WO2004007732A1 - Cloning and characterization of a lipoxygenase from phaeodactylum tricornutum - Google Patents

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WO2004007732A1
WO2004007732A1 PCT/EP2003/007354 EP0307354W WO2004007732A1 WO 2004007732 A1 WO2004007732 A1 WO 2004007732A1 EP 0307354 W EP0307354 W EP 0307354W WO 2004007732 A1 WO2004007732 A1 WO 2004007732A1
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lipoxygenase
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PCT/EP2003/007354
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Ivo Feussner
Toralf Senger
Cornelia Göbel
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Basf Plant Science Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of hydroperoxy fatty acids by oxidation of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule, in particular by oxidation of polyunsaturated fatty acids such as arachidonic acid or eicosapentaenoic acid.
  • the invention relates to the production of a transgenic organism, preferably a transgenic plant or a transgenic microorganism with an increased content of hydroperoxy fatty acids due to the expression of a lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum.
  • the invention relates to expression cassettes containing a nucleic acid sequence, a vector and organisms containing at least one nucleic acid sequence or an expression cassette.
  • Lipoxygenases (linoleate: oxygen oxidoreductases, EC 1.12.11.13; LOX) are enzymes which are ubiquitously widespread in the animal and animal kingdom [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999]. They contain one non-haem iron atom per mole of enzyme and catalyze the regio- and stereoselective dioxygenation of polyunsaturated fatty acids, whereby their hydroperoxide derivatives are formed in the S configuration [p. Rosahl, Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996].
  • the first lipoxygenase was described by Andre and Hou in 1932 as an enzyme which caused the oxidation of fatty acids and the breakdown of carotenoids [Andre et al., Lieb CR Acad Sei (Paris), 194: 645-647, 1932].
  • the enzymatic activity of lipoxygenases was used in the food industry even before they were discovered.
  • wheat flour was bleached by reacting carotenoids contained therein by lipoxygenases, which were the active ingredient of added soy flour [JN Siedow, Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 42: 145-188, 1991].
  • Lipoxygenases helped to create models which Attempting to explain substrate and position specificity [Feussner et al .; Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, WileyNCH, Weinheim, 2000]. To date, sequences encoding lipoxygenases have been known from over sixty species of plants and animals [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999].
  • a microbial lipoxygenase from the fungus Gaeumannomyces graminis was first isolated [Sugio et al., Lipoxygenase, 2002; WO 02/20730]. In mammals they convert arachidonic acid, among other things, and form the precursors of regulatory compounds, such as leukotrienes and lipoxins, which play an important role in inflammatory and immune reactions [Kühn et al., FEBS Lett, 449: 7-11, 1999]. In plants, the hydroperoxides formed by the lipoxygenases serve as substrates for at least seven enzyme families [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 002].
  • Plant lipoxygenases are enzymes that have a molecular weight between 90 and 115 kDa. They belong to the family of dioxygenases and catalyze the incorporation of molecular oxygen into a (1Z, 4Z) diene system of unsaturated fatty acids [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999]. The resulting hydroperoxides of the fatty acids have an S configuration and have a (1Z, 3E) diene system (FIG. 1).
  • either linoleic acid produces either (13S, 9Z, 11E) -13-hydroperoxy-9,11-octadienoic acid (13-HPODE, [+2] rearrangement) or ( 9S, 10E, 12Z) -9-hydroperoxy-10,12-octadecadienoic acid (9-HPODE, [-2] rearrangement ([Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000], Figure 2).
  • Peroxygenase Route (E. Blee, Prog. Lipid Res., 37: 33-72, 1998] earlier hydroperoxide isomerase): Peroxygenase produces hydroxy, epoxy and ß-hydroxyepoxy fatty acids from the hydroperoxides of the fatty acids. The epoxy groups can be reduced to hydroxyl groups, so that di- and trihydroxy fatty acids are formed [M. Hamberg, J Lipid Mediators Cell Signal,
  • the Allen Oxide Synthase Pathway (AOS, formerly hydroperoxide dehydratase [HW Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]:
  • the Allen oxide synthase belongs to the family of cytochrome P 450 enzymes [Song et al., Proc Natl
  • the hydroperoxide lyase route (HPL, formerly hydroperoxide isomerase [Zimmermann et al., Plant Physiol, 46: 445-453, 1970]: The enzyme is widespread in plants [K. Matsui, Belgian Journal of Botany, 131: 50-62, 1998], also has a cytochrome P 450 and forms the subfamilies CYP74B and CYP74C.
  • the peroxides of linoleic and ⁇ -linolenic acid are converted into the saturated aldehyde hexanal or unsaturated (3Z) aldehydes and ⁇ - Oxo derivatives of fatty acids cleaved [K.
  • Alcohol dehydrogenases can be used to convert the (3Z) -aldehydes into (3Z) -alcohols, which in turn are then used with short-chain Carboxylic acids can form volatile esters, or the aldehydes can be isomerize to their corresponding (2E) aldehydes before they are reduced (see p. 5) .
  • These substances resulting from the HPL reaction are responsible for the characteristic smell of plants and fruits [A. Hatanake, Food Rev Int, 12: 303-
  • DES divinyl ether synthase route
  • the hydroperoxide reductase includes involved in the degradation of polyene fatty acids in the storage lipids in a large number of oilseeds [Feussner et al., Trends
  • Lipoxygenase isoforms are found in most plant cells. However, the expression of lipoxygenase depends on the developmental and environmental conditions of the plant [p. Rosahl, Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996]. They can be soluble or bound to membranes.
  • Soluble lipoxygenases are found, for example, in the cytosol of seedlings and ripening seeds [Vernooy-Gerritsen et al., Plant Physiol, 76: 1070-1080, 1984], in later stages of development, for example in leaves, also in vacuoles [Tranbarger et al., Plant Cell , 3: 973-987, 1991], in the cell nucleus [Feussner et al., Plant J, 7: 949-957, 1995] and in chloroplast [Bell et al., Proc NatI Acad Sei USA, 92: 8675-8676; 1995, Feussner et al., Plant J, 7: 949-957, 1995].
  • the membrane-bound lipoxygenases were also found in the most diverse compartments of the plant cells. They can be found on the plasma membrane [Nellen et al., Z Naturforsch, 50 (c): 29-36, 1995], on the membrane of the lipid bodies of seedlings [Feussner et al., FEBS Lett, 298: 223-225, 1992; Radetzky et al., Planta, 191: 166-172, 1993] and on the envelope and thylakoid membrane of the chloroplasts of leaves, flowers and fruits [Blee et al., Plant Physilogy, 110 (2): 445-454, 1996; Bowsher et al., Plant Physiol, 100: 1802-1807, 1992].
  • the 15-epoxygenases of the vertebrates are known to be involved in the membrane degradation process [Schewe et al., TIBS, 16: 369-373, 1991]. Based on this, plant lipoxygenases are also believed to cause loss of membrane integrity through the conversion of lipids to lipid hydroperoxides [Thompson et al., Prog Lipid Res, 37: 119-141, 1998]. Another hypothesis is that the destruction of the membranes in the seedling enables the transport of storage substances to the embryo [D.F. Hildebrand, Current Topics in Plant Biochemistry and Physiology, 7: 201-219, 1988].
  • Jasmonic acid or its methyl ester appears to be formed as a signal transduction molecule of the lance when wounded or infected with pathogens [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48: 355-381, 1997]. They induce enzymes that are important for a defense response [p. Rosahl et al., Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996].
  • pathogen attack the plants react by activating defense genes, the synthesis of antimicrobial compounds such as phytotoxins, and hypersensitive cell death to develop resistance.
  • lipoxygenases seem to play a role [A. Slusarenko, Lipoxygenase and Lipoxygenase Pathway Enzymes, p. 176-197, 1996, AOCS Press Champaign II].
  • Diatoms are unicellular algae that occur in oceanic and fresh water phytoplankton, but also in biofilms and solid substrates. They are more closely related to brown and gold algae than to green algae, moss and higher plants. In contrast to the latter, diatoms form chrysolaminarin (a ß-1, 3-glucan) instead of starch (a ß-1, 4-glucan). In general, assimilation products such as oils (in special oil vacuoles) as well as chrysolaminarin and volutin are deposited outside the chromatophores f www.kieselalaen.coml. Another point of differentiation is the presence of chlorophyll c instead of chlorophyll b.
  • Chromophores that contain chlorophyll b are called chloroplasts.
  • the chromophores in diatoms are enveloped by four instead of two uniform membranes.
  • the two inner ones are the actual chromatophore membranes, the two outer ones represent a fold of the endoplasmic reticulum.
  • Chromatophores of this blueprint are found not only in Bacillariophyceen (silica layers) but also in Chrysophyceen, Xanthophyceen, Chloromonadophyceen and Phaeophyceen, with which they are combined to form the Heterozziphyta (Chrysophyta), are deposited [www.kieselalQen.com1.
  • Diatoms are the most important primary source in the marine food chain. They also contribute up to 25% globally to the primary production of biomaterial, with a corresponding share in oxygen production [Scala et al., Cell. Mol Life Sei, 58: 1666-1673, 2001]. Due to their outstanding role as a primary marine source, they are under immense herbivorous pressure. Recent research has shown that lipoxygenases are involved in a defense mechanism against herbivorous organisms in phytoplankton [Miralto et al., Nature, 402: 173-176, 1999; Pohnert et al., Nat. Pro, Rep., 19: 108-122, 002].
  • aldehydes which have proven to be the effective defense substances. These aldehydes reduce the success in hatching oar crabs, which make up 90% of phytoplankton. Since most diatoms are surrounded by a highly structured cell wall with embedded silicates, they also play a key role in the bio-geochemical cycle of silicates [Treger et al., Science, 268: 375-379, 1995].
  • Diatoms are used commercially for a variety of purposes, such as forage in all forms of water cultivation, as a source of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) or as a component of pharmaceutical articles [Apt et al., J. Phycol, 35: 215- 226, 1999].
  • PUFAs polyunsaturated fatty acids
  • Phaeodactylum tricornutum a unicellular silica-free algae, is one of the most widely used model systems for studying the ecology, physiology, biochemistry, and molecular biology of diatoms [Apt et al., Mol Gen Genet, 252 (5): 572 -9, 1996]. It differs significantly from higher plants in that up to 30% of the total fatty acid component is the highly unsaturated fatty acid EPA and 11% docosahexanoic acid (DHA) [Schobert et al., Plant Physiol, 66: 215-219, 1980].
  • DHA docosahexanoic acid
  • oxygenated fatty acids As described, oxygenated fatty acids, the so-called oxylipins, are of great importance in the plant wound and defense response.
  • the first step in oxylipin synthesis is the formation of hydroperoxide derivatives of polyunsaturated fatty acids. This leads to the formation of hydroperoxy fatty acids, which are important starting materials for plant biosynthesis and are further implemented through a variety of enzyme reactions. They are, for example, raw materials for jasmonic acid and jasmonic acid methyl ester, which act as phytohormones within the plant.
  • Products of the lipoxygenase reaction are involved, for example, in the regulation of development processes (germination, tuber formation, senescence) through the formation of leaf aldehydes and leaf alcohols or in wound reactions and defense against pathogens through the synthesis of signaling molecules and phytoalexins. They are also involved in the herbal stress response.
  • traumatin and tramatinic acid probably contribute to the wound response by promoting cell division, or jasmonates and their octadecane precursors induce the expression of proteinase inhibitors locally in the damaged tissue after mechanical wounding and insect damage. They are also involved in the synthesis of antimicrobial metabolites.
  • nucleic acid sequences according to the invention which code for polypeptides with lipoxygenase activity, selected from the group: a) a nucleic acid sequence with the sequence shown in SEQ ID NO: 1, b) nucleic acid sequences which result from the degenerate genetic Let codes be derived from the coding sequence contained in SEQ ID NO: 1, or c) derivatives of the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 which are suitable for
  • a lipoxygenase from diatoms advantageously from Phaeodactylum tricornutum, is particularly specific for the conversion of arachidonic acid or eicosapentaenoic acid if they are advantageously expressed in a heterologous system.
  • This lipoxygenase can advantageously be used to produce hydroperoxy fatty acids in plants, non-human animals or microorganisms.
  • the advantageous lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum works in a pH range from 5 to 9, preferably in a pH range from 6 to 8.5, particularly preferably in a pH range from 6.5 to 8, very particularly preferably in a pH - Range from 7 to 8.
  • the pH optimum of the enzymatic reaction is pH 8.2.
  • the lipoxygenase according to the invention shows a regiospecificity for the hydroperoxy formation of linoleic acid at the C atom 13 (13-LOX) and has a chloroplastic signal sequence.
  • ERA arachidonic acid
  • EPA eicosapentaenoic acid
  • derivatives of the nucleic acid molecule according to the invention encode proteins with at least 60%, advantageously with at least 70%, preferably at least 75% and more preferably at least 80%, 85%, 90%, 95% and most preferably at least 96%, 97%, 98%, 99% or more identity to full amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
  • the identity was established over the entire amino acid or. Nucleic acid sequence range calculated.
  • the PileUp program was used for the sequence comparisons (J. Mol. Evolution., 25, 351-360, 1987, Higgins et al., CABIOS, 5 1989: 151-153) or the programs Gap and BestFit [Needleman and Wunsch (J Mol. Biol.
  • the invention also encompasses nucleic acid moles which differ from (and parts of) the nucleotide sequences shown in SEQ ID NO: 1 due to the degenerate genetic code and thus encode the same lipoxygenase as that encoded by the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1.
  • SEQ ID NO: 3 also shows the 5 'and 3' region of the nucleic acid sequence.
  • SEQ ID NO: 4 shows the corresponding protein sequence.
  • lipoxygenase nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 DNA sequence polymorphisms that lead to changes in the amino acid sequences of lipoxygenase may exist within a population. These genetic polymorphisms in the lipoxygenase gene can exist between individuals within a population due to natural variation. These natural variants usually cause a variance of 1 to 5% in the nucleotide sequence of the lipoxygenase gene. All and all of these nucleotide variations and the resulting amino acid polymorphisms in lipoxygenase, which are the result of natural variation and do not change the functional activity of lipoxygenase, are intended to be included in the scope of the invention.
  • polyunsaturated fatty acids are to be understood as meaning double or polyunsaturated fatty acids which have double bonds.
