konstrukt vorhanden ist. Sie kann auch natürlicherweise im Piastom benachbart zu der Insertionsstelle eines RE-Konstruktes vorhanden sein. Eine funktioneile RE/DSB-Einheit entsteht dann erst nach der Inte- gration des RE-Konstruktes in das Piastom. Mit Hilfe des RE/DSB- Konstruktes wird zunächst eine überwiegend homoplastome Masterpflanze erzeugt, wobei dem Fachmann vertraute Verfahren wie beispielsweise die Homologe Rekombination eingesetzt werden.The respective DSBI enzyme has - apart from the one introduced via the RE / DSB construct - preferably no further DSB recognition sites in the piastom (except: duplications, for example in "repeats"). It is not imperative that the DSB recognition sequence is present on the RE / DSB construct. It can also be naturally present in the piastome adjacent to the insertion site of a RE construct. A functional RE / DSB unit is only created after the inte- the RE construct into the piastom. With the help of the RE / DSB construct, a predominantly homoplastome master plant is first produced, using methods familiar to the person skilled in the art, such as, for example, homologous recombination.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Insertionssequenz zusätzlich eine Sequenz X in das Piastom eingeführt, welche homolog zu einer bereits im Piastom vorhandenen Sequenz X' der Masterpflanze ist. Diese Sequenz X' kann natürlicherweise vor- handen sein, oder aber durch das RE/DSB-Konstrukt eingeführt werden. Die Sequenzen X und X' sind so lokalisiert, dass zwischen ihnen - nach der Integration der Insertionssequenz mittels Rekombination - nachfolgende Elemente zu liegen kommen:In a further embodiment, the insertion sequence additionally introduces a sequence X into the piastome which is homologous to a sequence X 'of the master plant which is already present in the piastome. This sequence X 'can be naturally present, or it can be introduced by the RE / DSB construct. The sequences X and X 'are localized in such a way that the following elements lie between them - after integration of the insertion sequence by means of recombination:
i) eine bevorzugt singuläre DSB-Erkennungssequenz für ein DSBI- Enzymi) a preferably singular DSB recognition sequence for a DSBI enzyme
ii) hybride RE-Sequenz Rl/2 der Rekombinase, die sich nach dem Einbau des sekundären Transformationsvektors durch Rekombi- nation von Rl mit R2 ergeben hatii) hybrid RE sequence Rl / 2 of the recombinase, which resulted after the incorporation of the secondary transformation vector by recombining Rl with R2
iii)ggf. weitere Elemente wie beispielsweise positive oder negative Selektionsmarkeriii) if necessary. other elements such as positive or negative selection markers
wobei X und X' eine Orientierung sowie ausreichende Homologie und Länge besitzen, um infolge eines sequenzspezifischen Doppelstrangbruches an der DSB-Erkennungssequenz homolog mit einander zu rekombinieren und eine Deletion der zwischen ihnen gelegenen Sequenzen zu bewirken.wherein X and X 'have an orientation and sufficient homology and length to homologously recombine with one another as a result of a sequence-specific double-strand break on the DSB recognition sequence and to cause a deletion of the sequences located between them.
Das Transformationskonstrukt, der Transformationsvektor oder die Insertionssequenz werden wie oben beschrieben in die Plastiden eingebracht . Durch die Aktivität einer entsprechenden Rekombinase wird die Insertionssequenz in das Piastom eingebaut. Bevorzugt wird ein System genutzt, welches in der eingesetzten Form nahezu oder vollständig irreversibel ist. Besonders bevorzugt werden die Rekombinasen der Phagen ΦC31 oder TP901-1 und ihre entsprechenden Erkennungsregionen genutzt.The transformation construct, the transformation vector or the insertion sequence are introduced into the plastids as described above. The insertion sequence is built into the piastome by the activity of a corresponding recombinase. A system is preferably used which is almost or completely irreversible in the form used. The recombinases of the phages ΦC31 or TP901-1 and their corresponding recognition regions are particularly preferably used.
Nach Integration der Insertionssequenz wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine entsprechendes DSBI-Enzym induziert, das an seiner DSB-Erkennungssequenz im Piastom der Masterpflanze ein DNA Doppelstrangbruch erzeugt. Nun sind zwei Fälle zu unterscheiden:In a particularly preferred embodiment, after integration of the insertion sequence, a corresponding DSBI enzyme is induced, which produces a DNA double-strand break on its DSB recognition sequence in the piastome of the master plant. There are two different cases:
a) Die betrachtete Kopie der plastidären DNA ist bereits in der gewünschten Weise durch Rekombinase vermittelte Insertion der Insertionssequenz modifiziert worden. Der DNA Doppelstrangbruch erfolgt an einer Erkennungsregion, die benachbart zu besagter Insertionssequenz lokalisiert ist. Durch intramolekulare homologe Rekombination zwischen X und X wird nun die zwischen diesen lokalisierte DSB-Erkennungsstelle entfernt oder zumindest derart zerstört werden, dass sie nicht mehr von dem DSBI-Enzym erkannt wird. In Folge können die so modifizierten plastidären DNA-Moleküle nicht mehr durch das DSBI- Enzym geschnitten werden. Sie können störungsfrei replizieren und/oder als Substrate für Reperatursynthesen weiterer - noch nicht modifizierter - plastidärer DNA-Moleküle fungieren. In einer Variante dieser Ausführungsform wird durch die induzierte Deletion ein negativer Selektionsmarker deletiert, was eine erleichterte Selektion der plastidären DNA-Moleküle mit Deletion ermöglicht.a) The copy of the plastid DNA under consideration has already been modified in the desired manner by insertion of the insertion sequence mediated by recombinase. The DNA double-strand break occurs at a recognition region that is located adjacent to said insertion sequence. Through intramolecular homologous recombination between X and X, the DSB recognition site located between them is now removed or at least destroyed in such a way that it is no longer recognized by the DSBI enzyme. As a result, the modified plastid DNA molecules can no longer be cut by the DSBI enzyme. They can replicate without interference and / or act as substrates for repair synthesis of further - as yet unmodified - plastid DNA molecules. In a variant of this embodiment, the induced deletion deletes a negative selection marker, which enables easier selection of the plastid DNA molecules with deletion.
b) Die betrachtete Kopie plastidäre DNA ist noch nicht in der gewünschten Weise durch Rekombinase vermittelte Insertion der Insertionssequenz modifiziert worden. Auch in diesem Fall ergibt sich ein DNA-DoppelStrangbruch. Hier steht jedoch intramolekular keine homologe Region zur Verfügung, die zur Reparatur des Doppelstrangbruches genutzt werden könnte. Es ist intramolekular keine Rekombination zwischen X und X' möglich, demnach auch keine Deletion der DSB-Erkennungssequenz. Die so geschnittenen plastidären DNA-Moleküle können zum einen nicht mehr ungestört replizieren. Zum anderen können besagte geschnittene Moleküle im Rahmen einer Reperatur- synthese durch ein Genkonversionsereignis unter Verwendung von Kopien der bereits in der gewünschten Weise modifizierten, nicht mehr schneidbaren plastidären DNA-Moleküle (die also in Folge der oben unter a) beschriebenen Ereignisse keine DSB-Erkennungssequenz mehr enthalten) repariert werden. So können auch ohne selektive Regeneration das Transformationskonstrukt / die Insertionssequenz in alle oder zumindest die überwiegende Anzahl der Piastomkopien eines Plastids verteilt werden. Dies Verfahren beschleunigt denb) The copy of plastidic DNA under consideration has not yet been modified in the desired manner by recombinase-mediated insertion of the insertion sequence. In this case, too, there is a DNA double strand break. However, no homologous region is available intramolecularly that could be used to repair the double-strand break. No intramolecular recombination between X and X 'is possible, and consequently no deletion of the DSB recognition sequence. The plastidic DNA molecules cut in this way can on the one hand no longer replicate undisturbed. On the other hand, said cut molecules cannot undergo a repair synthesis by means of a gene conversion event using copies of the plastidic DNA molecules which have already been modified in the desired manner and which can no longer be cut (ie as a result of the events described under a) above, no DSB recognition sequence more included) to be repaired. In this way, even without selective regeneration, the transformation construct / insertion sequence can be distributed into all or at least the majority of plasti copies of a plastid. This procedure speeds up the process
Prozess der Piastidentransformation und verringert aufgrund weniger notwendiger Regenerationsschritte die Gefahr der Anhäufung von somaklonalen Variationen. Außerdem ermöglicht es, eine Verteilung des Transgens in die Kopien des Piastoms zu erzielen, ohne einen Selektionsmarker und entsprechendes selektives Agenz nutzen zu müssen. Das Transformationskonstrukt kann weitere Elemente umfassen. So kann es wünschenswert sein, zwischen Sequenzbereich X und der DSB-Erkennungssequenz mindestens ein Gen für einen positiven und/oder negativen Selektionsmarker zu platzieren. Durch die induzierte Rekombination werden so auch die Selektionsmarker bzw. jeder andere beliebige Sequenzabschnitt, der sich zwischen den homologen Bereichen X und X' befindet, eliminiert. Entsprechend kann auf diese Weise beispielsweise das Vektorrückgrat - wenn es nicht vor der Insertion entfernt wurde - wieder aus dem Piastom eliminiert werden.Process of plastid transformation and reduces the risk of accumulation of somaclonal variations due to less necessary regeneration steps. It also enables distribution of the transgene in the copies of the piastome to be achieved without having to use a selection marker and corresponding selective agent. The transformation construct can include further elements. It may be desirable to place at least one gene for a positive and / or negative selection marker between sequence region X and the DSB recognition sequence. The induced recombination also eliminates the selection markers or any other sequence section that is located between the homologous regions X and X '. Accordingly, the vector backbone can be eliminated from the piastom again, for example, if it was not removed before the insertion.
Als DSBI-Enzym wird bevorzugt die Endonuklease I-Ppol aus Physa- rum polycephalum genutzt. Es ist aber auch möglich, jedes andere DSBI-Enzym zu nutzen, das in den betrachteten Organell aktiv ist. Das DSBI-Enzym wird bevorzugt erst nach der Rekombinase, die für den Einbau des Transformationsvektors / der Insertionssequenz verantwortlich ist, aktiviert. Auch hier sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, dies zu realisieren. Entsprechende Verfahren sind bereits für die Rekombinase beschrieben worden und sind auf das DSBI-Enzym übertragbar. So kann das DSBI-Enzym in Fusion mit einem Transitpeptid im Kern der Masterpflanze exprimiert werden. Die Expression sollte bevorzugt induzierbar sein oder im Fall von konstitutiver Expression sollte die Aktivität der entsprechenden Endonuklease aktivierbar sein. Darüber hinaus kann das DSBI-Enzym als Fusion mit einem Transitpeptid in Agrobakterien exprimiert und als Fusionsprotein beispielsweise mit VirF in Pflanzenzellen eingebracht werden. Auch transiente Expression vom Kern mit post- translationalem Import in die betrachteten Plastiden ist denkbar. Bevorzugt wird das DSBI-Enzym bzw. eine das DSBI-Enzym kodierende Nukleinsäuresequenz jedoch erst mit dem Transformationsvektor in die Plastiden der Masterpflanze eingebracht. Dies kann dadurch geschehen, daß das DSBI-Enzym als Protein gleichzeitig mit dem Transformationskonstrukt/ der Insertionssequenz in die Organellen eingebracht wird; daß eine in vitro erstellte RNA, die das DSBI- Enzym kodiert, mit dem Transformationskonstrukt/ der Insertionssequenz in die Plastiden eingebracht wird; oder dass - besonders bevorzugt - eine das DSBI-Enzym kodierende DNA mit dem Transformationskonstrukt/ der Insertionssequenz in die Plastiden eingebracht wird. Ganz besonders bevorzugt ist das DSBI-Enzym in letzterem Fall in einer in dem Plastid exprimierbaren Form codiert. Besonders bevorzugt ist das DSBI-Enzym auf der Insertionssequenz codiert. Ganz besonders bevorzugt wird die Expression des DSBI-Enzyms erst nach der Insertion der Insertionssequenz ermöglicht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß auf dem Transformationskonstrukt / der Insertionssequenz keine regulatorischen Elemente vorhanden sind, die die Expression des DSBI- Enzymes steuern. Die Expression des DSBI-Enzymes könnte in einem solchen Fall beispielsweise nach Integration in die plastidäre DNA auch durch regulatorische Elemente aus dem Piastom der Masterpflanze gesteuert werden. Falls die Expressionskassette für das DSBI-Enzym auf der Insertionssequenz enthalten ist, wird - besonders bevorzugt - das DSBI-Enzym von Bereichen flankiert, die eine spätere Excision des DSBI-Enzyms erlauben.The endonuclease I-Ppol from Physum polycephalum is preferably used as the DSBI enzyme. However, it is also possible to use any other DSBI enzyme that is active in the organelle under consideration. The DSBI enzyme is preferably activated only after the recombinase, which is responsible for the incorporation of the transformation vector / the insertion sequence. Here too, various options are conceivable for realizing this. Corresponding methods have already been described for the recombinase and can be transferred to the DSBI enzyme. The DSBI enzyme can be expressed in fusion with a transit peptide in the core of the master plant. The expression should preferably be inducible or, in the case of constitutive expression, the activity of the corresponding endonuclease should be activatable. In addition, the DSBI enzyme can be expressed as a fusion with a transit peptide in agrobacteria and introduced into plant cells as a fusion protein, for example with VirF. Transient expression from the nucleus with post-translational import into the plastids under consideration is also conceivable. However, the DSBI enzyme or a nucleic acid sequence encoding the DSBI enzyme is preferably introduced into the plastids of the master plant only with the transformation vector. This can be done by introducing the DSBI enzyme as a protein into the organelles at the same time as the transformation construct / insertion sequence; that an in vitro generated RNA, which encodes the DSBI enzyme, is introduced into the plastids with the transformation construct / insertion sequence; or that - particularly preferably - a DNA coding for the DSBI enzyme is introduced into the plastids with the transformation construct / insertion sequence. In the latter case, the DSBI enzyme is very particularly preferably encoded in a form which can be expressed in the plastid. The DSBI enzyme is particularly preferably encoded on the insertion sequence. The expression of the DSBI enzyme is very particularly preferably made possible only after the insertion of the insertion sequence. This can be achieved, for example, by the fact that there are no regulatory elements on the transformation construct / insertion sequence which control the expression of the DSBI enzyme. Expression of the DSBI enzyme could be in one In such a case, for example, after integration into the plastid DNA, it can also be controlled by regulatory elements from the piastome of the master plant. If the expression cassette for the DSBI enzyme is contained on the insertion sequence, the DSBI enzyme is - particularly preferably - flanked by areas which permit later excision of the DSBI enzyme.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Insertionssequenz mindestens eine weitere zu exprimierende Nukleinsäure- sequenz , die bevorzugt einen gewünschten Phänotyp in einer entsprechend transformierten Pflanze erzeugt. Um die Expression (Transkription und/oder Translation) zu gewährleisten, sind diese - je nach Ausführungsform und Insertionsort - mit regulatorischen Elementen zu versehen. Erfolgt die Insertion in einen trans- kriptionell aktiven Lokus so sind - wie oben beschrieben - keine Promotorsequenzen erforderlich. Vorteilhaft werden die zu expri- mierenden Sequenzen in jedem Fall mit Ribosomenbindestellen in geeignetem Abstand stromaufwärts des offenen Leserahmens versehen oder besitzen bereits solche von Natur aus. Diese regulatorischen Sequenzen oder Teile derselben können aber auch im Piastom natürlicherweise vorhanden sein oder bereits im ersten Schritt, d.h. bei der Generierung einer nicht-natürlichen Masterpflanze zusammen mit der der RE-Sequenz in die plastidäre-DNA eingeführt werden.In a preferred embodiment, the insertion sequence comprises at least one further nucleic acid sequence to be expressed, which preferably generates a desired phenotype in a correspondingly transformed plant. In order to ensure expression (transcription and / or translation), depending on the embodiment and the place of insertion, these are to be provided with regulatory elements. If the insertion is into a transcriptionally active locus, no promoter sequences are required, as described above. In any case, the sequences to be expressed are advantageously provided with ribosome binding sites at a suitable distance upstream of the open reading frame or already have them by nature. However, these regulatory sequences or parts thereof can naturally also be present in the piastome or already in the first step, i.e. when generating a non-natural master plant together with that of the RE sequence are introduced into the plastid DNA.
"Ausreichende Länge" meint in Bezug auf die HomologieSequenzen (z.B. A, A', B, B', X, X', Hl, H2) bevorzugt Sequenzen von einer Länge von mindestens 20 Basenpaaren, bevorzugt mindestens 50 Basenpaaren, besonders bevorzugt von mindestens 100 Basen- paaren, ganz besonders bevorzugt von mindestens 250 Basenpaaren, am meistens bevorzugt von mindestens 500 Basenpaaren."Sufficient length" means in relation to the homology sequences (eg A, A ', B, B', X, X ', Hl, H2) preferably sequences of a length of at least 20 base pairs, preferably at least 50 base pairs, particularly preferably of at least 100 base pairs, very particularly preferably of at least 250 base pairs, most preferably of at least 500 base pairs.
"Ausreichende Homologie" meint in Bezug auf die Homologie- sequenzen(z .B. A, A' , B, B' , X, X', Hl, H2) bevorzugt Sequenzen die eine Homologie innerhalb dieser Homologiesequenzen aufweisen von mindestens 70 %, bevorzugt 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 99 %, am meisten bevorzugt 100 % über eine Länge von mindestens 20 Basenpaaren, bevorzugt mindestens 50 Basen- paaren, besonders bevorzugt von mindestens 100 Basenpaaren, ganz besonders bevorzugt von mindestens 250 Basenpaaren, am meistens bevorzugt von mindestens 500 Basenpaaren."Adequate homology" in relation to the homology sequences (for example A, A ', B, B', X, X ', Hl, H2) preferably means sequences which have a homology within these homology sequences of at least 70%, preferably 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, very particularly preferably at least 99%, most preferably 100% over a length of at least 20 base pairs, preferably at least 50 base pairs, particularly preferably of at least 100 base pairs particularly preferably of at least 250 base pairs, most preferably of at least 500 base pairs.
Unter Homologie zwischen zwei Nukleinsäuren wird die Identität der Nukleinsäuresequenz über die jeweils gesamte Sequenzlänge verstanden, die durch Vergleich mit Hilfe des Programmalgorithmus GAP (Wisconsin Package Version 10.0, University of Wisconsin, Genetics Computer Group (GCG) , Madison, USA) unter Einstellung folgender Parameter berechnet wird:Homology between two nucleic acids is understood to mean the identity of the nucleic acid sequence over the respective total sequence length, which can be determined by comparison using the program algorithm GAP (Wisconsin Package Version 10.0, University of Wisconsin, Genetics Computer Group (GCG), Madison, USA) using the following parameters:
Gap Weight: 12 Length Weight: 4Gap Weight: 12 Length Weight: 4
Average Match: 2,912 Average Mismatch:-2 , 003Average Match: 2,912 Average Mismatch: -2, 003
Bevorzugt umfasst das Transformationskonstrukt oder die Insertionssequenz einen Selektionsmarker, der eine Selektion trans- plastomer Plastiden ermöglicht (s.u.), besonders bevorzugt aadA, BADH oder einen "binding type"-Marker. Der Selektionsmarker ist bevorzugt so konstruiert, dass eine nachfolgende Deletion aus dem Piastom ermöglicht wird. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt und unten beschrieben.The transformation construct or the insertion sequence preferably comprises a selection marker which enables a selection of trans-plastomer plastids (see below), particularly preferably aadA, BADH or a "binding type" marker. The selection marker is preferably constructed so that a subsequent deletion from the piastome is made possible. Corresponding methods are known to the person skilled in the art and are described below.
Die Insertionssequenz, das Transformationskonstrukt, das RE-Konstrukt oder die Expressionskassetten für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym können zum Aufbau eines Transformationsvektor in einen Standard-Vektor wie pBluescript oder pUC18 kloniert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Insertionssequenz bzw. Transformationskonstrukt als lineares oder linearisiertes DNA-Molekül appliziert.The insertion sequence, the transformation construct, the RE construct or the expression cassettes for a recombinase or a DSBI enzyme can be cloned into a standard vector such as pBluescript or pUC18 in order to construct a transformation vector. In a preferred embodiment, the insertion sequence or transformation construct is applied as a linear or linearized DNA molecule.
Bevorzugt wird nur der Teil des Transformationsvektors appli- ziert, der die Insertionssequenz oder das Transformationskonstrukt mit RE-Sequenz, Selektionsmarker und/oder die Expressionskassette für das DSBI-Enzym umfasst.Preferably only the part of the transformation vector is applied which comprises the insertion sequence or the transformation construct with RE sequence, selection marker and / or the expression cassette for the DSBI enzyme.
Eines der oben beschriebenen Konstrukte kann mit einem der beschriebenen Verfahren in die Plastiden einer entsprechenden Masterpflanze eingebracht werden. Bevorzugt sind Mikroinjektion und besonders bevorzugt Partikelbeschuss .One of the constructs described above can be introduced into the plastids of a corresponding master plant using one of the methods described. Microinjection and particle bombardment are preferred.
Klonierungs-, Expressions-, Selektions- und Transformations- verfahrenCloning, expression, selection and transformation procedures
"Expressionskassette" meint - zum Beispiel in Bezug auf die Expressionkassette für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - solche Konstruktionen bei denen die zu exprimierende DNA in funk- tioneller Verknüpfung mit mindestens einem genetischen Kontrollelement steht, dass ihre Expression (d.h. Transkription und oder Translation) ermöglicht oder reguliert. Dabei kann die Expression zum Beispiel stabil oder transient, konstitutiv oder induzierbar erfolgen. Für die Einführung stehen dem Fachmann verschiedene unten aufgeführte direkte (z.B. Transfektion, Partikelbeschuss, Mikroinjektion) oder indirekte Verfahren (z.B. Agrobakterien- infektion, Virusinfektion) zur Verfügung, die weiter unten aufgeführt werden.“Expression cassette” means - for example in relation to the expression cassette for a recombinase or a DSBI enzyme - such constructions in which the DNA to be expressed is functionally linked to at least one genetic control element that its expression (ie transcription and or translation ) enables or regulates. For example, the expression can be stable or transient, constitutive or inducible. Various direct (e.g. transfection, particle bombardment, microinjection) or indirect (e.g. agrobacterial) infection, viral infection) are available below.
Unter einer funktionellen Verknüpfung versteht man allgemein eine Anordnung in der eine genetische Kontrollsequenz ihre Funktion in Bezug auf eine Nukleinsäuresequenz - beispielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - ausüben kann. Funktion kann dabei beispielsweise die Kontrolle der Expression d.h. Transkription und/oder Translation der Nukleinsäuresequenz - bei- spielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - bedeuten. Kontrolle umfasst dabei beispielsweise die Initiierung, Steigerung, Steuerung oder Suppression der Expression d.h. Transkription und ggf. Translation. Die Steuerung wiederum kann beispielsweise gewebe- und oder zeitspezifisch erfolgen. Sie kann auch induzierbar zum Beispiel durch bestimmte Chemikalien, Stress, Pathogene etc. sein.A functional link is generally understood to be an arrangement in which a genetic control sequence can perform its function in relation to a nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme. Function can, for example, control expression, i.e. Transcription and / or translation of the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - mean. Control includes, for example, the initiation, increase, control or suppression of expression, i.e. Transcription and, if necessary, translation. The control, in turn, can take place in a tissue-specific or time-specific manner, for example. It can also be inducible, for example, by certain chemicals, stress, pathogens, etc.
Unter einer funktionellen Verknüpfung versteht man zum Beispiel die sequentielle Anordnung eines Promoters, der zu exprimierenden Nukleinsäuresequenz - beispielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - und ggf . weiterer regulativer Elemente wie zum Beispiel einem Terminator derart, dass jedes der regulativen Elemente seine Funktion bei der Expression der Nukleinsäuresequenz - beispielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - erfüllen kann. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die funktioneile Verknüpfung bereits auf den Trans- formationskonstrukten gegeben ist. Die funktionelle Verknüpfung kann sich auch in Folge der Insertion in die Kern- bzw. plastidäre DNA ergeben, wobei hier die regulativen Elemente bereits in der Kern- bzw. plastidären DNA vorliegen. Die regulativen Elemente können diesbezüglich natürlicherweise vorliegen oder aber in einem vorgeschalteten Schritt - beispielsweise bei der Einführung einer RE-Sequenz - eingebracht werden.A functional link is understood to mean, for example, the sequential arrangement of a promoter, the nucleic acid sequence to be expressed - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - and possibly. further regulatory elements such as a terminator such that each of the regulatory elements can fulfill its function in the expression of the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme. It is not absolutely necessary that the functional link is already given on the transformation constructs. The functional linkage can also result from the insertion into the core or plastid DNA, the regulatory elements already being present in the core or plastid DNA. In this regard, the regulatory elements can naturally exist or can be introduced in an upstream step - for example when introducing a RE sequence.
Dazu ist nicht unbedingt eine direkte Verknüpfung im chemischen Sinne erforderlich. Genetische Kontrollsequenzen, wie zum Beispiel Enhancer-Sequenzen, können ihre Funktion auch von weiter entfernten Positionen oder gar von anderen DNA-Molekülen aus auf die Zielsequenz ausüben. Bevorzugt sind Anordnungen, in denen die zu exprimierende Nukleinsäuresequenz - beispielsweise codierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - hinter eine als Promoter fungierende Sequenz positioniert wird, so dass beide Sequenzen kovalent miteinander verbunden sind. Bevorzugt ist dabei der Abstand zwischen der Promotorsequenz und der Nuklein- säuresequenz - beispielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym - geringer als 200 Basenpaare, besonders bevorzugt kleiner als 100 Basenpaare, ganz besonders bevorzugt kleiner als 50 Basenpaare.This does not necessarily require a direct link in the chemical sense. Genetic control sequences, such as, for example, enhancer sequences, can also perform their function on the target sequence from more distant positions or even from other DNA molecules. Arrangements are preferred in which the nucleic acid sequence to be expressed - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - is positioned behind a sequence which acts as a promoter, so that both sequences are covalently linked to one another. The distance between the promoter sequence and the nucleic acid sequence - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme - is preferably less than 200 base pairs, particularly preferred less than 100 base pairs, very particularly preferably less than 50 base pairs.
Dem Fachmann sind verschiedene Wege bekannt, um zu einem der erfindungsgemäßen Transformationskonstrukte, diese umfassenden Vektoren oder einer der Expressionskassetten zu gelangen. Die Herstellung kann mittels gängiger Rekombinations- und Klonierungstechniken realisiert werden, wie sie beispielsweise in Maniatis T, Fritsch EF und Sambrook J, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1989) sowie in Silhavy TJ, Berman ML und Enquist LW, Experiments with Gene Fusions, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1984) und in Ausubel FM et al . , Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley Interscience (1987) beschrieben sind. Bevorzugt ist die direkte Fusion einer als Promoter fungierenden Nukleinsäuresequenz mit einer zu exprimierenden Nukleotidsequenz - beispielsweise kodierend für eine Rekombinase oder ein DSBI-Enzym.Various ways are known to the person skilled in the art in order to arrive at one of the transformation constructs according to the invention, these vectors or one of the expression cassettes. The production can be carried out using common recombination and cloning techniques, as described, for example, in Maniatis T, Fritsch EF and Sambrook J, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1989) and in Silhavy TJ, Berman ML and Enquist LW, Experiments with Gene Fusions, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1984) and in Ausubel FM et al. , Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley Interscience (1987). The direct fusion of a nucleic acid sequence functioning as a promoter with a nucleotide sequence to be expressed is preferred - for example coding for a recombinase or a DSBI enzyme.
Der Begriff der "genetischen Kontrollsequenzen" ist breit zu verstehen und meint all solche Sequenzen, die einen Einfluss auf das Zustandekommen oder die Funktion einer Expressionskassette oder Transformationsvektors haben. Genetische Kontrollsequenzen gewährleisten die Transkription und gegebenenfalls Translation in Zellkern (bzw. Zytoplasma) oder Plastiden. Vorzugsweise umfassen die erfindungsgemäßen Expressionskassetten 5 ' -stromaufwärts von der jeweiligen zu exprimierenden Nukleinsäuresequenz einen Promotor und 3 ' -stromabwärts eine Terminatorsequenz als zusätzliche genetische Kontrollsequenz, sowie gegebenenfalls weitere übliche regulative Elemente, und zwar jeweils funktioneil verknüpft mit der zu exprimierenden Nukleinsäuresequenz .The term "genetic control sequences" is to be understood broadly and means all those sequences which have an influence on the formation or the function of an expression cassette or transformation vector. Genetic control sequences ensure transcription and, if necessary, translation in the cell nucleus (or cytoplasm) or plastids. The expression cassettes according to the invention preferably comprise a promoter 5 'upstream of the respective nucleic acid sequence to be expressed and a terminator sequence 3' downstream as an additional genetic control sequence, and optionally further customary regulatory elements, in each case functionally linked to the nucleic acid sequence to be expressed.
Genetische Kontrollsequenzen sind beispielsweise beschrieben bei "Goeddel; Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990)" oder "Gruber and Crosby, in: Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnolgy, CRC Press, Boca Raton, Florida, eds.: Glick and Thompson, Chapter 7, 89-108" sowie den dort aufgewiesenen Zitaten.Genetic control sequences are described, for example, in "Goeddel; Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990)" or "Gruber and Crosby, in: Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnology, CRC Press, Boca Raton , Florida, eds .: Glick and Thompson, Chapter 7, 89-108 "and the quotations cited there.
Beispiele für derartige Kontrollsequenzen sind Sequenzen, an die Induktoren oder Repressoren binden und so die Expression der Nukleinsäure regulieren. Zusätzlich zu diesen neuen Kontrollsequenzen oder anstelle dieser Sequenzen kann die natürliche Regulation dieser Sequenzen vor den eigentlichen Strukturgenen noch vorhanden sein und gegebenenfalls genetisch verändert worden sein, so dass die natürliche Regulation ausgeschaltet und die Expression der Gene erhöht wurde. Die Expressionskassette kann aber auch einfacher aufgebaut sein, das heißt, es werden keine zusätzlichen Regulationssignale vor die vorstehend erwähnten Gene insertiert und der natürliche Promotor mit seiner Regulation wird nicht entfernt. Stattdessen wird die natürliche Kontrollsequenz so mutiert, dass keine Regulation mehr erfolgt und die Genexpression gesteigert wird. Diese veränderten Promotoren können auch allein vor die natürlichen Gene zur Steigerung der Aktivität gebracht werden.Examples of such control sequences are sequences to which inducers or repressors bind and thus regulate the expression of the nucleic acid. In addition to these new control sequences or instead of these sequences, the natural regulation of these sequences may still be present before the actual structural genes and may have been genetically modified so that the natural regulation is switched off and the Expression of the genes was increased. However, the expression cassette can also have a simpler structure, ie no additional regulation signals are inserted in front of the genes mentioned above and the natural promoter with its regulation is not removed. Instead, the natural control sequence is mutated so that regulation no longer takes place and gene expression is increased. These modified promoters can also be placed in front of the natural genes to increase activity.
Je nach vorstehend näher beschriebenen pflanzlichen Organismen, die als Wirts- oder Ausgangsorganismus zum Einsatz kommen können, und der durch Einbringen der Expressionskassetten oder Vektoren in einen genetisch veränderten oder transgenen Organismus über- führt wird, eignen sich verschiedene Kontrollsequenzen.Depending on the plant organisms described in more detail above, which can be used as host or starting organism and which is converted into a genetically modified or transgenic organism by introducing the expression cassettes or vectors, various control sequences are suitable.
Zur nuklearen Expression (beispielsweise einer viralen/Bakterio- phagen RNA-Polymerase, einer Rekombinase oder eines DSBI-Enzyms jeweils als Fusionsprotein mit einem plastidären Transitpeptid) sind grundsätzlich alle Promotoren geeignet, die die Expression von Genen, insbesondere Fremdgenen, in Pflanzen steuern können.In principle, all promoters which can control the expression of genes, in particular foreign genes, in plants are suitable for nuclear expression (for example a viral / bacteriophage RNA polymerase, a recombinase or a DSBI enzyme in each case as a fusion protein with a plastid transit peptide).
Geeignet sind Promotoren, die eine konstitutive Expression in Pflanzen ermöglichen (Benfey et al.(1989) EMBO J 8:2195-2202). Vorzugsweise verwendet man insbesondere einen pflanzlichenPromoters which allow constitutive expression in plants are suitable (Benfey et al. (1989) EMBO J 8: 2195-2202). In particular, a vegetable one is preferably used
Promotor oder einen Promotor, der einem Pflanzenvirus entstammt. Besonders bevorzugt ist der Promotor des 35S-Transkriptes des Blumenkohlmosaikvirus (Franck et al. (1980) Cell 21:285-294; Odell et al. (1985) Nature 313:810-812; Shewmaker et al . (1985) Virology 140:281-288; Gardner et al . 1986, Plant Mol. Biol. 6, 221-228) oder den 19S CaMV Promotor (US 5,352,605 and WO 84/02913) . Dieser Promotor enthält bekanntlich unterschiedliche ErkennungsSequenzen für transkriptionale Effektoren, die in ihrer Gesamtheit zu einer weitgehend permanenten und konsti- tutiven Expression des eingeführten Gens führen (Benfey et al.Promoter or a promoter derived from a plant virus. The promoter of the 35S transcript of the cauliflower mosaic virus (Franck et al. (1980) Cell 21: 285-294; Odell et al. (1985) Nature 313: 810-812; Shewmaker et al. (1985) Virology 140: 281-288; Gardner et al. 1986, Plant Mol. Biol. 6, 221-228) or the 19S CaMV promoter (US 5,352,605 and WO 84/02913). As is known, this promoter contains different recognition sequences for transcriptional effectors, which in their entirety lead to a largely permanent and constitutive expression of the introduced gene (Benfey et al.
(1989) EMBO J 8:2195-2202). Ein weiterer geeigneter konstitutiver Promotor ist der "Rubisco small subunit (SSU) "-Promotor (US 4,962,028). Ein weiteres Beispiel eines geeigneten Promotors ist der LeguminB-Promotor (GenBank Acc.-No.: X03677) . Weitere bevor- zugte konstitutive Promotoren sind zum Beispiel der Promotor der Nopalinsynthase aus Agrobakterium, der TR-Doppelpromotor, der OCS (Octopin Synthase) Promotor aus Agrobakterium, der Ubiquitin Promotor (Holtorf S et al . (1995) Plant Mol Biol 29:637-649), die Promotoren der vakuolärer ATPase Untereinheiten, der FBPaseP Promotor (WO 98/18940) oder der Promotor eines prolinreichen Proteins aus Weizen (WO 91/13991) . Weiterhin geeignete und im Rahmen dieser Erfindung bevorzugte konstitutive Promotoren sind der SuperPromotor (Ni M et al . (1995) Plant J 7:661-676; US 5,955,646) sowie der Nitrilase-1 Promotor des nitl Gens aus Arabidopsis (GenBank Acc . -No. : Y07648.2, Nukleotide 2456 bis 4340; Hillebrand H et al . (1998) Plant Mol Biol 36 (l):89-99; Hillebrand H et al. (1996) Gene 170(2) :197-200) .(1989) EMBO J 8: 2195-2202). Another suitable constitutive promoter is the "Rubisco small subunit (SSU)" promoter (US 4,962,028). Another example of a suitable promoter is the LeguminB promoter (GenBank Acc.-No .: X03677). Further preferred constitutive promoters are, for example, the promoter of nopaline synthase from Agrobacterium, the TR double promoter, the OCS (octopine synthase) promoter from Agrobacterium, the ubiquitin promoter (Holtorf S et al. (1995) Plant Mol Biol 29: 637- 649), the promoters of the vacuolar ATPase subunits, the FBPaseP promoter (WO 98/18940) or the promoter of a proline-rich protein from wheat (WO 91/13991). Also suitable and preferred within the scope of this invention are constitutive promoters the SuperPromotor (Ni M et al. (1995) Plant J 7: 661-676; US 5,955,646) and the nitrilase-1 promoter of the nitl gene from Arabidopsis (GenBank Acc. -No.: Y07648.2, nucleotides 2456 to 4340; Hillebrand H et al. (1998) Plant Mol Biol 36 (l): 89-99; Hillebrand H et al. (1996) Gene 170 (2): 197-200).
Bevorzugt sind induzierbare, besonders bevorzugt chemisch induzierbare Promotoren (Aoyama T und Chua NH (1997) Plant J 11:605-612; Caddick MX et al . (1998) Nat. Biotechnol 16:177-180; Rewiew: Gatz (1997) Annu Rev Plant Physiol Plant Mol BiolPreferred are inducible, particularly preferably chemically inducible promoters (Aoyama T and Chua NH (1997) Plant J 11: 605-612; Caddick MX et al. (1998) Nat. Biotechnol 16: 177-180; Rewiew: Gatz (1997) Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol
48:89-108), durch die die Expression zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert werden kann. Beispielhaft seien zu nennen der PRP1 Promotor (Ward et al.(1993) Plant Mol Biol 22:361-366), ein durch Salicylsäure induzierbarer Promotor (WO 95/19443), ein durch Benzolsulfonamid-induzierbarer Promotor (EP-A-0388186) , ein durch Tetrazyklin-induzierbarer Promotor (Gatz et al. (1992) Plant J 2:397-404), ein durch Abscisinsäure-induzierbarer Promotor (EP-A 335 528) , ein durch Ethanol induzierbarer Promotor (Salter MG et al . (1998) Plant J. 16:127-132), der schwermetall- induzierbarer Metallothionein I Promotor (Amini S et al. (1986) Mol Cell Biol 6:2305-2316), der steroid-induzierbarer MMTV LTR Promotor (Izant JG et al . (1985) Science 229:345-352) sowie ein durch Cyclohexanon-induzierbarer Promotor (WO 93/21334) . Besonders bevorzugt ist die induzierbare Expression eines PLS/DSBI-En- zym-Fusionsproteins im Kern. Induzierbare Promotoren umfasst auch solche, die durch bestimmte Repressorproteine (z.B. tet, lac) reguliert werden können. Entsprechende Repressorproteine können in Fusion mit PLS in die Plastiden translokalisiert werden und dort die Expression bestimmter Gene unter Kontrolle entsprechender Promotoren regulieren. Der Repressor bindet in den Plastiden an eine künstliche ins Piastom eingefügte Repressorbindestelle und kann so die Expression des stromabwärts gelegenen Gens unterdrük- ken (vgl. W095/25787) . Dadurch kann beispielsweise die Expression einer plastidkodierten Rekombinase oder eines DSBI-Enzym im Bedarfsfall induziert oder sie bis auf den Moment, in dem die Expression gewünscht ist, unterdrückt werden.48: 89-108) by which expression can be controlled at a particular point in time. Examples include the PRP1 promoter (Ward et al. (1993) Plant Mol Biol 22: 361-366), a promoter induced by salicylic acid (WO 95/19443), a promoter induced by benzenesulfonamide (EP-A-0388186) , a tetracycline-inducible promoter (Gatz et al. (1992) Plant J 2: 397-404), an abscisic acid-inducible promoter (EP-A 335 528), an ethanol-inducible promoter (Salter MG et al. ( 1998) Plant J. 16: 127-132), the heavy metal-inducible metallothionein I promoter (Amini S et al. (1986) Mol Cell Biol 6: 2305-2316), the steroid-inducible MMTV LTR promoter (Izant JG et al (1985) Science 229: 345-352) and a cyclohexanone-inducible promoter (WO 93/21334). The inducible expression of a PLS / DSBI enzyme fusion protein in the core is particularly preferred. Inducible promoters also include those that can be regulated by certain repressor proteins (e.g. tet, lac). Corresponding repressor proteins can be translocated into the plastids in fusion with PLS and there regulate the expression of certain genes under the control of appropriate promoters. The repressor binds in the plastids to an artificial repressor binding site inserted into the piastome and can thus suppress the expression of the gene located downstream (cf. W095 / 25787). In this way, for example, the expression of a plastid-coded recombinase or a DSBI enzyme can be induced if necessary or suppressed until the moment when expression is desired.
Ferner sind Promotoren bevorzugt, die durch biotischen oder abiotischen Stress induziert werden wie beispielsweise der pathogen-induzierbare Promotor des PRPl-Gens (Ward et al.,Furthermore, promoters are preferred which are induced by biotic or abiotic stress, such as, for example, the pathogen-inducible promoter of the PRPl gene (Ward et al.,
Plant Mol Biol 1993, 22: 361-366), der hitzeinduzierbare hsp70- Promotor oder der hsp80-Promoter aus Tomate (US 5,187,267), der kälteinduzierbare alpha-Amylase Promoter aus der Kartoffel (WO 96/12814) oder der verwundungsinduzierte pinll-Promoter (EP-A 0 375 091) . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vor allem die für die Rekombinase oder das DSBI-Enzym kodierende Nuklein- säure unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors exprimiert. Damit wird eine kontrollierte, steuerbare Expression erreicht und etwaige Probleme durch eine konstitutive Expression einer Rekombinase oder eines DSBI-Enzyms vermieden.Plant Mol Biol 1993, 22: 361-366), the heat-inducible hsp70 promoter or the hsp80 promoter from tomato (US 5,187,267), the cold-inducible alpha-amylase promoter from the potato (WO 96/12814) or the wound-induced pinll promoter (EP-A 0 375 091). In a particularly preferred embodiment, especially the nucleic acid coding for the recombinase or the DSBI enzyme is expressed under the control of an inducible promoter. This achieves controlled, controllable expression and avoids any problems caused by constitutive expression of a recombinase or a DSBI enzyme.
Vorteilhafte KontrollSequenzen für die erfindungsgemäßen Expressionskassetten oder Vektoren umfassen virale, bakteriophage oder bakterielle Promotoren wie cos-, tac-, trp-, tet-, phoA-, tat-, lpp-, lac-, laclq-, T7-, T5-, T3-, gal-, trc-, ara-, SP6-, λ-PR- oder im λ-PL-Promotor . Diese werden bevorzugt in Kombination mit der' Expression der jeweils korrespondierenden RNA-Polymerase eingesetzt.Advantageous control sequences for the expression cassettes or vectors according to the invention include viral, bacteriophage or bacterial promoters such as cos, tac, trp, tet, phoA, tat, lpp, lac, laclq, T7, T5, T3 -, gal, trc, ara, SP6, λ-PR or in the λ-PL promoter. These are preferably used in combination with the 'expression of the respective corresponding RNA polymerase.
Die Expression in Plastiden kann unter Verwendung plastidärer Promotoren und/oder Transkriptionsregulationselemente realisiert werden. Beispielhaft jedoch nicht einschränkend seien zu nennen der RNA-Polymerase Promotor (WO 97/06250) oder die in WO 00/07431, US 5,877,402, WO 97/06250, WO 98/5559,5 WO 99/46394, WO 01/42441 und WO 01/07590 beschriebenen Promotoren. Zu nennen sind das rpo B Promotorelement, das atpB Promotorelement, das clpP Promotorelement (siehe auch WO 99/46394) oder das 16S-rDNA Promotorelement. Dabei kann dem Promotor auch ein polycistroni- sches "Operon" zugeordnet sein (EP-A 1 076 095; WO 00/20611). Beschrieben sind auch Systeme bei denen eine nicht-pflanzliche (z.B. virale) RNA-Polymerase unter Verwendung plastidärer Transitpeptide in das Plastid importiert wird und dort spezifisch die Expression transgener Sequenzen induziert, die unter Kontrolle der ErkennungsSequenzen der RNA-Polymerase stehen und zuvor in die plastidäre DNA insertiert wurden (WO 95/16783; US 5,925,806; US 5,575,198) .Expression in plastids can be realized using plastid promoters and / or transcription regulatory elements. The RNA polymerase promoter (WO 97/06250) or those in WO 00/07431, US 5,877,402, WO 97/06250, WO 98/5559,5 WO 99/46394, WO 01/42441 and Promoters described in WO 01/07590. These include the rpo B promoter element, the atpB promoter element, the clpP promoter element (see also WO 99/46394) or the 16S rDNA promoter element. A polycistronic "operon" can also be assigned to the promoter (EP-A 1 076 095; WO 00/20611). Systems are also described in which a non-vegetable (eg viral) RNA polymerase is imported into the plastid using plastid transit peptides and specifically induces the expression of transgenic sequences there, which are under the control of the recognition sequences of the RNA polymerase and previously into the plastid one DNA were inserted (WO 95/16783; US 5,925,806; US 5,575,198).
Neben den genannten Promotoren wären weiter bevorzugt zu ver- wenden:In addition to the promoters mentioned, it would also be preferable to use:
a) der PrbcL Promotor (SEQ ID NO: 20)a) the PrbcL promoter (SEQ ID NO: 20)
b) der Prpsl6 Promotor (SEQ ID NO: 26)b) the Prpsl6 promoter (SEQ ID NO: 26)
c) der Prrnl6 Promotor (SEQ ID NO: 22)c) the Prrnl6 promoter (SEQ ID NO: 22)
In einer bevorzugten Ausführungsform werden NEP Promotoren eingesetzt. Dies sind Promotoren, die in Plastiden funktioneil sind und von der nuklear kodierten, plastidären RNA-Polymeräsen (NEP) erkannt werden. Bevorzugt sind: Prrn-62; Pycf2-1577; PatpB-289; Prps2-152; Prpsl6-107; Pycfl-41; PatpI-207; PclpP-511; PclpP-173 und PaccD-129 (WO 97/06250; Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16:4041-4048) .In a preferred embodiment, NEP promoters are used. These are promoters that are functional in plastids and are recognized by the nuclear-encoded plastid RNA polymerase (NEP). Preferred are: Prrn-62; Pycf2-1577; PatpB-289; Prps2-152; Prpsl6-107; Pycfl-41; PatpI-207; PclpP-511; PclpP-173 and PaccD-129 (WO 97/06250; Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048).
Besonders bevorzugt sind:The following are particularly preferred:
a) Der PaccD-129 Promotor des accD Gens aus Tabak (WO 97/06250; SEQ ID NO: 23)a) The PaccD-129 promoter of the accD gene from tobacco (WO 97/06250; SEQ ID NO: 23)
b) Der PclpP-53 Promotor des clpP Gens als hoch-aktiver NEP Promotor in Chloroplasten (WO 97/06250; SEQ ID NO: 24)b) The PclpP-53 promoter of the clpP gene as a highly active NEP promoter in chloroplasts (WO 97/06250; SEQ ID NO: 24)
c) Der Prrn-62 Promotor des rrn Gens (SEQ ID NO: 25)c) The Prrn-62 promoter of the rrn gene (SEQ ID NO: 25)
d) Der Prpsl6-107 Promotor des rpslδ Gens (SEQ ID NO: 21) :d) The Prpsl6-107 promoter of the rpslδ gene (SEQ ID NO: 21):
e) Der PatpB/E-290 Promotor des atpB/E Gens aus Tabak (Kapoor S et al. (1997) Plant J 11:327-337) (SEQ ID NO: 27)e) The PatpB / E-290 promoter of the atpB / E gene from tobacco (Kapoor S et al. (1997) Plant J 11: 327-337) (SEQ ID NO: 27)
f) Der PrpoB-345 Promotor des rpoB Gens (Liere K & Maliga P (1999) EMBO J 18: 249-257) (SEQ ID NO: 28)f) The PrpoB-345 promoter of the rpoB gene (Liere K & Maliga P (1999) EMBO J 18: 249-257) (SEQ ID NO: 28)
Im Allgemeinen sind in dieser Ausführungsform alle Promotoren nutzbar, die der Klasse III angehören (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16:4041-4048) sowie alle Fragmente der Promotoren der Klasse II, die die Transkriptionsinitiation durch die NEP steuern. Solche Promotoren bzw. Promotor-Anteile sind nicht besonders hoch konserviert. Als Consensus nahe der Transkriptions- initiationsstelle von NEP Promotoren wird angegeben: ATAGAATAAA (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16:4041-4048).In general, all promoters belonging to class III can be used in this embodiment (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048) as well as all fragments of the class II promoters which control the transcription initiation by the NEP. Such promoters or promoter parts are not particularly highly conserved. As consensus near the transcription initiation site of NEP promoters is given: ATAGAATAAA (Hajdukiewicz PTJ et al (1997) EMBO J 16: 4041-4048).
Normalerweise werden Gene von regulatorischen Sequenzen umgeben, die aus den Plastiden des zu transformierenden Organismus stammen. Dadurch erzeugt man Sequenzduplikationen, die zu Instabilitäten aufgrund von spontanen, intrachromosomalen homologen Rekombinationsereignissen führen können (Heifetz PB (2000)Normally, genes are surrounded by regulatory sequences that come from the plastids of the organism to be transformed. This creates sequence duplications that can lead to instabilities due to spontaneous, intrachromosomal homologous recombination events (Heifetz PB (2000)
Biochimie 82 (6-7) : 655-666) . Es wurde zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, heterologe regulatorische Sequenzen zu nutzen, oder endogen im Plastidengenom bereits vorhandene regulatorische Einheiten auszunutzen (WO 99/46394; WO 01/42441) . Auch eine Ver- minderung der Homologie durch Mutagenese der endogenen Promotorsequenz ist beschrieben (WO 01/07590) .Biochimie 82 (6-7): 655-666). To solve this problem, it has been proposed to use heterologous regulatory sequences or to use regulatory units already present endogenously in the plastid genome (WO 99/46394; WO 01/42441). A reduction in homology by mutagenesis of the endogenous promoter sequence is also described (WO 01/07590).
Prinzipiell können alle natürlichen Promotoren mit ihren Regulationssequenzen wie die oben genannten für das erfindungs- gemäße Verfahren verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Promotoren isoliert aus Prokaryoten. Ganz besonders bevorzugt sind Promotoren isoliert aus Synechocystis oder E.coli. Darüber hinaus können auch synthetische Promotoren vorteilhaft verwendet werden, wie beispielsweise ein synthetischer Promotor abgeleitet von der E. coli Konsensus Sequenz für σ70 Promotoren:In principle, all natural promoters with their regulatory sequences such as those mentioned above can be used for the method according to the invention. Promoters isolated from prokaryotes are particularly preferred. Promoters isolated from Synechocystis or E. coli are very particularly preferred. About that In addition, synthetic promoters can also be used advantageously, such as a synthetic promoter derived from the E. coli consensus sequence for σ70 promoters:
5-TTGACA N16_19 TATAAT N3 CAT -3',5-TTGACA N 16 _ 19 TATAAT N 3 CAT -3 ',
wobei N für jedes beliebige Nukleotid (also A, G, C oder T) steht. Dem Fachmann ist offensichtlich, dass auch einzelne bis wenige Basenaustausche in den angegebenen, konservierten Regionen möglich sind, ohne die Funktion des Promotors zu zerstören. Die variable Gestaltung dieser synthetischen Promotoren durch Nutzen verschiedener Sequenzabfolgen, ermöglicht es, eine Vielzahl von Promotoren zu erstellen, die nicht extensive Homologien aufweisen, was insbesondere für den Fall, dass mehrere Promotoren benötigt werden, die Stabilität der Expressionskassetten imwhere N stands for any nucleotide (ie A, G, C or T). It is obvious to the person skilled in the art that individual to few base exchanges are also possible in the specified, conserved regions without destroying the function of the promoter. The variable design of these synthetic promoters by using different sequence sequences makes it possible to create a large number of promoters which do not have extensive homologies, which in particular in the case that several promoters are required, the stability of the expression cassettes in the
Piastom erhöht. Beispielhaft aber nicht einschränkend seien nachfolgende besonders bevorzugte Promotorsequenzen genannt, die von oben genannter Konsensussequenz abgeleitet sind:Piastom increased. The following particularly preferred promoter sequences, which are derived from the above-mentioned consensus sequence, may be mentioned by way of example but not by way of limitation:
a)5'-TTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACA-3' (SEQ ID NO: 29) b) 5'-TTGACAATTTTCCTCTGAATTATATAATTAACAT-3' (SEQ ID NO: 59)a) 5'-TTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACA-3 '(SEQ ID NO: 29) b) 5'-TTGACAATTTTCCTCTGAATTATATAATTAACAT-3' (SEQ ID NO: 59)
Dem Fachmann ist offensichtlich, dass diese synthetischen Promotoren die Expression beliebiger Gene steuern können. Sie können beispielsweise dazu genutzt werden, die Expression eines Selektionsmarkers anzutreiben - auch, um unter regenerativen Bedingungen auf transplastome Pflanzen unter Zuhilfenahme von besagtem Selektionssystem selektieren zu können. Selektionsmarker sind weiter unten beispielhaft aufgezählt. Darüber hinaus können solche synthetischen Promotoren mit jedem beliebigen Gen verknüpft werden, beispielsweise mit Genen kodierend für Antikörper, Antigene oder Enzyme. Bevorzugt enthalten die Expressionskassetten bestehend aus solchen Promotoren auch im folgenden näher beschriebene 5 '-untranslatierte Regionen (oder Ribosomen- bindestellen) oder 3 ' -nichtkodierende Regionen.It is obvious to the person skilled in the art that these synthetic promoters can control the expression of any genes. For example, they can be used to drive the expression of a selection marker - also in order to be able to select transplastomic plants under regenerative conditions with the aid of the said selection system. Selection markers are listed below as examples. In addition, such synthetic promoters can be linked to any gene, for example with genes coding for antibodies, antigens or enzymes. The expression cassettes consisting of such promoters preferably also contain 5 'untranslated regions (or ribosome binding sites) or 3' non-coding regions described in more detail below.
Genetische Kontrollsequenzen umfassen auch weitere Promotoren, Promotorelemente oder Minimalpromotoren, die die expressions- steuernden Eigenschaften modifizieren können. Genetische Kon- trollsequenzen umfassen ferner auch die 5 '-untranslatierte Region (5'-UTR) oder die nichtkodierende 3 '-Region (3'-UTR) von Genen (Eibl C (1999) Plant J 19:1-13). Es ist gezeigt worden, dass diese eine signifikante Funktionen bei der Regulation der Genexpression in Plastiden höherer Pflanzen spielen können. Auch im Kern können genetische Kontrollelemente wie 5'-UTR, Introns oder 3'UTR eine Funktion bei der Genexpression besitzen. So wurde beispielsweise gezeigt, dass 5 '-untranslatierte Sequenzen die trans- iente Expression heterologer Gene verstärken können. Sie können ferner die Gewebespezifität fördern (Rouster J et al. (1998) Plant J 15:435-440) .Genetic control sequences also include further promoters, promoter elements or minimal promoters that can modify the expression-controlling properties. Genetic control sequences also include the 5 'untranslated region (5'-UTR) or the non-coding 3' region (3'-UTR) of genes (Eibl C (1999) Plant J 19: 1-13). It has been shown that these can play a significant role in regulating gene expression in plastids of higher plants. At its core, genetic control elements such as 5'-UTR, introns or 3'UTR can also have a function in gene expression. For example, it was shown that 5 'untranslated sequences can enhance iente expression of heterologous genes. They can also promote tissue specificity (Rouster J et al. (1998) Plant J 15: 435-440).
Bevorzugt werden als 5' UTRs und 3'UTRs eingesetzt:The following are preferably used as 5 'UTRs and 3'UTRs:
a) 5'psbA (aus Tabak) (SEQ ID NO: 30)a) 5'psbA (from tobacco) (SEQ ID NO: 30)
b) 5'rbcL einschließlich 5' Anteilen aus dem codierenden Bereich des rbcL Gens (aus Tabak) (SEQ ID NO: 31) ; die mit SEQ ID NO: 31 beschriebene Sequenz wurden gegenüber der nativen Sequenz mutiert, um eine Pagl bzw. Ncol Schnittstelle einzubringen .b) 5'rbcL including 5 'portions from the coding region of the rbcL gene (from tobacco) (SEQ ID NO: 31); the sequence described with SEQ ID NO: 31 was mutated compared to the native sequence in order to introduce a Pagl or Ncol interface.
c) 5'rbcLs (SEQ ID NO: 32); die mit SEQ ID NO: 32 beschriebenec) 5'rbcLs (SEQ ID NO: 32); that described with SEQ ID NO: 32
Sequenz wurden gegenüber der nativen Sequenz mutiert, um eine Pagl Schnittstelle einzubringen.Sequences were mutated against the native sequence to introduce a Pagl site.
d) 3'psbA-l aus Synechocystis (SEQ ID NO: 33)d) 3'psbA-1 from Synechocystis (SEQ ID NO: 33)
e) 3'psbA aus Tabak (SEQ ID NO: 34)e) 3'psbA from tobacco (SEQ ID NO: 34)
f) 3'rbcL aus Tabak (SEQ ID NO: 35)f) 3'rbcL from tobacco (SEQ ID NO: 35)
Genetische Kontrollsequenzen vor allem für die Expression in Plastiden umfassen insbesondere auch Ribosomenbmdungssequenzen zur Initiation der Translation. Diese sind für gewöhnlich in den 5 'UTRs enthalten. Dies ist vor allem dann bevorzugt, wenn von der zu exprimierenden Nukleinsäuresequenz entsprechende Sequenzen nicht bereitgestellt werden oder diese mit demGenetic control sequences, especially for expression in plastids, in particular also include ribosome formation sequences for the initiation of translation. These are usually included in the 5 'UTRs. This is particularly preferred if the nucleic acid sequence to be expressed does not provide appropriate sequences or if these are provided with the
Expressionssystem nicht kompatibel sind. Insbesondere bevorzugt ist die Verwendung einer synthetische Ribosomenbinde- stelle (RBS) mit der Sequenz 5'-GGAGG(N) 3_10ATG-3 ' , bevorzugt 5'-GGAGG(N)5ATG-3' (SEQ ID NO: 36) besonders bevorzugt 5'-GGAG- GATCTCATG-3' (SEQ ID NO: 37).Expression system are not compatible. Particularly preferred is the use of a synthetic Ribosomenbinde- site (RBS) having the sequence 5'-GGAGG (N) 3 _ 10 ATG-3 ', preferably, 5'-GGAGG (N) 5 ATG-3' (SEQ ID NO: 36 ) particularly preferably 5'-GGAG-GATCTCATG-3 '(SEQ ID NO: 37).
Die Expressionskassette kann vorteilhafterweise eine oder mehrere sogenannte "enhancer Sequenzen" funktionell verknüpft mit dem Promoter enthalten, die eine erhöhte transgene Expression der Nukleinsäuresequenz ermöglichen. Auch am 3 ' -Ende der transgen zu exprimierenden Nukleinsäuresequenzen können zusätzliche vorteilhafte Sequenzen insertiert werden, wie weitere regulatorische Elemente oder Terminatoren. Die transgen zu exprimierenden Nukleinsäuresequenzen können in einer oder mehreren Kopien im Genkonstrukt enthalten sein. Ferner ist es möglich, nach dem Startcodon eine sogenannte Down- stream-Box einzufügen, die die Expression im Allgemeinen steigert (Translations-'Εnhancer" WO 00/07431; WO 01/21782).The expression cassette can advantageously contain one or more so-called "enhancer sequences" functionally linked to the promoter, which enable increased transgenic expression of the nucleic acid sequence. Additional advantageous sequences, such as further regulatory elements or terminators, can also be inserted at the 3 'end of the nucleic acid sequences to be expressed transgenically. The nucleic acid sequences to be expressed transgenically can be contained in one or more copies in the gene construct. It is also possible to insert a so-called downstream box after the start codon, which generally increases expression (translation enhancer "WO 00/07431; WO 01/21782).
Als genetische Kontrollsequenzen v.a. bei der Kerntransformation geeignete Polyadenylierungssignale sind pflanzliche Polyadeny- lierungssignale, vorzugsweise solche, die im wesentlichen T-DNA Polyadenylierungssignale aus Agrobakterium tumefaciens, insbesondere des Gens 3 der T-DNA (Octopin Synthase) des Ti-Plasmids pTiACHS entsprechen (Gielen et al . , EMBO J. 3 (1984), 835 ff) oder funktionelle Äquivalente davon. Beispiele für besonders geeignete Terminatorsequenzen sind der OCS (Octopin-Synthase) - Terminator und der NOS (Nopalin-Synthase) -Terminator.As genetic control sequences especially Polyadenylation signals suitable for core transformation are plant polyadenylation signals, preferably those which essentially correspond to T-DNA polyadenylation signals from Agrobacterium tumefaciens, in particular gene 3 of T-DNA (octopine synthase) of the Ti plasmid pTiACHS (Gielen et al., EMBO J. 3 (1984), 835 ff) or functional equivalents thereof. Examples of particularly suitable terminator sequences are the OCS (octopine synthase) terminator and the NOS (nopalin synthase) terminator.
Die erfindungsgemäßen Transformationsvektoren und Insertions- sequenzen können weitere Nukleinsäuresequenzen umfassen. Solche Nukleinsäuresequenzen können bevorzugt Expressionskassetten darstellen. Beispielhaft aber nicht einschränkend für die in den Expressionskonstrukten zu exprimierenden DNA-Sequenzen seien zu nennen:The transformation vectors and insertion sequences according to the invention can comprise further nucleic acid sequences. Such nucleic acid sequences can preferably represent expression cassettes. The following may be mentioned as examples, but not restrictive, for the DNA sequences to be expressed in the expression constructs:
1. Selektionsmarker1. Selection marker
"Selektionsmarker" meint all solche Nukleinsäure- oder Protein- Sequenzen, deren Expression (d.h. Transkription und ggf. Translation) einer Zelle, Gewebe oder Organismus einen anderen Phänotyp verleiht, als einer nicht transformierten. Selektionsmarker umfasst beispielsweise solche Nukleinsäure- oder Proteinsequenzen, deren Expression einer Zelle, Gewebe oder Organismus einen Vor- teil (positiver Selektionsmarker) oder Nachteil (negativer Selektionsmarker) gegenüber Zellen vermittelt, die diese Nukleinsäure oder Protein nicht exprimieren. Positiven Selektionsmarkern wirken beispielsweise dadurch, das eine auf die Zelle inhibitorisch wirkende Substanz detoxifiziert wird (Bsp. Antibiotika-/ Herbizidresistenz), oder eine Substanz gebildet wird, welche der Pflanze unter den gewählten Bedingungen verbesserte Regeneration oder erhöhtes Wachstum ermöglicht (zum Beispiel nutritive Marker, hormonproduzierender Marker wie ipt; s.u.). Eine andere Form positiver Selektionsmarker umfasst mutierte Proteine oder RNAs, die gegenüber einem selektiven Agenz nicht empfindlich sind (beispielsweise 16S rRNA Mutanten, die unempfindlich gegenüber Spectinomycin sind) . Negative Selektionsmarker wirken beispielsweise dadurch, dass sie die Bildung einer toxischen Substanz in den transformierten Zellen katalysieren (zum Beispiel das codA Gen) . Ferner kann Selektionsmarker auch Reporterproteine umfassen, insofern diese geeignet sind, transformierte von nicht- transformierten Zellen, Geweben oder Organen (beispielsweise durch Farbgebung oder einen anderen detektierbaren Phänotyp) zu unterscheiden.“Selection marker” means all those nucleic acid or protein sequences whose expression (ie transcription and possibly translation) gives a cell, tissue or organism a different phenotype than an untransformed one. Selection markers include, for example, those nucleic acid or protein sequences whose expression gives a cell, tissue or organism an advantage (positive selection marker) or disadvantage (negative selection marker) over cells which do not express this nucleic acid or protein. Positive selection markers work, for example, by detoxifying a substance that has an inhibitory effect on the cell (e.g. antibiotic / herbicide resistance), or by forming a substance that enables the plant to improve regeneration or increase growth under the selected conditions (for example nutritive markers, hormone-producing markers such as ipt; see below). Another form of positive selection marker includes mutated proteins or RNAs that are not sensitive to a selective agent (for example, 16S rRNA mutants that are insensitive to spectinomycin). Negative selection markers work, for example, by catalyzing the formation of a toxic substance in the transformed cells (for example the codA gene). Furthermore, selection markers can also include reporter proteins, insofar as these are suitable, transformed from non- to differentiate transformed cells, tissues or organs (for example by coloring or another detectable phenotype).
Nachfolgende Selektionsmarker seien beispielhaft und nicht einschränkend zu nennen:The following selection markers are exemplary and not restrictive:
1.1 Positive Selektionsmarker:1.1 Positive selection markers:
Der mit der Expressionskassette in den Zellkern oder die Plastiden eingebrachte selektionierbare Marker verleiht den erfolgreich transformierten Zellen eine Resistenz gegen ein Biozid (zum Beispiel ein Herbizid wie Phosphinothricin, Glyphosat oder Bromoxy- nil) , einen Metabolismusinhibitor wie 2-Desoxyglucose-6-phosphat (WO 98/45456) oder ein Antibiotikum, wie zum Beispiel Tetra- cycline, Ampicillin, Kanamycin, G 418, Neomycin, Bleomycin oder Hygromycin. Der Selektionsmarker erlaubt die Selektion der transformierten Zellen von untransformierten (McCormick et al . , Plant Cell Reports 5 (1986), 81-84; Dix PJ & Kavanagh TA (1995) Euphy- tica 85: 29-34) .The selectable marker introduced into the cell nucleus or the plastids with the expression cassette gives the successfully transformed cells resistance to a biocide (for example a herbicide such as phosphinothricin, glyphosate or bromoxynil), a metabolism inhibitor such as 2-deoxyglucose-6-phosphate (WO 98/45456) or an antibiotic, such as, for example, tetracycline, ampicillin, kanamycin, G 418, neomycin, bleomycin or hygromycin. The selection marker allows the selection of the transformed cells from untransformed ones (McCormick et al., Plant Cell Reports 5 (1986), 81-84; Dix PJ & Kavanagh TA (1995) Euphytica 85: 29-34).