  • the double bonds can be conjugated or non-conjugated.
  • the nucleic acid sequence according to the invention or fragments thereof can advantageously be used to isolate further genomic sequences via homology screening.
  • the derivatives mentioned can advantageously be isolated, for example, from other organisms in eukaryotic organisms such as compounds such as mosses, diatoms or fungi from other diatoms.
  • Allelic variants include, in particular, functional variants which can be obtained by deleting, inserting or substituting nucleotides from the sequence shown in SEQ ID NO: 1, the enzymatic activity of the derived synthesized proteins being retained.
  • DNA sequences can be isolated from other eukaryotes such as those mentioned above starting from the DNA sequence described in SEQ ID NO: 1 or parts of these sequences, for example using conventional hybridization methods or the PCR technique. These DNA sequences hybridize to the sequences mentioned under standard conditions. For the hybridization, it is advantageous to use short oligonucleotides, for example of the conserved regions, which can be determined by comparison with other lipoxygenase genes in a manner known to the person skilled in the art. However, longer fragments of the nucleic acids according to the invention or the complete sequences can also be used for the hybridization.
  • RNA hybrids are approx. 10 ° C lower than those of DNA: RNA hybrids of the same length.
  • DNA hybrids are advantageously 0.1 ⁇ SSC and temperatures between approximately 20 ° C. to 45 ° C., preferably between approximately 30 ° C. to 45 ° C.
  • the hybridization conditions are advantageously 0.1 ⁇ SSC and temperatures between approximately 30 ° C. to 55 ° C., preferably between approximately 45 ° C.
  • homologs of the sequence SEQ ID NO: 1 are furthermore to be understood, for example, as eukaryotic homologs, shortened sequences, single-stranded DNA of the coding and non-coding DNA sequence or RNA of the coding and non-coding DNA sequence.
  • homologs of the sequence SEQ ID NO: 1 are to be understood as derivatives such as promoter variants. These variants can be changed by one or more nucleotide exchanges, by insertion (s) and / or deletion (s), but without the functionality or effectiveness of the promoters being impaired. Furthermore, the effectiveness of the promoters can be increased by changing their sequence, or completely replaced by more effective promoters, including organisms of other species.
  • Derivatives are also advantageously to be understood as variants whose nucleotide sequence in the range -1 to -2000 before the start codon have been changed such that the gene expression and / or the protein expression is changed, preferably increased. Derivatives are also to be understood as variants which have been changed at the 3 'end.
  • nucleic acid sequence (s) according to the invention which code for a lipoxygenase can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural DNA constituents and consist of different heterologous lipoxygenase gene segments from different organisms.
  • synthetic nucleotide sequences with codons are generated which are preferred by the corresponding host organisms, for example plants. This usually leads to optimal expression of the heterogeneous genes.
  • These codons preferred by Rance can be determined from codons with the highest protein frequency, which are expressed in most interesting plant species.
  • Corynebacterium glutamicum is given in: Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20: 2111-2118). Such experiments can be carried out using standard methods and are known to the person skilled in the art.
  • Functionally equivalent sequences which code for the lipoxygenase gene are those derivatives of the sequence according to the invention which, despite a different nucleotide sequence, still have the desired functions, that is to say the enzymatic activity and specific selectivity of the proteins.
  • Functional equivalents thus include naturally occurring variants of the sequences described herein as well as artificial, e.g. artificial nucleotide sequences obtained by chemical synthesis and adapted to the codon use of a lance.
  • artificial DNA sequences are suitable as long as they have the desired property, as described above, for example the synthesis of hydroperoxy fatty acids in oils, lipids or as free fatty acids in the eukaryotic organisms mediate advantageously in the plants by overexpression of the lipoxygenase gene in crop plants.
  • Such artificial DNA sequences can have, for example, back-translation of proteins constructed using molecular modeling, lipoxygenase activity, or can be determined by in vitro selection. Possible techniques for the in vitro evolution of DNA to change or improve the DNA sequences are described in Patten, PA et al., Current Opinion in Biotechnology 8, 724-733 (1997) or in Moore, JC et al., Journal of Molecular Biology 272, 336-347 (1997).
  • Coding DNA sequences which are obtained by back-translating a polypeptide sequence according to the codon usage specific for the host plant are particularly suitable.
  • the specific codon usage can easily be determined by a person skilled in plant genetic methods by computer evaluations of other known genes of the lance to be transformed.
  • Sequences which code for fusion proteins are to be mentioned as further suitable equivalent nucleic acid sequences, part of the fusion protein being a lipoxygenase polypeptide or a functionally equivalent part thereof.
  • the second part of the fusion protein can e.g. be another polypeptide with enzymatic activity or an antigenic polypeptide sequence that can be used to detect lipoxygenase expression (e.g. myc-tag or his-tag).
  • this is preferably a regulatory protein sequence, such as e.g. a signal sequence for the ER or a transit peptide that directs the lipoxygenase protein to the desired site of action.
  • the isolated nucleic acid sequences according to the invention advantageously originate from diatoms such as the Bacillariophyta strain with the classes Centrales, Cosciniodiscophyceae, Fragilariophyceae, Pennales or Bacillariophyceae, preferably from the Centrales or Pennales orders, more preferably from the subordinates Araphidineae, Raphididineaeae, especially Monor preferably from the families Naviculaceae, Cymbellacease, Entomoneidaceae, Nitzschiaceae, Epithemiaceae, Auriculaceae and Surirellaceae or very particularly preferably from the genera Amphora, Cymbella and Phaeodactylum.
  • diatoms such as the Bacillariophyta strain with the classes Centrales, Cosciniodiscophyceae, Fragilariophyceae, Pennales or Bacillariophyceae, preferably from the Centrales or Pennales orders, more preferably from the subordinates Araph
  • nucleic acid sequences originate from the genera and species Phaeodactylum tricornutum, Cymbella microcephala, Cymbella leptoceros, Cymbella naviculiformis, Cymbella prostrata, Cymbella sileslaca, Cymbella sinuata, Cymbella gruidula, Cymbella tumida, Encyonema Reformeraeaumumum, Encyonema Reformeraeaumum, Encyonema Reformeaumiau Amphora ovalis or Amphora exigua.
  • the lipoxygenase genes can advantageously be combined in the method according to the invention with other genes of fatty acid biosynthesis. Examples of such genes are the acyltransferases, further desaturases or elongases.
  • amino acid sequences according to the invention are to be understood as proteins which contain an amino acid sequence shown in the sequence SEQ ID NO: 2 or a sequence obtainable therefrom by substitution, inversion, insertion or deletion of one or more amino acid residues, the enzymatic activities of the in SEQ ID NO: 2 protein is retained or is not significantly reduced, that is, the ability to form hydroperoxy fatty acids is retained or is not significantly reduced. Not significantly reduced is understood to mean all enzymes which still have at least 10%, preferably 20%, particularly preferably 30% of the enzymatic activity of the starting enzyme. For example, certain amino acids can be replaced by those with similar physicochemical properties (space filling, basicity, hydrophobicity, etc.).
  • arginine residues are exchanged for lysine residues, valine residues for isoleucine residues or aspartic acid residues for glutamic acid residues.
  • one or more amino acids can also be interchanged, added or removed in their order, or several of these measures can be combined with one another.
  • Derivatives are also to be understood as functional equivalents which, in particular, also include natural or artificial mutations of an originally isolated sequence coding for lipoxygenesis, which furthermore show the desired function, that is to say its enzymatic activity and substrate selectivity is not significantly reduced. Mutations include substitutions, additions, deletions, exchanges or insertions of one or more nucleotide residues.
  • the present invention also encompasses those nucleotide sequences which are obtained by modification of the lipoxygenase nucleotide sequence. The aim of such a modification can e.g. further narrowing down the coding sequence contained therein or e.g. also the insertion of further restriction enzyme interfaces.
  • the nucleic acid sequence can advantageously be a DNA or cDNA sequence, for example.
  • Coding sequences suitable for insertion into an expression cassette according to the invention are, for example, those which code for a lipoxy genes with the sequences described above and which give the host the ability to overproduce hydroperoxy fatty acids in free form or bound in oils or lipids. These sequences can be of homologous or heterologous origin.
  • These regulatory sequences are said to be targeted Enable expression of genes and protein expression. Depending on the host organism, this can mean, for example, that the gene is only expressed and / or overexpressed after induction, or that it is expressed and / or overexpressed immediately.
  • these regulatory 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 in front of the actual structural genes and may have been genetically modified so that the natural regulation has been switched off and the expression of the genes increased.
  • the gene construct can also have a simpler structure, that is to say no additional regulation signals have been inserted in front of the nucleic acid sequence or its derivatives, and the natural promoter with its regulation has not been removed. Instead, the natural regulatory sequence was mutated so that regulation no longer takes place and / or gene expression is increased.
  • the gene construct can also advantageously contain one or more so-called “enhancer sequences” functionally linked to the promoter, which enable increased expression of the nucleic acid sequence. Additional advantageous sequences can also be inserted at the 3 'end of the DNA sequences, such as further regulatory elements or Terminators
  • the regulatory sequences or factors can preferably have a positive influence on the gene expression of the introduced genes and thereby increase it.
  • the regulatory elements can advantageously be strengthened at the transcription level by using strong transcription signals such as promoters and / or "enhancers".
  • an increase in translation is also possible, for example, by improving the stability of the mRNA.
  • promoters which can advantageously control the expression of foreign genes in organisms in radicals or fungi are suitable as promoters in the expression cassette.
  • a plant promoter or promoters derived from a plant virus are preferably used.
  • Advantageous regulatory sequences for the method according to the invention are, for example, in promoters such as cos, tac, trp, tet, trp-tet, Ipp, lac, Ipp-lac, lacl ⁇ 'T7, T5, Contain T3, gal, trc, ara, SP6, ⁇ -P R - or in the ⁇ -P promoter, which are advantageously used in gram-negative bacteria.
  • the expression cassette can also be a chemical contain inducible promoter, by means of which the expression of the exogenous lipoxygenase gene in the organisms can advantageously be controlled in the plants at a specific point in time.
  • Such advantageous plant promoters are, for example, the PRP1 promoter [Ward et al., Plant.Mol. Biol. 22 (1993), 361-366], a benzene sulfonamide-inducible (EP 388186), a tetracycline-inducible (Gatz et al., (1992) Plant J. 2,397-404), a salicylic acid-inducible promoter ( WO 95/19443), an abscisic acid-inducible (EP335528) or an ethanol or cyclohexanone-inducible (WO93 / 21334) promoter.
  • plant promoters are, for example, the promoter of the cytosolic FBPase from potato, the ST-LSI promoter from potato (Stockhaus et al., EMBO J. 8 (1989) 2445-245), the promoter of the phosphoribosyl pyrophosphate amidotransferase from Glycine max (see also Genbank Accession Number U87999) or a node-specific promoter as in EP 249676 can advantageously be used. Plant promoters which ensure expression in tissues or plant parts / organs in which fatty acid biosynthesis or its precursors take place, such as, for example, in the endosperm or in the developing embryo, are particularly advantageous.
  • advantageous promoters which ensure seed-specific expression
  • the USP promoter or derivatives thereof for example the USP promoter or derivatives thereof, the LEB4 promoter, the phaseolin promoter or the napin promoter.
  • the particularly advantageous USP promoter or its derivatives listed according to the invention mediate gene expression very early in seed development (Baeumlein et al., Mol Gen Genet, 1991, 225 (3): 459-67).
  • Further advantageous seed-specific promoters which can be used for monocotyledon and dicotyledonous plants are the promoters suitable for dicotyledons, such as the Napingen promoter from rapeseed (US Pat. No.
  • the oleosin promoter from Arabidopsis (WO 98/45461), the phaseolin Promoter from Phaseolus vulgaris (US 5,504,200), the Bce4 promoter from Brassica (WO 91/13980) or the leguminous B4 promoter (LeB4, Baeumlein et al., Plant J., 2, 2, 1992: 233-239) or promoters suitable for monocotyledons such as the promoters the promoters of the lpt2 or lpt1 gene from barley (WO 95/15389 and WO 95/23230) or the promoters of the barley Hordein gene, the rice glutelin gene, the rice oryzin gene , the rice prolamin gene, the wheat gliadin gene, the wheat glutelin gene, the maize zein gene, the oat glutelin gene, the sorghum kasirin gene or the rye secalin gene, which are described in WO99 /
  • Promoters that ensure seed-specific expression should be mentioned in particular.
  • genes for the ⁇ -15, ⁇ -12, ⁇ -9, ⁇ -6, ⁇ -5 desaturase, ⁇ -ketoacyl reductases, ⁇ -ketoacyl synthases, elongases or the various hydroxylases and Called acyl-ACP thioesterases.
  • Desaturase and elongase genes are advantageously used in the nucleic acid construct.
  • DNA fragments When preparing an expression cassette, various DNA fragments can be manipulated in order to obtain a nucleotide sequence which expediently reads in the correct direction and which is equipped with a correct reading frame.
  • adapters or linkers can be attached to the fragments.
  • the promoter and terminator regions can expediently be provided in the transcription direction with a linker or polylinker which contains one or more restriction sites for the insertion of this sequence.
  • the linker has 1 to 10, usually 1 to 8, preferably 2 to 6, restriction sites.
  • the linker has a size of less than 100 bp within the regulatory areas, often less than 60 bp, but at least 5 bp.
  • the promoter can be native or homologous as well as foreign or heterologous to the host organism, for example to the host plant.
  • the expression cassette contains in the 5'-3 'transcription direction the promoter, a DNA sequence which codes for a lipoxygenase gene and a region for the transcriptional termination. Different termination areas are interchangeable.
  • Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove superfluous DNA or restriction sites can also be used. Where insertions, deletions or substitutions such as transitions and transversions are possible, v / fro mutagenesis, primer repair, restriction or ligation can be used. With suitable manipulations, such as restriction, -chewing-back- or filling of overhangs for -bluntends-, complementary ends of the fragments can be provided for the ligation.
  • Preferred polyadenylation signals are vegetable polyadenylation signals, preferably those which essentially comprise T-DNA polyadenylation signals
  • Agrobacterium tumefaciens in particular gene 3 of T-DNA (octopine synthase) of the Ti plasmid pTiACH ⁇ (Gielen et al., EMBO J.3 (1984), 835 ff) or corresponding functional equivalents.