Besonders bevorzugte Selektionsmarker sind solche, die eine Resistenz gegen Herbizide verleihen. Beispielhaft als Selektionsmarker seien genannt:Particularly preferred selection markers are those which confer resistance to herbicides. Examples of selection markers are:
DNA Sequenzen, die für Phosphinothricinacetyltransferasen (PAT) kodieren, welche die freie Aminogruppe des Glutamin- synthaseinhibitors Phosphinothricin (PPT) acetylieren und damit eine Detoxifizierung des PPT erreichen (de Block et al . 1987, EMBO J. 6, 2513-2518) (auch Bialophos® resistenzgen (bar) genannt) . Das bar Gen kodierend für eine Phosphino- thricinacetyltransferase (PAT) kann aus beispielsweise Streptomyces hygroscopicus oder S. viridochromogenes isoliert werden. Entsprechende Sequenzen sind dem Fachmann bekannt (aus Streptomyces hygroscopicus GenBank Acc.-No.: X17220 und X05822, aus Streptomyces viridochromogenes GenBank Acc.-No.: M 22827 und X65195; US 5,489,520). Ferner sind synthetische Gene beispielsweise für die Expression in Plastiden beschrieben. Ein synthetisches Pat Gen ist beschrieben in Becker et al. (1994) The Plant J. 5:299-307. Die Gene verleihen Resistenz gegen das Herbizid Bialaphos oder Glufosinat und sind vielbenutzte Marker in transgenen Pflanzen (Vickers JE et al . (1996). Plant Mol Miol Reporter 14:363-368; Thompson CJ et al . (1987) EMBO J 6:2519-2523). 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphatsynthasegene (EPSP Synthase- gene) , die eine Resistenz gegen Glyphosat (N- (phosphono- methyDglycin) verleihen. Das unselektive Herbizid Glyphosat hat die 5-Enolpyruvyl-3-phosphoshikimatsynthase (EPSPS) als molekulares Target. Diese hat eine Schlüsselfunktion in der Biosynthese aromatischer Aminosäuren in Mikroben und Pflanzen, jedoch nicht in Säugern (Steinrucken HC et al . (1980) Biochem. Biophys . Res. Commun. 94:1207-1212; Levin JG und. Sprinson DB (1964) J. Biol. Chem. 239: 1142-1150; Cole DJ (1985) Mode of action of glyphosate a literature analysis, p. 48-74. In: Grossbard E und Atkinson D (eds.). The herbicide glyphosate. Buttersworths , Boston.). Glyphosat-tolerante EPSPS Varianten werden bevorzugt als Selektionsmarker verwendet (Padgette SR et al. (1996) . New weed control opportunities: development of soybeans with a Roundup Ready™ gene. In: Herbicide Resistant Crops (Duke, S.O., ed.), pp. 53-84. CRC Press, Boca Raton, FL; Saroha MK und Malik VS (1998) J Plant Biochemistry and Biotechnology 7:65-72). Das EPSPS Gen des Agrobakterium sp. strain CP4 hat eine natür- liehe Toleranz gegen Glyphosat, die auf entsprechende trans- gene Pflanzen transferiert werden kann. Das CP4 EPSPS Gen wurde aus Agrobakterium sp. strain CP4 kloniert (Padgette SR et al. (1995)Crop Science 35 (5) :1451-1461) . Sequenzen von 5-Enolpyrvylshikimate-3-phosphate-synthasen, die Gly- phosat-tolerant sind, wie beispielsweise beschrieben in US 5,510,471; US 5,776,760; US 5,864,425; US 5,633,435; US 5, 627; 061; US 5,463,175; EP 0 218 571, sind sowohl in den Patenten beschriebenen als auch in der GenBank hinterlegt. Weitere Sequenzen sind beschrieben unter GenBank Accession X63374. Ferner ist das aroA Gen bevorzugt (M10947 S. typhimurium aroA locus 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (aroA protein) gene) .DNA sequences which code for phosphinothricin acetyltransferases (PAT), which acetylate the free amino group of the glutamine synthase inhibitor phosphinothricin (PPT) and thus achieve a detoxification of the PPT (de Block et al. 1987, EMBO J. 6, 2513-2518) (also Bialophos ® resistance gene (called bar). The bar gene coding for a phosphinothricin acetyltransferase (PAT) can be isolated from, for example, Streptomyces hygroscopicus or S. viridochromogenes. Corresponding sequences are known to the person skilled in the art (from Streptomyces hygroscopicus GenBank Acc.-No .: X17220 and X05822, from Streptomyces viridochromogenes GenBank Acc.-No .: M 22827 and X65195; US 5,489,520). Furthermore, synthetic genes are described, for example, for expression in plastids. A synthetic Pat gene is described in Becker et al. (1994) The Plant J. 5: 299-307. The genes confer resistance to the herbicide bialaphos or glufosinate and are widely used markers in transgenic plants (Vickers JE et al. (1996). Plant Mol Miol Reporter 14: 363-368; Thompson CJ et al. (1987) EMBO J 6: 2519 -2523). 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase genes (EPSP synthase genes) which confer resistance to glyphosate (N- (phosphonomethyDglycine). The unselective herbicide glyphosate has 5-enolpyruvyl-3-phosphoshikimate synthase (EPSPS) as its molecular target has a key role in the biosynthesis of aromatic amino acids in microbes and plants, but not in mammals (Steinrucken HC et al. (1980) Biochem. Biophys. Res. Commun. 94: 1207-1212; Levin JG and. Sprinson DB (1964) J Biol. Chem. 239: 1142-1150; Cole DJ (1985) Mode of action of glyphosate a literature analysis, p. 48-74. In: Grossbard E and Atkinson D (eds.). The herbicide glyphosate. Buttersworths, Boston Glyphosate-tolerant EPSPS variants are preferably used as selection markers (Padgette SR et al. (1996). New weed control opportunities: development of soybeans with a Roundup Ready ™ gene. In: Herbicide Resistant Crops (Duke, SO, ed. ), pp. 53-84.CRC Press, Boca Raton, FL; Saroha MK and Mal ik VS (1998) J Plant Biochemistry and Biotechnology 7: 65-72). The EPSPS gene of the Agrobacterium sp. strain CP4 has a natural tolerance to glyphosate, which can be transferred to corresponding transgenic plants. The CP4 EPSPS gene was derived from Agrobacterium sp. strain CP4 cloned (Padgette SR et al. (1995) Crop Science 35 (5): 1451-1461). Sequences of 5-enolpyrvylshikimate-3-phosphate synthases that are glyphosate tolerant, as described, for example, in US 5,510,471; US 5,776,760; US 5,864,425; US 5,633,435; US 5,627; 061; US 5,463,175; EP 0 218 571 are both described in the patents and deposited in the GenBank. Further sequences are described under GenBank Accession X63374. The aroA gene is also preferred (M10947 S. typhimurium aroA locus 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (aroA protein) gene).
das für das Glyphosat® degradierende Enzyme kodierende gox Gen (Glyphosatoxidoreduktase) . GOX (beispielsweise diethe gox gene (glyphosate oxidoreductase) coding for the glyphosate ® degrading enzyme. GOX (e.g. the
Glyphosatoxidoreductase aus Achromobacter sp.) katalysiert die Spaltung einer C-N Bindung im Glyphosat, welches so zu Aminomethylphosphonsäure (AMPA) und Glyoxylat umgesetzt wird. GOX kann dadurch eine Resistenz gegen Glyphosat vermitteln (Padgette SR et al. (1996) J Nutr. 1996 Mar; 126 (3) : 702-16; Shah D et al. (1986) Science 233: 478-481).Glyphosate oxidoreductase from Achromobacter sp.) Catalyzes the cleavage of a C-N bond in the glyphosate, which is thus converted to aminomethylphosphonic acid (AMPA) and glyoxylate. GOX can thereby confer resistance to glyphosate (Padgette SR et al. (1996) J Nutr. 1996 Mar; 126 (3): 702-16; Shah D et al. (1986) Science 233: 478-481).
das deh Gen (kodierend für eine Dehalogenase, die Dalapon® inaktiviert), (GenBank Acc . -No. : AX022822, AX022820 sowie W099/27116) bxn Gene, die für Bromoxynil degradierende Nitrilase- enzyme kodieren. Beispielsweise die Nitrilase aus Klebsiella ozanenae. Sequenzen sind in der Genbank beispielsweise unter den Acc.-No: E01313 (DNA encoding bromoxynil specific nitrilase) und J03196 (K. pneumoniae bromoxynil-specific nitrilase (bxn) gene, complete cds) zu finden.the deh gene (coding for a dehalogenase that inactivates Dalapon ® ), (GenBank Acc. -No.: AX022822, AX022820 and W099 / 27116) bxn genes which code for bromoxynil-degrading nitrilase enzymes. For example, the nitrilase from Klebsiella ozanenae. Sequences can be found in the Genbank, for example, under Acc.-No: E01313 (DNA encoding bromoxynil-specific nitrilase) and J03196 (K. pneumoniae bromoxynil-specific nitrilase (bxn) gene, complete cds).
Neomycinphosphotransferasen verleihen eine Resistenz gegen Antibiotika (Aminoglykoside) wie Neomycin, G418, Hygromycin, Paromomycin oder Kanamycin, indem sie durch eine Phosphorylierungsreaktion deren inhibierende Wirkung reduzieren. Besonders bevorzugt ist das nptll Gen. Sequenzen können aus der GenBank erhalten werden (AF080390 Mini- transposon mTn5-GNm; AF080389 Minitransposon mTn5-Nm, complete sequence) . Zudem ist das Gen bereits Bestandteil zahlreicher Expressionsvektoren und kann unter Verwendung von dem Fachmann geläufigen Verfahren (wie beispielsweise Polymerasekettenreaktion) aus diesen isoliert werden (AF234316 pCAMBIA-2301; AF234315 pCAMBIA-2300, AF234314 pCAMBIA-2201) . Das NPTII Gen kodiert für eine Aminoglycosid- 3 'O-phosphotransferase aus E.coli, Tn5 (GenBank Acc.-No: U00004 Position 1401-2300; Beck et al . (1982) Gene 19 327-336) .Darüber hinaus kann auch das aphA-6 Gen aus Acineto- acter baumannii, kodierend für eine Aminoglykosidphospho- transferase, als Selektionsmarker genutzt werden (Huang et al. (2002) Mol Genet Genomics 268:19-27).Neomycin phosphotransferases confer resistance to antibiotics (aminoglycosides) such as neomycin, G418, hygromycin, paromomycin or kanamycin by reducing their inhibitory effect through a phosphorylation reaction. The nptll gene is particularly preferred. Sequences can be obtained from GenBank (AF080390 mini transposon mTn5-GNm; AF080389 mini transposon mTn5-Nm, complete sequence). In addition, the gene is already part of numerous expression vectors and can be isolated from them using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction) (AF234316 pCAMBIA-2301; AF234315 pCAMBIA-2300, AF234314 pCAMBIA-2201). The NPTII gene encodes an aminoglycoside 3 'O-phosphotransferase from E. coli, Tn5 (GenBank Acc.-No: U00004 position 1401-2300; Beck et al. (1982) Gene 19 327-336) the aphA-6 gene from Acinetoacter baumannii, coding for an aminoglycoside phosphotransferase, can be used as a selection marker (Huang et al. (2002) Mol Genet Genomics 268: 19-27).
das DOG^l-Gen. Das Gen D0GR1 wurde aus der Hefe Saccharomyces cerevisiae isoliert (EP 0 807 836) . Es codiert für eine 2-Desoxyglukose-6-phosphat Phosphatase, die Resistenz gegenüber 2-DOG verleiht (Randez-Gil et al . 1995, Yeast 11, 1233-1240; Sanz et al . (1994) Yeast 10:1195- 1202, Sequenz: GenBank Acc.-No.: NC001140 Chromosom VIII, Saccharomyces cervisiae Position 194799-194056).the DOG ^ l gene. The gene D0G R 1 was isolated from the yeast Saccharomyces cerevisiae (EP 0 807 836). It encodes a 2-deoxyglucose-6-phosphate phosphatase that confers resistance to 2-DOG (Randez-Gil et al. 1995, Yeast 11, 1233-1240; Sanz et al. (1994) Yeast 10: 1195-1202, Sequence: GenBank Acc.-No .: NC001140 Chromosome VIII, Saccharomyces cervisiae Position 194799-194056).
Sulfonylurea- und Imidazolinon inaktivierende Acetolactat- synthasen, die eine Resistenz gegen Imidazolinon/Sulfonyl- urea-Herbizide verleihen. Beispielhaft seien für Imidazoli- non-Herbizide die Wirkstoffe Imazamethabenz-methyl, Imazza- mox, Imazapyr, Imazaquin, Imazethapyr zu nennen. Für Sulfon- ylharnstoff-Herbizide seien beispielhaft Amidosulforon, Azim- sulfuron, Chlorimuronethyl, Chlorsulfuron, Cinosulfuron, Imazosulforon, Oxasulforon, Prosulforon, Rimsulforon, Sulfo- sulforon zu nennen. Dem Fachmann sind zahlreiche weitere Wirkstoffe der genannten Klassen bekannt. Geeignet sindSulfonylurea and imidazolinone inactivating acetolactate synthases which confer resistance to imidazolinone / sulfonylurea herbicides. The active ingredients imazamethabenz-methyl, imazamox, imazapyr, imazaquin, imazethapyr may be mentioned as examples of imidazolinon herbicides. Examples of sulfonyl urea herbicides are amidosulforon, azim-sulfuron, chlorimuronethyl, chlorosulfuron, cinosulfuron, imazosulforon, oxasulforon, prosulforon, rimsulforon, sulfosulforon. Numerous other active substances of the classes mentioned are known to the skilled worker. Are suitable
Nukleinsäuresequenzen wie beispielsweise die unter der GenBank Acc-No.: X51514 abgelegte Sequenz für das Arabidopsis thaliana Csr 1.2 Gen (EC 4.1.3.18) (Sathasivan K et al . (1990) Nucleic Acids Res. 18(8):2188). Acetolactatesynthasen, die eine Resistenz gegen Imidazolinon-Herbizide verleihen, sind ferner beschrieben unter den GenBank Acc.-No.:Nucleic acid sequences such as, for example, the sequence for Arabidopsis filed under GenBank Acc-No .: X51514 thaliana Csr 1.2 gene (EC 4.1.3.18) (Sathasivan K et al. (1990) Nucleic Acids Res. 18 (8): 2188). Acetolactate synthases that confer resistance to imidazolinone herbicides are also described under GenBank Acc.-No .:
a) AB049823 Oryza sativa ALS mRNA for acetolactate synthase, complete cds, herbicide resistant biotypea) AB049823 Oryza sativa ALS mRNA for acetolactate synthase, complete cds, herbicide resistant biotype
b) AF094326 Bassia scoparia herbicide resistant acetolactate synthase precursor (ALS) gene, complete cdsb) AF094326 Bassia scoparia herbicide resistant acetolactate synthase precursor (ALS) gene, complete cds
c) X07645 Tobacco acetolactate synthase gene, ALS SuRB (EC 4.1.3.18)c) X07645 Tobacco acetolactate synthase gene, ALS SuRB (EC 4.1.3.18)
d) X07644 Tobacco acetolactate synthase gene, ALS SuRA (EC 4.1.3.18)d) X07644 Tobacco acetolactate synthase gene, ALS SuRA (EC 4.1.3.18)
e) A19547 Synthetic nucleotide mutant acetolactate synthasee) A19547 Synthetic nucleotide mutant acetolactate synthase
f) A19546 Synthetic nucleotide mutant acetolactate synthasef) A19546 synthetic nucleotide mutant acetolactate synthase
g) A19545 Synthetic nucleotide mutant acetolactate synthaseg) A19545 synthetic nucleotide mutant acetolactate synthase
h) 105376 Sequence 5 from Patent EP 0257993h) 105376 Sequence 5 from Patent EP 0257993
i) 105373 Sequence 2 from Patent EP 0257993i) 105373 Sequence 2 from Patent EP 0257993
j) AL133315j) AL133315
- Hygromycinphosphotransferasen (X74325 P. pseudomallei gene for hygromycin phosphotransferase) die eine Resistenz gegen das Antibiotikum Hygromycin verleihen. Das Gen ist Bestandteil zahlreicher Expressionsvektoren und kann unter Verwendung von dem Fachmann geläufigen Verfahren (wie beispiels- weise Polymerasekettenreaktion) aus diesen isoliert werden (AF294981 pINDEX4; AF234301 pCAMBIA-1380; AF234300 pCAM- BIA-1304; AF234299 pCAMBIA-1303 ; AF234298 pCAMBIA-1302 ; AF354046 pCAMBIA-1305. ; AF354045 pCAMBIA-1305.1)- Hygromycin phosphotransferases (X74325 P. pseudomallei gene for hygromycin phosphotransferase) which confer resistance to the antibiotic hygromycin. The gene is part of numerous expression vectors and can be isolated from them using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction) (AF294981 pINDEX4; AF234301 pCAMBIA-1380; AF234300 pCAM- BIA-1304; AF234299 pCAMBIA-1303; AF234298 p 1302; AF354046 pCAMBIA-1305.; AF354045 pCAMBIA-1305.1)
- Resistenzgene gegen- resistance genes against
a) Chloramphenicol (Chloramphenicolacetyltransferase) ,a) chloramphenicol (chloramphenicol acetyl transferase),
b) Tetracyclin, verschiedene Resistenzgene sind beschrieben z.B. X65876 S. ordonez genes class D tetA and tetR for tetracycline resistance and repressor proteins X51366 Bacillus cereus plasmid pBC16 tetracycline resistance gene. Zudem ist das Gen bereits Bestandteil zahlreicher Expressionsvektoren und kann unter Verwendung von dem Fachmann geläufigen Verfahren (wie beispielsweise Polymerasekettenreaktion) aus diesen isoliert werdenb) Tetracycline, various resistance genes are described, e.g. X65876 S. ordonez genes class D tetA and tetR for tetracycline resistance and repressor proteins X51366 Bacillus cereus plasmid pBC16 tetracycline resistance gene. In addition, the gene is already part of numerous expression vectors and can be isolated from these using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction)
c) Streptomycin, verschiedene Resistenzgene sind beschrieben z.B. mit der GenBank Acc.-No. :AJ278607 Corynebacterium acetoacidophilum ant gene for streptomycin adenylyl- transferase.c) Streptomycin, various resistance genes are described e.g. with the GenBank Acc.-No. : AJ278607 Corynebacterium acetoacidophilum ant gene for streptomycin adenylyl transferase.
d) Zeocin, das entsprechende Resistenzgen ist Bestandteil zahlreicher Klonierungsvektoren (z.B. L36849 Cloning vector pZEO) und kann unter Verwendung von dem Fachmann geläufigen Verfahren (wie beispielsweise Polymerase- kettenreaktion) aus diesen isoliert werden.d) Zeocin, the corresponding resistance gene is part of numerous cloning vectors (e.g. L36849 cloning vector pZEO) and can be isolated from these using methods familiar to the person skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction).
e) Ampicillin (ß-Lactamase Gen; Datta N, Richmond MH. (1966) Biochem J. 98(l):204-9; Heffron F et al (1975) J. Bacteriol 122: 250-256; das Amp Gen wurde zuerst zur Herstellung des E. coli Vektors pBR322 kloniert; Bolivare) Ampicillin (β-lactamase gene; Datta N, Richmond MH. (1966) Biochem J. 98 (l): 204-9; Heffron F et al (1975) J. Bacteriol 122: 250-256; the Amp gene was first cloned to produce the E. coli vector pBR322; Bolivar
F et al. (1977) Gene 2:95-114). Die Sequenz ist Bestandteil zahlreicher Klonierungsvektoren und kann unter Verwendung von dem Fachmann geläufigen Verfahren (wie beispielsweise Polymerasekettenreaktion) aus diesen isoliert werden.F et al. (1977) Gene 2: 95-114). The sequence is part of numerous cloning vectors and can be isolated therefrom using methods familiar to those skilled in the art (such as, for example, polymerase chain reaction).
- Gene wie die Isopentenyltransferase aus Agrobakterium tumefaciens (strain:P022) (Genbank Acc.-No. : AB025109) . Das ipt Gen ist ein Schlüsselenzym der Cytokinin-Biosynthese . Seine Überexpression erleichtert die Regeneration von Pflanzen (z.B. Selektion auf Cytokinin-freiem Medium). Das Verfahren zur Nutzung des ipt Gens ist beschrieben (Ebinuma H et al . (2000) Proc Natl Acad Sei USA 94:2117-2121; Ebinuma, H et al . (2000) Selection of Marker-free transgenic plants using the oncogenes (ipt, rol A, B, C) of Agrobakterium as selectable markers. In Molecular Biology of Woody Plants. Kluwer Academic Publishers) .- Genes such as isopentenyl transferase from Agrobacterium tumefaciens (strain: P022) (Genbank Acc.-No.: AB025109). The ipt gene is a key enzyme in cytokinin biosynthesis. Its overexpression facilitates the regeneration of plants (e.g. selection on cytokinin-free medium). The procedure for using the ipt gene is described (Ebinuma H et al. (2000) Proc Natl Acad Sei USA 94: 2117-2121; Ebinuma, H et al. (2000) Selection of Marker-free transgenic plants using the oncogenes (ipt , rol A, B, C) of Agrobacterium as selectable markers. In Molecular Biology of Woody Plants. Kluwer Academic Publishers).
Verschiedene weitere positive Selektionsmarker, die den trans- formierten Pflanzen einen Wachstumsvorteil gegenüber nicht-trans- formierten verleihen, sowie Verfahren zu ihrer Verwendung sind u.a. beschrieben in EP-A 0 601 092. Beispielhaft sind zu nennen ß-Glucuronidase (in Verbindung mit z.B. Cytokininglucuronid) , Mannose-6-phosphat-Isomerase (in Verbindung mit Mannose) , UDP- Galaktose-4-Epimerase (in Verbindung mit z.B. Galactose), wobei Mannose-6-phosphat-Isomerase in Verbindung mit Mannose besonders bevorzugt ist .Various other positive selection markers which give the transformed plants a growth advantage over untransformed ones, and methods for their use are described, inter alia, in EP-A 0 601 092. Examples include β-glucuronidase (in conjunction with, for example, cytokininglucuronide ), Mannose-6-phosphate-isomerase (in connection with mannose), UDP-galactose-4-epimerase (in connection with eg galactose), whereby Mannose-6-phosphate isomerase is particularly preferred in connection with mannose.
Für einen in Plastiden funktionellen Selektionsmarker sind ins- besondere solche bevorzugt, die eine Resistenz gegen Spectino- mycin, Streptomycin, Kanamycin, Lincomycin, Gentamycin, Hygromycin, Methotrexat, Bleomycin, Phleomycin, Blasticidin, Sulfon- amid, , Phosphinotricin, Chlorsulfuron, Bromoxymil, Glyphosat, 2,4Datrazin, 4-methyltryptophan, Nitrat, S-aminoethyl-L-cysteine, Lysin/Threonin, Aminoethyl-Cystein oder Betainaldehyd verleihen. Besonders bevorzugt sind die Gene aadA, nptll, BADH, FLARE-S (eine Fusion aus aadA und GFP, beschrieben bei Khan MS & Maliga P, 1999 Nature Biotech 17: 910-915).For a selection marker which is functional in plastids, those which are resistant to spectinomycin, streptomycin, kanamycin, lincomycin, gentamycin, hygromycin, methotrexate, bleomycin, phleomycin, blasticidin, sulfonamide,, phosphinotricin, chlorosulfuron, bromoxymil, are particularly preferred. Add glyphosate, 2,4-datrazine, 4-methyltryptophan, nitrate, S-aminoethyl-L-cysteine, lysine / threonine, aminoethyl-cysteine or betaine aldehyde. The genes aadA, nptll, BADH, FLARE-S (a fusion of aadA and GFP, described by Khan MS & Maliga P, 1999 Nature Biotech 17: 910-915) are particularly preferred.
Als in Plastiden funktionelle Selektionsmarker ist vor allem das aadA Gen beschrieben (Svab Z und Maliga P (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90:913-917). Ferner beschrieben sind modifizierte 16S rDNA, das nptll Gen (Kanamycinresistenz) und das bar Gen (Phos- phinothricinresistenz) . Aufgrund der Bevorzugung des Selektions- marker aadA wird dieser bevorzugt "recycled" d.h. nach seinerThe aadA gene is primarily described as a selection marker functional in plastids (Svab Z and Maliga P (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90: 913-917). Modified 16S rDNA, the nptll gene (kanamycin resistance) and the bar gene (phosphinothricin resistance) are also described. Due to the preference of the selection marker aadA, this is preferably "recycled" i.e. after his
Verwendung aus dem Genom bzw. Piastom deletiert (Fischer N et al . (1996) Mol Gen Genet 251:373-380; Corneille S et al . (2001) Plant J 27:171- 178), so dass aadA in weiteren Transformationen einer bereist transplastomen Pflanze wieder als Selektionsmarker be- nutzt werden kann. Als weiterer möglicher Selektionsmarker ist die Betaine-aldehyd-Dehydrogenase (BADH) aus Spinat beschrieben (Daniell H et al . (2001) Trends Plant Science 6:237-239; Daniell H et al.( 2001) Curr Genet 39:109-116; WO 01/64023; WO 01/64024; WO 01/64850) . Auch lethal wirkende Agenzen wie beispielsweise Glyphosat können in Verbindung mit entsprechend detoxifizierenden oder resistenten Enzymen genutzt werden (WO 01/81605) .Use deleted from the genome or piastome (Fischer N et al. (1996) Mol Gen Genet 251: 373-380; Corneille S et al. (2001) Plant J 27: 171-178), so that aadA is used in further transformations traveled transplastomic plant can be used again as a selection marker. Another possible selection marker is betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) from spinach (Daniell H et al. (2001) Trends Plant Science 6: 237-239; Daniell H et al. (2001) Curr Genet 39: 109-116 ; WO 01/64023; WO 01/64024; WO 01/64850). Lethal-acting agents such as glyphosate can also be used in conjunction with corresponding detoxifying or resistant enzymes (WO 01/81605).
Es können auch binding type marker genutzt werden. Beispielsweise, können an einer Stelle der 23SrDNA (Position 2073 oder 2074 der 23SrRNA aus Tabak, Sequenz: AAAGACCCTATGAAG) Punktmutationen eingeführt werden (z.B. Sequenz: GG.AGACCCTATGAAG) , die den aus einer so mutierten 23SrDNA abgeleiteten Ribosomen Resistenz gegenüber Lincomycin vermitteln (Cseplö A et al. (1988) Mol Gen Genet 214:295-299). Weitere Punktmutation umfassen solche in der 16S rRNA von Tabak, die Resistenz gegenüber Spectinomycin verleihen (Mutation unterstrichen) :Binding type markers can also be used. For example, point mutations can be introduced at a site of the 23SrDNA (position 2073 or 2074 of the 23SrRNA from tobacco, sequence: AAAGACCCTATGAAG) (for example sequence: GG.AGACCCTATGAAG), which confer resistance to lincomycin derived from a mutated 23SrDNA (Cseplö A et al. (1988) Mol Gen Genet 214: 295-299). Other point mutations include those in the 16S rRNA of tobacco that confer resistance to spectinomycin (mutation underlined):
a) 5 ' -GGAAGGTGAGGATGC.-3 ' ("nativ" hier: A)a) 5 '-GGAAGGTGAGGATGC.-3' ("native" here: A)
Andere Mutationen in die 16S rRNA verleihen eine Resistenz gegen Streptomycin: b) 5 ' -GAATGAAACTA.-3 ' ("nativ" hier: C)Other mutations in the 16S rRNA confer resistance to streptomycin: b) 5 '-GAATGAAACTA.-3'("native" here: C)
1.2 Negative Selektionsmarker1.2 Negative selection markers
Negative Selektionsmarker ermöglichen beispielsweise dieNegative selection markers allow, for example, the
Selektion von Organismen mit erfolgreich deletierten Sequenzen, die das Markergen umfassen (Koprek T et al. (1999) The Plant Journal 19 (6) : 719-726) . Beispielsweise können für Rekombinasen, Selektionsmarker oder für DSBI-Enzyme kodierende Sequenzen nach erfolgreicher Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder aus dem Genom/Piastom deletiert werden.Selection of organisms with successfully deleted sequences that comprise the marker gene (Koprek T et al. (1999) The Plant Journal 19 (6): 719-726). For example, sequences that code for recombinases, selection markers or for DSBI enzymes can be deleted from the genome / piastome again after successful use of the method according to the invention.
Bei der negativen Selektion wird beispielsweise durch den in die Pflanze eingebrachten negativen Selektionsmarker eine Verbindung, die ansonsten für die Pflanze keine nachteilige Wirkung hat, in eine Verbindung mit nachteiliger Wirkung umgesetzt. Ferner sind Gene geeignet, die per se eine nachteilige Wirkung haben, wie zum Beispiel TK thymidine kinase (TK) und Diphtheria Toxin A Fragment (DT-A) , das codA Genprodukt kodierend für eine Cytosindeaminase (Gleave AP et al. (1999) Plant Mol Biol 40 (2) :223-35; Perera RJ et al. (1993) Plant Mol Biol 23(4): 793-799; Stougaard J (1993) Plant J 3:755-761), das Cytochrom P450 Gen (Koprek et al . (1999) Plant J. 16:719-726), Gene kodierend für eine Haloalkan Dehalo- genase (Naested H (1999) Plant J. 18:571-576), das iaaH Gen (Sundaresan V et al. (1995) Genes & Development 9:1797-1810) oder das tms2 Gen (Fedoroff NV & Smith DL (1993) Plant J 3:273-289).In the case of negative selection, for example, the negative selection marker introduced into the plant converts a compound which otherwise has no adverse effect on the plant into a compound with an adverse effect. Also suitable are genes which have an adverse effect per se, such as, for example, TK thymidine kinase (TK) and Diphtheria Toxin A fragment (DT-A), the codA gene product coding for a cytosine deaminase (Gleave AP et al. (1999) Plant Mol Biol 40 (2): 223-35; Perera RJ et al. (1993) Plant Mol Biol 23 (4): 793-799; Stougaard J (1993) Plant J 3: 755-761), the cytochrome P450 gene ( Koprek et al. (1999) Plant J. 16: 719-726), genes coding for a haloalkane dehalogenase (Naested H (1999) Plant J. 18: 571-576), the iaaH gene (Sundaresan V et al. (1995) Genes & Development 9: 1797-1810) or the tms2 gene (Fedoroff NV & Smith DL (1993) Plant J 3: 273-289).
Die jeweils für die Selektion verwendeten Konzentrationen der Antibiotika, Herbizide, Biozide oder Toxine müssen an die jeweiligen Testbedingungen bzw. Organismen angepasst werden.The concentrations of antibiotics, herbicides, biocides or toxins used for the selection must be adapted to the respective test conditions or organisms.
Beispielhaft seien für Pflanzen zu nennen Kanamycin (Km) 50 mg/L, Hygromycin B 40 mg/L, Phosphinothricin (Ppt) 6 mg/L, Sepctino- mycin (Spec) 500 mg/L.Examples of plants to be mentioned are kanamycin (Km) 50 mg / L, hygromycin B 40 mg / L, phosphinothricin (Ppt) 6 mg / L, septinomycin (Spec) 500 mg / L.
Ferner können funktionelle Analoga der genannten Nukleinsäuren kodierend für Selektionsmarker exprimiert werden. Funktionelle Analoga meint hier all die Sequenzen, die im wesentlichen die gleiche Funktion haben d.h. zu einer Selektion transformierter Organismen befähigt sind. Dabei kann das funktionelle Analogon sich in anderen Merkmalen durchaus unterscheiden. Es kann zum Beispiel eine höhere oder niedrigere Aktivität haben oder auch über weitere Funktionalitäten verfügen.Furthermore, functional analogs of the nucleic acids mentioned can be expressed coding for selection markers. Functional analogs here means all the sequences that have essentially the same function i.e. are able to select transformed organisms. The functional analogue can differ in other characteristics. For example, it may have a higher or lower activity, or it may have other functionalities.
Funktionelle Analoga meint ferner Sequenzen, die für Fusions- proteine kodieren bestehend aus einem der bevorzugten Selektionsmarker und einem anderen Protein zum Beispiel einem weiteren bevorzugten Selektionsmarker, einem der unten genannten Reporter- proteine oder einer PLS. Beispielhaft sei eine Fusion des GFP (grün fluoreszierenden Proteins) und des aadA Gens genannt (Sidorov VA et al. (1999) Plant J 19:209-216).Functional analogs furthermore mean sequences which code for fusion proteins consisting of one of the preferred selection markers and another protein, for example another preferred selection marker, one of the reporter mentioned below. proteins or a PLS. A fusion of the GFP (green fluorescent protein) and the aadA gene may be mentioned as an example (Sidorov VA et al. (1999) Plant J 19: 209-216).
2. Reportergene2. Reporter genes
Reportergene kodieren für leicht quantifizierbare Proteine, die über Eigenfarbe oder Enzymaktivität eine Bewertung der Transformationseffizienz, des Expressionsortes oder -Zeitpunktes oder die Identifizierung transgener Pflanzen gewährleisten. Ganz besonders bevorzugt sind dabei Gene kodierend für Reporter-Proteine (siehe auch Schenborn E, Groskreutz D. Mol Biotechnol. 1999; 13(1) :29-44) wieReporter genes code for easily quantifiable proteins, which use their own color or enzyme activity to ensure an assessment of the transformation efficiency, the expression site or time or the identification of transgenic plants. Genes coding for reporter proteins are very particularly preferred (see also Schenborn E, Groskreutz D. Mol Biotechnol. 1999; 13 (1): 29-44) such as
- "green fluorescence protein" (GFP) (Chui WL et al . , Curr Biol 1996, 6:325-330; Leffel SM et al . , Biotechniques . 23(5):912-8, 1997; Sheen et al.(1995) Plant Journal 8(5) -.777-784; Haseloff et al. (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94(6) :2122-2127; Reichel et al.(1996) Proc Natl Acad Sei USA 93(12) :5888-5893; Tian et al . (1997) Plant Cell Rep 16:267-271; WO 97/41228)."Green fluorescence protein" (GFP) (Chui WL et al., Curr Biol 1996, 6: 325-330; Leffel SM et al., Biotechniques. 23 (5): 912-8, 1997; Sheen et al. ( 1995) Plant Journal 8 (5) -777-784; Haseloff et al. (1997) Proc Natl Acad Sei USA 94 (6): 2122-2127; Reichel et al. (1996) Proc Natl Acad Sei USA 93 (12 ): 5888-5893; Tian et al. (1997) Plant Cell Rep 16: 267-271; WO 97/41228).