  • An expression cassette is produced by fusing a suitable promoter with a suitable lipoxygenase DNA sequence and a polyadenylation signal according to common recombination and cloning techniques, as described, for example, in T. Maniatis, E.F. Fritsch and J. Sambrook, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1989) and in T.J. Silhavy, M.L. Berman and L.W. Enquist, Experiments with Gene Fusions, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1984) and in Ausubel, F.M. et al., Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley-Interscience (1987).
  • various DNA fragments can be manipulated in order to obtain a nucleotide sequence which expediently reads in the correct direction and which is equipped with a correct reading frame.
  • adapters or linkers can be attached to the fragments.
  • the nucleic acid sequences according to the invention are advantageously cloned together with at least one reporter gene into an expression cassette which is introduced into the organism via a vector or directly into the genome.
  • This reporter gene should enable easy detection via a growth, fluorescence, chemo, bioluminescence or resistance assay or via a photometric measurement.
  • These genes enable the transcription activity and thus the expression of the genes to be measured and quantified easily. This enables genome sites to be identified that show different levels of productivity.
  • an expression cassette comprises upstream, i.e. at the 5 'end of the coding sequence, a promoter and downstream, i.e. at the 3'-end, a polyadenylation signal and optionally further regulatory elements which are operatively linked to the intervening coding sequence for the lipoxygenase DNA sequence.
  • An operative link is understood to mean the sequential arrangement of promoter, coding sequence, terminator and, if appropriate, further regulatory elements in such a way that each of the regulatory elements can fulfill its function as intended when expressing the coding sequence.
  • the sequences preferred for the operative linkage are targeting sequences to ensure subcellular localization in plastids, advantageously in chloroplasts.
  • An expression cassette can contain, for example, a constitutive promoter (preferably the USP or napin promoter), the gene to be expressed and the ER retention signal.
  • a constitutive promoter preferably the USP or napin promoter
  • the amino acid sequence KDEL lysine, aspartic acid, glutamic acid, leucine
  • KDEL lysine, aspartic acid, glutamic acid, leucine
  • the expression cassette is advantageously inserted into a vector such as, for example, a plasmid, a phage or other DNA, which enables optimal expression of the genes in the host organism.
  • a vector such as, for example, a plasmid, a phage or other DNA, which enables optimal expression of the genes in the host organism.
  • Suitable plasmids are, for example, in E.
  • Yeast promoters are, for example, 2 ⁇ M, pAG-1, YEp6, YEp13 or pEMBLYe23.
  • Examples of algae or plant promoters are pLGV23, pGHIac + , pBIN19, pAK2004, pVKH or pDH51 (see Schmidt, R. and Willmitzer, L, 1988).
  • the above-mentioned vectors or derivatives of the above-mentioned vectors represent a small selection of the possible plasmids. Further plasmids are well known to the person skilled in the art and can be found, for example, in the book Cloning Vectors (Eds. Pouwels PH et al. Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford , 1985, ISBN 0444 904018).
  • Suitable plant vectors are described in "Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnology” (CRC Press), Chap. 6/7, p.71-119.
  • Advantageous vectors are so-called shuttle vectors or binary vectors that replicate in E. coli and Agrobacterium.
  • vectors are also understood to mean all other vectors known to the person skilled in the art, such as phages, viruses such as SV40, CMV, baculovirus, adenovirus, transposons, IS elements, phasmids, phagemids, cosmids, linear or circular DNA. These vectors can be replicated autonomously in the host organism or can be replicated chromosomally. Chromosomal replication is preferred.
  • the expression cassette according to the invention can also advantageously be introduced into the organisms in the form of a linear DNA and integrated into the genome of the host organism via heterologous or homologous recombination.
  • This linear DNA can consist of a linearized plasmid or only the expression cassette as a vector or the nucleic acid sequences according to the invention.
  • nucleic acid sequence according to the invention can also be introduced into an organism on its own.
  • nucleic acid sequence according to the invention can all be introduced into the organism together with a reporter gene in a single vector or each individual gene with a reporter gene in one vector, the different vectors being introduced simultaneously or successively can.
  • the vector advantageously contains at least one copy of the nucleic acid sequences according to the invention and / or the expression cassette according to the invention.
  • the plant expression cassette can be transformed into the transformation vector pRT ((a) Toepfer et al., 1993, Methods Enzymol., 217: 66-78; (b) Toepfer et al. 1987, Nucl. Acids. Res. 15: 5890 ff. ) to be built in.
  • Typical advantageous fusion and expression vectors are pGEX [Pharmacia Biotech Ine; Smith, D.B. and Johnson, K.S. (1988) Gene 67: 31-40], pMAL (New England Biolabs, Beverly, MA) and pRIT5 (Pharmacia, Piscataway, NJ) which contains glutathione S-transferase (GST), maltose binding protein, or protein A.
  • GST glutathione S-transferase
  • E. coli expression vectors are pTrc [Amann et al., (1988) Gene 69: 301-315] and pET vectors [Studier et al., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 60-89; Stratagene, Amsterdam, Netherlands].
  • vectors for use in yeast are pYepSed (Baldari, et al., (1987) Embo J. 6: 229-234), pMFa (Kurjan and Herskowitz, (1982) Cell 30: 933-943), pJRY88 (Schultz et al., (1987) Gene 54: 113-123), and pYES derivatives (Invitrogen Corporation, San Diego, CA).
  • Vectors for use in filamentous fungi are described in: van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of Fungi, J.F. Peberdy, et al., Eds., P. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge.
  • insect cell expression vectors can also be used advantageously, e.g. for expression in Sf 9 cells. These are e.g. the vectors of the pAc series (Smith et al. (1983) Mol. Cell Biol. 3: 2156-2165) and the pVL series (Lucklow and Summers (1989) Virology 170: 31-39).
  • lanceol cells or algae cells can advantageously be used for gene expression.
  • lance expression vectors can be found in Becker, D., et al. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border", Plant Mol. Biol. 20: 1195-1197 or in Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobacterium vectors for plant transformation", Nucl. Acid. Res. 12: 8711-8721.
  • nucleic acid sequences according to the invention can be expressed in mammalian cells.
  • Examples of corresponding expression vectors are pCDM8 and pMT2PC mentioned in: Seed, B. (1987) Nature 329: 840 or Kaufman et al. (1987) EMBOJ. 6: 187-195).
  • Promoters to be used are preferably of viral origin, e.g. Promoters of polyoma, adenovirus 2, cytomegalovirus or simian virus 40. Further prokaryotic and eukaryotic expression systems are mentioned in chapters 16 and 17 in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd, ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
  • the nucleic acids according to the invention, the expression cassette or the vector can be introduced into organisms, for example in plants, by all methods known to the person skilled in the art.
  • the person skilled in the art can use the corresponding textbooks from Sambrook, J. et al. (1989) Molecular cloning: A laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, by FM Ausubel et al. (1994) Current protocols in molecular biology, John Wiley and Sons, by DM Glover et al., DNA Cloning Vol. 1, (1995), IRL Press (ISBN 019-963476-9), by Kaiser et al. (1994) Methods in Yeast Genetics, Cold Spring Habor Laboratory Press or Guthrie et al. See Guide to Yeast Genetics and Molecular Biology, Methods in Enzymology, 1994, Academic Press.
  • transformation The transfer of foreign genes into the genome of a plant is called transformation.
  • the methods described for the transformation and regeneration of plants from plant tissues or plant cells for transient or stable transformation are used. Suitable methods include protoplast transformation by polyethylene glycol-induced DNA uptake, the biolistic method with the gene gun - the so-called particle bombardment method, electroporation, the incubation of dry embryos in DNA-containing solution, microinjection and gene transfer mediated by Agrobacterium.
  • the methods mentioned are described, for example, in B. Jenes et al., Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, published by S.D. Kung and R. Wu, Academic Press (1993) 128-143 and in Potrykus Annu. Rev. Plant Physiol.
  • the construct to be expressed is preferably cloned into a vector which is suitable for transforming Agrobacterium tumefaciens, for example pBin19 (Bevan et al., Nucl. Acids Res. 12 (1984) 8711).
  • Agrobacteria transformed with such a vector can then be used in a known manner to transform plants, in particular crop plants, such as e.g. of tobacco plants can be used, for example by bathing wounded leaves or leaf pieces in an agrobacterial solution and then cultivating them in suitable media.
  • the transformation of kingdoms with Agrobacterium tumefaciens is described, for example, by Höfgen and Willmitzer in Nucl.
  • Agrobacteria transformed with an expression vector according to the invention can also be used in a known manner to transform plants such as test plants such as Arabidopsis or crop plants such as cereals, corn, oats, rye, barley, wheat, soybeans, rice, cotton, sugar beet, canola, sunflower, flax, hemp, Potato, tobacco, tomato, carrot, paprika, rapeseed, tapioca, manioc, arrowroot, tagetes, alfalfa, lettuce and the various tree, nut and wine species, in particular of oil-containing crops, such as soybean, peanut, castor oil, sunflower, corn, Cotton, flax, rapeseed, coconut, oil palm, safflower (Carthamus tinctorius) or cocoa bean are used, for example by bathing wounded leaves or leaf pieces in an agrobacterial solution and then cultivating them in suitable media.
  • test plants such as Arabidopsis or crop plants
  • crop plants such as cereals, corn, oats
  • the genetically modified Lancel cells can be regenerated using all methods known to the person skilled in the art. Appropriate methods can be found in the above-mentioned writings by SD Kung and R. Wu, Potrykus or Höfgen and Willmitzer.
  • the expression cassette or the vector are all organisms which are able to synthesize fatty acids, especially unsaturated fatty acids or are suitable for the expression of recombinant genes such as microorganisms, non-human animals or Plants beneficial all crops.
  • Examples include cultivated plants such as soybean, peanut, castor oil, sunflower, corn, cotton, flax, rapeseed, coconut, oil palm, safflower (Carthamus tinctorius) or cocoa bean, microorganisms such as fungi, for example the genus Mortierella, Saprolegnia or Pythium, bacteria such as the genus Escherichia, Yeasts such as the genus Saccharomyces, cyanobacteria, ciliates, algae or protozoa such as dinoflagellates such as Crypthecodinium.
  • fungi for example the genus Mortierella, Saprolegnia or Pythium
  • bacteria such as the genus Escherichia
  • Yeasts such as the genus Saccharomyces
  • cyanobacteria ciliates
  • algae or protozoa such as dinoflagellates such as Crypthecodinium.
  • Organisms which can naturally synthesize oils in large amounts such as fungi such as Mortierella alpina, Pythium insidiosum or plants such as soybean, rapeseed, coconut, oil palm, safflower, castor bean, calendula, peanut, cocoa bean or sunflower or yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, are particularly preferred soy, rapeseed, sunflower, flax, calendula or Saccharomyces cerevisiae.
  • transgenic animals are also suitable as host organisms, for example C. elegans.
  • transgenic organism or transgenic plant within the meaning of the invention is understood to mean that the nucleic acids used in the method are not in their natural place in the genome of an organism, and the nucleic acids can be expressed homologously or heterologously.
  • transgene also means that the nucleic acids according to the invention are in their natural place in the genome of an organism, but that the sequence has been changed compared to the natural sequence and / or that the regulatory sequences of the natural sequences have been changed.
  • Transgenic is preferably to be understood as meaning the expression of the nucleic acids according to the invention at a non-natural location in the genome, that is to say that the nucleic acids are homologous or preferably heterologous.
  • Preferred transgenic organisms are fungi such as Mortierella or plants such as crop plants, advantageously as oil crop plants.
  • Transgene means, for example, with respect to a nucleic acid sequence, an expression cassette or a vector containing a nucleic acid sequence which codes for the lipoxygenase or its derivatives, or an organism transformed with this nucleic acid sequence, an expression cassette or a vector, all such constructions which have been obtained by genetic engineering methods which either a) the lipoxygenase nucleic acid sequence, or b) a genetic control sequence functionally linked to the lipoxygenase nucleic acid sequence, for example a promoter, or c) (a) and (b) are not in their natural, genetic environment or modified by genetic engineering methods where the modification can be, for example, substitutions, additions, deletions, inversions or insertions of one or more nucleotide residues.
  • Natural genetic environment means the natural chromosomal locus in the organism of origin or the presence in a genomic library.
  • the natural, genetic environment of the nucleic acid sequence is preferably at least partially preserved.
  • the environment flanks the nucleic acid sequence at least on one side and has a sequence length of at least 50 bp, preferably at least 500 bp, particularly preferably at least 1000 bp, very particularly preferably at least 5000 bp.
  • Another object of the invention relates to the use of an expression cassette containing DNA sequences coding for a lipoxygenase gene or DNA sequences hybridizing therewith for the transformation of plant cells, tissues or plant parts.
  • the aim of the use is to increase the content of hydroperoxy fatty acids in these organisms.
  • transgenic plants that overproduce lipoxygenase, their reproductive material and their plant cells, tissue or parts are a further subject of the present invention.
  • a preferred subject matter according to the invention are transgenic plants containing a nucleic acid sequence according to the invention, an expression cassette or a vector containing the nucleic acid sequence according to the invention which codes for a lipoxygenase.
  • the expression cassette or the nucleic acid sequences according to the invention containing a lipoxygenase gene sequence can also be used to transform the above-mentioned organisms such as bacteria, cyanobacteria, yeasts, filamentous fungi, ciliates and algae with the aim of increasing the content of hydroperoxy fatty acids.
  • the invention relates, as described, to transgenic compounds, transformed with an expression cassette containing a lipoxygenase gene sequence or DNA sequences hybridizing therewith, and transgenic cells, tissues, parts and propagation material of such plants.
  • Transgenic crops such as barley, wheat, rye, oats, corn, soybeans, rice, cotton, sugar beet, rapeseed and canola, sunflower, flax, hemp, potatoes, tobacco, tomato, rapeseed, tapioca, cassava, are particularly preferred , Arrowroot, alfalfa, lettuce and the various tree, nut and wine species.
  • Plants in the sense of the invention are mono- and dicotyledonous plants, mosses or algae.