Chloramphenicoltransferase,chloramphenicol,
- Luziferase (Millar et al., Plant Mol Biol Rep 1992- Luciferase (Millar et al., Plant Mol Biol Rep 1992
10:324-414; Ow et al . (1986) Science, 234:856-859); erlaubt Bioluminescenzdetektion.10: 324-414; Ow et al. (1986) Science, 234: 856-859); allows bioluminescence detection.
ß-Galactosidase, kodiert für ein Enzym für das verschiedenen chromogene Substrate zur Verfügung stehen.β-galactosidase, encoded for an enzyme for which various chromogenic substrates are available.
ß-Glucuronidase (GUS) (Jefferson et al . , EMBO J. 1987, 6, 3901-3907) oder das uidA Gen, das ein Enzym für verschiedene chromogene Substrate kodiert.β-glucuronidase (GUS) (Jefferson et al., EMBO J. 1987, 6, 3901-3907) or the uidA gene, which encodes an enzyme for various chromogenic substrates.
R-Locus Genprodukt : Protein, das die Produktion von Antho- cyaninpigmenten (rote Färbung) in pflanzlichen Gewebe reguliert und so eine direkte Analyse der Promotoraktivität ohne Zugabe zusätzlicher Hilfsstoffe oder chromogener Substrate ermöglicht (Dellaporta et al., In: Chromosome Structure and Function: Impact of New Concepts, 18th Stadler Genetics Symposium, 11:263-282, 1988).R-Locus gene product: protein that regulates the production of anthocyanin pigments (red coloring) in plant tissue and thus enables a direct analysis of the promoter activity without the addition of additional auxiliaries or chromogenic substrates (Dellaporta et al., In: Chromosome Structure and Function: Impact of New Concepts, 18th Stadler Genetics Symposium, 11: 263-282, 1988).
ß-Lactamase (Sutcliffe (1978) Proc Natl Acad Sei USA 75:3737-3741), Enzym für verschiedene chromogene Substrate (z.B. PADAC, eine chromogenes Cephalosporin) . xylE Genprodukt (Zukowsky et al . (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80:1101-1105), Catecholdioxygenase, die chromogene Cate- chole umsetzen kann.β-lactamase (Sutcliffe (1978) Proc Natl Acad Sei USA 75: 3737-3741), enzyme for various chromogenic substrates (eg PADAC, a chromogenic cephalosporin). xylE gene product (Zukowsky et al. (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80: 1101-1105), catechol dioxygenase, which can convert chromogenic catechols.
- Alpha-Amylase (Ikuta et al . (1990) Bio/technol. 8:241-242).Alpha amylase (Ikuta et al. (1990) Bio / technol. 8: 241-242).
Tyrosinase (Katz et al.(1983) J Gen Microbiol 129:2703-2714), Enzym, das Tyrosin zu DOPA und Dopaquinon oxidiert, die infolge das leicht nachweisbare Melanin bilden.Tyrosinase (Katz et al. (1983) J Gen Microbiol 129: 2703-2714), enzyme that oxidizes tyrosine to DOPA and dopaquinone, which consequently form the easily detectable melanin.
Aequorin (Prasher et al.(1985) Biochem Biophys Res Commun 126 (3) :1259-1268) , kann in der Calcium-sensitiven Biolumine- scenzdetektion verwendet werden.Aequorin (Prasher et al. (1985) Biochem Biophys Res Commun 126 (3): 1259-1268) can be used in calcium-sensitive bioluminescence detection.
Der Selektionsmarker bzw. das Reportergen ist bevorzugt auf dem RE- bzw- RE/DSB-Konstrukt und/oder Transformationskonstrukt, besonders bevorzugt auf der Insertionssequenz kodiert. Er kann aber auch auf einem unabhängigen Transformationskonstrukt kodiert sein, welches in einer Co-Transformation mit dem Transformations- konstrukt von Interesse in den Kern oder die Plastiden einer Pflanzenzelle eingebracht wird.The selection marker or the reporter gene is preferably encoded on the RE or RE / DSB construct and / or transformation construct, particularly preferably on the insertion sequence. However, it can also be encoded on an independent transformation construct which is introduced into the core or the plastids of a plant cell in a co-transformation with the transformation construct of interest.
Die erfindungsgemäßen Transformationsvektoren und Insertions- sequenzen können weiteren Funktionselemente enthalten. Der Begriff der weiteren Funktionselemente ist breit zu verstehen. Bevorzugt sind all solche Elemente gemeint, die einen Einfluss auf Herstellung, Vermehrung, Funktion, Nutzen oder Wert der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommenden Insertionssequenzen, Transformationskonstrukte- oder -vektoren haben. Beispielhaft jedoch nicht einschränkend seien für die weiteren Funktionselernente zu nennen:The transformation vectors and insertion sequences according to the invention can contain further functional elements. The concept of further functional elements is to be understood broadly. Preference is given to all those elements which have an influence on the production, propagation, function, use or value of the insertion sequences, transformation constructs or vectors used in the process according to the invention. As examples, however, are not restrictive for the other functional elements:
i. Replikationsursprünge (ORI; origin of DNA replication) , die eine Vermehrung der erfindungsgemäßen Expressionskassetten oder Vektoren in zum Beispiel E. coli oder aber auch ini. Origins of replication (ORI; origin of DNA replication), which increase the expression cassettes or vectors according to the invention in, for example, E. coli or else in
Plastiden gewährleisten. Beispielhaft für E.coli ORIs seien genannt der pBR322 ori, der P15A ori (Sambrook et al . : Molecular Cloning. A Laboratory Manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) oder der colEl-ORI beispielsweise aus pBLUESCRIPT. Plastidäre ORI sind beschrieben in US 5,693,507, US 5,932,479 oder WO 99/10513.Ensure plastids. Examples of E. coli ORI be mentioned are the pBR322 ori, the P15A ori (Sambrook et al... Molecular Cloning A Laboratory Manual, 2 nd ed Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989) or the colEl- ORI, for example, from pBLUESCRIPT. Plastid ORIs are described in US 5,693,507, US 5,932,479 or WO 99/10513.
ii. Multiple Klonierungsregionen (MCS) erlauben und erleichtern die Insertion eines oder mehrerer Nukleinsäuresequenzen. iii. Sequenzen, die eine homologe Rekombination bzw. Insertion in das Genom bzw. Piastom eines Wirtsorganismus ermöglichen.ii. Multiple cloning regions (MCS) allow and facilitate the insertion of one or more nucleic acid sequences. iii. Sequences that enable homologous recombination or insertion into the genome or piastome of a host organism.
iv. Elemente zum Beispiel "Bordersequenzen", die einen Agro- bakterien-vermittelte Transfer in Pflanzenzellen für dieiv. Elements for example "border sequences", which are an agrobacterium-mediated transfer in plant cells for the
Übertragung und Integration ins Pflanzengenom ermöglichen, wie zum Beispiel die rechte oder linke Begrenzung der T-DNA oder die vir-Region.Enables transmission and integration into the plant genome, such as the right or left border of the T-DNA or the vir region.
Die Einführung einer Insertionssequenz oder eines Expressions- konstruktes - beispielsweise für eine Rekombinase, ein DSBI-Enzym oder einen Selektionsmarker - kann vorteilhaft unter Verwendung von Vektoren realisiert werden, in die diese Konstrukte bzw. Kassetten insertiert werden. Vektoren können beispielhaft Plasmide, Cosmide, Phagen, Viren, Retroviren oder auch Agro- bacterien sein.The introduction of an insertion sequence or an expression construct - for example for a recombinase, a DSBI enzyme or a selection marker - can advantageously be implemented using vectors into which these constructs or cassettes are inserted. Vectors can be, for example, plasmids, cosmids, phages, viruses, retroviruses or also agrobacteria.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Einführung der Expressionskassette mittels Plasmidvektoren realisiert. Bevor- zugt sind solche Vektoren, die eine stabile Integration derIn an advantageous embodiment, the expression cassette is introduced by means of plasmid vectors. Those vectors are preferred which ensure stable integration of the
Expressionskassette in das Wirtsgenom bzw. -plastom ermöglichen.Enable expression cassette into the host genome or plastom.
Die Herstellung eines transformierten Organismus oder einer transformierten Zelle erfordert, dass die entsprechende DNA in die entsprechende Wirtszelle bzw. in die Plastiden derselben eingebracht wird. Für diesen Vorgang, der als Transformation bezeichnet wird, steht eine Vielzahl von Methoden zur Verfügung (siehe auch Keown et al . (1990) Methods in Enzymology 185:527-537). So kann die DNA beispielhaft direkt durch Mikroin- jektion, Elektroporation oder durch Bombardierung mit DNA-beschichteten Mikropartikeln eingeführt werden. Auch kann die Zelle chemisch, zum Beispiel mit Polyethylenglycol, permeabilisiert werden, so dass die DNA durch Diffusion in die Zelle gelangen kann. Die Transformation kann auch durch Fusion mit anderen DNA- enthaltenden Einheiten wie Minicells, Zellen, Lysosomen oderThe production of a transformed organism or a transformed cell requires that the corresponding DNA is introduced into the corresponding host cell or into the plastids thereof. A large number of methods are available for this process, which is referred to as transformation (see also Keown et al. (1990) Methods in Enzymology 185: 527-537). For example, the DNA can be introduced directly by microinjection, electroporation or by bombardment with DNA-coated microparticles. The cell can also be chemically permeabilized, for example with polyethylene glycol, so that the DNA can get into the cell by diffusion. The transformation can also be carried out by fusion with other DNA-containing units such as minicells, cells, or lysosomes
Liposomen erfolgen. Zu nennen sind ferner die Transfektion unter Einsatz von Calciumphosphat, DEAE-Dextran oder kationischen Lipiden, Transduktion, Infektion, die Inkubation trockener Embryonen in DNA-haltiger Lösung, die Sonikation sowie die Trans- formation intakter Zellen oder Gewebe durch Mikro- oder Makroinjektion in Gewebe oder Embryonen, Gewebeelektroporation oder die Vakuuminfiltration von Samen. Derartige Verfahren sind dem Fachmann geläufig. Im Falle von Injektion oder Elektroporation von DNA in pflanzliche Zellen sind keine besonderen Anforderungen an das verwendete Plasmid gestellt. Einfache Plasmide wie die der pUC-Reihe können verwendet werden. Sollen vollständige Pflanzen aus den transformierten Zellen regeneriert werden, so ist es nützlich, das sich auf dem Plasmid ein zusätzliches selektionier- bares Markergen befindet. Auch die Verfahren zur Regeneration von Pflanzen aus Pflanzengeweben oder Pflanzenzellen sind beschrieben. 5Liposomes are done. Also to be mentioned are the transfection using calcium phosphate, DEAE-dextran or cationic lipids, transduction, infection, the incubation of dry embryos in DNA-containing solution, the sonication and the transformation of intact cells or tissue by micro or macro injection into tissue or embryos, tissue electroporation or the vacuum infiltration of seeds. Such processes are familiar to the person skilled in the art. In the case of injection or electroporation of DNA into plant cells, there are no special requirements for the plasmid used. Simple plasmids such as the pUC series can be used. If whole plants are to be regenerated from the transformed cells, it is useful that there is an additional selectable marker gene on the plasmid. The processes for regenerating plants from plant tissues or plant cells are also described. 5
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die DNA in die Plastiden einzuschleusen. Für die vorliegende Erfindung ist lediglich entscheidend, dass die DNA in die Plastiden eingebracht wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht limitiert auf einThere are various ways of introducing the DNA into the plastids. It is only crucial for the present invention that the DNA is introduced into the plastids. However, the present invention is not limited to one
10 bestimmtes Verfahren. Jedes Verfahren, das ein Einbringen der zu transformierenden DNA in die Plastiden einer höheren Pflanze erlaubt, ist geeignet. Die stabile Transformation von Plastiden ist ein dem Fachmann geläufiges Verfahren und wurde für höhere Pflanzen beschrieben (u.a. bei Svab Z und Maliga P (1993) Proc10 specific procedure. Any method which allows the DNA to be transformed to be introduced into the plastids of a higher plant is suitable. The stable transformation of plastids is a process familiar to the person skilled in the art and has been described for higher plants (inter alia in Svab Z and Maliga P (1993) Proc
15 Natl Acad Sei USA 90(3) : 913-917) . Die Methoden beruhen zum Beispiel auf einer Transformation mittels "Particle Gun" und einer Insertion in das plastidäre Genom durch homologe Rekombination unter Selektionsdruck. Weitere Methoden sind beschrieben in US 5,877,402. In EP-A 0 251 654 wird die DNA mittels Agro-15 Natl Acad Sei USA 90 (3): 913-917). The methods are based, for example, on a transformation using a “particle gun” and an insertion into the plastid genome by homologous recombination under selection pressure. Further methods are described in US 5,877,402. In EP-A 0 251 654 the DNA is agro-
20 bakterium tumefaciens eingeführt (s. De Block M et al . (1985) EMBO J 4:1367-1372; Venkateswarlu K und Nazar RN (1991) Bio/ Technology 9:1103-1105). Ferner wurde gezeigt, dass man mittels Elektroporation DNA in isolierte Chloroplasten einbringen und so eine transiente Expression erzielen kann (To KY et al . (1996)20 bacterium tumefaciens introduced (see De Block M et al. (1985) EMBO J 4: 1367-1372; Venkateswarlu K and Nazar RN (1991) Bio / Technology 9: 1103-1105). It has also been shown that DNA can be introduced into isolated chloroplasts by electroporation and thus transient expression can be achieved (To KY et al. (1996)
25 Plant J 10:737-743). Bevorzugt ist eine Transformation mittels eines direkten Transfers der DNA in Plastiden von Protoplasten beispielsweise unter Verwendung von PEG (Polyethylenglykol) (Koop HU et al. (1996) Planta 199:193-201; Kofer W et al . (1998) In Vitro Cell Dev Biol Plant 34:303-309; Dix PJ und Kavanagh TA (1995)25 Plant J 10: 737-743). A transformation by means of a direct transfer of the DNA into plastids of protoplasts is preferred, for example using PEG (polyethylene glycol) (Koop HU et al. (1996) Planta 199: 193-201; Kofer W et al. (1998) In Vitro Cell Dev Biol Plant 34: 303-309; Dix PJ and Kavanagh TA (1995)
30 Euphytica. 85:29-34; EP-A 0 223 247). Am meisten bevorzugt sind biolistische Transformationsverfahren. Dabei wird die zu transformierende DNA auf z.B. Gold- oder Wolframpartikel aufgebracht. Diese Partikel werden anschließend auf das zu transformierende Explantat beschleunigt (Dix PJ und Kavanagh TA (1995) Euphytica.30 Euphytica. 85: 29-34; EP-A 0 223 247). Biolistic transformation methods are most preferred. The DNA to be transformed is e.g. Gold or tungsten particles applied. These particles are then accelerated to the explant to be transformed (Dix PJ and Kavanagh TA (1995) Euphytica.
35 85:29-34; EP-A 0 223 247). Anschließend werden in der dem Fachmann geläufigen Weise transplasto e Pflanzen unter Selektionsdruck auf geeignetem Medium regeneriert . Entsprechende Verfahren sind beschrieben (z.B. US 5,451,513; US 5,877,402; Svab Z et al . (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87:8526-8530; Svab Z und Maliga P35 85: 29-34; EP-A 0 223 247). Subsequently, transplasto plants are regenerated in a manner familiar to those skilled in the art under selection pressure on a suitable medium. Corresponding methods are described (e.g. US 5,451,513; US 5,877,402; Svab Z et al. (1990) Proc Natl Acad Sei USA 87: 8526-8530; Svab Z and Maliga P
40 (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90:913-917). Darüber hinaus kann die DNA mittels Mikroinjektion in die Plastiden eingebracht werden. Ein besonderes Verfahren der Mikroinjektion wurde kürzlich beschrieben (Knoblauch M et al. (1999) Nature Biotech 17:906-909; van Bei AJE et al . (2001) Curr Opin Biotechnol40 (1993) Proc Natl Acad Sei USA 90: 913-917). In addition, the DNA can be introduced into the plastids by means of microinjection. A particular method of microinjection has recently been described (Knoblauch M et al. (1999) Nature Biotech 17: 906-909; van Bei AJE et al. (2001) Curr Opin Biotechnol
45 12:144-149). Dieses Verfahren ist für die vorliegende Erfindung besonders bevorzugt. Es ist auch möglich, durch Protoplasten- fusion die Plastiden aus einer Art in eine andere Art einzu- bringen, diese dort zu transformieren und anschließend durch Protoplastenfusion diese wieder in die ursprüngliche Art zu überführen (WO 01/70939) .45 12: 144-149). This method is particularly preferred for the present invention. It is also possible to fuse the plastids from one species to another by protoplast fusion. bring to transform them there and then convert them back into the original way by protoplast fusion (WO 01/70939).
Neben diesen "direkten" Transformationstechniken kann eine Transformation auch durch bakterielle Infektion mittels Agrobakterium tumefaciens oder Agrobakterium rhizogenes durchgeführt werden (Horsch RB (1986) Proc Natl Acad Sei USA 83 (8) :2571-2575; Fraley et al. (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80:4803-4807; Bevans et al . (1983) Nature 304:184-187). Die Expressionskassette beispielsweise für das DSBI-Enzym wird bevorzugt in spezielle Plasmide integriert, entweder in einen Zwischenvektor (englisch: Shuttle or intermediate vector) oder einen binären Vektor. Bevorzugt werden binäre Vektoren verwendet. Binäre Vektoren können sowohl in E. coli als auch in Agrobakterium replizieren und können direkt in Agrobakterium transformiert werden (Holsters et al . (1978) Mol Gen Genet 163:181-187). Verschiedene binäre Vektoren sind bekannt und teilweise kommerziell erhältlich wie zum Beispiel pBIN19 (Clontech Laboratories, Inc. USA; Bevan et al. (1984) Nucl Acids Res 12:8711). Das Selektionsmarkergen erlaubt eine Selektion transformierter Agrobakteria und ist zum Beispiel das nptll Gen, das eine Resistenz gegen Kanamycin verleiht. Das Binärplasmid kann beispielsweise durch Elektroporation oder andere Transformationsmethoden in den Agrobakterienstamm übertragen werden (Mozo & Hooykaas 1991, Plant Mol. Biol. 16, 917-918) . Die Cokultur der pflanzlichen Explantate mit dem Agrobakterienstamm findet in der Regel für zwei bis drei Tage statt. Das in diesem Fall als Wirtsorganismus fungierende Agrobakterium sollte bereits ein Plasmid mit der vir-Region ent- halten. Viele Stämme von Agrobakterium tumefaciens sind in der Lage, genetisches Material zu übertragen, wie z.B. die Stämme EHAl01[pEHAl01] (Hood EE et al . (1996) J Bacteriol 168(3) :1291-1301) , EHA105 [pEHA105] (Hood et al. (1993) Transgenic Research 2:208-218), LBA4404 [pAL4404] (Hoekema et al . (1983) Nature 303:179-181), C58Cl[pMP90] (Koncz and Schell (1986) Mol Gen Genet 204:383-396) und C58Cl[pGV2260] (Deblaere et al. (1985) Nucl Acids Res 13: 4777-4788).In addition to these "direct" transformation techniques, a transformation can also be carried out by bacterial infection using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes (Horsch RB (1986) Proc Natl Acad Sei USA 83 (8): 2571-2575; Fraley et al. (1983) Proc Natl Acad Sei USA 80: 4803-4807; Bevans et al. (1983) Nature 304: 184-187). The expression cassette, for example for the DSBI enzyme, is preferably integrated into special plasmids, either into a shuttle or intermediate vector or a binary vector. Binary vectors are preferably used. Binary vectors can replicate in both E. coli and Agrobacterium and can be transformed directly into Agrobacterium (Holsters et al. (1978) Mol Gen Genet 163: 181-187). Various binary vectors are known and some are commercially available, for example pBIN19 (Clontech Laboratories, Inc. USA; Bevan et al. (1984) Nucl Acids Res 12: 8711). The selection marker gene allows selection of transformed agrobacteria and is, for example, the nptll gene which confers resistance to kanamycin. The binary plasmid can be transferred into the agrobacterial strain, for example, by electroporation or other transformation methods (Mozo & Hooykaas 1991, Plant Mol. Biol. 16, 917-918). The coculture of the plant explants with the agrobacterial strain usually takes place for two to three days. The agrobacterium, which acts as the host organism in this case, should already contain a plasmid with the vir region. Many strains of Agrobacterium tumefaciens are able to transfer genetic material, e.g. the strains EHAl01 [pEHAl01] (Hood EE et al. (1996) J Bacteriol 168 (3): 1291-1301), EHA105 [pEHA105] (Hood et al. (1993) Transgenic Research 2: 208-218), LBA4404 [ pAL4404] (Hoekema et al. (1983) Nature 303: 179-181), C58Cl [pMP90] (Koncz and Schell (1986) Mol Gen Genet 204: 383-396) and C58Cl [pGV2260] (Deblaere et al. (1985 ) Nucl Acids Res 13: 4777-4788).
Für den Transfer der DNA auf die pflanzliche Zelle werden pflanz- liehe Explantate mit Agrobakterium tumefaciens oder Agrobakterium rhizogenes kokultiviert . Ausgehend von infiziertem Pflanzenmaterial (z.B. Blatt-, Wurzel- oder Stengelteile, aber auch Protoplasten oder Suspensionen von Pflanzenzellen) können ganze Pflanzen unter Verwendung eines geeigneten Mediums, dass zum Beispiel Antibiotika oder Biozide zur Selektion transformierten Zellen enthalten kann, regeneriert werden. Ein mittransformierter Selektionsmarker erlaubt die Selektion von transformierten Zellen von untransformierten (McCormick et al. (1986) Plant Cell Reports 5:81-84). Die erhaltenen Pflanzen können in üblicher Weise gezüchtet, geselbstet und gekreuzt werden. Zwei oder mehr Generationen sollten kultiviert werden, um sicherzustellen, dass die genomische Integration stabil und vererblich ist. Die genannten Verfahren sind beispielsweise beschrieben bei Jenes B et al . (1993) Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, herausgegeben von Kung SD und Wu R, Academic Press, S. 128-143 sowie bei Potrykus (1991) Ann Rev Plant Physiol Plant Molec Biol 42:205-225).For the transfer of the DNA to the plant cell, plant explants with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes are co-cultivated. Starting from infected plant material (e.g. leaf, root or stem parts, but also protoplasts or suspensions of plant cells), whole plants can be regenerated using a suitable medium, which can contain, for example, antibiotics or biocides for the selection of transformed cells. A co-transformed selection marker allows the selection of transformed cells from untransformed (McCormick et al. (1986) Plant Cell Reports 5: 81-84). The plants obtained can be grown, grown and crossed in a conventional manner. Two or more generations should be cultivated to ensure that genomic integration is stable and inheritable. The methods mentioned are described for example in Jenes B et al. (1993) Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, edited by Kung SD and Wu R, Academic Press, pp. 128-143 and in Potrykus (1991) Ann Rev Plant Physiol Plant Molec Biol 42: 205-225).
Die Agrobakterium-vermittelte Transformation ist am besten für dicotyledone Pflanzenzellen geeignet, wohingegen die direkten Transformationstechniken sich für jeden Zelltyp eignen.The Agrobacterium-mediated transformation is best suited for dicotyledonous plant cells, whereas the direct transformation techniques are suitable for every cell type.
Die Agrobakterium-vermittelte Transformation wird besonders bevorzugt für die Kerntransformation, die direkten Transformationstechniken besonders bevorzugt für die Piastidentransformation eingesetzt.The Agrobacterium-mediated transformation is particularly preferably used for the core transformation, the direct transformation techniques are particularly preferably used for the plastid transformation.
Sobald eine überwiegend homotransplastome Pflanzenzelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, kann eine vollständige Pflanze unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren erhalten werden. Hierbei geht man beispielhaft von Kallus- kulturen aus. Aus diesen noch undifferenzierten Zellmassen kann die Bildung von Spross und Wurzel in bekannter Weise induziert werden. Die erhaltenen Sprösslinge können ausgepflanzt und gezüchtet werden.Once a predominantly homotransplastoma plant cell has been produced by the method according to the invention, a complete plant can be obtained using methods known to the person skilled in the art. This is based, for example, on callus cultures. The formation of shoots and roots can be induced in a known manner from these still undifferentiated cell masses. The sprouts obtained can be planted out and grown.
Deletionsverfahrendeletion method
Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf verschiedenen Stufen vorteilhaft, bestimmte zuvor eingeführte Sequenzen (beispielsweise für Selektionsmarker, Rekombinasen und/oder DSBI-Enzyme) wieder aus dem Piastom oder Genom derIn the described methods according to the invention, it is advantageous at various stages to again remove certain previously introduced sequences (for example for selection markers, recombinases and / or DSBI enzymes) from the piastome or genome
Pflanze oder Zelle zu entfernen. So ist es ist von Vorteil aber nicht zwingend erforderlich, den Selektionsmarker, der beispielsweise bei der Insertion einer nicht-natürlichen RE-Sequenz und/oder DBS-Erkennungssequenz eingeführt wurde, aus der Master- pflanze wieder zu entfernen, weil dann in einer nachfolgenden Transformation (z.B. mit der Insertionssequenz) wieder der gleiche Selektionsmarker genutzt werden kann. Eine Deletion ist insbesondere vorteilhaft, da der Selektionsmarker nach der Selektionsphase nicht mehr unbedingt erforderlich und daher über- flüssig ist. Die Deletion erhöht zudem die Verbraucherakzeptanz und ist unter zulassungstechnischen Überlegungen wünschenswert. Zudem wird der Proteinsyntheseapparat des Plastides nicht unnötig durch die Synthese des Markerproteins belastet, was sich potentiell vorteilhaft auf die Eigenschaften der entsprechenden Pflanze auswirkt.Remove plant or cell. It is advantageous but not absolutely necessary to remove the selection marker, which was introduced, for example, when inserting a non-natural RE sequence and / or DBS recognition sequence, from the master plant, because then in a subsequent transformation (eg with the insertion sequence) the same selection marker can be used again. A deletion is particularly advantageous since the selection marker is no longer absolutely necessary after the selection phase and is therefore superfluous. The deletion also increases consumer acceptance and is desirable considering regulatory considerations. In addition, the plastid's protein synthesis apparatus does not become unnecessary burdened by the synthesis of the marker protein, which has a potentially advantageous effect on the properties of the corresponding plant.
Zur gezielten Deletion von Sequenzen sind dem Fachmann verschiedenen Verfahren bekannt. Zu nennen ist beispielsweise jedoch nicht einschränkend die Excision mittels Rekombinasen. Verschiedene sequenzspezifische Rekombinationssystemen sind beschrieben wie das Cre/lox-System des Bacteriophagen Pl (Dale EC und Ow DW (1991) Proc Natl Acad Sei USA 88:10558-10562; Russell SH et al. (1992) Mol Gen Genet 234: 49-59; Osborne BI et al . (1995) Plant J. 7, 687-701), das FLP/FRT System der Hefe (Kilby NJ et al. (1995) Plant J 8:637-652; Lyznik LA et al . (1996) Nucleic Acids Res 24:3784-3789), die Gin Rekombinase des Mu Phagen, die Pin Rekombinase aus E. coli oder das R/RS System des pSRl Plasmids (Onouchi H et al. (1995) Mol Gen Genet 247:653-660; Sugita K et al . (2000) Plant J 22:461-469). Diese Verfahren sind nicht nur für die Deletion von DNA Sequenzen aus dem Kerngenom, sondern auch aus dem Piastom nutzbar (Corneille et al. (2001) Plant J 27: 171-178; Hajdukieicz et al . (2001) Plant JVarious methods are known to the person skilled in the art for the deletion of sequences. However, excision by means of recombinases should not be mentioned as a limitation. Various sequence-specific recombination systems are described, such as the Cre / lox system of Bacteriophagen Pl (Dale EC and Ow DW (1991) Proc Natl Acad Sei USA 88: 10558-10562; Russell SH et al. (1992) Mol Gen Genet 234: 49- 59; Osborne BI et al. (1995) Plant J. 7, 687-701), the yeast FLP / FRT system (Kilby NJ et al. (1995) Plant J 8: 637-652; Lyznik LA et al. ( 1996) Nucleic Acids Res 24: 3784-3789), the Mu Phage gin recombinase, the E. coli pin recombinase or the R / RS system of the pSRI plasmid (Onouchi H et al. (1995) Mol Gen Genet 247: 653 -660; Sugita K et al. (2000) Plant J 22: 461-469). These methods can be used not only for the deletion of DNA sequences from the nuclear genome, but also from the piastome (Corneille et al. (2001) Plant J 27: 171-178; Hajdukieicz et al. (2001) Plant J
27:161-170). Als weitere Rekombinasen können beispielsweise eingesetzt werden: PhiC31 (Kuhstoss & Rao (1991) J Mol Biol 222:897-908), TP901-1 (Christiansen et al . (1996) J Bacteriol 178:5164-5173), xisF aus Anabaena (Ramaswamy et al . (1997) Mol Microbiol 23:1241-1249), Integrase vom Phagen PhiLC3 (Lillehaug et al. (1997) Gene 188:129-136) oder die Rekombinase kodiert vom sre Gen des R4-Phagen (Matsuura et al . (1996) J Bacteriol 178:3374-3376) .27: 161-170). Other recombinases that can be used are, for example: PhiC31 (Kuhstoss & Rao (1991) J Mol Biol 222: 897-908), TP901-1 (Christiansen et al. (1996) J Bacteriol 178: 5164-5173), xisF from Anabaena ( Ramaswamy et al. (1997) Mol Microbiol 23: 1241-1249), PhiLC3 integrase (Lillehaug et al. (1997) Gene 188: 129-136) or the recombinase encoded by the R4 phage gene (Matsuura et al (1996) J Bacteriol 178: 3374-3376).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Deletion jedoch durch intramolekulare (z.B. intrachromosomale) Rekombination aufgrund von entsprechend eingebrachten Sequenzduplikationen realisiert. Letzteres kann durch das gezielte Einführen von Doppelstrangbrüchen nahe der Sequenz-Duplikationen in seiner Effizienz gesteigert werden (vgl. Fig. 8) . Dazu wird die zu deletierende Sequenz beidseitig von Homologiesequenzen Hl und H2 flankiert, die eine ausreichende Länge und Homologie aufweisen, um miteinander zu rekombinieren. Die Rekombination wird durch die Induktion mindestens eines sequenzspezifischen Doppelstrangbruches nahe einer der beiden Homologiesequenzen gelegenen DSB-Erkennungssequenz induziert. Bevorzugt ist diese DSB-Erkennungssequenz zwischen den beiden Homologiesequezen lokalisiert. Zur Induktion des Doppelstrangbruches wird bevorzugt ein DSBI-Enzym exprimiert oder eingebracht. Besonders bevorzugt wird dieses Verfahren zur Deletion von Selektionsmarkern aus dem Piastom genutzt. Ein anderer Gegenstand der Erfindung betrifft die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten transplastomen, überwiegend homoplastomen Pflanzen, sowie Teile derselben wie Blätter, Wurzeln, Samen, Früchte, Knollen, Pollen oder Zell- kulturen, Kallus usw. - abgeleitet von solchen.In a preferred embodiment, however, the deletion is realized by intramolecular (eg intrachromosomal) recombination on the basis of sequence duplications introduced accordingly. The efficiency of the latter can be increased by the targeted introduction of double-strand breaks near the sequence duplications (cf. FIG. 8). For this purpose, the sequence to be deleted is flanked on both sides by homology sequences H1 and H2, which are of sufficient length and homology to recombine with one another. The recombination is induced by inducing at least one sequence-specific double-strand break near one of the two homology sequences located in the DSB recognition sequence. This DSB recognition sequence is preferably located between the two homology sequences. A DSBI enzyme is preferably expressed or introduced to induce the double-strand break. This method is particularly preferably used for the deletion of selection markers from the piastome. Another object of the invention relates to the transplastomic, predominantly homoplastic, plants produced by the process according to the invention, and parts thereof, such as leaves, roots, seeds, fruits, tubers, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung betrifft die in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommenden Pflanzen, die eine erfindungsgemäße Expressionskassette für ein Fusion- sprotein aus einer PLS und einer Rekombinase der Familie derAnother object of the invention relates to the plants used in the method according to the invention which have an expression cassette according to the invention for a fusion protein from a PLS and a recombinase of the family of
Resolvasen/Invertasen unter Kontrolle eines im pflanzlichen Zellkern funktionellen Promotors enthalten. Besonders bevorzugt liegt die Expressionskassette stabil integriert in die nukleare DNA vor. Umfasst sind ferner Teile derselben wie Blätter, Wurzeln, Samen, Knollen, Früchte, Pollen oder Zellkulturen, Kallus usw. - abgeleitet von solchen Pflanzen.Resolvases / invertases under the control of a promoter functional in the plant cell nucleus. The expression cassette is particularly preferably stably integrated into the nuclear DNA. Also included are parts of the same, such as leaves, roots, seeds, tubers, fruits, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such plants.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft Expressionskassetten, die Nukleinsäuresequenzen kodierend für Rekombinasen der Familie der Resolvasen/Invertasen unter Kontrolle eines in pflanzlichen Plastiden funktionellen Promotors enthalten. Besonders bevorzugt liegt die Expressionskassette stabil integriert in das Piastom vor. Umfasst sind ferner Teile derselben wie Blätter, Wurzeln, Samen, Knollen, Früchte, Pollen oder Zell- kulturen, Kallus usw. - abgeleitet von solchen Pflanzen.The invention further relates to expression cassettes which contain nucleic acid sequences coding for recombinases of the resolvase / invertase family under the control of a promoter which is functional in plant plastids. The expression cassette is particularly preferably stably integrated into the piastom. Also included are parts of the same, such as leaves, roots, seeds, tubers, fruits, pollen or cell cultures, callus, etc. - derived from such plants.
Von Menschen und Tieren verzehrbare erfindungsgemäße, genetisch veränderte Pflanzen können auch beispielsweise direkt oder nach an sich bekannter Aufbereitung als Nahrungsmittel oder Futter- mittel verwendet werden.Genetically modified plants according to the invention which can be consumed by humans and animals can also be used, for example, directly or after preparation known per se as food or feed.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen transplastomen, überwiegend homoplastomen Pflanzen und der von ihnen abgeleiteten Zellen, Zellkulturen, Teile - wie zum Beispiel bei transgenen pflanzlichen Organismen Wurzeln, Blätter etc.-, und transgenes Vermehrungsgut wie Samen oder Früchte, zur Herstellung von Nahrungsoder Futtermitteln, Pharmazeutika oder Feinchemikalien.The invention further relates to the use of the transplastomic, predominantly homoplastic, plants according to the invention described above and the cells, cell cultures, parts derived from them, such as roots, leaves, etc. in transgenic plant organisms, and transgenic propagation material such as seeds or fruits, for the production of food or feed, pharmaceuticals or fine chemicals.
Feinchemikalien meint Enzyme wie beispielsweise die unten genannten industriellen Enzyme, Vitamine wie beispielsweise Toco- pherolen und Tocotrienolen (z.B. Vitamin E) und Vitamin B2, Aminosäuren wie beispielsweise Methionin, Lysin oder Glutamat, Kohlenhydrate wie beispielsweise Stärke, Amylose, Amylopektin oder Saccharose, Fettsäuren wie beispielsweise gesättigte, ungesättigte und polyungesättigte Fettsäuren, natürliche und synthetische Geschmacks-, Aromastoffe wie beispielsweise Linalo- 01. Menthol, Borneon (Kampfer), Pinen, Limonen oder Geraniol und Farbstoffe wie beispielsweise Retinoide (z.B. Vitamin A) , Flavonoide (z.B. Quercetin, Rutin, Tangeretin, Nobiletin) oder Carotinoide (z.B. ß-Carotin, Lycopin, Astaxanthin) . Besonders bevorzugt ist die Produktion von Tocopherolen und Tocotrienolen sowie Carotinoiden. Die Züchtung der transformierten Wirtsorganismen sowie die Isolierung aus den Wirtsorganismen bzw. aus dem Züchtungsmedium erfolgt mit dem Fachmann bekannten Verfahren. Die Produktion von Pharmazeutika, wie zum Beispiel Antikörpern oder Vakkzinen ist beschrieben (Hood EE, Jilka JM. (1999) Curr Opin Biotechnol. 10 (4) :382-386; Ma JK und Vine ND (1999) Curr Top Microbiol Immunol .236 : 275-92 ) .Fine chemicals means enzymes such as the industrial enzymes mentioned below, vitamins such as tocopherols and tocotrienols (eg vitamin E) and vitamin B2, amino acids such as methionine, lysine or glutamate, carbohydrates such as starch, amylose, amylopectin or sucrose, fatty acids such as for example saturated, unsaturated and polyunsaturated fatty acids, natural and synthetic flavors, aromas such as linalo- 01. menthol, borneon (camphor), pinene, limonene or geraniol and dyes such as retinoids (e.g. vitamin A), flavonoids (e.g. quercetin, rutin, tangeretin, nobiletin) or carotenoids (e.g. ß-carotene, lycopene, astaxanthin). The production of tocopherols and tocotrienols and carotenoids is particularly preferred. The transformed host organisms and the isolation from the host organisms or from the growth medium are cultivated using methods known to those skilled in the art. The production of pharmaceuticals such as antibodies or vaccines has been described (Hood EE, Jilka JM. (1999) Curr Opin Biotechnol. 10 (4): 382-386; Ma JK and Vine ND (1999) Curr Top Microbiol Immunol .236 : 275-92).
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Her- Stellung von industriellen Enzymen im Rahmen eines sogenannten "Phytofarming" . Beispielhaft jedoch nicht einschränkend seien für die industriellen Enzyme zu nennen Lipasen, Esterasen, Proteasen, Nitrilasen, Acylasen, Epoxyhydrolasen, Amidasen, Phosphatasen, Xylanasen, Alkoholdehydrogenasen, Amylasen, Glucosidasen, Galactosidasen, Pullulanasen, Endocellulasen, Glucanasen, Cellulasen, Nukleasen, Chitindeacetylasen, Monoaminoxidasen, Lysozyme und Laccasen.The method according to the invention is particularly suitable for the production of industrial enzymes in the context of so-called "phytofarming". Examples, however, are not restrictive for the industrial enzymes: lipases, esterases, proteases, nitrilases, acylases, epoxyhydrolases, amidases, phosphatases, xylanases, alcohol dehydrogenases, amylases, glucosidases, galactosidases, pullulanases, endocellulases, glucancleas, nuclitaminases, cellenase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, monolitase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, cellulase, and cellulase type , Lysozymes and laccases.
Im Rahmen der Erfindung insbesondere bevorzugte Ausführungsformen werden unten im Rahmen der Erläuterungen zu den Abbildungen näher beschrieben.Embodiments which are particularly preferred in the context of the invention are described in more detail below in the context of the explanations for the figures.
Sequenzensequences
1. SEQ ID NO: 1 pCB42-94 Basisvektor für die Piastidentransformation.1. SEQ ID NO: 1 pCB42-94 base vector for plastid transformation.
2. SEQ ID NO: 22. SEQ ID NO: 2
In die Multiple Klonierungsstelle von pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) insertierte Nukleinsäuresequenz. Resultierender Vektor: PCB199-3.Nucleic acid sequence inserted into the multiple cloning site of pCB42-94 (SEQ ID NO: 1). Resulting vector: PCB199-3.
3. SEQ ID NO: 33. SEQ ID NO: 3
In die Multiple Klonierungsstelle von pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) insertierte Nukleinsäuresequenz. Resultierender Vektor: PCB401-20Nucleic acid sequence inserted into the multiple cloning site of pCB42-94 (SEQ ID NO: 1). Resulting vector: PCB401-20
4. SEQ ID NO: 44. SEQ ID NO: 4
Synthetische Sequenz der Homing-Endonuklease I-Ppol (ORF: 16 bis 507) 5 . SEQ ID NO : 5Synthetic sequence of the homing endonuclease I-Ppol (ORF: 16 to 507) 5. SEQ ID NO: 5
Proteinsequenz der Homing-Endonuklease I-PpolProtein sequence of the homing endonuclease I-Ppol
6. SEQ ID NO: 6 Oligonukleotid-Primer pl9 5 5 ' -TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3 '6. SEQ ID NO: 6 oligonucleotide primers pl9 5 5 '-TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3'
7. SEQ ID NO: 7 Oligonukleotid-Primer p20 5 ' -GGGGTACCAAATCCAACTAG-3 '7. SEQ ID NO: 7 oligonucleotide primer p20 5 '-GGGGTACCAAATCCAACTAG-3'
10 8. SEQ ID NO: 8 Oligonukleotid-Primer p21: 5 ' -GGAGCTCGCTCCCCCGCCGTCGTTC-3 '10. SEQ ID NO: 8 oligonucleotide primers p21: 5 '-GGAGCTCGCTCCCCCGCCGTCGTTC-3'
9. SEQ ID NO: 9 Oligonukleotid-Primer p22 5 ' -GATGCATGATGACTTGACGGCATCCTC-3 '9. SEQ ID NO: 9 oligonucleotide primer p22 5 '-GATGCATGATGACTTGACGGCATCCTC-3'
1515
10. SEQ ID NO: 1010. SEQ ID NO: 10
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der kleine Untereinheit (SSU) der Ribulosebisphosphatcarboxylase (Rubisco ssu) aus Erbse 20Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of the small subunit (SSU) of ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco ssu) from pea 20
11. SEQ ID NO: 1111. SEQ ID NO: 11
Transitpeptid der kleine Untereinheit (SSU) der Ribulosebisphosphatcarboxylase (Rubisco ssu) aus ErbseTransit peptide of the small subunit (SSU) of pea ribulose bisphosphate carboxylase (Rubisco ssu)
25 12. SEQ ID NO: 1225 12. SEQ ID NO: 12
Transitpeptid der plastidären Transketolase aus Tabak.Transition peptide of tobacco plastid transketolase.
13. SEQ ID NO: 1313. SEQ ID NO: 13
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der 30 plastidären Transketolase aus Tabak (Leseraster 1; pTP09)Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of 30 plastid transketolase from tobacco (reading frame 1; pTP09)
14. SEQ ID NO: 1414. SEQ ID NO: 14
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der plastidären Transketolase aus Tabak (Leseraster 2; pTPlO) 35Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of tobacco plastid transketolase (reading frame 2; pTPlO) 35
15. SEQ ID NO: 1515. SEQ ID NO: 15
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der plastidären Transketolase aus Tabak (Leseraster 3; pTPll)Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of tobacco plastid transketolase (reading frame 3; pTPll)
40 16. SEQ ID NO: 1640 16. SEQ ID NO: 16
Transitpeptid der plastidären Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana.Arabidopsis thaliana plastid isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) transit peptide.
45 17 . SEQ ID NO : 1745 17th SEQ ID NO: 17
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der plastidären Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana (Leseraster 1; IPP-9) 5Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of the plastid isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (reading frame 1; IPP-9) 5
18. SEQ ID NO: 1818. SEQ ID NO: 18
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der plastidären Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana (Leseraster 2; IPP-10) 10Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of the plastid isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (reading frame 2; IPP-10) 10
19. SEQ ID NO: 1919. SEQ ID NO: 19
Nukleinsäuresequenz kodierend für das Transitpeptid der plastidären Isopentenylpyrophosphat Isomerase-2 (IPP-2) aus Arabidopsis thaliana (Leseraster 3; IPP-11) 15Nucleic acid sequence coding for the transit peptide of the plastid isopentenyl pyrophosphate isomerase-2 (IPP-2) from Arabidopsis thaliana (reading frame 3; IPP-11) 15
20. SEQ ID NO: 2020. SEQ ID NO: 20
Nukleinsäuresequenz kodierend für den PrbcL Promotor aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the PrbcL promoter from tobacco.
20 21. SEQ ID NO: 2120 21. SEQ ID NO: 21
Nukleinsäuresequenz kodierend für den Prpsl6-107 Promotor aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the tobacco Prpsl6-107 promoter.
22. SEQ ID NO: 2222. SEQ ID NO: 22
25 Nukleinsäuresequenz kodierend für den Prrnlδ Promotor aus Tabak.25 nucleic acid sequence coding for the Prrnlδ promoter from tobacco.
23. SEQ ID NO: 2323. SEQ ID NO: 23
Nukleinsäuresequenz kodierend für Promotor PaccD-129 aus 30 Tabak.Nucleic acid sequence coding for promoter PaccD-129 from 30 tobacco.
24. SEQ ID NO: 2424. SEQ ID NO: 24
Nukleinsäuresequenz kodierend für den Promotor PclpP-53 aus Tabak. 35Nucleic acid sequence coding for the promoter PclpP-53 from tobacco. 35
25. SEQ ID NO: 2525. SEQ ID NO: 25
Nukleinsäuresequenz kodierend für den Promotor Prrn-62 aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the promoter Prrn-62 from tobacco.
40 26. SEQ ID NO: 2640 26. SEQ ID NO: 26
Nukleinsäuresequenz kodierend für den Promotor Prpsl6 aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the promoter Prpsl6 from tobacco.
27. SEQ ID NO: 27 45 Nukleinsäuresequenz kodierend für den Promotor PatpB/E-290 aus Tabak. 28 . SEQ ID NO : 2827. SEQ ID NO: 27 45 nucleic acid sequence coding for the promoter PatpB / E-290 from tobacco. 28 SEQ ID NO: 28
Nukleinsäuresequenz kodierend für den Promotor PrpoB-345 aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the promoter PrpoB-345 from tobacco.
5 29. SEQ ID NO: 295 29 SEQ ID NO: 29
Nukleinsäuresequenz kodierend für eine Sequenz abgeleitet von der Konsensussequenz der σ70 Promotoren aus E.coli.Nucleic acid sequence coding for a sequence derived from the consensus sequence of the σ70 promoters from E. coli.
30. SEQ ID NO: 3030. SEQ ID NO: 30
10 Nukleinsäuresequenz kodierend für die 5 '-untranslatierte Region des psbA Gens aus Tabak (5'psbA)10 nucleic acid sequence coding for the 5 'untranslated region of the psbA gene from tobacco (5'psbA)
31. SEQ ID NO: 3131. SEQ ID NO: 31
Nukleinsäuresequenz kodierend für die 5 '-untranslatierte 15 Region einschließlich 5' Anteilen aus dem kodierenden Bereich des rbcL Gens aus Tabak (5'rbcL).Nucleic acid sequence coding for the 5 'untranslated 15 region including 5' parts from the coding region of the rbcL gene from tobacco (5'rbcL).
32. SEQ ID NO: 3232. SEQ ID NO: 32
Nukleinsäuresequenz kodierend für die 5 '-untranslatierte 20 Region des rbcLs Gens aus Tabak.Nucleic acid sequence coding for the 5 'untranslated 20 region of the rbcLs gene from tobacco.
33. SEQ ID NO: 3333. SEQ ID NO: 33
Nukleinsäuresequenz kodierend für die 3 ' -untranslatierte Region des psbA-1 Gens aus Synechocystis (3'psbA-l) 25Nucleic acid sequence coding for the 3 'untranslated region of the psbA-1 gene from Synechocystis (3'psbA-1) 25
34. SEQ ID NO: 3434. SEQ ID NO: 34
Nukleinsäuresequenz kodierend für die 3 ' -untranslatierte Region des psbA Gens aus Tabak (3'psbA)Nucleic acid sequence coding for the 3 'untranslated region of the psbA gene from tobacco (3'psbA)
30 35. SEQ ID NO: 3530 35. SEQ ID NO: 35
Nukleinsäuresequenz kodierend für die 3 ' -untranslatierte Region des rbcL Gens aus Tabak (3'rbcL)Nucleic acid sequence coding for the 3 'untranslated region of the rbcL gene from tobacco (3'rbcL)
36. SEQ ID NO: 3636. SEQ ID NO: 36
35 Nukleinsäuresequenz kodierend für synthetische Ribosomen- bindestellen (RBS)35 nucleic acid sequence coding for synthetic ribosome binding sites (RBS)
37. SEQ ID NO: 3737. SEQ ID NO: 37
Nukleinsäuresequenz kodierend für synthetische Ribosomen- 40 bindestelle (RBS)Nucleic acid sequence coding for synthetic ribosome binding site (RBS)
38. SEQ ID NO: 38 Oligonukleotid-Primer p65: 5 ' -ATGGATCCATATGGCCATGGCACAAGGGGTTGTG-3 '38. SEQ ID NO: 38 oligonucleotide primer p65: 5 '-ATGGATCCATATGGCCATGGCACAAGGGGTTGTG-3'
45 39. SEQ ID NO: 39 Oligonukleotid-Primer p66: 5 ' -CCCGGGCTCGAGCTGCAGCTACGCCGCTACGTC -3 ' 40 . SEQ ID NO : 4045 39. SEQ ID NO: 39 oligonucleotide primer p66: 5 '-CCCGGGCTCGAGCTGCAGCTACGCCGCTACGTC -3' 40. SEQ ID NO: 40
Insert von Vektor pCBl93-17 umfassend Expressionskassette kodierend für Fusionsprotein aus PLS und ΦC31 RekombinaseInsert of vector pCBl93-17 comprising expression cassette coding for fusion protein from PLS and ΦC31 recombinase
5 41. SEQ ID NO: 415 41. SEQ ID NO: 41
Aminosäuresequenz des Fusionsproteins aus PLS und ΦC31 RekombinaseAmino acid sequence of the fusion protein from PLS and ΦC31 recombinase
42. SEQ ID NO: 4242. SEQ ID NO: 42
10 Aminosäuresequenz der ΦC31 Rekombinase10 amino acid sequence of the ΦC31 recombinase
43. SEQ ID NO: 43 Oligonukleotid-Primer p71: 5 ' -TGGATCCATATGGCCATGGCTAAGAAAGTAG-3 '43. SEQ ID NO: 43 oligonucleotide primer p71: 5 '-TGGATCCATATGGCCATGGCTAAGAAAGTAG-3'
15 44. SEQ ID NO: 44 Oligonukleotid-Primer p72: 5 ' -CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG-3 '15 44. SEQ ID NO: 44 oligonucleotide primer p72: 5 '-CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG-3'
45. SEQ ID NO: 4545. SEQ ID NO: 45
Binärvektor pCB245-37 umfassend Expressionskassette kodierend 20 für Fusionsprotein aus PLS und TP901-1 RekombinaseBinary vector pCB245-37 comprising expression cassette coding 20 for fusion protein from PLS and TP901-1 recombinase
46. SEQ ID NO: 4646. SEQ ID NO: 46
Aminosäuresequenz des Fusionsproteins aus PLS und TP901-1 Rekombinase 25Amino acid sequence of the fusion protein from PLS and TP901-1 recombinase 25
47. SEQ ID NO: 4747. SEQ ID NO: 47
Aminosäuresequenz der TP901-1 RekombinaseAmino acid sequence of the TP901-1 recombinase
48. SEQ ID NO: 4848. SEQ ID NO: 48
30 Vektor pCB249-24 umfassend attP Erkennungsregion für die Rekombinase aus TP901-1 und attP Erkennungsregion für die Rekombinase aus ΦC3130 vector pCB249-24 comprising attP recognition region for the recombinase from TP901-1 and attP recognition region for the recombinase from ΦC31
49. SEQ ID NO: 4949. SEQ ID NO: 49
35 Vektor pCB384-40 umfassend attP Erkennungsregion für die Rekombinase aus TP901-1 und attP Erkennungsregion für die Rekombinase aus ΦC31 sowie eine Expressionskassette für die Homing Endonuklease I-Ppol35 vector pCB384-40 comprising attP recognition region for the recombinase from TP901-1 and attP recognition region for the recombinase from ΦC31 and an expression cassette for the homing endonuclease I-Ppol
40 50. SEQ ID NO: 50 Nukleinsäuresequenz kodierend für das Insert aus Vektor pCB456-240 50th SEQ ID NO: 50 nucleic acid sequence coding for the insert from vector pCB456-2
51. SEQ ID NO: 51 Oligonukleotidprimer p35451. SEQ ID NO: 51 oligonucleotide primer p354
5 ' -CGGATCCGGAGGCATCATGACTAAGAAAGTAGCAATCTATACACG 45 52. SEQ ID NO: 52 Oligonukleotidprimer p3555 '-CGGATCCGGAGGCATCATGACTAAGAAAGTAGCAATCTATACACG 45 52. SEQ ID NO: 52 oligonucleotide primer p355
5 ' -ATAAGCTTTATTCTCGATATCG-3 '5 '-ATAAGCTTTATTCTCGATATCG-3'
53. SEQ ID NO: 53 Nukleinsäuresequenz kodierend für das Insert 5 aus Vektor pCB557-l53. SEQ ID NO: 53 nucleic acid sequence coding for insert 5 from vector pCB557-l
54. SEQ ID NO: 54 Nukleinsäuresequenz kodierend für das Insert aus Vektor pCB554-354. SEQ ID NO: 54 nucleic acid sequence coding for the insert from vector pCB554-3
10 55. SEQ ID NO: 55 Oligonukleotidprimer p26810 55. SEQ ID NO: 55 oligonucleotide primer p268
5 ' -TCGACTTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACATG-3 '5 '-TCGACTTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACATG-3'
56. SEQ ID NO: 56 Oligonukleotidprimer p7256. SEQ ID NO: 56 oligonucleotide primer p72
5 ' -CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG-3 ' 155 '-CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG-3' 15
57. SEQ ID NO: 57 Nukleinsäuresequenz kodierend für PCR Produkt57. SEQ ID NO: 57 nucleic acid sequence coding for PCR product
TP-RekTP-Rek
58. SEQ ID NO: 58 Nukleinsäuresequenz kodierend für Southern- 0 Blot Sonde58. SEQ ID NO: 58 nucleic acid sequence coding for Southern 0 blot probe
59. SEQ ID NO: 59 Nukleinsäuresequenz kodierend für eine59. SEQ ID NO: 59 nucleic acid sequence coding for one
Promotorsequenz abgeleitet von der Konsensussequenz der σ70 Promotoren 5 aus E.coli.Promoter sequence derived from the consensus sequence of the σ70 promoters 5 from E. coli.
60. SEQ ID NO: 60 Nukleinsäuresequenz kodierend für das Insert aus Vektor pCB487-20 umfassend Sequenz kodierend für TP901 Rekombinase 060. SEQ ID NO: 60 nucleic acid sequence coding for the insert from vector pCB487-20 comprising sequence coding for TP901 recombinase 0
61. SEQ ID NO: 61 Aminosäuresequenz kodierend für TP90161. SEQ ID NO: 61 amino acid sequence coding for TP901
Rekombinaserecombinase
Abbildungen 5Figures 5
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere die in nachfolgenden Abbildungen verdeutlichten Ausführungsformen besonders bevorzugt. Für die Abbildungen gelten allgemein nachfolgende Abkürzungen: 0In the context of the method according to the invention, the embodiments illustrated in the following figures are particularly preferred. The following abbreviations generally apply to the illustrations: 0
X/Y : Rekombinase ErkennungssteileX / Y: Recombinase recognition parts
U/W: Rekombinase Erkennungssteile, kann bevorzugt nicht mit X/Y rekombinieren 5 X'/Y': Rekombinase Erkennungsstelle, kann bevorzugt nur mit X/Y rekombinierenU / W: Recombinase recognition parts, preferably cannot recombine with X / Y 5 X '/ Y': Recombinase recognition site, can preferably only recombine with X / Y
U'/W': Rekombinase Erkennungsstelle, kann bevorzugt nur mit U/W rekombinierenU '/ W': Recombinase recognition site, can preferably only recombine with U / W
X/Y' bzw. X'/Y: Nach Rekombination zwischen X/Y und X'/Y' hervorgegangen, zwischen diesen Stellen kann die Rekombinase allein bevorzugt keine weiteren Rekombinationen katalysierenX / Y 'or X' / Y: emerged after recombination between X / Y and X '/ Y', between these sites the recombinase alone can preferably not catalyze any further recombinations
U/W' bzw. U'/W: Nach Rekombination zwischen U/W und U'/W' hervorgegangen, zwischen diesen Stellen kann die Rekombinase allein bevorzugt keine weiteren Rekombinationen katalysierenU / W 'or U' / W: emerged after recombination between U / W and U '/ W', between these sites the recombinase alone can preferably not catalyze any further recombinations
R, Rl, R2 : RekombinaseR, Rl, R2: recombinase
A, A' Paar homologer Sequenzen A und A'A, A 'pair of homologous sequences A and A'
A/A' Ergebnis einer homologen Rekombination zwischen A und A' und/oder eines durch Reperatursynthese bedingten Austausches zwischen A und A' .A / A 'Result of a homologous recombination between A and A' and / or an exchange between A and A 'due to repair synthesis.
B, B' Paar homologer Sequenzen B und B'B, B 'pair of homologous sequences B and B'
B/B' Ergebnis einer homologen Rekombination zwischen B und B' und/oder eines durch Reperatursynthese bedingten Austausches zwischen B und B' .B / B 'Result of a homologous recombination between B and B' and / or an exchange between B and B 'due to repair synthesis.
Hl, H2: Paar homologer Sequenzen Hl und H2Hl, H2: pair of homologous sequences Hl and H2
Hl/2: Sequenz als Ergebnis der homologen Rekombination aus Hl und H2Hl / 2: sequence as a result of the homologous recombination of Hl and H2
DS funktionelle DSB-ErkennungssequenzDS functional DSB recognition sequence
nDS nicht funktionelle "Halbseite" einer DSB-ErkennungssequenznDS non-functional "half-page" of a DSB recognition sequence
E : DSBI-EnzymE: DSBI enzyme
P, P' : PromotorP, P ': promoter
I : weitere Nukleinsäuresequenz S, S' Positive SelektionsmarkerI: further nucleic acid sequence S, S 'positive selection markers
NS Negativer SelektionsmarkerNS negative selection marker
1. Fig.lA/B: Einführung einer RE-Sequenz in das Piastom mittels Doppeltem "Cross-Over"1. Fig.LA/B: Introduction of a RE sequence in the piastom by means of double "cross-over"
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform 1 wird zunächst ein RE-Konstrukt in Plastiden einer höheren Pflanze eingebracht. Das RE-Konstrukt wird in dieser Ausführungsform bevorzugt mit homologen Zielregionen und mit einem exprimierbaren Selektionsmarker (Promotor - 5'UTR - Selektionsmarker - 3'UTR) ausgerüstet und enthält in dieser Ausführungsform bevorzugt eine RE-Sequenz. Das RE-Konstrukt kann - optional - bereits weitere Gene von Interesse kodieren. Es werden überwiegend homoplastome Masterpflanzen erzeugt.In a particularly preferred embodiment 1, an RE construct is first introduced into plastids of a higher plant. In this embodiment, the RE construct is preferably equipped with homologous target regions and with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR) and in this embodiment preferably contains a RE sequence. The RE construct can - optionally - already encode further genes of interest. Mostly homoplastic master plants are produced.
Wie bereits oben beschrieben stellt A/A' bzw. B/B' das Ergebnis einer homologen Rekombination dar. Auch wenn diese Sequenzen in nachfolgenden Schritten noch im Piastom vorhanden sind, sind sie in den entsprechenden Abbildungen nicht mehr dargestellt, da sie funktioneil ohne Relevanz sind.As already described above, A / A 'or B / B' represents the result of a homologous recombination. Even if these sequences are still present in the piastom in subsequent steps, they are no longer shown in the corresponding figures, since they are functionally irrelevant are.
2. Fig.2: Einführung einer Insertionssequenz mit einer Expressionskassette für eine Rekombinase und ggf.2. Fig. 2: Introduction of an insertion sequence with an expression cassette for a recombinase and possibly
Selektionsmarker sowie weiteren Genen von InteresseSelection markers and other genes of interest
Explantate der durch Ausführungsform 1 hergestellten Masterpflanzen werden für eine weitere Transformation mit einem erfindungsgemäßen zirkulären Transformationskonstrukt genutzt. Die Rekombinase wird dabei von dem Transformationskonstrukt selber unter Kontrolle eines in Plastiden funktionellen Promotors exprimiert .Explants of the master plants produced by embodiment 1 are used for a further transformation with a circular transformation construct according to the invention. The recombinase is expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter that is functional in plastids.
3. Fig.3: Einführung einer Insertionssequenz mit ggf. Selektionsmarker sowie weiteren Genen von Interesse und Expression/Einbringung der Rekombinase in trans3. Fig.3: Introduction of an insertion sequence with a selection marker, if necessary, and other genes of interest and expression / introduction of the recombinase into trans
In weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Rekombinase nicht von dem Transformationskonstrukt kodiert, sondern entweder in trans exprimiert (in Plastiden oder als PLS-Fusionsprotein im Kern) bzw. in Form von RNA oder als Protein in die Plastiden transfiziert . Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn das Transformationskonstrukt keine Promotorelemente umfasst, und eine Expression der kodierten Gene erst nach Inser- tion in das Piastom unter Verwendung plastidärer, endogener Promotoren realisiert wird.In a further preferred embodiment, the recombinase is not encoded by the transformation construct, but rather is either expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the core) or in the form of RNA or as protein in the plastids. This embodiment is particularly preferred when the transformation construct does not comprise any promoter elements and an expression of the encoded genes only after insertion. tion into the piastome using plastidic, endogenous promoters.
4. Fig.4: Einführung eines RE-Konstruktes mit zwei RE-Sequenzen4. Fig.4: Introduction of a RE construct with two RE sequences
In einer weiteren Ausführungsform 2 wird zunächst ein RE- Konstrukt mit zwei RE-Sequenzen in Plastiden einer höheren Pflanze eingebracht. Das RE-Konstrukt wird in dieser Ausführungsform bevorzugt mit homologen Zielregionen und mit einem expri- mierbaren Selektionsmarker (Promotor - 5'UTR - Selektionsmarker - 3'UTR) ausgerüstet. Dabei können die beiden eingebrachten RE- Sequenzen gleich oder unterschiedlich sein, können aber bevorzugt nicht - unter Einfluss einer Rekombinase - miteinander rekombinieren.In a further embodiment 2, an RE construct with two RE sequences is first introduced into plastids of a higher plant. In this embodiment, the RE construct is preferably equipped with homologous target regions and with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR). The two introduced RE sequences may be the same or different, but preferably cannot recombine with one another under the influence of a recombinase.
Das RE-Konstrukt kann - optional - bereits weitere Gene von Interesse kodieren. Es werden überwiegend homoplastome Masterpflanzen erzeugt.The RE construct can - optionally - already encode further genes of interest. Mostly homoplastic master plants are produced.
5. Fig.5: Einführung einer Insertionssequenz mit zwei RE- Sequenzen und mit ggf. Selektionsmarker sowie weiteren Genen von Interesse5. Fig. 5: Introduction of an insertion sequence with two RE sequences and possibly with selection markers and other genes of interest
Explantate der unter Ausführungsform 2 (vgl. Fig. 4) hergestell- ten Masterpflanzen werden für eine weitere Transformation mit einem erfindungsgemäßen Transformationskonstrukt genutzt, das wiederum zwei RE-Sequenzen hat. Das Konstrukt kann linear oder zirkulär sein (Fig. 5) . Dabei können die beiden RE-Sequenzen gleich oder unterschiedlich sein, können aber bevorzugt nicht - unter Einfluss einer Rekombinase - miteinander rekombinieren.Explants of the master plants produced under embodiment 2 (cf. FIG. 4) are used for a further transformation with a transformation construct according to the invention, which in turn has two RE sequences. The construct can be linear or circular (Fig. 5). The two RE sequences may be the same or different, but preferably cannot recombine with one another under the influence of a recombinase.
Die Rekombinase bzw. die Rekombinasen können dabei von dem Transformationskonstrukt selber unter Kontrolle eines in Plastiden funktionellen Promotors exprimiert oder aber auch in trans expri- miert werden (in Plastiden oder als PLS-Fusionsprotein im Kern) bzw. in Form von RNA oder als Protein in die Plastiden transfiziert werden.The recombinase or the recombinases can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the core) or in the form of RNA or as a protein in the plastids are transfected.
6. Fig.6: Einführung eines RE/DSB-Konstruktes mit einer RE- Sequenz und einer DSB-Erkennungssequenz6. Fig. 6: Introduction of a RE / DSB construct with a RE sequence and a DSB recognition sequence
In einer weiteren Ausführungsform 3 wird zunächst ein RE/DSB-Kon- strukt mit mindestens einer RE-Sequenz und einer DSB-Erkennungssequenz in Plastiden einer höheren Pflanze eingebracht. Das RE- Konstrukt wird in dieser Ausführungsform bevorzugt mit homologen Zielregionen und mit einem exprimierbaren Selektionsmarker (Promotor - 5'UTR - Selektionsmarker - 3'UTR) ausgerüstet.In a further embodiment 3, a RE / DSB construct with at least one RE sequence and one DSB recognition sequence is first introduced into plastids of a higher plant. In this embodiment, the RE construct is preferably homologous Target regions and equipped with an expressible selection marker (promoter - 5'UTR - selection marker - 3'UTR).
Das RE-Konstrukt kann - optional - bereits weitere Gene von Interesse - wie beispielsweise einen negativen Selektionsmarker - kodieren. Es werden überwiegend homoplastome Masterpflanzen erzeugt.The RE construct can - optionally - already encode other genes of interest - such as a negative selection marker. Mostly homoplastic master plants are produced.