  • the fatty acids can be released from the oils or lipids, for example by basic hydrolysis, for example with aqueous NaOH or KOH or acid hydrolysis, advantageously in the presence of an alcohol such as methanol or ethanol, or by enzymatic elimination. They can then be isolated by, for example, phase separation and subsequent acidification using, for example, H 2 SO 4 .
  • the fatty acids can also be released directly without the workup described above.
  • transgenic plants are advantageously used as organisms, such as oil-containing plants. These plants contain the hydroperoxy fatty acids synthesized in the process according to the invention and can advantageously be marketed directly without the oils, lipids or fatty acids synthesized having to be isolated.
  • Plants in the process according to the invention include whole plants and all parts of plants, plant organs or parts of plants such as leaf, stem, seeds, roots, tubers, anthers, fibers, root hairs, stems, embryos, calli, kotelydones, petioles, crop material, plant tissue, reproductive tissue, Cell cultures that are derived from the transgenic plant and / or can be used to produce the transgenic plant.
  • the semen comprises all parts of the semen such as the seminal shell, epidermal and sperm cells, endosperm or embyro tissue.
  • the compounds produced in the process according to the invention can also advantageously be isolated from the organisms in the form of their oils, fats, lipids and / or free fatty acids.
  • Hydroperoxy fatty acids produced by this method can be harvested by harvesting the organisms either from the culture in which they grow or from the field. This can preferably be done by pressing or extracting the body parts Plant seeds are made.
  • the oils, fats, lipids and / or free fatty acids can be obtained by cold pressing or cold pressing without the addition of heat by pressing. So that the plant parts, especially the seeds, can be more easily broken down, they are crushed, steamed or roasted beforehand. The seeds pretreated in this way can then be pressed or with
  • Solvents such as warm hexane can be extracted.
  • the solvent is then removed again.
  • these are extracted directly after harvesting, for example, without further work steps, or extracted after digestion using various methods known to the skilled worker. In this way, more than 96% of the compounds produced in the process can be isolated.
  • the products thus obtained are then processed further, that is to say refined.
  • the plant mucus and turbidity are removed first.
  • degumming can be carried out enzymatically or, for example, chemically / physically by adding acid such as phosphoric acid.
  • the free fatty acids are then removed by treatment with a base, for example sodium hydroxide solution.
  • the product obtained is washed thoroughly with water to remove the lye remaining in the product and dried.
  • the products are subjected to bleaching with, for example, bleaching earth or activated carbon.
  • the product is still deodorized with steam, for example.
  • hydroperoxy fatty acids produced in the process are advantageously obtained in the form of their oils, lipids or fatty acids or fractions thereof.
  • oil lipid
  • fat is understood to mean a fatty acid mixture which contains unsaturated, saturated, preferably esterified fatty acid (s). It is preferred that the oil, lipid or fat has a high proportion of free or advantageously esterified hydroperoxy fatty acid (s).
  • the proportion of esterified hydroperoxy fatty acids is preferably approximately 30%, more preferred is a proportion of 50%, even more preferred is a proportion of 60%, 70%, 80% or more. Depending on the starting organism, the proportion of different fatty acids in the oil or fat can fluctuate.
  • the hydroperoxy fatty acids produced in the process are, for example, hydroperoxy fatty acids which are bound in sphingolipids, phosphoglycerides, lipids, glycolipids, phospholipids, monoacylglycerol, diacylglycerol, triacylglycerol or other fatty acid esters.
  • Microorganisms are usually in a liquid medium containing a carbon source mostly in the form of sugars, a nitrogen source mostly in the form of organic nitrogen sources such as yeast extract or salts such as ammonium sulfate, trace elements such as Contains iron, manganese, magnesium salts and possibly vitamins, at temperatures between 0 ° C and 100 ° C, preferably between 10 ° C to 60 ° C with oxygen.
  • the pH of the nutrient liquid can be kept at a fixed value, that is to say it can be regulated during cultivation or not.
  • the cultivation can be batch-wise, semi-batch wise or continuous. Nutrients can be introduced at the beginning of the fermentation or fed semi-continuously or continuously.
  • the lipids are usually obtained from the organisms.
  • the organisms can first be digested after harvesting or used directly.
  • the lipids are advantageously extracted with suitable solvents such as apolar solvents such as hexane or ethanol, isopropanol or mixtures such as hexane / isopropanol, phenol / chloroform / isoamyl alcohol at temperatures between 0 ° C. to 80 ° C., preferably between 20 ° C. to 50 ° C.
  • the biomass is usually extracted with an excess of solvent, for example an excess of solvent to biomass of 1: 4.
  • the solvent is then removed, for example by distillation.
  • the extraction can also be carried out with supercritical CO 2 . After extraction, the remaining biomass can be removed, for example, by filtration.
  • the crude oil obtained in this way can then be further purified, for example by removing turbidity by adding polar solvents such as acetone or chloroform and then filtering or centrifuging. Further cleaning via columns is also possible.
  • polar solvents such as acetone or chloroform
  • Further cleaning via columns is also possible.
  • free fatty acids from the triglycerides they are usually saponified as described above.
  • PQE30 TM is from Qiagen
  • Hilden pGem-T is from Promega, Madison, USA
  • Kanamycin stock solution 50 mg / ml, final concentration: 25 ⁇ g / ml
  • a colony PCR was carried out to identify the bacterial colonies which contain the desired fragment in the plasmid DNA after transformation.
  • Cell material from a colony was suspended in 10 ⁇ l of water using a toothpick.
  • PCR reaction mixture was prepared by adding 10 ⁇ buffer, MgCl 2 , dNTP, Tfl polymerase and the corresponding primer. The same program was run and the same primers used to amplify the fragment. If a primer was used for the amplification, which also has a binding site in the vector, this primer has been replaced by vector-specific primers. If the fragment was not cloned directionally in this case (eg in pGEM-T), colony PCR was carried out for both directions with the corresponding vector-specific primers. For the identification of bacterial colonies, which contain DNA constructs in the vector, which were composed of more than one PCR fragment, the 5 'primer of the fragment located at the 5' end and the 3 'primer of the fragment located at the 3' End fragment was used.
  • thermostable Taq DNA polymerase contains a mixture of the thermostable Taq DNA polymerase and the also thermostable Pwo DNA polymerase, which also has a 3'-5 'exonuclease activity, and only 30 cycles were used instead of 35. Both served to keep the error rate low in order to minimize mutations in the to obtain amplifying DNA.
  • DNA fragments were linked to vector DNA by ligation using T4 DNA ligase. Terminal 5'-phosphate groups and 3'-hydroxyl groups are bonded to form phosphorus diester bonds.
  • the cofactor of this reaction is ATP.
  • the DNA fragment was used in a three-fold excess compared to the vector DNA. The ligation reaction took place at 4 ° C. overnight. The ligation was carried out in a volume of 10 ⁇ l or 20 ⁇ l.
  • PCR-amplified DNA fragments were first cloned in pGEM-T. Fragments amplified with Tfl or "EXPAND TM High Fidelity" have a 3'-adenine overhang which hybridizes with the 3'-thymine overhang of the pGEM-T vector. This is one of the reasons why the ligation efficiency of this vector is relatively high pGEM-T offers the possibility of blue-white selection with IPTG and X-Gal.
  • Ligation mix 5 ⁇ l 2x ligation buffer, 3 ⁇ l DNA (fragment), 1 ⁇ l vector,
  • the E. coli strains XL1-Blue and SG 13009 were transformed. 100 ⁇ l of competent E. coli cells were thawed on ice and about 5 fmol of DNA were added. This corresponds to 10 ng of a 3000 bp DNA construct or 17 ng of a 5000 bp DNA construct. After 20 min incubation in ice, the bacteria were exposed to a heat shock at 42 ° C for 50 s. The mixture was then left on ice for 5 min, 900 ⁇ l of LB medium were added and the mixture was cultured at 37 ° C. with shaking for 1 h. The bacteria were plated on selection medium according to their resistance and incubated overnight at 37 ° C.
  • Restriction nucleases cleave double-stranded DNA in a sequence-specific manner by hydrolysis of covalent bonds. 4 to 8 bp long palindromic sequences are recognized and cut. Cleavages with the restriction endonucleases used in this work result in ends that carry a 3 'or 5' overhang.
  • Restrictions were carried out to control bacterial colonies which are suitable for the cloning strategy (see Example 28) and for obtaining DNA fragments for the ligation (Example 3). Cutting out the DNA fragments in two steps. After the restriction with the first enzyme, the reaction mixture was cleaned and only then was the restriction with the second enzyme. This was done in order to increase the yield of correctly cleaved DNA by cleaving each enzyme in the optimal buffer with 100% activity without unspecific side reaction (“star activity”). The control of bacterial colonies that were suitable for the cloning strategy was carried out Only one enzyme was used per batch in order to obtain a clear statement for each enzyme.Table 2 shows the batch cleavage approaches used, and the optimum buffer was the reaction buffer Buffer used according to the manufacturer's instructions. The restriction mixture was incubated at 37 ° C. for about 12 h. Table 2: Cleavage of DNA with restriction endonucleases
  • Restriction mixture 1 ⁇ l 10x reaction buffer, 2 ⁇ l plasmid DNA (approx. 0.6 ⁇ g), for screening 0.21 ⁇ l restriction enzyme, 1.8 ⁇ l H 2 O
  • DNA fragments of 0.2 to 4 kb could be separated effectively using a 1.5% agarose gel.
  • 1.5% (w / v) agarose was dissolved in TAE buffer by boiling in the microwave, cooled to 60 ° C. and poured into a horizontal gel carrier. The polymerization was cooled for at least 30 minutes.
  • the DNA samples were mixed with 0.1 volume of sample buffer and separated electrophoretically at a voltage of 120 V.
  • the S ARTLADDER standard Eurogentec, Seraing, Belgium
  • DNA fragments of a defined size was used as the size marker.
  • the agarose gel was then incubated for 15 to 20 min in an ethidium bromide bath (2 ⁇ g / ml) and decolorized in distilled water for about 5 min.
  • the agarose gels were photographed for documentation and evaluation.
  • the plamide mini preparation was carried out either with the "QLAprep Plasmid MiniPrep Kit” (Qiagen, Hilden) or with the "NucleoSpin® Plasmid MiniPrep Kit” (Macherey-Nagel, Düren), each according to the method specified by the manufacturer. These methods are based on the binding of DNA to silica gel membranes at high concentrations of chaotropic salts. Elution is carried out with low-concentration salt buffers or with water. With this method, the DNA is separated from other cell components and preserved in high purity.
  • Example 8 DNA fragment isolation from agarose gels
  • the gel band of the DNA fragment to be purified was cut out cleanly under UV light with a scalpel and cleaned with the “GFT TM PCR DNA and Gel Band Purification Kif according to the manufacturer's instructions (Amersham Pharmacia Biotech, UK). In order to avoid mutations in the DNA fragments, care was taken when isolating the fragments that the UV irradiation time was only very short.
  • sequences were analyzed with HUSAR (DKFZ, Heidelberg) using the fragment assembly programs that are part of the WISCONCIN package version 10.2 (Actylrys, formerly Genetics Computer Group (GCG), Madison, Wisc.). Sequences were loaded into the project, components of the cloning vector and phage bank vector were removed semi-automatically and then assembled into sequences (Contig's), sequence comparison against the databases SWISSPROT, TREMBL, PIR and OWL was carried out using the BLASTX2 algorithm [Altschul et al., Nucleic Acids Res, 25 (17): 3389-3402, 1997].
  • a phylogenetic family tree was created with the PHYLIP 35 program.
  • SEQBOOT random seed number: 5
  • the known lipoxygenase proteins are divided into three family tree segments, namely the type 1 13-LOX, type 1 9-LOX and type 2 13-LOX family tree.
  • PROTPARS creates the pedigrees of the one hundred point mutation series by calculating the evolutionary distances between the proteins. With CONSENS, the most probable is calculated from the one hundred family trees.
  • the removal of two proteins in the phylogenetic family tree is based on the number of mutations that are necessary at the DNA level to match the sequence of one protein to the other.
  • the genetic code is taken into account. For example, three point mutations are necessary for a Gln / Cys exchange. The different mutation rates of organisms are not included.
  • Example 10 Expression of the recombinant protein
  • the expression of the recombinant protein took place in the E. coli strain SG 13009.
  • the expression clones were initially incubated up to an OD 600 of 0.6 to 0.8 in LB medium (with cabenicillin and kanamycin) at 37 ° C. After induction of the expression with IPTG (final concentration: 1 mM), the bacteria were cultivated at 10 ° C. for 2 or 7 days.
  • Example 11 Cell disruption
  • the E. coli cells were centrifuged at 4000 xg and 4 ° C for 20 min and taken up in lysine buffer (50 mM Tris.HCI, 10% glycerol, 0.1% Tween, 0.5 M NaCI, pH 7.5) ( 7 ml lysine buffer per 250 ml cell culture). The cells were disrupted using ultrasound (ten times 1 min, 50% power, 50% pulse). The cell debris was centrifuged at 4000 x g, 4 ° C for 30 min. The supernatant with the soluble proteins was removed and stored at 4 ° C. The activity of the recombinantly produced lipoxygenase was analyzed with this lysate.
  • lysine buffer 50 mM Tris.HCI, 10% glycerol, 0.1% Tween, 0.5 M NaCI, pH 7.5
  • the lipoxygenase was tested for activity.
  • the hydro (pero) xides formed have an absorption maximum at 234 nm due to their conjugated diene system. Due to the high self-absorption of the cell lysate, this determination was not carried out spectrophotometically.
  • the products of the fatty acid conversion were therefore carried out by means of normal phase HPLC (see Example 15). The reaction was carried out according to the protocol given below at pH 6 and 8.
  • the position isomers formed were analyzed with devices from AGILENT SERIES IIOO (Hewlett-Packard, Waldbronn) using normal phase columns (50 x 4.6 mm, 3 ⁇ m LUNA SILICA (2), Phenomenex, Aillesburg, or 150 x 2, 1 mm, 5 ⁇ m, ZORBAX RX-SIL, Hewlett Packard, Waldbronn) and a diode array detector were analyzed.