7. Fig.7A-C: Einführung einer Insertionssequenz sowie Expression/ Einbringung einer Rekombinase und eines DSBI-Enzyms7. Fig. 7A-C: Introduction of an insertion sequence and expression / introduction of a recombinase and a DSBI enzyme
Explantate der gemäß Ausführungsform 3 hergestellten Masterpflanzen (vgl. Fig. 6) werden für eine weitere Transformation mit einem erfindungsgemäßen Transformationskonstrukt genutzt, das wiederum eine RE-Sequenz hat und zusätzlich Sequenzabschnitte enthält, die zu denen im RE/DSB-Konstrukt homolog sind (z.B. Sequenz eines Selektionsmarkers oder eines teils derselben) . Durch Wirkung einer Rekombinase entsteht ein entsprechendes Rekombinationprodukt (Fig. 7A) .Explants of the master plants produced according to embodiment 3 (cf. FIG. 6) are used for a further transformation with a transformation construct according to the invention, which in turn has a RE sequence and additionally contains sequence sections which are homologous to those in the RE / DSB construct (e.g. Sequence of a selection marker or a part thereof). A corresponding recombination product results from the action of a recombinase (FIG. 7A).
Die Rekombinase kann dabei von dem Transformationskonstrukt selber unter Kontrolle eines in Plastiden funktionellen Promotors exprimiert oder aber auch in trans exprimiert werden (in Plastiden oder als PLS-Fusionsprotein im Kern) bzw. in Form von RNA oder als Protein in die Plastiden transfiziert werden.The recombinase can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the nucleus) or in the form of RNA or as protein in the plastids.
Das Rekombinationsprodukt wird dann der Wirkung eines DSBI-Enzym ausgesetzt, dass die durch das RE/DSB-Konstrukt eingeführte DSB- Erkennungssequenz erkennt und schneidet. Das DSBI-Enzym kann da- bei von dem Transformationskonstrukt selber unter Kontrolle eines in Plastiden funktionellen Promotors exprimiert oder aber auch in trans exprimiert werden (in Plastiden oder als PLS-Fusionsprotein im Kern) bzw. in Form von RNA oder als Protein in die Plastiden transfiziert werden. Durch den Schnitt wird eine intramolekulare homologe Rekombination zwischen homologen Sequenzen erzeugt. In dem dargestellten Fall werden diese homologen Sequenzen beispielsweise durch eine Duplikation eines Selektionsmarkers oder Teile desselben dargestellt. Die homologe Rekombination bewirkt die Deletion der DSB-Erkennungssequenz. In einer bevorzugten Aus- führungsform wird durch die homologe Rekombination zusätzlich ein negativer Selektionsmarker deletiert (Fig. 7B) .The recombination product is then exposed to the action of a DSBI enzyme that recognizes and cuts the DSB recognition sequence introduced by the RE / DSB construct. The DSBI enzyme can be expressed by the transformation construct itself under the control of a promoter which is functional in plastids or else can be expressed in trans (in plastids or as a PLS fusion protein in the nucleus) or in the form of RNA or as a protein in the plastids be transfected. The cut creates an intramolecular homologous recombination between homologous sequences. In the case shown, these homologous sequences are represented, for example, by duplicating a selection marker or parts thereof. The homologous recombination causes the deletion of the DSB recognition sequence. In a preferred embodiment, the homologous recombination additionally deletes a negative selection marker (FIG. 7B).
Durch das weiterhin vorliegende DSBI-Enzym kann die so erzeugte Piastomart nicht mehr geschnitten werden, während die Kopien der mit dem RE/DSB-Konstrukt erzeugten Masterpflanze, die noch nicht die Insertionssequenz durch Rekombination insertiert haben, nach wie vor geschnitten werden können. Dadurch baut sich ein Selektionsdruck auf, der - unterstützt durch eine ReparaturSynthese - zu einer schnellen Anreicherung der erwünschten plastidären DNA-Moleküle führt (Fig. 7C) .The piastomart produced in this way can no longer be cut by the DSBI enzyme which is still present, while the copies of the master plant produced with the RE / DSB construct, which have not yet inserted the insertion sequence by recombination, can still be cut. This builds in Selection pressure, which - supported by a repair synthesis - leads to a rapid accumulation of the desired plastid DNA molecules (Fig. 7C).
Dem Fachmann ist bewusst, dass die Reihenfolge der exprimierten Gene in einem Operon austauschbar ist und insofern in den oben beschriebenen Ausführungsformen variieren kann. Prinzipiell kann die Rekombinase und/oder das DSBI-Enzym auf dem Transformationskonstrukt und/oder separat (im Kern oder Plastiden) exprimiert oder andersweitig - beispielsweise durch Transfektion mit RNA oder Protein in Plastiden - eingebracht werden.Those skilled in the art are aware that the order of the expressed genes in an operon is interchangeable and can vary in the embodiments described above. In principle, the recombinase and / or the DSBI enzyme can be expressed on the transformation construct and / or separately (in the core or plastids) or introduced in another way - for example by transfection with RNA or protein in plastids.
8. Fig.8: Deletion von Sequenzen mittels intramolekularer homologer Rekombination induziert durch sequenz- spezifische Doppelstrangbrüche8. Fig. 8: Deletion of sequences by means of intramolecular homologous recombination induced by sequence-specific double-strand breaks
Sequenzen - beispielsweise kodierend für Selektionsmarker bzw. DSBI-Enzyme - sind bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt von Homologiesequenzen Hl und H2 flankiert, die eine ausreichende Länge und Homologie aufweisen, um miteinander zu rekombinieren. Die Rekombination wird durch die Induktion mindestens einen Doppelstrangbruches zwischen den beiden Homologiesequenzen gelegenen DSB-Erkennungssequenz induziert . Zur Induktion des Doppelstrangbruches wird bevorzugt ein DSBI-Enzym transient exprimiert oder eingebracht (Fig. 8) .In all of the above-described embodiments, sequences — for example coding for selection markers or DSBI enzymes — are preferably flanked by homology sequences Hl and H2 which are of sufficient length and homology to recombine with one another. The recombination is induced by induction of at least one double-strand break between the two homology sequences located in the DSB recognition sequence. A DSBI enzyme is preferably transiently expressed or introduced to induce the double-strand break (FIG. 8).
Dem Fachmann ist bewusst, dass die Reihenfolge der exprimierten Gene in einem Operon austauschbar ist und insofern in den oben beschriebenen Ausführungsformen variieren kann. Auch kann bei Verwendung nur einer Homologiesequenz zu Insertion der Insertionssequenz diese an der 5'- (wie in den Abbildungen gezeigt) oder 3 '-Seite des Doppelstrangbruches lokalisiert sein. Prinzipiell kann das DSBI-Enzym auf dem Transformationskonstrukt und/oder separat (im Kern oder Plastiden) exprimiert oder anders- weitig - beispielsweise durch Transfektion mit RNA oder Protein in Plastiden - eingebracht werden.Those skilled in the art are aware that the order of the expressed genes in an operon is interchangeable and can vary in the embodiments described above. If only one homology sequence is used to insert the insertion sequence, it can also be located on the 5 '(as shown in the figures) or 3' side of the double-strand break. In principle, the DSBI enzyme can be expressed on the transformation construct and / or separately (in the core or plastids) or introduced in another way - for example by transfection with RNA or protein in plastids.
9. Fig.9: Southern Analyse von überwiegend homotransplastomen9. Fig. 9: Southern analysis of predominantly homotransplastomas
Pflanzenplants
Wildtyp und überwiegend homotransplastome Masterpflanzen wurden bezüglich der Modifikation (Einführung einer RE-Sequenz) analysiert (vgl. Beispiel 4). Durch die Modifikation wurde eine Bande von 1750 bp detektiert (Bahn 2, 3, und 4 entsprechend den Linien CB199NTH-4, -6, und -8), während in der nicht modifizierten Wildtyppflanze eine Bande von 3100 bp detektiert wurde (Bahn 1) . Fig. 10: Southern Analyse von überwiegend homotransplastomen PflanzenWild-type and predominantly homotransplastome master plants were analyzed for the modification (introduction of a RE sequence) (cf. Example 4). The modification detected a band of 1750 bp (lanes 2, 3, and 4 corresponding to lines CB199NTH-4, -6, and -8), while a band of 3100 bp was detected in the unmodified wild type plant (lane 1) , Fig. 10: Southern analysis of predominantly homotransplastomic plants
A: Wildtyp und überwiegend homotransplastome Masterpflanzen wurden bezüglich der Modifikation (Einführung einer RE- und DSB-Erkennungssequenz) in einem Southern-Blot analysiert (vgl. Beispiel 4). Durch die Modifikation wurde in der hier mit Hindlll behandelten DNA eine Bande von etwa 3,8 kb detektiert (Bahn 2, 3 und 4 entsprechend den Linien CB199NTH-4, -6, und -8), während in der nicht modifizierten Wildtyppflanze eine Bande von etwa 7,7 kb detektiert wurde (Bahn 5) . In den Linien CB199NTH-4, -6, und -8 ist neben der erwarteten etwa 3,8 kb Bande und der etwa 7,7 kb Bande noch eine Bande bei etwa 5,2 kb zu erkennen. Diese Bande ergibt sich (wie in B verdeutlicht) aus der Hybridisierung des 16SrRNA-Promotors, welcher in der Sonde enthalten ist, mit dem 16SrRNA Promotor, der stromabwärts des Selektionsmarker aadA zu finden ist. Diese etwa 5,2 kb große Bande ist wesentlich schwächer als die 3 , 8 kb große Bande weil nur ein kleiner Anteil der Sonde tatsächlich mit diesem Fragment hybridisiert (wt, nicht modifizierte Wildtyppflanze; m - Molekularer Größenstandard)A: Wild-type and predominantly homotransplastome master plants were analyzed for the modification (introduction of a RE and DSB recognition sequence) in a Southern blot (cf. Example 4). As a result of the modification, a band of approximately 3.8 kb was detected in the DNA treated here with HindIII (lanes 2, 3 and 4 corresponding to lines CB199NTH-4, -6, and -8), while a band was found in the unmodified wild-type plant of about 7.7 kb was detected (lane 5). In lines CB199NTH-4, -6, and -8, in addition to the expected approximately 3.8 kb band and the approximately 7.7 kb band, a band at approximately 5.2 kb can also be seen. This band results (as illustrated in B) from the hybridization of the 16SrRNA promoter which is contained in the probe with the 16SrRNA promoter which can be found downstream of the selection marker aadA. This approximately 5.2 kb band is significantly weaker than the 3.8 kb band because only a small proportion of the probe actually hybridizes with this fragment (wt, unmodified wild type plant; m - molecular size standard)
B: Schematische Darstellung der Hindlll Fragmente, welche in A durch die Hybridisierung mit der Sonde (probe) in einer nicht modifizierte Wildtyppflanze (oben) und einer modifizierten Pflanze CB199NTH (unten) zu erwarten waren. (trnV - Gen codierend für eine tRNA-Val; rrnl6 - Gen kodierend für die 16SrRNA; aadA - Gen codierend für einen Selektionsmarker; 3 'psbA - nicht kodierender Bereich stromabwärts des psbA Gens, hier eingebaut in die Expressionskassette für den Selektionsmarker aadA)B: Schematic representation of the HindIII fragments which were to be expected in A by hybridization with the probe (probe) in an unmodified wild type plant (top) and a modified plant CB199NTH (bottom). (trnV - gene coding for a tRNA-Val; rrnl6 - gene coding for the 16SrRNA; aadA - gene coding for a selection marker; 3 'psbA - non-coding region downstream of the psbA gene, here incorporated into the expression cassette for the selection marker aadA)
Fig. 11: Southern Analyse von überwiegend homotransplastomen PflanzenFig. 11: Southern analysis of predominantly homotransplastomic plants
A: Wildtyp und überwiegend homotransplastome Masterpflanzen wurden bezüglich der Modifikation (Einführung einer RE- und DSB-Erkennungssequenz) in einem Southern analysiert (vgl. Beispiel 14) . Durch die Modifikation wurde in der hier mit EcoRI behandelten DNA eine Bande von etwa 1,7 kb detektiert (Bahn 1 und 4 entsprechend den Linien CB456NTH-1 und -15), während in der nicht modifizierten Wildtyppflanze eine Bande von etwa 3 , 1 kb detektiert wurde (Bahn 6). (wt - nicht modifizierte Wildtyppflanze; wildtype - zeigt die erwartete Fragmentgröße in nicht modifizierten Wildtyppflanzen an; trans- genic - zeigt die erwartete Fragmentgröße in Pflanzen CB456NTH an)A: Wild-type and predominantly homotransplastome master plants were analyzed for the modification (introduction of a RE and DSB recognition sequence) in a Southern (cf. Example 14). As a result of the modification, a band of approximately 1.7 kb was detected in the DNA treated here with EcoRI (lanes 1 and 4 corresponding to lines CB456NTH-1 and -15), while a band of approximately 3.1 kb was found in the unmodified wild-type plant was detected (lane 6). (wt - unmodified wild type plant; wild type - shows the expected fragment size in unmodified wild type plants; trans- genic - shows the expected fragment size in plants CB456NTH)
B: Schematische Darstellung des EcoRI Fragments, welches in A durch die Hybridisierung mit der Sonde (probe) in einer modifizierten Pflanze CB456NTH zu erwarten war. (trnV - Gen codierend für eine tRNA-Val; rrnl6 - Gen codierend für die 16SrRNA; aadA - Gen codierend für einen Selektionsmarker; 3 psbA (Synec) - nicht kodierender Bereich stromabwärts des psbA-1 Gens aus Synechocystis, hier eingebaut in dieB: Schematic representation of the EcoRI fragment which was to be expected in A by hybridization with the probe (probe) in a modified plant CB456NTH. (trnV - gene coding for a tRNA-Val; rrnl6 - gene coding for the 16SrRNA; aadA - gene coding for a selection marker; 3 psbA (Synec) - non-coding region downstream of the psbA-1 gene from Synechocystis, incorporated here in the
Expressionskassette für den Selektionsmarker aadA; Psynth. - synthetischer Promotor abgeleitet von der Konsensussequenz für E. coli σ70 Promotoren) .Expression cassette for the selection marker aadA; Psynth. - synthetic promoter derived from the consensus sequence for E. coli σ70 promoters).
BeispieleExamples
Allgemeine Methoden:General methods:
Die chemische Synthese von Oligonukleotiden kann beispielsweise, in bekannter Weise, nach der Phosphoamiditmethode (Voet, Voet, 2. Auflage, Wiley Press New York, Seite 896-897) erfolgen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Klonierungs- schritte wie z.B. Restriktionsspaltungen, Agorosegelelektro- phorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nuklein- säuren auf Nitrozellulose und Nylonmembranen, Verknüpfen von DNA-Fragmenten, Transformation von E. coli Zellen, Anzucht von Bakterien, Vermehrung von Phagen und Sequenzanalyse rekombmanter DNA werden wie bei Sambrook et al. (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press; ISBN 0-87969-309-6 beschrieben durchgeführt. Die Sequenzierung rekombmanter DNA-Moleküle erfolgt mit einem Laserfluoreszenz-DNA-Sequenzierer ALF-Express (Pharmacia, Upsala, Schweden) nach der Methode von Sanger (Sanger et al. (1977) Proc Natl Acad Sei USA 74:5463-5467).The chemical synthesis of oligonucleotides can be carried out, for example, in a known manner using the phosphoamidite method (Voet, Voet, 2nd edition, Wiley Press New York, pages 896-897). The cloning steps carried out in the context of the present invention, such as e.g. Restriction cleavages, agorose gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to nitrocellulose and nylon membranes, linking of DNA fragments, transformation of E. coli cells, cultivation of bacteria, multiplication of phages and sequence analysis of recombinant DNA are like Sambrook et al. (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press; ISBN 0-87969-309-6. The sequencing of recombinant DNA molecules is carried out with a laser fluorescence DNA sequencer ALF-Express (Pharmacia, Upsala, Sweden) according to the method of Sanger (Sanger et al. (1977) Proc Natl Acad Sei USA 74: 5463-5467).
Beispiel 1: Erstellen eines Basis Vektors für die PiastidentransformationExample 1: Creating a basic vector for plastid transformation
Zunächst wurden aus dem Piastom der Tabak Varietät SRI die ausgewählte Zielregionen mittels PCR kloniert. Die linke Zielregion wurde dabei mit den Primern pl9 und p20 amplifiziert .First, the selected target regions were cloned from the piastome of the tobacco variety SRI using PCR. The left target region was amplified with the primers pl9 and p20.
pl9: 5 ' -TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3 ' (SEQ ID NO: 6)pl9: 5 '-TAAGGCCCTCGGTAGCAACGG-3' (SEQ ID NO: 6)
p20: 5 ' -GGGGTACCAAATCCAACTAG-3 ' (SEQ ID NO: 7) Zur Amplifikation der rechten Zielregion wurden die Primer p21 und p22 verwendet, wobei durch letzteren Primer in den amplifi- zierten Teil der 16SrDNA zusätzlich zur SRI Resistenz (binding type marker) auch noch eine Spectinomycin-Resistenz eingebracht wurde.p20: 5 '-GGGGTACCAAATCCAACTAG-3' (SEQ ID NO: 7) The primers p21 and p22 were used to amplify the right target region, with the latter primer also introducing spectinomycin resistance into the amplified part of the 16SrDNA in addition to the SRI resistance (binding type marker).
p21: 5 ' -GGAGCTCGCTCCCCCGCCGTCGTTC-3 ' (SEQ ID NO: 8)p21: 5 '-GGAGCTCGCTCCCCCGCCGTCGTTC-3' (SEQ ID NO: 8)
p22: 5 ' -GATGCATGATGACTTGACGGCATCCTC-3 ' (SEQ ID NO: 9)p22: 5 '-GATGCATGATGACTTGACGGCATCCTC-3' (SEQ ID NO: 9)
Die beiden amplifizierten Regionen wurden in pBluescript bzw. pZeroBlunt kloniert und sequenziert. Die linke und rechte Zielregionen wurden anschließend in das Rückgrat des pUC19 Vektors kloniert. Dazu wurden die Schnittstellen EcoO109l und PvuII des Vektors genutzt. Zwischen die linke und rechte Zielregion wurde eine multiple Klonierungsstelle aus dem pBluescript (von Kpnl bis Sacl) kloniert. Diese befindet sich im Basisvektor für die Piastidentransformation zwischen den beiden plastidär kodierten Genen trnV und rrnl6. Dieser Basisvektor für die Plastidentrans- formation erhielt die Bezeichnung pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) . Der Vektor enthält nachfolgende Sequenzelemente:The two amplified regions were cloned into pBluescript and pZeroBlunt and sequenced. The left and right target regions were then cloned into the backbone of the pUC19 vector. The interfaces EcoO109l and PvuII of the vector were used for this. A multiple cloning site from the pBluescript (from Kpnl to Sacl) was cloned between the left and right target regions. This is located in the base vector for the plastid transformation between the two plastidically encoded genes trnV and rrnl6. This base vector for plastid transformation was given the designation pCB42-94 (SEQ ID NO: 1). The vector contains the following sequence elements:
a) Position komplementär bp 55-1405: Rechte Zielregion mit dem partiellen Gen der 16SrRNA (komplementär bp 56 bis 1322) . In letzterem sind Mutationen für die Streptomycin-Resistenz (SRI, Position bp 346) und Spectinomycin-Resistenz (SPC1, Position bp 68) .a) Position complementary bp 55-1405: right target region with the partial gene of 16SrRNA (complementary bp 56 to 1322). In the latter there are mutations for streptomycin resistance (SRI, position bp 346) and spectinomycin resistance (SPC1, position bp 68).
b) Position komplementär bp 2374 bis 1510: Linke Zielregion umfassend u.a. ORF131 (bp 1729 bis 2124) und trnV Genb) Position complementary bp 2374 to 1510: left target region including ORF131 (bp 1729 to 2124) and trnV gene
(komplementär bp 1613 bis 1542) .(complementary bp 1613 to 1542).
c) Position bp 1404 bis 1511: multiple Klonierungsstellec) Position bp 1404 to 1511: multiple cloning site
d) Position bp 2629 bis 3417: Ampicilin Resistenz im Vektorrückgratd) Position bp 2629 to 3417: ampicilin resistance in the vector backbone
Beispiel 2: Erstellen eines Vektors (pCB199-3) für die Einbringung einer nicht natürlicherweise vorkommenden DSB-Erkennungssequenz für die Homing EndonukleasenExample 2: Creation of a vector (pCB199-3) for the introduction of a non-naturally occurring DSB recognition sequence for the homing endonucleases
I-Ppol und RE-Sequenzen (attB) für die Rekombinasen ΦC31 und TP901-1 in das Piastom von TabakI-Ppol and RE sequences (attB) for the recombinases ΦC31 and TP901-1 in the piastome of tobacco
In die multiple Klonierungsstelle des Basisvektors pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) für die Piastidentransformation wurden sukzessive verschiedene Elemente kloniert: a) frt Erkennungsregion (mutiert, enthält keine Xbal Schnittstelle; komplementär 1307-1354)Various elements were successively cloned into the multiple cloning site of the base vector pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) for the plastid transformation: a) for recognition region (mutated, does not contain an Xbal interface; complementary 1307-1354)
b) Expressionskassette zur Expression des Markergens aadA bestehend aus :b) Expression cassette for the expression of the marker gene aadA consisting of:
i) Promotor des Gens für 16SrRNA (komplementär 1191-1281)i) Promoter of the gene for 16SrRNA (complementary 1191-1281)
ii) 5' untranslatierte Bereich des Tabak rbcL Gens (komple- ' mentär 1167-1184) einschließlich mutierter 5' Anteilen des rbcL Gens (Duplikation von 6 AS des rbcL Gens, teilweise mutiert, als Folge der Klonierungsstrategie, so dass eine Fusion codierend für insgesamt 12 Aminosäuren (komplementär 1131-1166) mit dem nachfolgendem Element, dem aadA Gen, entstand)ii) 5 'untranslated region of the tobacco rbcL gene (com-' tary 1167-1184) including mutated 5 'portions of the rbcL gene (6 AS duplication of the rbcL gene, partially mutated, as a result of the cloning strategy, so that a fusion encoding a total of 12 amino acids (complementary 1131-1166) with the following element, the aadA gene, was created)
iii) aadA Gen (komplementär 336-1130)iii) aadA gene (complementary 336-1130)
iv) der 3' Bereich des psbA Gens (komplimentär 232-323)iv) the 3 'region of the psbA gene (complementary 232-323)
c) attB RE-Sequenzen für die Rekombinasen ΦC31 (Position Basenpaar 131 bis 170) und TP901-1 (Position Basenpaar 21 bis 121)c) attB RE sequences for the recombinases ΦC31 (position base pair 131 to 170) and TP901-1 (position base pair 21 to 121)
d) Core-Erkennungsregion für die Homing Endonuklease I-Ppol (Position Basenpaar komplementär 176 bis 190) .d) Core recognition region for the homing endonuclease I-Ppol (position base pair complementary 176 to 190).
Anstelle der multiplen Klonierungsstelle im Basisvektor für die Plastidentransformation enthält dieser Vektor mit der Bezeichnung pCB199-3 die aufgeführten Elemente im Rahmen der Nukleinsäure- sequenz mit der SEQ ID NO: 2. Angegeben ist die Sequenz, die die komplette MCS von Kpnl bis Sacl ersetzt. In der angegebenen Sequenz gibt es aufgrund der Klonierungsstrategie jedoch keine Kpnl Schnittstelle mehr.Instead of the multiple cloning site in the base vector for plastid transformation, this vector with the designation pCB199-3 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with SEQ ID NO: 2. The sequence which replaces the complete MCS from Kpnl to Sacl is given. However, due to the cloning strategy, there is no longer a Kpnl interface in the sequence given.
Beispiel 3: Erstellen eines weiteren Vektors (pCB401-20) für die Einbringung einer nicht natürlicherweise vorkommende Erkennungsregion für die Homing Endonukleasen I-Ppol und RE-Sequenzen (attB) für die Rekombinasen ΦC31 und TP901-1 in das Piastom von TabakExample 3: Creation of a further vector (pCB401-20) for the introduction of a non-naturally occurring recognition region for the homing endonucleases I-Ppol and RE sequences (attB) for the recombinases ΦC31 and TP901-1 in the piastome of tobacco
Im Gegensatz zu dem in Beispiel 2 beschriebenen Vektor pCB199-3 enthält der hier beschriebene Vektor keinen Promotor und 3'UTR, der direkt mit dem Selektionsmarker aadA verknüpft wurde. Vielmehr wird die Expression des aadA Gens ausgehend von dem Promotor des trnV Gens, welches im Plastidengenom bzw. in der linken Zielregion stromaufwärts des aadA Gens lokalisiert ist, gesteuert. Ziel bei der Erstellung dieses Vektors war es, Sequenzdupli- kationen durch das Ausnutzen von regulatorischen Bereichen aus dem Tabakpiastidengenom zu vermeiden. Dazu wurden in die multiple Klonierungsstelle des Basisvektors pCB42-94 für die Plastidentransformation sukzessive verschiedene Elemente kloniert:In contrast to the vector pCB199-3 described in Example 2, the vector described here contains no promoter and 3'UTR, which was linked directly to the selection marker aadA. Rather, the expression of the aadA gene is controlled starting from the promoter of the trnV gene, which is located in the plastid genome or in the left target region upstream of the aadA gene. The aim of creating this vector was to duplicate sequences to avoid cations by exploiting regulatory areas from the tobacco plastid genome. For this purpose, various elements were successively cloned into the multiple cloning site of the base vector pCB42-94 for the plastid transformation:
a) Ribosomenbindestelle (komplementär bp 1033 bis 1050)a) Ribosome binding site (complementary bp 1033 to 1050)
b) aadA Gen (komplementär bp 238 bis 1032)b) aadA gene (complementary bp 238 to 1032)
c) attB RE-Sequenzen für die Rekombinasen ΦC31 (Position Basenpaar 131 bis 170) und TP901-1 (Position Basenpaar 21 bis 121)c) attB RE sequences for the recombinases ΦC31 (position base pair 131 to 170) and TP901-1 (position base pair 21 to 121)
d) Core-Erkennungsregion für die Homing Endonukleasen I-Ppol (komplementär bp 176 bis 190)d) core recognition region for the homing endonucleases I-Ppol (complementary bp 176 to 190)
Der so erhaltene Vektor vermittelt auch in E. coli eine Spectino- mycin Resistenz . Anstelle der multiplen Klonierungsstelle im Basisvektor pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) für die Plastidentransformation enthält dieser Vektor mit der Bezeichnung pCB401-20 die aufgeführten Elemente im Rahmen der Nukleinsäuresequenz mit der SEQ ID NO: 3. Auch hier ist die gesamte die MCS ersetzende Sequenz (von Sacl bis Kpnl) angegeben.The vector obtained in this way also conferred spectinomycin resistance in E. coli. Instead of the multiple cloning site in the base vector pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) for the plastid transformation, this vector with the designation pCB401-20 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with the SEQ ID NO: 3. Here, too, the whole is the MCS replacing sequence (from Sacl to Kpnl) given.
Beispiel 4: Erstellen von überwiegend homoplastomischen Tabak Masterpflanzen, die eine nicht natürliche DSB-Example 4: Creating predominantly homoplastomic tobacco master plants that have a non-natural DSB
Erkennungssequenz und RE-Sequenzen (attB) enthaltenRecognition sequence and RE sequences (attB) included
Das Plasmid pCB199-3 wurde in die Plastiden von Tabak (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana) wie im folgenden beschrieben einge- bracht. Die regenerierten Pflanzen wurden CB199NTH genannt. Unabhängige Linien wurden mit verschiedenen Endnummern (zum Beispiel CB199NTH-4) versehen.The plasmid pCB199-3 was introduced into the plastids of tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana) as described below. The regenerated plants were named CB199NTH. Independent lines have been given different end numbers (e.g. CB199NTH-4).
Analog wird der Vektor pCB401-20 in die Plastiden von Tabak ein- gebracht. Die resultierenden Pflanzen werden entsprechend mit CB401NTH bezeichnet.Analogously, the vector pCB401-20 is introduced into the plastids of tobacco. The resulting plants are designated CB401NTH accordingly.
Zunächst wurden von in vitro gewachsenen Pflanzen mit einem sterilen Korkbohrer Blattscheibchen mit einem Durchmesser von 2,0 bis 2,5 cm ausgestochen und je mit der Blattoberseite auf eine Petrischale mit Beschussmedium (MS-Salze (Sig a-Aldrich) : 4,3 g/L; Saccharose: 30,0 g/L, Phytoagar (Duchefa, P1003): 0,6 % (w/v) ,- pH 5,8. Nach dem Autoklavieren wurden 1,0 mg/L Thiamin (Duchefa, T0614) und 0,1 g/L myo-Innositol (Duchefa, 10609) zuge- geben) . Die vom Agar abgewandte Blattunterseite wurde mittels der Partikelkanone anschließend beschossen. Dazu wurde zunächst die zu transformierende Plasmid-DNA (aus E. coli gereinigt mittels Nucleobond AX100 Macherey & Nagel) nach folgendem Protokoll auf 0,6 μ große Goldpartikel aufgebracht ("Coating"). Zunächst wurden 30 mg Goldpulver (BioRad) in Ethanol aufgenommen. 60 μl von der Goldsuspension werden in ein neues Eppendorfgefäß über- 5 führt und die Goldpartikel durch Zentrifugation (für 10 Sekunden) sedimentiert . Die Goldpartikel wurden zweimal in je 200 μl sterilem Wasser gewaschen und nach einem weiteren Zentri- fugationsschritt in 55 μl Wasser aufgenommen. Unter ständigem Mischen (Vortexen) wurden schnell hinzugegeben: 10First, leaf disks with a diameter of 2.0 to 2.5 cm were cut out from plants grown in vitro using a sterile cork borer and the top of each leaf was placed on a petri dish with bombardment medium (MS salts (Sig a-Aldrich): 4.3 g / L; sucrose: 30.0 g / L, phytoagar (Duchefa, P1003): 0.6% (w / v), pH 5.8 After autoclaving, 1.0 mg / L thiamine (Duchefa, T0614 ) and 0.1 g / L myo-innositol (Duchefa, 10609) added). The underside of the leaf facing away from the agar was then bombarded with the particle gun. For this purpose, the plasmid DNA to be transformed (purified from E. coli by means of Nucleobond AX100 Macherey & Nagel) applied according to the following protocol to 0.6 μ gold particles ("coating"). First, 30 mg of gold powder (BioRad) was taken up in ethanol. 60 μl of the gold suspension are transferred to a new Eppendorf tube and the gold particles are sedimented by centrifugation (for 10 seconds). The gold particles were washed twice in 200 μl sterile water and, after a further centrifugation step, taken up in 55 μl water. With constant mixing (vortexing), the following was quickly added: 10
5 μl Plasmid-DNA (1 μg/μl)5 μl plasmid DNA (1 μg / μl)
50 μl 2,5 M CaCl2 50 ul 2.5 M CaCl 2
20 μl 0,1 M Spermidine20 ul 0.1 M spermidine
15 Die Suspension wurde sodann- für weitere 3 Minuten auf dem Vortex gemischt und anschließend kurz anzentrifugiert . Die sedimentier- ten Gold-DNA-Komplexe wurden 1 bis 2 mal in je 200 μl Ethanol gewaschen und nach einem weiteren Zentrifugationsschritt schließlich in 63 μl Ethanol aufgenommen. Pro Schuss wurden 3 , 5 μl (ent-The suspension was then vortexed for a further 3 minutes and then briefly centrifuged. The sedimented gold-DNA complexes were washed 1 to 2 times in 200 μl ethanol and after a further centrifugation step they were finally taken up in 63 μl ethanol. 3.5 μl (shot
20 sprechend 100 μg Gold) dieser Suspension auf einen Macrocarrier aufgebracht .20 speaking 100 μg gold) of this suspension applied to a macro carrier.
Gemäß den Herstellerangaben wurde die Partikelkanone (BioRad, PDSlOOOHe) vorbereitet und die Blattexplantate in einem AbstandAccording to the manufacturer's instructions, the particle cannon (BioRad, PDSlOOOHe) was prepared and the leaf explants at a distance
25 von 10 cm mit den Gold-DNA-Komplexen beschossen. Dabei wurden folgende Parameter verwendet: Vakuum: 27 inch Hg, Druck 1100 psi. Die Explantate werden nach dem Beschuss für 2 Tage in Klimakammern (24°C, 16 h Licht, 8 h Dunkelheit) inkubiert und anschließend mit einem Skalpell in etwa 0,5 cm2 große Segmente zerteilt. DieseBombarded 25 by 10 cm with the gold-DNA complexes. The following parameters were used: Vacuum: 27 inch Hg, pressure 1100 psi. After the bombardment, the explants are incubated for 2 days in climatic chambers (24 ° C, 16 h light, 8 h dark) and then divided into segments of approximately 0.5 cm2 using a scalpel. This
30 Segmente wurden dann auf Regenerationsmedium [Beschussmedi m zuzüglich 1 mg/L 6-Benzylaminopurin (BAP, Duchefa, B0904) und 0,1 mg/L Naphthylessigsäure (NAA, Duchefa, N0903)] zuzüglich 500 mg/L Spectinomycin (Duchefa, S0188) überführt und für 10 bis 14 Tage unter oben genannten Bedingungen in einer Klimakammer inkubiert.30 segments were then placed on regeneration medium [bombardment medium plus 1 mg / L 6-benzylaminopurine (BAP, Duchefa, B0904) and 0.1 mg / L naphthylacetic acid (NAA, Duchefa, N0903)] plus 500 mg / L spectinomycin (Duchefa, S0188 ) transferred and incubated for 10 to 14 days in the above-mentioned conditions in a climatic chamber.
35 Nach Ablauf dieser Zeit wurden die Blattsegmente auf frisches Regenerationsmedium zuzüglich 500 mg/L Spectinomycin überführt. Dieser Vorgang wurde so lange wiederholt, bis sich grüne Sprosse an den Explantaten bildeten. Die Sprosse wurden mit einem Skalpel abgetrennt und auf Anzuchtmedium (wie Beschussmedium, jedoch35 At the end of this time, the leaf segments were transferred to fresh regeneration medium plus 500 mg / L spectinomycin. This process was repeated until green shoots formed on the explants. The rungs were separated with a scalpel and on growth medium (like bombardment medium, however
40 10 g/L Saccharose anstelle von 30 g/L Saccharose) zuzüglich 500 mg/L Spectinomycin angezogen.40 10 g / L sucrose instead of 30 g / L sucrose) plus 500 mg / L spectinomycin.
Optional können, um möglichst überwiegend homoplastome Pflanzen zu erhalten, von den regenerierten Pflanzen wiederum Explantate 45 abgeschnitten und auf Regenerationsmedium mit 1000 mg/L Spectinomycin gelegt werden. Regenerierende Sprosse werden in Gläser mit Anzuchtmedium zuzüglich 500 bis 1000 mg/L Spectinomycin gesetzt. Nach dem Bewurzeln werden die Pflanzen ins Gewächshaus transferiert und dort auf Erde bis zur Samenreife herangezogen.Optionally, in order to obtain predominantly homoplastomic plants, explants 45 can again be cut off from the regenerated plants and placed on regeneration medium with 1000 mg / L spectinomycin. Regenerating shoots are placed in jars with growth medium plus 500 to 1000 mg / L spectinomycin. After rooting, the plants are transferred to the greenhouse and grown there until they reach seed maturity.
Im Fall der Transformation mit dem Plasmid pCB199-3 wurden 8 Pflanzen erhalten, die Resistenz gegenüber Spectinomycin zeigten. Mittels PCR und Southern-Analysen wurde nachgewiesen, dass drei dieser Linien (Linien CB199NTH-4, -6 und -8) auch tatsächlich das aadA Gen in das Plastidengenom eingebaut haben.In the case of transformation with the plasmid pCB199-3, 8 plants were obtained which showed resistance to spectinomycin. Using PCR and Southern analyzes, it was demonstrated that three of these lines (lines CB199NTH-4, -6 and -8) actually have incorporated the aadA gene into the plastid genome.
Zur Analyse der transplastomen Pflanzen nach Southern wurde Gesamt-DNA aus Blättern von transformierten und nicht transformierten Pflanzen wurde mit Hilfe des GenElute Plant Genomic DNA Kit (Sigma) isoliert. Die DNA wurde dabei in 200 μl Eluat aufgenommen. 86 μl davon wurden je mit 10 μl lOx Restriktions- puffer sowie 40 U Restriktionsendonuklease versetzt und 4 bis 8 h bei der für das Restriktionsenzym empfohlenen Temperatur inkubiert. Anschließend wurde die DNA in dem Fachmann bekannter Weise mit Ethanol präzipitiert und anschließend in 20 μl Wasser aufgenommen. Die Proben wurden anschließend gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren auf einem Agarosegel aufgetrennt, die DNA in dem Gel denaturiert und mittels Kapillarblot auf Nylonmembran übertragen.To analyze the transplastomic plants according to Southern, total DNA from leaves of transformed and non-transformed plants was isolated using the GenElute Plant Genomic DNA Kit (Sigma). The DNA was taken up in 200 ul eluate. 86 μl of these were each mixed with 10 μl 10 × restriction buffer and 40 U restriction endonuclease and incubated for 4 to 8 h at the temperature recommended for the restriction enzyme. The DNA was then precipitated with ethanol in a manner known to the person skilled in the art and then taken up in 20 μl of water. The samples were then separated on an agarose gel according to methods known to the person skilled in the art, the DNA in the gel was denatured and transferred to the nylon membrane by means of capillary blot.
Eine entsprechende Sonde für die radioaktive Hybridisierung wurde mit Hilfe des HighPrime (Röche) Systems erstellt. Die Membran wurde zunächst 1 h bei 65°C mit HybPuffer (l%(w/v) Rinderseum- albumin; 7%(w/v) SDS; 1 mM EDTA; 0,5 M Natriumphosphat-Puffer, pH 7,2) vorhybridisiert. Anschließend wurde die hitze-dena- turierte Sonde hinzugegeben, und es wurde über Nacht bei 65°C hybridisiert. Die Blots wurden anschließend wie folgt gewaschen: einmal Spülen mit 2xSSPE/0, 1%SDS; für 15 min. bei 65°C waschen mit 2xSSPE/0,l%SDS; für 15 min. bei 65°C waschen mit lxSSPE/0, 1%SDS und ggf. wurde der letzte Schritt noch einmal wiederholt (20x SSPE ist 3 M NaCl; 0,2 M NaH2P04; 0,5 M EDTA; pH 7,4) .A corresponding probe for radioactive hybridization was created using the HighPrime (Röche) system. The membrane was first washed for 1 h at 65 ° C. with HybPuffer (1% (w / v) bovine sums albumin; 7% (w / v) SDS; 1 mM EDTA; 0.5 M sodium phosphate buffer, pH 7.2). prehybridized. The heat-denatured probe was then added and hybridization was carried out at 65 ° C. overnight. The blots were then washed as follows: rinsing once with 2xSSPE / 0.1% SDS; for 15 min. wash at 65 ° C with 2xSSPE / 0.1% SDS; for 15 min. wash at 65 ° C with lxSSPE / 0, 1% SDS and if necessary the last step was repeated again (20x SSPE is 3 M NaCl; 0.2 M NaH 2 P0 4 ; 0.5 M EDTA; pH 7.4 ).
Die Hybridisierung wurde anschließend mit Hilfe eines Phospho- imagers (Molecular Imager FX, BioRad) analysiert.The hybridization was then analyzed using a phospho-imager (Molecular Imager FX, BioRad).
Beispielsweise wurde mit PstI geschnittene Gesamt-DNA ver- schiedener Pflanzen, die nach der Transformation mit pCB199-3 regeneriert wurden, mit dem aadA Gen als radioaktiv markierte Sonde (793bp PstI\NcoI Fragment aus pCBl99-3) hybridisiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Linien CB199NTH-4, -6 und -8 tatsächlich das aadA Gen in die DNA eingebaut hatten. Des weiteren wurde mit EcoRI und Xhol geschnittene gesamt DNA vonFor example, total DNA from various plants cut with PstI and regenerated after transformation with pCB199-3 was hybridized with the aadA gene as a radioactively labeled probe (793bp PstI \ NcoI fragment from pCBl99-3). It was found that the lines CB199NTH-4, -6 and -8 had actually incorporated the aadA gene into the DNA. Furthermore, total DNA of. Cut with EcoRI and Xhol
CB199NTH-4, -6 und -8 mit einer radioaktiv markierten Sonde (1082 bp Bspl20I/SacI Fragment aus pCB199-3) hybridisiert, welche mit einem Teil der 16S rDNA hybridisiert. Während im Wildtyp (nicht transformierte Pflanze) erwartungsgemäß eine Bande von etwa 3100 bp nachgewiesen wurde, wurde in den transplastomen Linien überwiegend eine Bande bei 1750 bp detektiert, die sich aufgrund der Insertion der Insertionssequenz aus pCB199-3 in das Piastom ergibt (Fig. 9) . Die erhaltenen Pflanzen können als überwiegend homotransplastom verstanden werden.CB199NTH-4, -6 and -8 hybridized with a radioactively labeled probe (1082 bp Bspl20I / SacI fragment from pCB199-3), which with part of the 16S rDNA hybridized. While, as expected, a band of approximately 3100 bp was detected in the wild type (untransformed plant), a band at 1750 bp was predominantly detected in the transplastomic lines, which results from the insertion of the insertion sequence from pCB199-3 into the piastom (FIG. 9 ). The plants obtained can be understood as predominantly homotransplastoma.
Beispiel 5 : Klonierung von Rekombinasen und des DSBI-Enzyms I-Ppo IExample 5: Cloning of recombinases and the DSBI enzyme I-Ppo I
5.1 Klonieren der Rekombinase aus dem Phagen ΦC31 und nukleare5.1 Cloning the recombinase from the phage ΦC31 and nuclear
Transformation als PLS-Fusion Die Rekombinase aus dem Phagen ΦC31 (DSM No. 49156, DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Deutschland) wurde mittels PCR amplifiziert. Dazu wurden die folgenden Oligonukleotide benutzt:Transformation as PLS fusion The recombinase from the phage ΦC31 (DSM No. 49156, DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Braunschweig, Germany) was amplified by means of PCR. The following oligonucleotides were used for this:
p65: ATGGATCCATATGGCCATGGCACAAGGGGTTGTG (SEQ ID NO: 38)p65: ATGGATCCATATGGCCATGGCACAAGGGGTTGTG (SEQ ID NO: 38)
p66: CCCGGGCTCGAGCTGCAGCTACGCCGCTACGTC (SEQ ID NO: 39)p66: CCCGGGCTCGAGCTGCAGCTACGCCGCTACGTC (SEQ ID NO: 39)
Das erhaltene PCR Fragment wurde in pGEM-Teasy kloniert und sequenziert. Der resultierende Vektor wurde pCBl09-28 benannt. Anschließend wurde das für die Rekombinase kodierende Gen an Sequenzen fusioniert, die für das IPP-Transitpeptid codieren, und funktionell an den 35S Promotor und vor den ocs Terminator gekoppelt. Als Selektionsmarker war neben dem beschriebenen Element ein nos-Promotor - pat - nos-Terminator Element vor- handen, welches die Selektion transgener Pflanzen auf Phosphino- tricin erlaubte. Das fertige Binärkonstrukt wurde pCBl93-17 genannt. Die Sequenz des Inserts ist unter SEQ ID NO: 40 beschrieben und enthält die nachfolgenden Elemente:The PCR fragment obtained was cloned in pGEM-Teasy and sequenced. The resulting vector was named pCBl09-28. The gene coding for the recombinase was then fused to sequences which code for the IPP transit peptide and functionally coupled to the 35S promoter and before the ocs terminator. In addition to the element described, a nos promoter - pat - nos terminator element was present as a selection marker, which allowed the selection of transgenic plants for phosphinotricin. The finished binary construct was named pCBl93-17. The sequence of the insert is described under SEQ ID NO: 40 and contains the following elements:
Position Basenpaar 7 bis 535: 35S PromotorPosition base pair 7 to 535: 35S promoter
Position Basenpaar 563 bis 733: Sequenz kodierend fürPosition base pair 563 to 733: sequence coding for
IPP-TransitpeptidIPP transit peptide
Position Basenpaar 749 bis 2590: Gen kodierend für die ΦC31Position base pair 749 to 2590: gene coding for the ΦC31
Rekombinaserecombinase
Position Basenpaar 2615 bis 2807: ocs TerminatorPosition base pair 2615 to 2807: ocs terminator
Das Plasmid pCB193-17 wurde mittels Agrobakterium-vermittelter Transformation in Tabak (N. tabcum cv. Petit Havanna) nach dem Fachmann geläufige Verfahren transformiert. Transgene Pflanzen aus dieser Transformation wurden mit CB193NTH bezeichnet. Die Expression der ΦC31 Rekombinase wurde mittels RealTime PCR nachgewiesen.The plasmid pCB193-17 was transformed by means of agrobacterium-mediated transformation in tobacco (N. tabcum cv. Petit Havana) according to methods familiar to the person skilled in the art. Transgenic plants from this transformation were designated CB193NTH. Expression of the ΦC31 recombinase was detected using RealTime PCR.
5.2 Klonieren der Rekombinase aus dem Phagen TP901-1 und nukleare Transformation als PLS-Fusion5.2 Cloning the recombinase from the phage TP901-1 and nuclear transformation as a PLS fusion
Die Rekombinase aus dem Phagen TP901-1 (lag als Prophage in einem lysogenen Stamm von Lactococcus lactis (Stamm 901-1) vor) wurde mittels PCR amplifiziert . Dazu wurden die folgenden Oligo- nukleotide benutzt:The recombinase from the phage TP901-1 (was present as a prophage in a lysogenic strain of Lactococcus lactis (strain 901-1)) was amplified by means of PCR. The following oligonucleotides were used for this:
p71: TGGATCCATATGGCCATGGCTAAGAAAGTAG (SEQ ID NO: 43)p71: TGGATCCATATGGCCATGGCTAAGAAAGTAG (SEQ ID NO: 43)
p72: CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 44)p72: CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 44)
Das erhaltene PCR Fragment von 1486 bp wurde in pCR2.1-TOPO (Invitrogen) kloniert und sequenziert. Der resultierende Vektor wurde pCBl27-2 genannt (zwei Unterschiede wurden in der Sequenz im Vergleich zur veröffentlichten Sequenz gefunden. Einer davon führt zu einem Aminosäureaustausch (VIA) ) . Anschließend wurde das für die Rekombinase kodierende Gen an Sequenzen fusioniert, die für das IPP-Transitpeptid codieren, und funktionell an den 35S Promotor und vor den ocs Terminator gekoppelt. Als Selektions- marker war neben dem beschriebenen Element ein nos-Promotor - pat - nos-Terminator Element vorhanden, welches die Selektion transgener Pflanzen auf Phosphinotricin erlaubte . Das fertige Binär- konstrukt wurde pCB245-37 genannt. Die Sequenz des Inserts ist unter SEQ ID NO: 45 beschrieben und enthält die nachfolgenden Elemenete:The PCR fragment of 1486 bp obtained was cloned into pCR2.1-TOPO (Invitrogen) and sequenced. The resulting vector was named pCBl27-2 (two differences were found in the sequence compared to the published sequence, one of which leads to an amino acid exchange (VIA)). The gene coding for the recombinase was then fused to sequences which code for the IPP transit peptide and functionally coupled to the 35S promoter and before the ocs terminator. In addition to the element described, a nos promoter - pat - nos terminator element was present as a selection marker, which allowed the selection of transgenic plants for phosphinotricin. The finished binary construct was named pCB245-37. The sequence of the insert is described under SEQ ID NO: 45 and contains the following elements:
Position Basenpaar 12 bis 540: 35S PromotorPosition base pair 12 to 540: 35S promoter
Position Basenpaar 568 bis 738: Sequenz kodierend für IPP-TransitpeptidPosition base pair 568 to 738: sequence coding for IPP transit peptide
Position Basenpaar 748 bis 2205: Gen kodierend für die TP901-1Position base pair 748 to 2205: gene coding for the TP901-1
Rekombinaserecombinase
Position Basenpaar 2231 bis 2422: ocs TerminatorPosition base pair 2231 to 2422: ocs terminator
Das Plasmid pCB245-37 wurde mittels Agrobakterium-vermittelter Transformation in Tabak (N. tabcu cv. Petit Havanna) nach dem Fachmann geläufige Verfahren transformiert. Transgene Pflanzen aus dieser Transformation wurden mit CB245NTH bezeichnet. Die Expression der TP901-1 Rekombinase wurde mittels RealTime PCR nachgewiesen.The plasmid pCB245-37 was transformed by means of agrobacterium-mediated transformation in tobacco (N. tabcu cv. Petit Havana) according to methods familiar to the person skilled in the art. Transgenic plants from this transformation were designated CB245NTH. The Expression of the TP901-1 recombinase was detected using RealTime PCR.
5.3 Klonieren der Homing Endonuklease I-Ppol5.3 Cloning the Homing Endonuclease I-Ppol
Die Homing Endonuklease I-Ppol wurde aus 26 synthetisch erstellten Oliogonukleotiden mittels PCR in Anlehnung an die Methode von Stemmer WPC et al. (1995) Gene 164: 49-53 erstellt (SEQ ID NO: 4) . Die zugrunde liegende Sequenz wurde von der veröffentlichten Sequenz abgeleitet (Accession No. M38131 Nukleotide 86 bis 577) . Dabei wurden einige Mutationen eingeführt, um Erkennungsstellen für Restriktionsendonukleasen aus dem Gen zu entfernen, von denen aber keine eine veränderte Aminosäuresequenz bedingt .The homing endonuclease I-Ppol was generated from 26 synthetically generated oligonucleotides by means of PCR based on the method of Stemmer WPC et al. (1995) Gene 164: 49-53 (SEQ ID NO: 4). The underlying sequence was derived from the published sequence (Accession No. M38131 nucleotides 86 to 577). Some mutations were introduced to remove restriction endonuclease recognition sites from the gene, but none of them required an altered amino acid sequence.
Beispiel 6: Kreuzen von Masterpflanzen CB199NTH mit Rekombinase exprimierenden PflanzenExample 6: Crossing master plants CB199NTH with plants expressing recombinase
6.1 Kreuzen von Masterpflanzen CB199NTH mit ΦC31 Rekombinase exprimierenden Pflanzen CB193NTH6.1 Crossing master plants CB199NTH with ΦC31 recombinase expressing plants CB193NTH
Pollen der Pflanzen CB193NTH wurden auf die Narbe von Blüten der Pflanzen CB199NTH (Linien -4, -6 und -8) gestäubt. Zuvor wurden die Antheren der entsprechenden Blüten von den CB199NTH Pflanzen entfernt. Die Pflanzen wurden bis zur Samenreife weiter imPollen from plants CB193NTH was dusted on the stigma of flowers from plants CB199NTH (lines -4, -6 and -8). The anthers of the corresponding flowers had previously been removed from the CB199NTH plants. The plants were kept in until maturity
Gewächshaus belassen. Die geernteten Samen wurden in vitro auf Anzuchtmedium (vgl. Beispiel 4; zuzgl. 500 mg/L Spectinomycin, 10 mg/L Phosphinotricin) ausgelegt und resistente Pflanzen unter sterilen Bedingungen weiter angezogen. Diese Pflanzen wurden mit CB199NTHxCBl93NTH bezeichnet. Explantate von 4 bis 8 Wochen alten Pflanzen wurden für weitere Beschussexperimente (s.u.) genutzt.Leave the greenhouse. The harvested seeds were laid out in vitro on cultivation medium (cf. Example 4; plus 500 mg / L spectinomycin, 10 mg / L phosphinotricin) and resistant plants were further grown under sterile conditions. These plants were designated CB199NTHxCBl93NTH. Explants from 4 to 8 week old plants were used for further bombardment experiments (see below).
6.2 Kreuzen von Masterpflanzen CB199NTH mit TP901-1 Rekombinase exprimierenden Pflanzen CB245NTH6.2 Crossbreeding master plants CB199NTH with plants CB245NTH expressing TP901-1 recombinase
Pollen der Pflanzen CB245NTH wurden auf die Narbe von Blüten der Pflanzen CB199NTH (Linien -4, -6 und -8) gestäubt. Zuvor wurden die Antheren der entsprechenden Blüten von den CB199NTH Pflanzen entfernt. Die Pflanzen wurden bis zur Samenreife weiter im Gewächshaus belassen. Die geernteten Samen wurden in vitro auf Anzuchtmedium (vgl. Beispiel 4; zuzgl. 500 mg/L Spectinomycin, 10 mg/L Phosphinotricin) ausgelegt und resistente Pflanzen unter sterilen Bedingungen weiter angezogen. Diese Pflanzen wurden mit CBl99NTHxCB245NTH bezeichnet. Explantate von 4 bis 8 Wochen alten Pflanzen wurden für weitere Beschussexperimente (s.u.) genutzt. Beispiel 7: Erstellen eines Vektors, der für die Integration mit Hilfe von Rekombinasen in das Piastom von entsprechenden Masterpflanzen geeignet istPollen from plants CB245NTH was dusted on the stigma of flowers from plants CB199NTH (lines -4, -6 and -8). The anthers of the corresponding flowers had previously been removed from the CB199NTH plants. The plants were left in the greenhouse until the seeds ripened. The harvested seeds were laid out in vitro on cultivation medium (cf. Example 4; plus 500 mg / L spectinomycin, 10 mg / L phosphinotricin) and resistant plants were further grown under sterile conditions. These plants were designated CBl99NTHxCB245NTH. Explants from 4 to 8 week old plants were used for further bombardment experiments (see below). Example 7: Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of corresponding master plants
Sukzessive wurden die verschiedenen Elemente, die für so einen Vektor notwendig sind in das Rückgrat des pBLUESCRIPT kloniert. Die angegebene Sequenz ersetzt die multiple Klonierungsstelle des pBLUESCRIPT von Kpnl bis Sacl, wobei die Kpnl Schnittstelle in der angegebenen Sequenz aufgrund der Klonierungsstrategie nicht mehr funktionell vorhanden ist. Das Rückgrat des Vektors entspricht dem des pBLUESCRIPT. Der erhaltene Vektor wurde mit pCB249-24 bezeichnet. Das Insert ist durch SEQ ID NO: 48 beschrieben und umfasst nachfolgende Elemente:The various elements necessary for such a vector were successively cloned into the backbone of pBLUESCRIPT. The specified sequence replaces the multiple cloning site of pBLUESCRIPT from Kpnl to Sacl, the Kpnl interface no longer being functionally present in the specified sequence due to the cloning strategy. The backbone of the vector corresponds to that of the pBLUESCRIPT. The vector obtained was designated pCB249-24. The insert is described by SEQ ID NO: 48 and comprises the following elements:
Elemente :Elements :
Position Basenpaar 861 bis 910: attP Erkennungsregion für diePosition base pair 861 to 910: attP recognition region for the
Rekombinase aus ΦC31Recombinase from ΦC31
Position Basenpaar 925 bis 1031: Prpsl6 Promotor aus TabakPosition base pair 925 to 1031: Prpsl6 promoter from tobacco
Position Basenpaar 1040 bis 1060: 5'rbcL (5' untranslatierterPosition base pair 1040 to 1060: 5'rbcL (5 'untranslated
Bereich vom rbcL Gen aus Tabak)Area of the rbcL gene from tobacco)
Position Basenpaar 1076 bis 1879: nptll GenPosition base pair 1076 to 1879: nptll gene
Position Basenpaar 1916 bis 2053: 3'rbcL (3' untranslatierterPosition base pair 1916 to 2053: 3'rbcL (3 'untranslated
Bereich vom rbcL Gen aus Tabak)Area of the rbcL gene from tobacco)
Beispiel 9: Erstellen eines Vektors, der für die Integration mit Hilfe von Rekombinasen in das Piastom von entsprechenden Masterpflanzen geeignet ist und einen Schnitt durch ein DSBI-Enzym ermöglichtExample 9: Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of corresponding master plants and which enables a cut by a DSBI enzyme
Sukzessive wurden die verschiedenen Elemente, die für einen solchen Vektor notwendig sind in das Rückgrat des pBLUESCRIPT kloniert. Die angegebene Sequenz ersetzt die multiple Klonierungsstelle des pBLUESCRIPT von Kpnl bis Sacl, wobei die Kpnl Schnittstelle in der angegebenen Sequenz aufgrund der Klonierungsstelle nicht mehr funktionell vorhanden ist. Das Rückgrat des Vektors entspricht dem des pBLUESCRIPT. Der erhaltene Vektor wurde mit pCB384-40 bezeichnet. Das Insert ist durch SEQ ID NO: 49 beschrieben und umfasst nachfolgende Elemente: i) Position Basenpaar 70 bis 765: homologe Region zu Piastomsequenzen in den Masterpflanzen CB199NTH - nach der Integration der hier betrachteten Insertionssequenz mittels PhiC31 Rekombinase liegt dieser Bereich dupliziert als direkter "repeat" (gleiche Orientierung) zu den homologen Sequenzen aus CB199NTH vor. Dies erlaubt die intrachro- mosomale Rekombination nach der Insertion der Insertionssequenz, was zur Eliminierung der I-Ppol Erkennungsregion aus den bereits durch Insertion modifizierten Piastomkopien führt. Darin enthalten komplimentär von Basenpaar 70 bisThe various elements necessary for such a vector were successively cloned into the backbone of pBLUESCRIPT. The specified sequence replaces the multiple cloning site of pBLUESCRIPT from Kpnl to Sacl, the Kpnl interface no longer being functionally present in the specified sequence due to the cloning site. The backbone of the vector corresponds to that of the pBLUESCRIPT. The vector obtained was designated pCB384-40. The insert is described by SEQ ID NO: 49 and comprises the following elements: i) Position base pair 70 to 765: homologous region to piastome sequences in the master plants CB199NTH - after integration of the insertion sequence under consideration here using PhiC31 recombinase, this region is duplicated as a direct "repeat" (same orientation) to the homologous sequences from CB199NTH. This allows the intrachromosomal recombination after the insertion of the insertion sequence, which leads to the elimination of the I-Ppol recognition region from the piastom copies already modified by insertion. It contains complementary from base pair 70 to
163 eine 3 'psbA Sequenz und komplimentär von Basenpaar 175 bis 765 ein Anteil vom aadA Gen.163 a 3 'psbA sequence and complementary from base pair 175 to 765 a portion of the aadA gene.
ii) Position Basenpaar 861 bis 910: attP Erkennungsregion für die Rekombinase aus PhiC31ii) Position base pair 861 to 910: attP recognition region for the recombinase from PhiC31
iii) Position Basenpaar 925 bis 1031: Prpsl6 Promotor aus Tabakiii) Position base pair 925 to 1031: Prpsl6 promoter from tobacco
iv) Position Basenpaar 1040 bis 1060: 5'rbcL (5' untranslatier- ter Bereich vom rbcL Gen aus Tabak)iv) position base pair 1040 to 1060: 5'rbcL (5 'untranslated region of the rbcL gene from tobacco)
v) Position Basenpaar 1076 bis 1879: nptll Genv) Position base pair 1076 to 1879: nptll gene
vi) osition Basenpaar 1897 bis 1974: 5 'psbA (5' untranslatier- ter Bereich des psbA Gens aus Tabak)vi) position base pair 1897 to 1974: 5 'psbA (5' untranslated region of the psbA gene from tobacco)
vii) Position Basenpaar 1975 bis 2466: codierende Region für die Homing Endonuklease I-Ppolvii) position base pair 1975 to 2466: coding region for the homing endonuclease I-Ppol
viii) Position Basenpaar 2501 bis 2638: 3'rbcL (3' untranslatierter Bereich des rbcL Gens aus Tabak)viii) position base pair 2501 to 2638: 3'rbcL (3 'untranslated region of the rbcL gene from tobacco)
Beispiel 10: Transformation von CBl99NTHxCBl93NTH Pflanzen mit PCB249-24Example 10: Transformation of CBl99NTHxCBl93NTH plants with PCB249-24
Zunächst wurde die Insertionssequenz in vitro aus dem Plasmid ausgeschnitten und diese anschließend zirkularisiert. 5 μg der DNA von pCB249-24 wurden dazu mit 10 U Sall (Röche) und 10U Xhol (Röche) in einem 20μl Restriktionsansatz unter den vom Hersteller angegebenen Bedingungen für 2h inkubiert. Anschließend wurde der Ansatz 20 Minuten bei 65°C inkubiert. Über Nacht wurde bei 14°C eine Ligationsreaktion durchgeführt (Zugabe von 5 μl lOx Ligase- puffer, 2U T4-Ligase (Röche) zum Restriktionsansatz und auffüllen auf 50μl mit Wasser) . Unter den gewählten Bedingungen wurde über- wiegend eine Rezirkularisierung der Fragmente beobachtet (nicht gezeigt) . Die DNA wurde aus dem Ligationsansatz mit Hilfe des Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega) auf- gereinigt. Dabei wurde anstelle von Bakterien der Ligationsansatz eingesetzt. Die Elution der DNA erfolgte abweichend vom Herstellerprotokoll in 30 μl (anstelle von 50 μl) Wasser. Die so auf- gereinigte DNA wurde in einen Coating-Ansatz wie unter Beispiel 4 beschrieben eingesetzt (es wurden dann entsprechend weniger als die oben angegebenen 55 μl Wasser eingesetzt) .The insertion sequence was first cut out of the plasmid in vitro and then circularized. 5 μg of the DNA from pCB249-24 were incubated for 2 hours with 10 U Sall (Röche) and 10U Xhol (Röche) in a 20 μl restriction mixture under the conditions specified by the manufacturer. The mixture was then incubated at 65 ° C. for 20 minutes. A ligation reaction was carried out at 14 ° C. overnight (addition of 5 μl lOx ligase buffer, 2U T4 ligase (Röche) to the restriction mixture and make up to 50 μl with water). Recircularization of the fragments was predominantly observed under the chosen conditions (not shown). The DNA was extracted from the ligation mixture using the Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega). cleaned. The ligation approach was used instead of bacteria. In contrast to the manufacturer's protocol, the DNA was eluted in 30 μl (instead of 50 μl) of water. The DNA purified in this way was used in a coating mixture as described in Example 4 (less than the 55 μl of water specified above was then used).
Die DNA wurde sodann wie unter Beispiel 4 beschrieben auf Tabak (Nicotiana tabacum cv. Petit Havanna CB199NTH X CB193NTH) Blätter geschossen. Abweichend zu den Angaben in Beispiel 4 erfolgt die Selektion auf 30, 50 oder 100 mg/L Kanamycin.The DNA was then shot onto tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana CB199NTH X CB193NTH) leaves as described in Example 4. In contrast to the information in Example 4, the selection is made for 30, 50 or 100 mg / L kanamycin.
Beispiel 12: Transformation von CB199NTHxCBl93NTH Pflanzen mit PCB384-40Example 12: Transformation of CB199NTHxCBl93NTH plants with PCB384-40
Zunächst wurde die Insertionssequenz in vitro aus dem Plasmid ausgeschnitten und diese anschließend zirkularisiert. 5 μg der DNA von pCB384-40 wurden dazu mit 10 U Sall (Röche) und 10U Xhol (Röche) in einem 20μl Restriktionsansatz unter den vom Hersteller angegebenen Bedingungen für 2h inkubiert. Anschließend wurde der Ansatz 20 Minuten bei 65°C inkubiert. Über Nacht wurde bei 14°C eine Ligationsreaktion durchgeführt (Zugabe von 5μl lOx Ligase- puffer, 2U T4-Ligase (Röche) zum Restriktionsansatz und auffüllen auf 50 μl mit Wasser) . Unter den gewählten Bedingungen wurde überwiegend eine Rezirkularisierung der Fragmente beobachtetThe insertion sequence was first cut out of the plasmid in vitro and then circularized. 5 μg of the DNA from pCB384-40 were incubated with 10 U Sall (Röche) and 10U Xhol (Röche) in a 20 μl restriction mixture under the conditions specified by the manufacturer for 2 h. The mixture was then incubated at 65 ° C. for 20 minutes. A ligation reaction was carried out at 14 ° C. overnight (addition of 5 μl lOx ligase buffer, 2U T4 ligase (Röche) to the restriction mixture and make up to 50 μl with water). Recircularization of the fragments was predominantly observed under the chosen conditions
(nicht gezeigt) . Die DNA wurde aus dem Ligationsansatz mit Hilfe des Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega) aufgereinigt. Dabei wurde anstelle von Bakterien der Ligationsansatz eingesetzt. Die Elution der DNA erfolgte abweichend vom Her- Stellerprotokoll in 30 μl (anstelle von 50 μl) Wasser. Die so aufgereinigte DNA wurde in einen Coating-Ansatz wie unter Beispiel 4 beschrieben eingesetzt (es wurden dann entsprechend weniger als die oben angegebenen 55 μl Wasser eingesetzt) . Die DNA wurde sodann wie unter Beispiel 4 beschrieben auf Tabak (Nicotiana tabacum cv. Petit Havanna CB199NTH X CB193NTH) Blätter geschossen. Abweichend zu den Angaben in Beispiel 4 erfolgt die Selektion auf 30, 50 oder 100 mg/L Kanamycin.(Not shown) . The DNA was purified from the ligation mixture using the Wizard Plus Minipreps DNA Purification System (Promega). The ligation approach was used instead of bacteria. In contrast to the manufacturer's protocol, the DNA was eluted in 30 μl (instead of 50 μl) of water. The DNA purified in this way was used in a coating mixture as described in Example 4 (less than the 55 μl of water specified above was then used). The DNA was then shot onto tobacco (Nicotiana tabacum cv. Petit Havana CB199NTH X CB193NTH) leaves as described in Example 4. In contrast to the information in Example 4, the selection is made for 30, 50 or 100 mg / L kanamycin.