  • the fatty acid hydroxides purified by normal-phase HPLC were equipped with a chiral-phase column (150 ⁇ 2.1 mm, 5 ⁇ m Daicel Chemical Industries Ltd.CHIRACEL OD-H, Merk, Darmstadt) using the system described above (Example 15) ), examined for their enantiomer composition.
  • Hexane / iso-propanol / TCA (95: 5: 0.2, v / v / v, isocratic flow 100 ⁇ l / min, 20 min) was used as the eluent for the hydroxides of linoleic acid and ⁇ -linoleic acid, and for the hydroxide Derivatives of y-linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid, docosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid were used in the solvent 98: 2: 0.02 (v / v / v, isocratic flow 100 ⁇ l / min, 60 min ). The data- recording and evaluation was carried out with the software CHE STATION FOR LC 3 D [Rev. A.08.01 (783)] from Agilent Technologies Waldbronn.
  • hydroxy fatty acids are derivatized to increase their volatility and thermal stability and to reduce polarity [W.W. Christie, Lipids, 33 (4): 343-53, 1998]. This increases the gas chromatographic separation and improves the detectability.
  • the derivatization of hydroxy fatty acids to their methyl ester trimethylsilyl ethers allows the compound to be identified and the position of the hydroxy group to be determined [Wollard et al., J Chromatogr, 306: 1-21, 1984].
  • a quarter of the turnover of the batches for the substrate determination was purified by means of normal phase HPLC.
  • the speculative hydroxides of the fatty acids (absorption at 234 to 237 nm) were collected, completely evaporated in a stream of nitrogen and taken up in 400 ⁇ l of methanol.
  • 10 ⁇ l of the EDAC stock solution (100 mg / ml) were added and shaken at room temperature for 2 h.
  • the mixture was shaken twice with 1 ml of n-hexane.
  • the hexane phases were evaporated in a stream of nitrogen.
  • Carrier gas helium linear flow rate 1, 2 ml / min
  • Separation column 30 mx 0.25 mm HP-5MS (Crosslinked 5% PH ME Siloxane); 0.25 ⁇ m film thickness; Temperature program: 60 ° C (injection temperature) ⁇ 25 ° C / min ⁇ 300 ° C (1 min) ⁇ 10 ° C / min ⁇ 270 ° C (10 min) MS Aligent 5973 Network ionization energy 70 eV Scanning speed 1 scan / s
  • the cells were disrupted as described in Example 11, the cell debris centrifuged off and the supernatant incubated overnight at 4 ° C. with "TALON® Metal Affinity Resin".
  • the binding capacity is 5 mg / ml bed volume the protein supernatant, which was obtained from 500 ml of cell culture, was used in 250 to 500 ⁇ l of TALON®, and the column material was then placed on an empty column (TJ Baker, Phillipsburg, NJ, USA). Buffer (50 mM, 300 mM NaCl, pH 8.0) was washed in.
  • simple bed volumes of Na phosphate buffer were used
  • the protein was determined using the “Bio-Rad protein assay” from Bio-Rad (Hercules, USA) according to the manufacturer's instructions using a BSA calibration line.
  • Example 21 SDS.polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE [U.K. Laemmli, Nature, 227 (259): 680-5, 1970], modified method)
  • the protein samples were mixed directly with sample buffer or precipitated with TCA (trichloroacetic acid).
  • TCA trichloroacetic acid
  • 1 ml of sample was incubated with 250 ⁇ l of 30% TCA for 30 min on ice, then centrifuged for 10 min at 14,000 ⁇ g and the precipitate obtained was washed again with water. After centrifugation and the removal of the aqueous supernatant, the precipitate was dried and dissolved in "Roti®-Load 1" sample buffer. Before application, the samples were centrifuged at 15000 xg for 3 min.
  • the samples were separated electrophoretically in an 8% polyacrylamide gel (separating gel: 2.15 ml water, 1, 2 ml acrylamide / methylbisacrylamide (30% / 0.8%), 1, 1 ml 4 x separating gel buffer, 14 ⁇ l APS ( 50%), 3.5 ⁇ l TEMED; stacking gel: 0.87 ml water, 0.24 ml acrylamide / methylbisacrylamide (30% / 0.8%), 0.375 ml 4 x collecting gel buffer, 6 ⁇ l APS, 3 ⁇ l (50% )).
  • the sample was run into the collection gel for 25 min at 12.5 mA per gel.
  • the separation of the proteins in the separating gel was carried out at a current of 25 mA per gel for 40 min or until the bromophenol blue front had reached the end.
  • the separated proteins were stained in the gel.
  • the gel was washed three times for 30 min with ethanol / acetic acid / water (30: 5: 65, v / v / v) [for all buffers and washing steps up to / incl. 18 M ⁇ water was used in the development.] and then washed three times with water for 10 min.
  • Sensitization was carried out by incubation with 0.02% Na thiosulfate solution (freshly prepared) for 1 min, after which it was washed twice with water for 1 min. After impregnation with silver nitrate solution (0.025% formaldehyde, 0.0125% AgNO 3 ) for 30 minutes, care was taken to wash with water for a maximum of 15 seconds (5 to 15 seconds).
  • the corresponding ALP conjugate was diluted 1: 5000, incubated with the membrane for 1 h, washed twice in PBST for 5 min, once with PBS for 5 min and once in AP buffer for 10 min. NBT / BCIP was used diluted in AP buffer according to the manufacturer's instructions.
  • RNA of the diatom P. tricornutum was in the form of a “Lambda Zap II Express” cDNA library, into which it was cloned in a directional manner.
  • the underlying vector was pBK-CVM.
  • the complete sequence was then cloned into a bacterial expression vector
  • the following biochemical characterization of the recombinant active enzyme included the determination of the pH optimum and the substrate specificity Hydroxy fatty acids were not available as standard substances, they were characterized as combined methyl ester and trimethylsilyl ether derivatives by means of GC / MS analysis. Purification for the recombinant enzyme was also started.
  • a cDNA library was created from the P. tricornutum diatom. Furthermore, an in vivo excision was carried out, the plasmids were recovered and transformed into E. coli DH1 OB. Then plasmid DNA was obtained automatically and random sequencing was carried out using the chain termination method. 8400 clones were sequenced at the 5 'end, combined into 3400 non-redundant sequences (Contig's) and annotated. Subsequent analysis of the database created in this way identified two clones via their 5 'sequence which showed homologies to plant lipoxygenases. One of them was the lipoxygenase from P. tricornutum (LOX2: R: 1 (PtLOXI) described in this work.
  • Clone Pt001077095r showed the greatest homology to lipoxygenase with 42% at the DNA level in the sequenced region of 800 bp of the 5 'end - 1 from Pisum sativum.
  • the 3 'end of this cDNA clone was then sequenced to verify this finding (FIG. 4, gray area).
  • the homology was 55% to the same lipoxygenase from Pisum sativum.
  • this sequence comparison showed that presumably around 500 bp of the open reading frame (ORF) was missing at the 5 'end.
  • the gene-specific primer Pt-LOX2_5RACE (1) (5'-GAG CCC CTG.TCT TCT CGG TAT TG) was derived from the known sequence in the 5 'region.
  • 5'-RACE with this gene-specific and vector-specific primer 3 (5'-GCT CGA AAT TAA CCC TCA CTA AAG GG) gave the fragments of different lengths shown in FIG. 4, which extend the known sequence by around 650 bp in 5'- Extended direction.
  • the dark gray highlighted sequences of clone Pt001077095r resulted from the random sequencing of 8400 clones from a cDNA bank of the diatom P. tricornutum.
  • the sequences highlighted in light gray were obtained using 5'-RACE.
  • the arrows indicate the primers mentioned above.
  • the upper curve shows the quality of the sequence information, which is defined by the number and the extent to which the sequences match.
  • a further sequence extension with the primer PtLOX2_5RACE (2) (5'-CAA TAT CGA TCA AAC CTC GCT AC), which binds 677 bp upwards from the first 5'-RACE primer, could not be achieved.
  • PtLOX2_5RACE (2) 5'-CAA TAT CGA TCA AAC CTC GCT AC
  • the sequence information obtained would nevertheless be sufficient to derive primers with which the complete DNA sequence of the PtLOXI from the underlying phage library can be amplified and cloned.
  • the complete sequence was composed of two overlapping fragments.
  • the cDNA clone that had been identified by means of random sequencing (Pt001077095r) was first completely sequenced.
  • a 1336 bp region (fragment 1) representing the 5 'end of the PtLOX sequence was primed using A (5'-GGJ_ACC ATG ATG CTC AAC CGG TTG AC) and B (5'-AAA TTC CCG AGC AAA CTC GT) amplified from the P. tricornutum cDNA library (see FIG. 4).
  • primer A which contains the start codon ATG
  • Kpnl was introduced.
  • the second fragment of the gene was present in the vector pBK-CMV in the form of the clone with which the two ESTs were obtained.
  • In the overlapping region of 787 bp of the two fragments is the restriction site for Sal I that cuts uniquely in the sequence.
  • this fragment was primed M13-rev (5'-GGA AAC AGC TAT GAC CAT G) and the primer C (5'-CCC AAG CTT CTA TAT GGT GAT GCT GTT GGG CAC) were amplified by PCR. Both fragments were first cloned into the vector pGEM-T and then assembled into unique gene sequences via unique restriction sites introduced by means of PCT in pQE30. Fragment 2 was ligated to the expression vector pQE30 via the restriction sites for Sal I and Hind III. After the corresponding restriction digest, this construct was used using the restriction sites for Kpn I and Sal I with fragment! ligated.
  • PtLOXI's ORF consists of 938 amino acids and has a calculated molecular weight of 105 kDa. Possible glycosylations in the original organism P. tricornutum were not taken into account. The calculated isoelectric point is pH 6.69. The beginning of the protein sequence with two methionines is unusual.
  • the first methionine is considered the translation start codon and was used for cloning.
  • the cDNA is 66 bp longer in the 5 'direction than the sequence region used for the cloning. Since there is no starting methionine in this region, it was considered an untranslated region at the 5 'end.
  • LOX1 Hv: 3 and 13-epoxygenases and not 9-lipoxygenases. Nevertheless, plastid localization can be discussed for the RLOX1. Due to lower security modes, an analysis with other databases was not carried out.
  • PtLOXI shows some interesting differences at the level of the protein sequence.
  • three determinants have been determined that have an influence on the substrate and position specificity, whereby. the BORNGR ⁇ BER and SLOANE determinants are to be emphasized (summarized in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley, -VCH, Einheim, 2000]).
  • PtLOXI differs from all other lipoxygenases in that it separates two hydrophobic amino acids from the hydrophilic amino acid threonine, the C-terminus is highly conserved as with all other lipoxygenases, with the small difference that threonine is in the penultimate position instead of being, as with all other lipoxygenases.
  • the pH optimum was determined by means of an end point determination using normal phase HPLC for the conversion of linoleic acid.
  • Cell digests (Example 11) of protein expression at 10 ° C. were used for the analyzes.
  • the lysates were used immediately after their preparation in order not to reduce the stability of the proteins by freezing and thawing the samples.
  • the cell disruption was incubated with linoleic acid and the resulting hydroperoxide derivatives were reduced to the corresponding hydroxides with sodium borohydride, which were analyzed after the acidic extraction using normal-phase HPLC (SP-HPLC).
  • SP-HPLC normal-phase HPLC
  • the areas of the integrated HODE signals at 234 nm and the linoleic acid at 202 nm were evaluated. From FIG. 6 it can be seen that the maximum activity of the PtLOXI for linoleic acid is achieved at pH values between pH 8.0 and pH 8.4.
  • Linoleic acid was reduced in substrate excess for 30 min with enzyme extract and the hydroperoxides formed were reduced to the hydroxides. After acid extraction, the substrate product spectrum was analyzed using SP-HPLC. The sum of the area of all integrated HODE signals at 234 nm was related to the area of the integrated linoleic acid signal at 202 nm. The representation in FIG. 6 shows the average and the standard error for two experiments.
  • Example 32 Analysis of the regiospecificity towards linoleic acid
  • a characteristic feature of lipoxygenases is their regiospecificity when introducing molecular oxygen [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Since linoleic acid is a substrate for lipoxygenases both in the animal kingdom and in the plant kingdom and, in contrast, arachidonic acid does not occur in the plant kingdom or only occurs in storage lipids, plant lipoxygenases are classified in terms of the position specificity of the oxygenation of linoleic acid [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]. Oxygen can be introduced either at carbon atom 9 (9-lipoxygenase) or 13 (13-lipoxygenase) of linoleic acid.
  • Linoleic acid was incubated in excess substrate for 30 min with crude extract enzyme and the hydroperoxides formed were reduced to the hydroxides. After acid extraction, the substrate product spectrum was analyzed using SP-HPLC. The integrated signals of 9-HODE and 13-HODE at 234 nm were compared to the integrated linoleic acid signal at 20 nm. The representation in FIG. 7 shows the average and the standard error for two experiments.
  • the ratio of 13 to 9 HODE is also summarized in Table 3.
  • Example 33 Substrate specificity of PtLOXI and analysis of the regioisomers formed
  • fatty acids were used: linoleic acid (LA), ⁇ -linolenic acid ( ⁇ -LEA), Y-linolenic acid ( ⁇ -LEA), arachidonic acid (ERA), eicosapentaenoic acid (EPA), docosapentaenoic acid (DPA) and docosahexaenoic acid (DHA).
  • LA linoleic acid
  • ⁇ -LEA ⁇ -linolenic acid
  • ⁇ -LEA Y-linolenic acid
  • ERA arachidonic acid
  • EPA eicosapentaenoic acid
  • DPA docosapentaenoic acid
  • DHA docosahexaenoic acid
  • the oxygen addition can therefore form four hydroperoxide derivatives from ⁇ -LEA (9-, 13-, 12-, 16- ⁇ -HPOTE) and ⁇ -LEA (6-, 10-, 9-, 13- ⁇ -HPOTE), six from ARA (5-, 9-, 8-, 12-, 11-, 15-HPETE), eight from EPA (5th -, 9-, 8-, 12-, 11-, 15-, 14-, 18- HEPE), eight from DPA (7-, 11-, 10-, 14-, 13-, 17-, 16-, 20-HPDPE) and ten from DHA (4-, 8-, 7-, 11-, 10-, 14-, 13-, 17-, 16-, 20-HPDHE).
  • the enzyme was incubated with various substrates at pH 8.4 and the product analysis was carried out using SP-HPLC.
  • the sum of the integrated signals of all hydroxide derivatives was plotted for the conversion of each fatty acid.
  • the difference- The extinction coefficients of the hydroxides were not taken into account during the integration.
  • the representation in FIG. 8 shows the average and the standard error of two experiments.
  • Example 32 As already treated in Example 32, the conversion of linoleic acid leads to 90% formation of 13-HODE in the S configuration.
  • the chromatogram of the SP-HPLC analysis is shown in FIG. 9.
  • the control implementation was carried out with cell disruption of SG 13009 cells which carried the empty vector.
  • the chromatogram of this reaction (FIG. 9, lower part) shows that 9-HODE was formed enzymatically and does not result from autoxidation.
  • the same amounts of the turnover of the fatty acid with recombinant PtLOXI and the control conversion were analyzed.
  • the proportion of the two possible oxidation products in the [+2] and [-2] positions with respect to the carbon (n-8) in the total hydro (pero) oxide derivatives formed (FIG. 10) is 92 % and is therefore comparable to the sales of LA.
  • the ratio of the [+2] to [-2] oxidation products drops from 6.7 for 13- / 9-HODE to 2.7 for 13- / 9- ⁇ -HOTE.
  • the factor 6.7 / 2.7 «2.5 which can be calculated with this was observed even more frequently when the number of double bonds or the number of methylene groups changed.
  • the bisallylic methylene group in position (n-11) was preferentially attacked by the hydrogen acceptor, which leads to the formation of 10- and 6- ⁇ -HOTE.
  • the methylene group at position (n-8), in which the hydro (pero) oxide derivatives 13- and 9- ⁇ -HOTE are formed play a role with a total share of around 17% of the total hydro (pero) oxide derivatives subordinate role. But here too the ratio is in favor of the [+2] -hydro (pero) oxide derivative.
  • the ratio of the main products 10- to 6- ⁇ -HOTE is comparable to that of 13- to 9- ⁇ -HOTE from ⁇ -LEA.
  • the respective [-2] hydro (pero) oxide derivative is racemic.
  • arachidonic acid is two methylene groups longer in the "[+ X]" position in terms of the bisallylic methylene groups used (x4) and a double bond is added in the "[- X]" position (x4) ,
  • the measured ratio of 12-HETE to 8-HETE is 46.3 (97%).
  • the main product 12-HETE was unexpectedly only 79% in S configuration, although the comparative analysis in Figure 8 suggests that ERA or EPA are the preferred substrates.
  • the secondary product 8-HETE was in S configuration.
  • Example 32 In the case of arachidonic acid, the above-mentioned (Example 32) by-products were detected under aerobic conditions, namely the keto acids, to an extremely small extent of 1.2% at 273 nm. They also occurred in the implementation of DPA and DHA with around 7.0% each.
  • Example 34 GC / MS analysis of the fatty acid hydroxides
  • the derivatized fatty acids had a retention time between 16 min and 20 min in the analyzes.
  • the mass spectra shown below were recorded in this area of the chromatogram.
  • a characteristic fragment of the decay of the compound was detected in the mass spectrum, with additional signals the molecular weight of the unfragmented compound, the M-15 signal (without methyl group) and the M-31 signal (without methoxy group) being detected.
  • the possible decay products are shown with their molecular weights in the respective diagram.
  • the characteristic decay allows the compound to be identified and the position of the hydroxy group to be determined [Woollard et al., J Chromatogr, 306: 1-21, 1984].
  • the recombinant enzyme should first be purified for a detailed kinetic study of PtLOXI.
  • PtLOXI was expressed in the vector pQE30 with an N-terminal hexa-histidine tag and then an affinity purification was carried out using TALON®. This cleaning is based on the complexation of the cobalt fixed to the TALON® by histidine.
  • the protein is eluted by competitive displacement of the histidine by imidazole or a chelator of divalent metal ions (e.g. EDTA). Alternatively, elution can be carried out by lowering the pH, since protonated histidine is repelled by the divalent metal.
  • Example 36 SDS-PAGE and Western blot analysis of cleaning
  • FIG. 23a shows the SDS-PAGE for examining the optimal elution conditions with imidazole.
  • the arrow indicates PtLOXI.
  • 1 protein standard 2 control (lysate from SG 13009 cells transformed with empty vector pQE30), 3 lysate from SG 13009 cells (transformed with PtLOXI in pQE30) before induction with IPTG, 4 lysate from SG 13009 cells (transformed with PtLOXI in pQE30) after induction with IPTG, 5 flow through after affinity binding of the bacterial protein extract to TALON®, 6 washing steps with Na phosphate buffer, 7 to 15 elution with imidazole increasing concentration: 10 mM, 30 mM, 50 mM, 75 mM, 100mM, 125mM, 150mM, 200mM, 300mM.
  • the protein to be purified has a calculated size of 105 kDa.
  • Several protein bands were clearly visible in this area when the cell disruption was applied after induction and in the fractions of the elution with imidazole (FIG. 23a, arrows).
  • RLOX1 the immunodetection shown in FIG. 23b was carried out.
  • a monospecific antibody was used for this, which was directed against the lipid body lypoxygenase of the cucumber (CsIb-LOC) [Haus et al., Planta, 210: 708-714, 2000]. This antibody exhibits most other plant lipoxygenases due to its high cross-reactivity with other lipoxygenases on.
  • the recombinant protein was expressed under modified conditions. After induction of translation with IPTG, a further incubation took place overnight at 28 ° C and over a period of seven days at 10 ° C. Instead of stepwise elution (example 36), washing was carried out here only with 5 mM imidazole and the protein remaining on the column was then eluted with 125 mM imidazole (see example, 19). The cleaning confirmed that only in the fractions after the cleaning Expression of PtLOXI at 10 ° C. the protein identified as PtLOXI was present (FIG. 24, lane 19, 20, Reil). The Western blot of the expression at 10 ° C. (FIG. 25b) confirms that RLOX1 did not bind to the TALON®, since a band of the correct size was again detected in the flow and in the Na phosphate wash fraction (lanes 19 and 20, Reil).
  • SG 13009 cells were transformed with PtLOXI and, after adding IPTG, expressed at 60 ° C. for about 60 hours.
  • Neither in the cleaning of the cell lysate after the expression of the empty vector nor in the expression of PtLOXI at 28 ° C. is a protein band clearly recognizable in FIG.
  • the arrow indicates PtLOXI.
  • SG 13009 cells were transformed with the following vectors and expressed under the conditions specified in the text after IPTG addition: 1 to 8 pQE2028 ° C, 9 to 12 and 15 to 18 PtLOXI (expression at 28 ° C), 19 to 26 PtLOXI ( Expression at 10 ° C) 1, 9.19 flow rate after affinity binding of the bacterial protein extract to TALON®, 2.10.20 washing step with Na phosphate buffer,
  • Table 5 Analysis of the activity of individual fractions of the preparative purification of PtLOXI. The results for the expression of recombinant PtLOXI at 10 ° C. after addition of IPTG are shown. 40 ⁇ g of substrate were used in each case, incubated for 2 h and the same amounts were analyzed by normal phase PHLC.
  • lipoxygenase was isolated from the diatom P. tricornutum and expressed recombinantly in E. coli. So far, no isolated sequence encoding a diatom lipoxygenase has been described. Compared to vegetable lipoxygenases, lipoxygenase has an exceptional substrate specificity.
  • Type 2 lipoxygenases are lipoxygenases of chloroplastic signal sequence. PtLOXI shows relatively low homology to the representatives of the different groups based on the sequence comparison.
  • the average homology value including all representatives of the 9- and 13-lipoxygenases of type 1, is 36%. It is noteworthy that PtLOXI also has an average of only 33% homology within the group of 13-type 2 lipoxygenases, instead of the 45% otherwise usual among the group members (see Table 6). All of these findings suggest that the cleavage of PtLOXI from the development of lipoxygenases in higher plants occurred relatively early during evolution. This is in line with the evolutionary Distance between diatoms and higher plants, which is also found on other levels.
  • Table 6 Homology of the lipoxygenase groups to one another. Intersections of the group with themselves correspond to the homology of the lipoxygenases within the group.
  • the sequence comparison of known sequences formed the basis for the calculation with GENEDOC. The average of the combination of all sequences which were relevant for the respective comparison was formed (between 130 and 900 combinations). Numbers in percent.
  • Lipid body lipoxygenase plays a role in the mobilization of storage lipids [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001] and a chloroplastic lipoxygenase is essential for the synthesis of jasmonic acid [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48: 355-381, 1997].
  • PtLOXI apparently belongs to the type 2 lipoxygenases, which are characterized by a chloroplastic signal sequence.
  • the evolutionary distance to all groups of lipoxygenases is approximately the same.
  • some lipoxygenases are misclassified in the family tree, since LOX1: Cs: 3 and LOX1: Hv: 3 are 13-lipoxygenases and not 9-lipoxygenases, as one could see from the family tree. Since it is therefore not clear whether PtLOXI is actually actually of the LOX2 type or of the LOX1 type, it was examined more closely whether PtLOXI has a signal sequence.
  • PtLOXI In a sequence comparison with a selection of plant lipoxygenases, PtLOXI, like all lipoxygenases of the LOX2 type, shows an N-terminal extension of around 50 AS compared to type 1 lipoxygenases. This speaks strongly for a plastid signal sequence, but since PtLOXI is presumably evolutionarily far away from lipoxygenases of higher levels, this can also have other causes.
  • Chloroplastidale signal sequences also called transit peptides
  • the pro proteins have an interface for signal peptidase which is conserved to a limited extent in land plants and Chlamydomonas [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-30978, 1998]. Because of this relatively poor identifiability, programs have been developed with which a prediction for these transit peptides can be made.
  • the inner two membranes appear to correspond to the envelope membranes of the plastids of higher plants, the next membrane is a remnant of the endosymbiotic plasma membrane, and the fourth membrane flows smoothly into the endoplasmic reticulum (ER).
  • ER endoplasmic reticulum
  • Interfaces for eurkaryotic signal peptide ases are usually in the range at positions 15 to 18 of pre-pro proteins by the method of HEIJNE [G. by Heijne, Nucleic Acids Res, 14 (11): 4683-90, 1986].
  • PtLOXI at position 14
  • P max 0.4350
  • Table 7 Interfaces of stromal peptidases in diatoms and higher plants, interfaces for the LOX2 type of plant lipoxygenases were calculated with CHLOROP and PCLR.
  • the pH optima of the PtLOXI was determined by means of normal phase HPLC through the conversion of linoleic acid.
  • the method of determining the final value was used, in which the amount of product formed is determined after a certain time under different conditions. It is unsuitable for the reason that in no case can linear increase in product and decrease in substrate be guaranteed for all conditions, in particular with regard to long sales times and high enzyme activity. For this reason, the optimum curves obtained represent at comparing the activity under different conditions, never the true ratio of the activities. Nevertheless, a good indication of the optimal conditions can be obtained if the amount of enzyme used and the conversion time are chosen accordingly.
  • PtLOXI becomes active during the light reaction.
  • chloroplastic lipoxygenases with an acidic pH optimum (eg LOX2: Hv: 1 (LOX-100) [Kohlmann et al., Eur. J. Biochem., 260: 885-895, 1999].
  • the pH value drops in the stroma to this level due to stress or damage to the membranes, it is believed that these lipoxygenases become active and can induce further cell degradation (jasmonic acid formation, membrane degradation, etc.).
  • Plant-based lipoxygenases are classified into 9- and 13-lipoxygenases based on their position-specificity compared to linoleic acid, since linoleic acid is a ubiquitous substrate in plants.
  • the amino acids in the active center of the enzyme are important for the formation of the different products [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000].
  • Two hypotheses have been developed which attempt to explain the position specificity of lipoxygenases (summarized in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000].
  • Part of the bottom of the binding pocket is a highly conserved arginine in all plant lipoxygenases, which is of central importance in the conversion of the lipid body 13-lipoxygenase from cucumber into a 9-lipoxygenase (R758 from CsIbLOX) [Hornung et al., Proc NatI Acid Sei USA, 96 (7): 4192-4197, 1999].
  • This arginine occurs regardless of substrate and position specificity and is preceded by an asparagine in over 90% of the cases.
  • the only exception among plant lipoxygenases are two histidines instead of the asparagine-arginine tandem in the PtLOXI sequence comparison.
  • Methylene group from the methyl end of the substrate determines whether the introductory hydrogen abstraction takes place at this point. It was found (Table 4) that of the bisallylic methyl groups in question, only one was used for the initial hydrogen removal for each of the substrates used. This affected the methylene group at position (n-8) in the case of LA and ⁇ -LEA and each (n-11) for ⁇ -LEA, ERA, EPA, DPA and DHA. It can thus be estimated that the distance of the hydrogen acceptor from the bottom of the binding pocket is around eleven methylene groups.
  • DPA is unlikely because both products ([+2] and [-2] rearrangement) are formed in a 1: 1 ratio and the amount of product formed decreases again compared to ERA and EPA.
  • the DHA products are produced in the same ratio as the EPA products, although the amount of products is less than for ERA and EPA.
  • PtLOX PtLOX
  • PtLOXI prefers to implement ERA or EPA based on the comparative substrate implementation ( Figure 8). If one adds the results of the position specificity and the enantiomer analysis, this speaks for EPA as the preferred substrate. Compared to ERA, the relationship between the main and by-products is clearly shifted in favor of the main product, which is almost enantiomerically pure. In this way, an exceptional substrate specificity was found compared to plant lipoxygenases.
  • Ketoconjudic fatty acids were not formed by PtLOX under the conditions of the analysis.
  • CODE are mainly formed at low oxygen partial pressures, but by some plant lipoxygenases, e.g. Lipoxygenase-2 from soybean and lipoxygenase-1 from pea, are known to produce these even in normal oxygen partial pressure in unusually high amounts of up to 50% based on HODE [Axelrod et al., Methods Enzymol, 71: 441-451, 1981; Kuehn et al., Eicosanoids, 4: 9-14, 1991].
  • the implementation of complex lipids is also known from lipoxygenases from other sources.
  • the lipid body lipoxygenase from cucumber seedlings is able to convert triacylglycerides [Feussner et al., FEBS Lett; 431 (3): 433-436, 1998].
  • These lipoxygenases are probably involved in the mobilization of storage fats during germination [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001].
  • PtLOX does have oil vacuoles rwww.kieselal ⁇ en.coml. but since reproduction takes place through vegetative cell division, the inclusion of lipoxygenases in the mobilization of storage lipids can be ruled out, as in some higher plants.
  • the conversion of phosphatidylcholine can also take place using lipoxygenases.
  • Soybean lipoxygenase-1 first converted this substrate to monohydroperoxy-linoleoyl-phosphatidylcholine and then to dihydroperoxide [Brash et al., Biochemistry, 26: 5465-5471, 1987].
  • a new oxolipin was also identified in Arabidopsis [Stelmach et al., J Biol Chem, 276 (16): 12832-12838, 2001]. It is a sn-1-O- (12-oxophytodienyl) -sn2-O- (hexadecatrienoyl) monogalactosyl diglyceride.
  • EPE 8-H / P) EPE (8S, 5Z, 9E, 11 E, 14Z, 17Z) -8-hydro (pero) xy-5,9, 11, 14,17-eicosapentaenoic acid -H (P) ETE ( 5S, 6E, 8Z, 11Z, 14Z) -5-hydro (pero) xy-6,8,11,14-eicosatetraenoic acid -H (P) ETE (8S, 5Z, 9E, 11Z, 14Z) -8- Hydro (pero) xy-5,9,11, 14-eicosatetraenoic acid -H (P) ETE (9S, 5Z, 7E, 11Z, 14Z) -9-Hydro (pero) xy-5,7,11, 14 -eicosatetraenoic acid 11-H (P) ETE (11S, 5Z, 8Z, 12E, 14Z) -11-hydro (pero) x
  • IPTG isopropyl- ⁇ -thiogalactopyranoside kDa kilodalton

Abstract

The invention relates to a method for producing hydroperoxy fatty acids by oxidizing polyunsaturated fatty acids comprising at least two double bonds in the fatty acid molecule, particularly polyunsaturated fatty acids such as arachidonic acid or eicosapentaenoic acid. The invention relates to the production of a transgenic organism, preferably a transgenic plant or a transgenic microorganism, having an increased hydroperoxy fatty acid content due to the expression of a lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum. Also disclosed are expression cassettes containing a nucleic acid sequence, a vector, and organisms containing at least one nucleic acid sequence or an expression cassette.

Description

Klonierung und Charakterisierung einer Lipoxygenase aus Phaseodactylum tricornutum Cloning and characterization of a lipoxygenase from Phaseodactylum tricornutum
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hydroperoxyfettsauren durch Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, besonders durch Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren wie Arachidonsäure oder Eicosapentaensäure. Die Erfindung betrifft die Herstellung eines transgenen Organismus bevorzugt einer transgenen Pflanze oder eines transgenen Mikroorganismus mit erhöhtem Gehalt an Hydroperoxyfettsauren aufgrund der Expression einer Lipoxygenase aus Phaeodactylum tricornutum.The present invention relates to a process for the preparation of hydroperoxy fatty acids by oxidation of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule, in particular by oxidation of polyunsaturated fatty acids such as arachidonic acid or eicosapentaenoic acid. The invention relates to the production of a transgenic organism, preferably a transgenic plant or a transgenic microorganism with an increased content of hydroperoxy fatty acids due to the expression of a lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum.
Außerdem betrifft die Erfindung Expressionskassetten enthaltend eine Nukleinsäure- sequenz, einen Vektor und Organismen enthaltend mindestens eine Nukleinsäure- sequenz bzw. eine Expressionskassette.In addition, the invention relates to expression cassettes containing a nucleic acid sequence, a vector and organisms containing at least one nucleic acid sequence or an expression cassette.
Bei Lipoxygenasen (Linoleat:Sauerstoff Oxidoreduktasen, EC 1.12.11.13; LOX) handelt es sich um Emzyme, die ubiquitär im RIanzen- und Tierreich verbreitet sind [A.R. Brash, J. Biol Chem, 274:23679-23682, 1999]. Sie enthalten ein nicht-Haem- Eisenatom pro mol Enzym und katalysieren die regio- und stereoselektive Dioxy- genierung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren, wobei deren Hydroperoxid-Derivate in S-Konfiguration entstehen [S. Rosahl, Z Naturforsch, 51:123-138,1996]. Die erste Lipoxygenase wurde 1932 von Andre und Hou beschrieben, als Enzym, das die Oxidation von Fettsäuren und den Abbau von Karotenoiden bewirkte [Andre et al., Lieb C R Acad Sei (Paris), 194:645-647, 1932]. In der Lebensmittelindustrie wurde die enzymatische Aktivität von Lipoxygenasen schon vor deren Entdeckung genutzt. So wurde Weizenmehl gebleicht, indem darin enthaltene Karotenoide von Lipoxygenasen umgesetzt wurden, welche der wirksame Bestandteil von beigemischtem Sojamehl waren [J.N. Siedow, Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 42:145-188,1991]. In den Achtziger Jahren begann man mit der Aufklärung der physiologischen und vor allem der biochemischen Eigenschaften [Galliard et al., The Biochemistry of Plants, p. 131- 161, Academic Press, London, 1980; D.F. Hildebrand, Physiol. Plant, 76^249-253, 1989]. Eine erste umfassende Zusammenfassung des Katalysemechanismus erfolgte 1991 [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084:221-239, 1991]. Insbesondere die Verfügbarkeit der ersten Daten aus den Strukturanalysen durch Röntgenbeugung tierischer [Gillmor et al., Nat. Struct. Biol., 4:1003-1009, 1998] sowie pflanzlicher [Boyington et al., Biochem. Soc. Trans, 21:744-748, 1993; Minor et al., Biochemistry, 35:10687-10701 , 1996; Skrzypczak-Jankum et al., Proteins-Structure Function and Genetics, 29:15-31, 1997] Lipoxygenasen half Modelle zu erstellen, welche die Substrat- und Positionsspezifität zu erklären versuchen [Feussner et al.; Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, WileyNCH, Weinheim, 2000]. Bis jetzt sind Sequenzen, die für Lipoxygenasen kodieren, aus über sechzig Rlanzenarten und Tieren bekannt [A.R. Brash, J. Biol Chem, 274:23679-23682, 1999]. Es wurde erst eine mikrobielle Lipoxygenase aus dem Pilz Gaeumannomyces graminis isoliert [Sugio et al., Lipoxygenase, 2002; WO 02/20730]. Bei Säugetieren setzen sie u.a. Arachidonsäure um und bilden die Vorstufen von regulatorischen Verbindungen, wie Leukotriene und Lipoxine, die eine wichtige Rolle bei Entzündungs- und Immunreaktionen spielen [Kühn et al., FEBS Lett, 449:7-11, 1999]. Bei Pflanzen dienen die von den Lipoxygenasen gebilde- ten Hydroperoxide als Substrate für wenigstens sieben Enzymfamilien [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297,2002]. Hier wären vier Stoffwechselwege zu nennen, die verhältnismäßig gut charakterisiert sind: Peroxy-Genase-, Hydroperoxid- Lyase-, Allenoxid-Synthase- und der Divinylether-Synthase-Weg. Weniger gut charakterisiert ist die Umsetzung der Epoxyalkohol-Synthasen und durch Reduktasen, ebenso wie die Hydroperoxidase-Aktivität der Lipoxygenasen [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297,2002]. Über die physiologische Funktion vieler pflanzlicher Lipoxygenasen ist jedoch noch immer, trotz intensiver Untersuchungen, wenig bekannt [A.R. Brash, J. Biol Chem, 274:23679-23682, 1999].Lipoxygenases (linoleate: oxygen oxidoreductases, EC 1.12.11.13; LOX) are enzymes which are ubiquitously widespread in the animal and animal kingdom [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999]. They contain one non-haem iron atom per mole of enzyme and catalyze the regio- and stereoselective dioxygenation of polyunsaturated fatty acids, whereby their hydroperoxide derivatives are formed in the S configuration [p. Rosahl, Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996]. The first lipoxygenase was described by Andre and Hou in 1932 as an enzyme which caused the oxidation of fatty acids and the breakdown of carotenoids [Andre et al., Lieb CR Acad Sei (Paris), 194: 645-647, 1932]. The enzymatic activity of lipoxygenases was used in the food industry even before they were discovered. For example, wheat flour was bleached by reacting carotenoids contained therein by lipoxygenases, which were the active ingredient of added soy flour [JN Siedow, Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 42: 145-188, 1991]. In the 1980s, the physiological and especially the biochemical properties were elucidated [Galliard et al., The Biochemistry of Plants, p. 131-161, Academic Press, London, 1980; DF Hildebrand, Physiol. Plant, 76 ^ 249-253, 1989]. A first comprehensive summary of the catalytic mechanism was made in 1991 [HW Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]. In particular, the availability of the first data from the structural analyzes by X-ray diffraction of animal [Gillmor et al., Nat. Struct. Biol., 4: 1003-1009, 1998] and vegetable [Boyington et al., Biochem. Soc. Trans, 21: 744-748, 1993; Minor et al., Biochemistry, 35: 10687-10701, 1996; Skrzypczak-Jankum et al., Proteins-Structure Function and Genetics, 29: 15-31, 1997] Lipoxygenases helped to create models which Attempting to explain substrate and position specificity [Feussner et al .; Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, WileyNCH, Weinheim, 2000]. To date, sequences encoding lipoxygenases have been known from over sixty species of plants and animals [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999]. A microbial lipoxygenase from the fungus Gaeumannomyces graminis was first isolated [Sugio et al., Lipoxygenase, 2002; WO 02/20730]. In mammals they convert arachidonic acid, among other things, and form the precursors of regulatory compounds, such as leukotrienes and lipoxins, which play an important role in inflammatory and immune reactions [Kühn et al., FEBS Lett, 449: 7-11, 1999]. In plants, the hydroperoxides formed by the lipoxygenases serve as substrates for at least seven enzyme families [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 002]. There are four metabolic pathways that are relatively well characterized: peroxy genase, hydroperoxide, lyase, all oxide synthase, and the divinyl ether synthase pathway. The implementation of the epoxy alcohol synthases and by reductases is less well characterized, as is the hydroperoxidase activity of the lipoxygenases [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 002]. However, despite intensive studies, little is still known about the physiological function of many plant lipoxygenases [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999].
Pflanzliche Lipoxygenasen sind Enzyme, die ein Molekulargewicht zwischen 90 und 115 kDa haben. Sie gehören zur Familie der Dioxygenasen und katalysieren den Einbau von molekularem Sauerstoff in ein (1Z,4Z)-Dien-System ungesättigter Fettsäuren [A.R. Brash, J. Biol Chem, 274:23679-23682, 1999]. Die dabei entstehenden Hydroperoxide der Fettsäuren besitzen S-Konfiguration und weisen ein (1Z,3E)-Dien- System auf (Figur 1). Die meisten Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus wurden an der Lipoxygenase Isoform 1 aus Soja durchgeführt [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, pages 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000; H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084:221-239, 1991; Veldink et al., Studies in Νatural Products Chemistry, p. 559-589, 1991]. Bei der Umsetzung von Linolsäure und α-ünolensäure, den häufigsten Substraten von Lipoxygenasen in Pflanzen, kann der Sauerstoff an zwei verschiedenen Positionen eingeführt werden. Nach initialer Wasserstoff-Abstraktion durch das nicht-Haem Eisenatom am Kohlenstoffattom Cn dieser Fettsäuren kann eine [+2]- oder [-2]-Umlagerung des Pentadienylradikals erfolgen. Eine Ausnahme bezüglich des Wasserstoffakzeptor bildet der Pilz Gaeumannomyces graminis, bei dem Mangan anstatt des zweiwertigen Eisenatoms im aktiven Zentrum der katalytisch aktiven Lipoxygenase gefunden wird [Sugio et al., Lipoxygenase, 2002; WO 02/20730]. Nach Sauerstoffanlagerung und der Reduktion des Peroxy-Radikals zum Hydroperoxid entstehen aus Linolsäure folglich entweder (13S,9Z,11 E)-13-Hydro- peroxy-9,11-octadiensäure (13-HPODE, [+2]-Umlagerung) oder (9S,10E,12Z)-9-Hydro- peroxy-10,12-octadecadiensäure (9-HPODE, [-2]-Umlagerung ([Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000], Figur 2). Da die Bildung des Verhältnisses dieser Positionsisomere für jedes Enzym spezifisch erfolgt, wird zwischen 9- und 13-Lipoxygenase bei Pflanzen unterschieden [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084:221-239, 1991]. Eine weiter führende Unterteilung pflanzlicher Lipoxygenasen basiert auf Sequenzhomologien auf cDNA- Ebene. So besitzen Lipoxygenasen vom Typ 1 kein chloroplastizidäres Signalpeptid, im Gegensatz zu Lipoxygenasen vom Typ 2 [Shibata et al, Plant Miol Biol Reporter, 12(2):S41-S42, 1994].Plant lipoxygenases are enzymes that have a molecular weight between 90 and 115 kDa. They belong to the family of dioxygenases and catalyze the incorporation of molecular oxygen into a (1Z, 4Z) diene system of unsaturated fatty acids [AR Brash, J. Biol Chem, 274: 23679-23682, 1999]. The resulting hydroperoxides of the fatty acids have an S configuration and have a (1Z, 3E) diene system (FIG. 1). Most studies on the reaction mechanism have been carried out on the soybean lipoxygenase isoform 1 [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, pages 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000; HW Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991; Veldink et al., Studies in Natural Products Chemistry, p. 559-589, 1991]. When converting linoleic acid and α-oleolenic acid, the most common substrates of lipoxygenases in plants, the oxygen can be introduced at two different positions. After initial hydrogen abstraction by the non-hemic iron atom on the carbon atom Cn of these fatty acids, a [+2] or [-2] rearrangement of the pentadienyl radical can take place. An exception to the hydrogen acceptor is the fungus Gaeumannomyces graminis, in which manganese is found in the active center of the catalytically active lipoxygenase instead of the divalent iron atom [Sugio et al., Lipoxygenase, 2002; WO 02/20730]. After oxygenation and the reduction of the peroxy radical to the hydroperoxide, either linoleic acid produces either (13S, 9Z, 11E) -13-hydroperoxy-9,11-octadienoic acid (13-HPODE, [+2] rearrangement) or ( 9S, 10E, 12Z) -9-hydroperoxy-10,12-octadecadienoic acid (9-HPODE, [-2] rearrangement ([Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000], Figure 2). Since the formation of the ratio of these positional isomers occurs specifically for each enzyme, a distinction is made between 9- and 13-lipoxygenase in plants [HW Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]. A further subdivision of plant lipoxygenases is based on sequence homologies at the cDNA level. Type 1 lipoxygenases do not have a chloroplasticidal signal peptide, in contrast to type 2 lipoxygenases [Shibata et al, Plant Miol Biol Reporter, 12 (2): S41-S42, 1994].
Wie schon erwähnt, sind bisher neben dem Enzym Lipoxygenase selbst sechs weitere Enzymfamilien beschrieben worden, welche die Hydroperoxid-Derivate von Fettsäuren weiter umsetzen. Vier Haupt-Stoffwechselwege wurden bis heute charakterisiert ([E. Blέe, Prog. Lipid Res., 37:33-72, 1998; Feussner et al., Trends Plant Sei, 6:262- 267, 2001], Figur 3, dicke Pfeile):As already mentioned, in addition to the enzyme lipoxygenase itself, six further enzyme families have been described which further implement the hydroperoxide derivatives of fatty acids. Four main metabolic pathways have been characterized to date ([E. Blέe, Prog. Lipid Res., 37: 33-72, 1998; Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001], Figure 3, thick arrows):
1. Der Peroxygenaseweg [E. Blee, Prog. Lipid Res., 37:33-72, 1998] früher Hydroperoxid-Isomerase): Durch die Peroxygenase entstehen Hydroxy-, Epoxy- und ß-Hydroxyepoxyfettsäuren aus den Hydroperoxiden der Fettsäuren. Die Epoxygruppen können zu Hydroxygruppen reduziert werden, so dass Di- und Trihydroxyfettsäuren entstehen [M. Hamberg, J Lipid Mediators Cell Signal,1. The Peroxygenase Route [E. Blee, Prog. Lipid Res., 37: 33-72, 1998] earlier hydroperoxide isomerase): Peroxygenase produces hydroxy, epoxy and ß-hydroxyepoxy fatty acids from the hydroperoxides of the fatty acids. The epoxy groups can be reduced to hydroxyl groups, so that di- and trihydroxy fatty acids are formed [M. Hamberg, J Lipid Mediators Cell Signal,
12:283-292, 1995].12: 283-292, 1995].
2. Der Allenoxid-Synthaseweg (AOS, früher Hydroperoxid-Dehydratase [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084:221-239, 1991]: Die Allenoxid- Synthase gehört zur Familie der Cytochrom-P450-Enzyme [Song et al., Proc Natl2. The Allen Oxide Synthase Pathway (AOS, formerly hydroperoxide dehydratase [HW Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]: The Allen oxide synthase belongs to the family of cytochrome P 450 enzymes [Song et al., Proc Natl
Acad Sei USA, 90:8519-8523, 1993], Unterfamilie CYP74A. Hier werden die Hydroperoxide zu instabilen Allenoxiden umgesetzt, die in α- und γ-Ketole zerfallen. Bei der Umsetzung von 13-HPOTE kann neben diesem Zerfall zu den Ketolen ein weiterer Reaktionsweg beschriften werden, der zur Bildung von Jasmonsäure führt, der sogenannten Jasmonat-Kaskade [Vick et al., BiochemAcad Sei USA, 90: 8519-8523, 1993], subfamily CYP74A. Here the hydroperoxides are converted into unstable allenoxides, which break down into α- and γ-ketols. In the implementation of 13-HPOTE, apart from this decay to the ketols, a further reaction pathway can be labeled which leads to the formation of jasmonic acid, the so-called jasmonate cascade [Vick et al., Biochem
Biophys Res Commun, 111 :470-477, 1983]. In diesem Falle entsteht aus 13-HPOTE zunächst ein instabiles Allenoxid, das durch die hochspezifische Allenoxidcyclase zu (9S,13S,15Z)-12-Oxo-9,13,15-phytodienonsäure (cis-[+]-12- Oxo-PDA) zyklisiert wird [Ziegler et al., Lipids, 34:1005-1015, 19.99]. Anschlie- ßend katalysiert die 12-Oxo-PDA-Δ 0-Reduktase der Doppelbindung des Cyclo- pentanonrings. Diese Reaktion ist NAPH-abhängig [Schaller et al., Planta, 210:979-984, 2000]. Durch drei anschließende ß-Oxidationssch ritte wird die Karbonsäureseitenkette verkürzt und es entsteht (3R,7S)-Jasmonsäure, die spontan zu (3R,7R)-Jasmonsäure epimerisiert [Sembdner et al., Annu Rev PlantPhysiol Plant Mol Biol, 44:569-589, 1993]. Beide Verbindungen und deren Methylester sind biologisch aktiv. Sie besitzen Phytohormon-ähnliche Eigenschaften und wirken stimulierend oder auch hemmend auf pflanzliche Entwicklungsprozesse, wie Keimung und Seneszenz. Die Frage, ob Jasmonat als hormoneller Regulator der Seneszenz wirkt oder als Stresssignal, das auch Seneszenz auslösen kann, ist noch nicht geklärt [Wastemack et al., TrendsBiophys Res Commun, 111: 470-477, 1983]. In this case, 13-HPOTE initially creates an unstable allen oxide, which is converted to (9S, 13S, 15Z) -12-oxo-9,13,15-phytodienonic acid (cis - [+] - 12-oxo-PDA) by the highly specific allen oxide cyclase ) is cyclized [Ziegler et al., Lipids, 34: 1005-1015, 19.99]. The 12-oxo-PDA-Δ 0 reductase then catalyzes the double bond of the cyclopentanone ring. This reaction is dependent on NAPH [Schaller et al., Planta, 210: 979-984, 2000]. The carboxylic acid side chain is shortened by three subsequent β-oxidation steps and (3R, 7S) -jasmonic acid is formed, which spontaneously epimerizes to (3R, 7R) -jasmonic acid [Sembdner et al., Annu Rev Plant-Physiol Plant Mol Biol, 44: 569- 589, 1993]. Both connections and their Methyl esters are biologically active. They have phytohormone-like properties and have a stimulating or inhibiting effect on plant development processes such as germination and senescence. The question of whether jasmonate acts as a hormonal regulator of senescence or as a stress signal that can also trigger senescence has not yet been clarified [Wastemack et al., Trends
Plant Sei, 2(8):302-307, 1997].Plant Sei, 2 (8): 302-307, 1997].
3. Der Hydroperoxid-Lyase-Weg (HPL, früher Hydroperoxid-Isomerase [Zimmermann et al., Plant Physiol, 46:445-453, 1970]: Das Enzym ist in Pflanzen weit verbreitet [K. Matsui, Belgian Journal of Botany, 131 :50-62, 1998], besitzt ebenfalls ein Cytochrom-P450 und bildet die Unterfamilien CYP74B und CYP74C. Die Peroxide von Linol- und α-Linolensäure werden in den gesättigten Aldehyd Hexanal oder in ungesättigte (3Z)-Aldehyde und ω-Oxo-Derivate der Fettsäuren gespalten [K. Matsui, Belgian Journal of Botany, 131:50-62, 1998]. Durch Alkohol-Dehydrogenasen können die (3Z)-Aldehyde in (3Z)-Alkohole umgewandelt werden, die dann wiederum mit kurzkettigen Carbonsäuren flüchtige Ester bilden können. Alternativ können die Aldehyde vor ihrer Reduktion zu den entsprechenden (2E)-Aldehyden isomerisieren (siehe S. 5). Diese aus der HPL- Reakation resultierenden Substanzen sind für den charakteristischen Geruch von Pflanzen und Früchten verantwortlich [A. Hatanake, Food Rev Int, 12:303-3. The hydroperoxide lyase route (HPL, formerly hydroperoxide isomerase [Zimmermann et al., Plant Physiol, 46: 445-453, 1970]: The enzyme is widespread in plants [K. Matsui, Belgian Journal of Botany, 131: 50-62, 1998], also has a cytochrome P 450 and forms the subfamilies CYP74B and CYP74C. The peroxides of linoleic and α-linolenic acid are converted into the saturated aldehyde hexanal or unsaturated (3Z) aldehydes and ω- Oxo derivatives of fatty acids cleaved [K. Matsui, Belgian Journal of Botany, 131: 50-62, 1998] Alcohol dehydrogenases can be used to convert the (3Z) -aldehydes into (3Z) -alcohols, which in turn are then used with short-chain Carboxylic acids can form volatile esters, or the aldehydes can be isomerize to their corresponding (2E) aldehydes before they are reduced (see p. 5) .These substances resulting from the HPL reaction are responsible for the characteristic smell of plants and fruits [A. Hatanake, Food Rev Int, 12: 303-
350, 1996].350, 1996].
4. Der Divinylether-Synthase-Weg (DES): Die Enzymaktivität des DES, die Bildung von Divinylethern aus den Fettsäurehydroperoxiden, wurde schon in den 70er Jahren beschrieben [Gilliard et al., Biochem, 129:743-753, 1972]. Die Produkte scheinen bei der Abwehr von pathogenen Bakterien und Pilzen eine Rolle zu spielen [Weber et al., Plant Cell, 11:485-493, 1999]. Die erste Isolierung einer DES gelang erst Ende 2000 aus Lycopersicum esculentum [Itoh et al., J Biol Chem, 276(5):3620-3627, 2001].4. The divinyl ether synthase route (DES): The enzyme activity of DES, the formation of divinyl ethers from the fatty acid hydroperoxides, was described as early as the 1970s [Gilliard et al., Biochem, 129: 743-753, 1972]. The products appear to play a role in the defense against pathogenic bacteria and fungi [Weber et al., Plant Cell, 11: 485-493, 1999]. DES was first isolated from Lycopersicum esculentum at the end of 2000 [Itoh et al., J Biol Chem, 276 (5): 3620-3627, 2001].
Neben diesen vier Haupt-Stoffwechselwegen sind drei weitere, weniger gut charakterisierte Enzymaktivitäten bekannt.In addition to these four main metabolic pathways, three further, less well characterized enzyme activities are known.
1. Die Hydroperoxid-Reduktase ist u.a. bei einer Vielzahl von Ölsaaten am Abbau der Polyenfettsäuren in den Speicherlipiden beteiligt [Feussner et al., Trends1. The hydroperoxide reductase includes involved in the degradation of polyene fatty acids in the storage lipids in a large number of oilseeds [Feussner et al., Trends
Plant Sei, 6:262-267, 2001]. Der Mechanismus ist nicht vollständig verstanden, aber es wird eine Beteiligung von Glutathion diskutiert [Feussner et al., Advances in Plant Lipid Research, p. 311-333, 1998]. 2. Die Lipoxygenase-katalysierte Peroxidase-Reaktion (Ketodien erzeugender Weg): Bei Sauerstoffmangel können Lipoxygenasen die homeolytische Spaltung der O-O Bindung katalysieren. Die dabei entstehenden Alkoxy-Radikale können dann zu Ketokonjudienfettsäuren umlagern, wobei zu einem geringeren Anteil auch andere Derivate entstehen können [Kühn et al., Biochemistry, 30:10269-Plan Sei, 6: 262-267, 2001]. The mechanism is not fully understood, but glutathione involvement is discussed [Feussner et al., Advances in Plant Lipid Research, p. 311-333, 1998]. 2. The Lipoxygenase-Catalyzed Peroxidase Reaction (Ketodiene-Generating Way): In the absence of oxygen, lipoxygenases can catalyze the homeolytic cleavage of the OO bond. The resulting alkoxy radicals can then rearrange to form ketoconjudic fatty acids, with other derivatives being able to form to a lesser extent [Kühn et al., Biochemistry, 30: 10269-
10273, 1991 ; Kühn et al., Eicosanoids, 4:9-14, 1991].10273, 1991; Kuehn et al., Eicosanoids, 4: 9-14, 1991].
3. Der Epoxyalkohol-Synthase-Weg (EAS): Alternativ zum Peroxygenase-Weg wurde die Umwandlung von (9S)-Hydroperoxiden durch eine EAS beschrieben. Die Charakterisierung des Enzyms gelang u.a. aus den Blättern von Kartoffeln3. The Epoxy Alcohol Synthase Pathway (EAS): As an alternative to the peroxygenase pathway, the conversion of (9S) hydroperoxides by an EAS has been described. The characterization of the enzyme was successful from the leaves of potatoes
[M. Hamberg, Lipids, 34:1131-1142, 1999]. Bei dieser Katalyse entstehen α- und ß-Hydroxyepoxy-Derivate der Fettsäuren durch intramolekulare Umlagerung ihrer Hydro(pero)xide, jedoch mit einer anderen absoluten Konfiguration als im Falle der Peroxygenase. Der EAS-Weg wurde bisher nur in Solanaceen gefunden, wobei die dadurch entstehenden Oxylipine bei der Verteidigung gegen Pathogene eine Rolle spielen könnten [Göbel et al., J. Biol. Chem, 276:6267-6273, 2001].[M. Hamberg, Lipids, 34: 1131-1142, 1999]. In this catalysis, α- and ß-hydroxyepoxy derivatives of the fatty acids result from the intramolecular rearrangement of their hydro (pero) xides, but with a different absolute configuration than in the case of peroxygenase. The EAS path has so far only been found in Solanaceae, and the oxylipins which result from this could play a role in the defense against pathogens [Göbel et al., J. Biol. Chem, 276: 6267-6273, 2001].
Zu erwähnen sei auch die weitere Umsetzung der Aldehyde, die durch die HPL-Reak- tion entstanden sind. So können sie durch eine (3Z):2E-Enal-lsomerase isomerisiert werden [Phillips et al., Phytochem, 18:401-404, 1979]. Vorgeschlagen wurde auch die erneute Reaktion mit Lipoxygenasen, die zur Bildung von Hydroxyaldehyden führen würde [Gardner et al., Plant Physiol., 116:1359-1366, 1998]. Diese Umsetzung gilt jedoch nicht als gesichert