Beispiel 13: Erstellen eines weiteren Vektors (pCB456-2) für die Einbringung einer nicht natürlicherweise vorkommendenExample 13: Creating another vector (pCB456-2) for the introduction of a non-naturally occurring one
Erkennungsregion für die Homing Endonuklease I-Ppol und RE-Sequenzen (attB) für die Rekombinasen φC31 und TP901-1 in das Piastom von TabakDetection region for the homing endonuclease I-Ppol and RE sequences (attB) for the recombinases φC31 and TP901-1 in the piastome of tobacco
Ziel dieses Ansatzes war es (analog zu Beispiel 3) einen weiteren Vektor für die Plastidentransformation zu erstellen, welcher keine umfassenden Homologien zu Sequenzen im Plastidengenom besitzt . Der Selektionsmarker aadA ist in diesem Plasmid unter Kontrolle eines synthetischen Promotors, der abgeleitet ist von der Konsensus Sequenz für E. coli σ70 Promotoren. Als 3'Ende wurde ein Bereich stromabwärts des 3'psbA-l Gens aus Synecho- cystis genutzt. Im Unterschied zu dem bereits beschriebenen Vektor pCB199-3 wurde hier die RE-Sequenz direkt stromabwärts des aadA Gens, aber stromaufwärts der 3λpsbA-l Sequenz aus Synechocystis in das Molekül eingeführt. Damit kann man nach Insertion einer Insertionssequenz mit Hilfe einer Rekombinase ein Operon erstellen. Die Gene auf der Insertionssequenz können dann - optional - ohne Promotor auf der Insertionssequenz insertiert werden. Nach der Insertion gelangen entsprechende Gene der Insertionssequenz dann auch unter Kontrolle des synthetischen Promotors stromaufwärts des aadA Gens in der Masterpflanze. Dadurch kann man - optional - eine Operon Struktur bestehend aus dem aadA und den nachfolgend eingeführten Genen im Piastom erzeugen.The aim of this approach (analogously to example 3) was to create a further vector for plastid transformation which did not have any comprehensive homologies to sequences in the plastid genome owns. The selection marker aadA in this plasmid is under the control of a synthetic promoter, which is derived from the consensus sequence for E. coli σ70 promoters. A region downstream of the 3'psbA-1 gene from Synechocystis was used as the 3 'end. In contrast to the previously described vector pCB199-3 the RE sequence was located immediately downstream, but upstream introduced 3 psbA l λ sequence from Synechocystis in the molecule of the aadA gene which here. This allows you to create an operon after inserting an insertion sequence using a recombinase. The genes on the insertion sequence can then - optionally - be inserted without a promoter on the insertion sequence. After the insertion, corresponding genes in the insertion sequence then also come under the control of the synthetic promoter upstream of the aadA gene in the master plant. This allows - optionally - to create an operon structure consisting of the aadA and the genes introduced below in the piastom.
Zur Herstellung des Plasmides pCB456-2 wurden sukzessive verschiedene Elemente in den Basisvektor pCB42-94 kloniert:To create the plasmid pCB456-2, various elements were successively cloned into the base vector pCB42-94:
a) Synthetischer Promotor (komplementär bp 1226-1260) b) Ribosomenbindestelle (komplementär bp 1214-1218) c) aadA Gen (komplementär bp 414-1208) d) Core-Erkennungsregion für die Homing Endonuklease I-Ppol (komplementär bp 331-345) e) attB RE-Sequenz für die Rekombinasen φC31 (bp 285-324) und TP901-1 (komplementär bp 276-176) f) 3'psbA-l aus Synechocystis (komplementär bp 19-155)a) Synthetic promoter (complementary bp 1226-1260) b) Ribosome binding site (complementary bp 1214-1218) c) aadA gene (complementary bp 414-1208) d) Core recognition region for the homing endonuclease I-Ppol (complementary bp 331-345 ) e) attB RE sequence for the recombinases φC31 (bp 285-324) and TP901-1 (complementary bp 276-176) f) 3'psbA-l from Synechocystis (complementary bp 19-155)
Der so erhaltene Vektor vermittelt auch in E. coli eine Spectinomycin Resistenz. Anstelle der multiplen Klonierungsstelle im Basisvektor pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) für die Plastidentransformation enthält dieser Vektor mit der Bezeichnung pCB456-2 die aufgeführten Elemente im Rahmen der Nukleinsäuresequenz mit der SEQ ID NO: 50. Auch hier ist die gesamte MCS ersetzende Sequenz (von Sacl bis Kpnl) angegeben.The vector obtained in this way also conferred spectinomycin resistance in E. coli. Instead of the multiple cloning site in the base vector pCB42-94 (SEQ ID NO: 1) for the plastid transformation, this vector called pCB456-2 contains the elements listed within the framework of the nucleic acid sequence with SEQ ID NO: 50. Here too, the entire MCS is replacing Sequence (from Sacl to Kpnl) given.
Beispiel 14: Erstellen von überwiegend homotransplastomen Master- pflanzen, die eine nicht natürliche DSB-Erkennungssequenz und nicht natürliche RE-Sequenzen (attB) enthaltenExample 14: Creation of predominantly homotransplastomic master plants which contain a non-natural DSB recognition sequence and non-natural RE sequences (attB)
Analog zu pCB199-3 in Beispiel 4 wurde der Vektor pCB456-2 in die Plastiden von Tabak eingebracht. Abweichend von der Beschreibung in Beispiel 4 wurden die erhaltenen Sprosse jedoch auf Anzuchtmedium, welches 30 g/L Saccharose enthielt (anstelle der in Bei- spiel 4 angegebenen 10 g/L), kultiviert. Die resultierenden Pflanzen wurden mit CB456NTH bezeichnet. Mittels Southern- Hybridisierung wurden von den Spectinomycin resistenten Pflanzen, die nach der Transformation erhalten wurden, 2 Linien (CB456NTH-1 und -15) identifiziert, die die Insertionssequenz aus pCB456-2 in ihr Piastom eingebaut haben. In dem Southern-Experiment wurde eine Sonde genutzt (SEQ ID NO: 58) , welche gegen ein Fragment der 16SrDNA gerichtet war. Diese Sonde war geeignet, um aus mit EcoRI verdauter DNA, die dem Wildtyp entspricht, ein Fragment von etwa 3,1 kb nachzuweisen. Im Gegensatz dazu wurde ein etwa 1,7 kb großes Fragment detektiert, wenn in die entsprechenden Piastomkopien die Insertionssequenz aus pCB456-2 eingebaut worden war (siehe Fig. 11) .Analogously to pCB199-3 in Example 4, the vector pCB456-2 was introduced into the plastids of tobacco. Deviating from the description in Example 4, however, the shoots obtained were grown on growth medium which contained 30 g / L sucrose (instead of the game 4 specified 10 g / L), cultivated. The resulting plants were named CB456NTH. Southern hybridization identified 2 lines (CB456NTH-1 and -15) from the spectinomycin-resistant plants which were obtained after the transformation and which had inserted the insertion sequence from pCB456-2 into their piastome. In the Southern experiment, a probe was used (SEQ ID NO: 58) which was directed against a fragment of the 16SrDNA. This probe was suitable for detecting a fragment of approximately 3.1 kb from DNA which had been digested with EcoRI and which corresponds to the wild type. In contrast, an approximately 1.7 kb fragment was detected when the insertion sequence from pCB456-2 had been inserted into the corresponding piastom copies (see FIG. 11).
Beispiel 15: Erstellen einer Sequenz der TP901-1 Rekombinase mit modifizierter AminosäuresequenzExample 15: Creating a sequence of the TP901-1 recombinase with a modified amino acid sequence
Mit pCBl27-2 als Matrize und den Oligonukleotiden p354 (SEQ ID NO: 51) sowie p355 (SEQ ID NO: 52) als Primer wurde eine PCR-Reaktion durchgeführt, um eine Ribosomoenbindestelle stromaufwärts der für die TP901-1 Rekombinase kodierenden Sequenz einzubauen und die beschriebene Abweichung in der Aminosäuresequenz (siehe Beispiel 5.2) zu korrigieren. Der amplifizierte 5V Bereich der Rekombinase wurde in pCR4Blunt TOPO (Invitrogen) kloniert und anschließend als Spel\HindiII Fragment in den mit Xbal und Hindlll behandelten Vektor pCB127-2 ligiert. Der resultierende Vektor wurde pCB487-20 genannt. Das Insert in diesem Vektor wird durch SEQ ID NO: 60 beschrieben. Er umfasst eine Ribosomenbmdestelle und kodiert für die TP901-1 Rekombinase (mit nativer Aminosäuresequenz; SEQ ID NO: 61).A PCR reaction was carried out with pCBl27-2 as the template and the oligonucleotides p354 (SEQ ID NO: 51) and p355 (SEQ ID NO: 52) as the primer, in order to insert a ribosome binding site upstream of the sequence coding for the TP901-1 recombinase and correct the described deviation in the amino acid sequence (see Example 5.2). The amplified 5 V region of the recombinase was cloned into pCR4Blunt TOPO (Invitrogen) and then ligated as a Spel \ HindiII fragment into the vector pCB127-2 treated with Xbal and HindIII. The resulting vector was named pCB487-20. The insert in this vector is described by SEQ ID NO: 60. It includes a ribosome site and codes for the TP901-1 recombinase (with a native amino acid sequence; SEQ ID NO: 61).
p354 : 5 ' -CGGATCCGGAGGCATCATGACTAAGAAAGTAGCAATCTATACACG-3 ' (SEQ ID NO: 51)p354: 5 '-CGGATCCGGAGGCATCATGACTAAGAAAGTAGCAATCTATACACG-3' (SEQ ID NO: 51)
p355: 5 ' -ATAAGCTTTATTCTCGATATCG-3 ' (SEQ ID NO: 52)p355: 5 '-ATAAGCTTTATTCTCGATATCG-3' (SEQ ID NO: 52)
Beispiel 16: Erstellen eines Vektors, der für die Integration mit Hilfe von Rekombinasen in das Piastom von Masterpflanzen CB456NTH geeignet ist und zusätzlich einen Schnitt durch ein DSBI-Enzym ermöglichtExample 16: Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of master plants CB456NTH and additionally enables a cut by a DSBI enzyme
Sukzessive wurden die verschiedenen Elemente, die für einen solchen Vektor notwendig sind, in das Rückgrat des pBLUESCRIPT kloniert. Die angegebene Sequenz ersetzt die multiple Klonierungs- stelle des pBLUESCRIPT von Kpnl bis Sacl. Das Rückgrat des Vektors entspricht dem des pBLUESCRIPT. Der erhaltene Vektor wurde mit pCB557-l bezeichnet. Das Insert wird durchThe various elements required for such a vector were successively cloned into the backbone of pBLUESCRIPT. The sequence given replaces the multiple cloning site of pBLUESCRIPT from Kpnl to Sacl. The backbone of the vector corresponds to that of the pBLUESCRIPT. The vector obtained was designated pCB557-l. The insert is through
SEQ ID No: 53 beschrieben und umfasst nachfolgende Elemente:SEQ ID No: 53 and includes the following elements:
a) Position Basenpaar 150-460: homologe Region zu Plastom- Sequenzen der Masterpflanze CB456NTH - nach der Integration der hier betrachteten Insertionssequenz mittels ΦC31 oder TP901 Rekombinase liegt dieser Bereich dupliziert als direkter „repeat" (gleiche Orientierung) zu den homologen Sequenzen aus CB456NTH vor. Dies erlaubt die intrachromo- somale Rekombination nach der Insertion der Insertionssequenz, was zur Eliminierung der I-Ppol Erkennungsregion aus den bereits durch Insertion modifizierten Piastomkopien der Masterpflanze führt. In dieser Region homolog zu Sequenzen in CB456NTH enthalten sind von Basenpaar 150-244 (komplementär) Teile des offenen Leserahmens 131 (0RF131) sowie von Basenpaar 337-431 das trnV Gen aus dem Tabakpiastom der Masterpflanzen. b) attP Region der TP901 Rekombinase (bp 7-85) c) attP Region der φC3lRekombinase (komplementär bp 96-145) d) Synthetischer Promotor (bp 462-495) e) Ribosomenbindestelle (bp 514-518) f) nptll Gen (bp 523-1326) g) Ribosomenbindestelle (bp 1333-1337) h) I-Ppol codierendes Gen (bp 1342-1833) Beispiel 17 Erstellen eines Vektors, der für die Integration mit Hilfe von Rekombinasen in das Piastom von Masterpflanzen CB456NTH geeignet ist und keinen zusätzlichen Schnitt durch ein DSBI-Enzym ermöglichta) Position base pair 150-460: homologous region to plastome sequences of the master plant CB456NTH - after integration of the insertion sequence considered here using mittelsC31 or TP901 recombinase, this region is duplicated as a direct “repeat” (same orientation) to the homologous sequences from CB456NTH This allows intrachromosomal recombination after insertion of the insertion sequence, which leads to the elimination of the I-Ppol recognition region from the plastom copies of the master plant which have already been modified by insertion. In this region homologous to sequences contained in CB456NTH are from base pair 150-244 (complementary ) Parts of the open reading frame 131 (0RF131) and base pair 337-431 the trnV gene from the tobacco piastome of the master plants. B) attP region of the TP901 recombinase (bp 7-85) c) attP region of the φC3l recombinase (complementary bp 96-145) d) Synthetic promoter (bp 462-495) e) Ribosome binding site (bp 514-518) f) nptll gene (bp 523-1326) g) ribosomes binding site (bp 1333-1337) h) I-Ppol coding gene (bp 1342-1833) Example 17 Creation of a vector which is suitable for integration with the aid of recombinases into the piastome of master plants CB456NTH and does not require an additional section through a DSBI Enzyme enables
Zum Vergleich zu pCB557-l wurde ein Vektor erstellt, dessenFor comparison to pCB557-l, a vector was created, the
Insertionssequenz für kein funktionelles DSBI-Enzym mehr kodiert. Dieser Vektor wurde wie folgt erstellt. Vektor pCB557-l wurde mit dem Restriktionsenzym Eco0109l behandelt. Dadurch wurde ein 230 bp Fragment aus dem Gen kodierend für die Homing-Endonuklease I-Ppol entfernt. Der verbleibende Vektoranteil wurde in einer Ligationsreaktion wieder rezirkularisiert. Der resultierende Vektor wurde pCB559-6 genannt.Insertion sequence no longer encoded for a functional DSBI enzyme. This vector was created as follows. Vector pCB557-l was treated with the restriction enzyme Eco0109l. This removed a 230 bp fragment from the gene coding for the homing endonuclease I-Ppol. The remaining vector portion was recircularized in a ligation reaction. The resulting vector was named pCB559-6.
Beispiel 15 Erstellen eines Vektors zur transienten Expression der φC31 Rekombinase in PlastidenExample 15 Creation of a vector for the transient expression of the φC31 recombinase in plastids
Um die φC31-Rekombinase transient in Plastiden exprimieren zu können, wurde diese in dem Vektor pCB554-3 stromabwärts eines synthetischen Promotors kloniert. Im Vektor pCB554-3 sind die folgenden funktionellen Elemente vorhanden. a) Synthetischer Promotor (bp 28-62) b) Ribosomenbindestelle (bp 70-74) c) Gen kodierend für die ΦC31 Rekombinase (bp 79-1920)In order to be able to transiently express the φC31 recombinase in plastids, it was cloned in the vector pCB554-3 downstream of a synthetic promoter. The following functional elements are present in the vector pCB554-3. a) Synthetic promoter (bp 28-62) b) Ribosome binding site (bp 70-74) c) Gene coding for the ΦC31 recombinase (bp 79-1920)
Das Insert in pCB554-3 ist durch SEQ ID NO: 54 beschrieben. Das Vektorrückgrat entspricht dem des pBLUESCRIPT.The insert in pCB554-3 is described by SEQ ID NO: 54. The vector backbone corresponds to that of the pBLUESCRIPT.
Beispiel 16: Erstellen eines in vi tro PCR-Produktes zur transien- ten, plastidären Expression der TP901-RekombinaseExample 16: Creation of an in vitro PCR product for the transient, plastid expression of the TP901 recombinase
Das Gen kodierend für die TP901-1 Rekombinase aus pCB487-20 wurde in geeigneter Orientierung mit einem synthetischen Promotor fusioniert. Anschließend wird das Fusionsprodukt mittels PCR amplifiziert; das entstehende Produkt wird mit PCR TP-Rek bezeichnet. Die in der PCR einzusetzenden Primer p268The gene coding for the TP901-1 recombinase from pCB487-20 was fused with a synthetic promoter in a suitable orientation. The fusion product is then amplified by means of PCR; the resulting product is called PCR TP-Rek. The primers p268 to be used in the PCR
(SEQ ID NO: 55) und p72 (SEQ ID NO: 56) haben die Sequenz:(SEQ ID NO: 55) and p72 (SEQ ID NO: 56) have the sequence:
p268: TCGACTTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACATG (SEQ ID NO: 55) p72: CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 56)p268: TCGACTTGACATTCACTCTTCAATTATCTATAATGATACATG (SEQ ID NO: 55) p72: CCTCGAGCTGCAGTTAAGCGAGTTGG (SEQ ID NO: 56)
Das resultierende PCR Produkt (TP-Rek) umfasst 1527 bp (SEQ ID NO: 57) und umfasst folgende Elemente:The resulting PCR product (TP-Rek) comprises 1527 bp (SEQ ID NO: 57) and comprises the following elements:
a) Synthetischer Promotor (bp 6-40) b) Ribosomenbindestelle (bp 48-52) c) Gen kodierend für die TP901 Rekombinase (bp 57-1514)a) Synthetic promoter (bp 6-40) b) Ribosome binding site (bp 48-52) c) Gene coding for the TP901 recombinase (bp 57-1514)
Beispiel 17: Transformationen von CB456NTH Masterpflanzen zur Integration einer Insertionssequenz mittels Erkennungsstellen-spezifischer RekombinationExample 17: Transformations of CB456NTH master plants for the integration of an insertion sequence by means of recognition site-specific recombination
In diesen Versuchen soll die Insertionssequenz oder das gesamte Insertionskonstrukt durch die transiente Expression der Rekombinase in Plastiden in die Piastomsequenz der Masterpflanzen CB456NTH eingebaut werden. Das Aufbringen der entsprechenden DNA auf die Goldpartikel erfolgt analog zu Beispiel 4. Folgende Kombinationen von DNA werden jeweils gleichzeitig in die Plastiden der Masterpflanzen CB456NTH eingebracht. Wird nur die Insertionssequenz in die Plastiden eingebracht, wird diese zunächst wie in Beispiel 12 beschrieben in vitro aus dem Insertionskonstrukt heraus geschnitten (im Fall von pCB559-6 und pCB557-l erfolgt dies mit Hilfe der Restriktionsendonuklease Kpnl) und zirkularisiert. Wird das gesamte, unbehandelte Insertionskonstrukt in der Transformation eingesetzt, wird auch das Vektorrückgrat in die Plastiden eingebaut.
Figure imgf000105_0001
In these experiments, the insertion sequence or the entire insertion construct is to be incorporated into the plastome sequence of the master plants CB456NTH by the transient expression of the recombinase in plastids. The corresponding DNA is applied to the gold particles analogously to Example 4. The following combinations of DNA are introduced simultaneously into the plastids of the master plants CB456NTH. If only the insertion sequence is introduced into the plastids, this is first cut out of the insertion construct in vitro as described in Example 12 (in the case of pCB559-6 and pCB557-l this is done with the help of the restriction endonuclease Kpnl) and circularized. If the entire, untreated insertion construct is used in the transformation, the vector backbone is also incorporated into the plastids.
Figure imgf000105_0001
Der Transformationsprozess mittels Partikelkanone erfolgt im wesentlichen wie in Beispiel 14 für die Erstellung von CB456NTH beschrieben. Als wesentliche Unterschiede zu der obigen Beschreibung wird das Beschussmedium durch Regenerationsmedium ersetzt und anstelle von Spectomycin wird Kanamycin als selektives Agens genutzt. In Kürze: Die beschossenen Explantate verbleiben für 2 Tage auf Regenerationsmedium und werden anschließend in etwa 0,5 cm2 große Segmente zerschnitten. Diese werden für 4 bis 6 Wochen auf Regenerationsmedium zuzüglich 30mg/L Kanamycin inkubiert. Anschließend werden die Explantate für 7 bis 10 Wochen auf Regenerationsmedium zuzüglich 50 mg/L Kanamycin inkubiert. Danach werden die Explantate - optional - auf Regenerationsmedium zuzüglich 80mg/L Kanamycin inkubiert. Entstehende Pflanzen werden wiederum auf Anzuchtmedium (zuzüglich Kanamycin) gesetzt bis sie Wurzeln bilden. Die Bewurzelung kann ggf. auch in Abwesenheit des selektiven Agenz erfolgen. The particle cannon transformation process is essentially as described in Example 14 for the creation of CB456NTH. As a major difference from the above description, the bombardment medium is replaced by regeneration medium and instead of spectomycin, kanamycin is used as a selective agent. In brief: The bombarded explants remain on regeneration medium for 2 days and are then cut into segments of approximately 0.5 cm2. These are incubated for 4 to 6 weeks on regeneration medium plus 30 mg / L kanamycin. The explants are then incubated for 7 to 10 weeks on regeneration medium plus 50 mg / L kanamycin. The explants are then - optionally - incubated on regeneration medium plus 80 mg / L kanamycin. Emerging plants are again placed on growth medium (plus kanamycin) until they form roots. Rooting can also take place in the absence of the selective agent.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur sequenzspezifischen Integration einer DNA- Sequenz in die plastidäre DNA eines pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleitete Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass1. A method for the sequence-specific integration of a DNA sequence into the plastid DNA of a plant organism or cells derived therefrom, characterized in that
a) die plastidären DNA-Moleküle des besagten pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleitete Zelle mindestens eine Rekombinaseerkennungssequenz Rl enthalten unda) the plastid DNA molecules of said plant organism or cell derived therefrom contain at least one recombinase recognition sequence R1 and
b) i) mindestens ein Transformationskonstrukt umfassend eine Insertionssequenz zumindest einseitig flankiert von mindestens einer weiteren Rekombinationssequenzb) i) at least one transformation construct comprising an insertion sequence flanked at least on one side by at least one further recombination sequence
R2 sowieR2 as well
ii) mindestens eine sequenzspezifische Rekombinase geeignet zur Induktion von Rekombinationsereignissen an besagten Rekombinationssequenzen Rl und R2ii) at least one sequence-specific recombinase suitable for inducing recombination events on said recombination sequences R1 and R2
in mindestens einem Plastid besagten pflanzlichen Organismus oder von diesem abgeleiteten Zellen zusammengebracht werden, undin at least one plastid of said plant organism or cells derived therefrom, and
c) die Insertionssequenz in die plastidäre DNA unter Rekombination von Rl mit R2 insertiert, undc) the insertion sequence is inserted into the plastidic DNA with recombination of R1 with R2, and
d) Pflanzen oder Zellen isoliert werden, bei denen die Insertionssequenz in die plastidären DNA-Moleküle insertiert wurde.d) plants or cells are isolated in which the insertion sequence has been inserted into the plastid DNA molecules.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalität der durch Rekombination von Rl mit R2 ent- stehenden Rekombinationssequenzen so vermindert wird, dass die Insertion der Insertionssequenz gegenüber der Excision derselben um mindestens den Faktor zehn bevorzugt ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the functionality of the recombination sequences resulting from recombination of R1 with R2 is reduced so that the insertion of the insertion sequence is preferred to the excision thereof by at least a factor of ten.
Zeichn. Sign.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Transformationskonstrukt mindestens eines der nachfolgenden Elemente beinhaltet3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the transformation construct contains at least one of the following elements
i) Expressionskassette für eine Rekombinasei) Expression cassette for a recombinase
ii) Positiven Selektionsmarkernii) Positive selection markers
iii) Negativen Selektionsmarkerniii) negative selection markers
iv) Reportergeneniv) reporter genes
v) Replikationsursprüngenv) Origins of replication
vi) Multiple Klonierungsregionenvi) Multiple cloning regions
vii) "Border"-Sequenzen für Agrobakterium-Transfektionvii) "Border" sequences for Agrobacterium transfection
viii) Sequenzen, die eine homologe Rekombination bzw. Insertion in das Genom eines Wirtsorganismus ermöglichenviii) sequences which enable homologous recombination or insertion into the genome of a host organism
ix) Expressionskassette für ein Enzym, geeignet zur Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen an der Erkennungssequenz zur gezielten Induktion vonix) Expression cassette for an enzyme, suitable for the induction of DNA double-strand breaks on the recognition sequence for the targeted induction of
DNA-Doppe1strangbrüchenDNA Doppe1strangbrüchen
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinase ausgewählt ist aus der Gruppe der Rekombinasen bestehend aus Cre, Flp, ΦC31 Rekombinase, TP901-1 Rekombinase, Gin, Cin, Pin, λ-Rekombinase, R4 Integrase und Hin Invertase.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the recombinase is selected from the group of recombinases consisting of Cre, Flp, ΦC31 recombinase, TP901-1 recombinase, gin, Cin, pin, λ recombinase, R4 integrase and Hin Invertase.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Rekombinase als Fusionsprotein mit einer5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the recombinase as a fusion protein with a
Plastidenlokalisationssequenz exprimiert wird.Plastid localization sequence is expressed.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinase kodiert ist durch eine Sequenz gemäß SEQ ID NO: 41, 42, 46 oder 47.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the recombinase is encoded by a sequence according to SEQ ID NO: 41, 42, 46 or 47.
7. Expressionskassette enthaltend eine Nukleinsäuresequenz kodierend für eine Rekombinase ausgewählt aus der Gruppe der Resolvasen/Invertasen unter Kontrolle eines in pflanzlichen Plastiden aktiven Promotors. 7. Expression cassette containing a nucleic acid sequence coding for a recombinase selected from the group of resolvases / invertases under the control of a promoter active in plant plastids.
8. Expressionskassette enthaltend eine Nukleinsäuresequenz kodierend für Fusionsprotein aus einer Plastiden- lokalisationssequenz und einer Rekombinase ausgewählt aus der Gruppe der Resolvasen/Invertasen unter Kontrolle8. Expression cassette containing a nucleic acid sequence coding for fusion protein from a plastid localization sequence and a recombinase selected from the group of resolvases / invertases under control
5 eines im pflanzlichen Zellkern aktiven Promotors.5 a promoter active in the plant cell nucleus.
9. Expressionskassette nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinase ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ΦC31 Rekombinase, R49. Expression cassette according to one of claims 7 or 8, characterized in that the recombinase is selected from the group consisting of ΦC31 recombinase, R4
10 Rekombinase, Hin Rekombinase, TP901-1 Rekombinase, Gin, Cin und Pin.10 recombinase, Hin recombinase, TP901-1 recombinase, gin, cin and pin.
10. Pflanzlicher Organismus erhalten nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.10. Plant organism obtained by a method according to any one of claims 1 to 6.
1515
11. Pflanzlicher Organismus enthaltend eine Expressionskassette gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.11. Plant organism containing an expression cassette according to one of claims 7 to 9.
12. Pflanzlicher Organismus nach einem der Ansprüche 10 oder 11 20 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Arabidopsis thaliana,12. Plant organism according to one of claims 10 or 11 20 selected from the group consisting of Arabidopsis thaliana,
Tabak, Tagetes, Weizen, Roggen, Gerste, Hafer, Raps, Mais, Kartoffel, Zuckerrübe, Soja, Sonnenblume, Kürbis oder Erd- nuss .Tobacco, tagetes, wheat, rye, barley, oats, rapeseed, maize, potatoes, sugar beet, soy, sunflower, pumpkin or peanut.
25 13. Zellkulturen, Organe, Gewebe, Teile oder transgenes Vermehrungsgut abgeleitet von einem pflanzlichen Organismus nach den Ansprüchen 10 bis 12.25 13. Cell cultures, organs, tissues, parts or transgenic reproductive material derived from a plant organism according to claims 10 to 12.
14. Verwendung eines Organismus nach einem der Ansprüche 10 bis 30 12 oder von diesem abgeleitete Zellkulturen, Organe, Gewebe, Teile oder transgenes Vermehrungsgut nach Anspruch 13 als Nahrungs-, Futtermittel oder Saatgut oder zur Herstellung von Pharmazeutika oder Feinchemikalien.14. Use of an organism according to any one of claims 10 to 30 12 or cell cultures, organs, tissues, parts or transgenic reproductive material derived therefrom according to claim 13 as food, feed or seed or for the production of pharmaceuticals or fine chemicals.
3535
4040
45 45
PCT/EP2002/014303 2001-12-20 2002-12-16 Method for the transformation of vegetable plastids WO2003054201A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2002366865A AU2002366865A1 (en) 2001-12-20 2002-12-16 Method for the transformation of vegetable plastids
EP02805324A EP1461439A1 (en) 2001-12-20 2002-12-16 Method for the transformation of vegetable plastids

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10163159 2001-12-20
DE10163159.6 2001-12-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003054201A1 true WO2003054201A1 (en) 2003-07-03

Family

ID=7710299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2002/014303 WO2003054201A1 (en) 2001-12-20 2002-12-16 Method for the transformation of vegetable plastids

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1461439A1 (en)
AR (1) AR037896A1 (en)
AU (1) AU2002366865A1 (en)
WO (1) WO2003054201A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7235711B2 (en) 2002-10-15 2007-06-26 Syngenta Participations Ag Plant cell plastid transformation method using dual selection and producing transplastomic plants without antibiotic resistance genes
WO2008142411A1 (en) * 2007-05-23 2008-11-27 Algentech Limited Improvements in or relating to organic compounds
US7528292B2 (en) 2002-08-06 2009-05-05 Icon Genetics Gmbh Plastid transformation using modular vectors
AU2015202456B2 (en) * 2004-04-06 2017-06-15 Fibria Celulose S/A Cambium/xylem-preferred promoters and uses thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2199399A1 (en) 2008-12-17 2010-06-23 BASF Plant Science GmbH Production of ketocarotenoids in plants

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000011155A1 (en) * 1998-08-19 2000-03-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods and compositions for genomic modification
WO2001007572A2 (en) * 1999-07-23 2001-02-01 The Regents Of The University Of California Dna recombination in eukaryotic cells by the bacteriophage phic31 recombination system
WO2001029241A2 (en) * 1999-10-15 2001-04-26 Calgene Llc Methods and vectors for site-specific recombination in plant cell plastids

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000011155A1 (en) * 1998-08-19 2000-03-02 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods and compositions for genomic modification
WO2001007572A2 (en) * 1999-07-23 2001-02-01 The Regents Of The University Of California Dna recombination in eukaryotic cells by the bacteriophage phic31 recombination system
WO2001029241A2 (en) * 1999-10-15 2001-04-26 Calgene Llc Methods and vectors for site-specific recombination in plant cell plastids

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BOGORAD L: "Engineering chloroplasts: an alternative site for foreign genes, proteins, reactions and products", TRENDS IN BIOTECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 18, no. 6, June 2000 (2000-06-01), pages 257 - 263, XP004203651, ISSN: 0167-7799 *
CORNEILLE SYLVIE ET AL: "Efficient elimination of selectable marker genes from the plastid genome by the CRE-lox site-specific recombination system.", PLANT JOURNAL, vol. 27, no. 2, July 2001 (2001-07-01), pages 171 - 178, XP002236641, ISSN: 0960-7412 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7528292B2 (en) 2002-08-06 2009-05-05 Icon Genetics Gmbh Plastid transformation using modular vectors
AU2003255350B2 (en) * 2002-08-06 2010-10-07 Icon Genetics Gmbh Plastid transformation using modular vectors
US7235711B2 (en) 2002-10-15 2007-06-26 Syngenta Participations Ag Plant cell plastid transformation method using dual selection and producing transplastomic plants without antibiotic resistance genes
AU2015202456B2 (en) * 2004-04-06 2017-06-15 Fibria Celulose S/A Cambium/xylem-preferred promoters and uses thereof
WO2008142411A1 (en) * 2007-05-23 2008-11-27 Algentech Limited Improvements in or relating to organic compounds

Also Published As

Publication number Publication date
AR037896A1 (en) 2004-12-09
AU2002366865A1 (en) 2003-07-09
EP1461439A1 (en) 2004-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1458875A2 (en) Methods for the transformation of vegetal plastids
EP1407034B1 (en) Recombination systems and a method for removing nucleic acid sequences from the genome of eukaryotic organisms
Ebinuma et al. Systems for the removal of a selection marker and their combination with a positive marker
US5501967A (en) Process for the site-directed integration of DNA into the genome of plants
AU2019285085B2 (en) Methods for improving genome engineering and regeneration in plant II
AU2019285083B2 (en) Methods for improving genome engineering and regeneration in plant
EP3735464B1 (en) Regeneration of genetically modified plants
DE69635955T2 (en) IMPROVED INSTALLATION OF EXOGENERIC DNA IN PLANT CELLS
EP0911412B1 (en) Vector for gene transfer into plant allowing optional deletion of marker gene
JP4603882B2 (en) Transgenic plants with controlled trait distribution to offspring
WO2003054201A1 (en) Method for the transformation of vegetable plastids
CN112672640A (en) Compositions and methods for transferring biomolecules to injured cells
CN112689678B (en) Virus-based replicon for editing genome without inserting replicon in genome of plant and use thereof
EP0436007B1 (en) Process for the site-directed integration of dna into the genome of plants
Afolabi Status of clean gene (selection marker-free) technology
WO2003008596A2 (en) Expression cassettes for transgenically expressing selection markers
Meynard et al. Thirty years of genome engineering in rice: From gene addition to gene editing
US8841511B2 (en) Removal of plastid sequences by transiently expressed site-specific recombinases
CA3112164C (en) Virus-based replicon for plant genome editing without inserting replicon into plant genome and use thereof
JP2006191906A (en) Plant-transforming vector
Wenck Towards gene targeting in Arabidopsis thaliana

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2002805324

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2002805324

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP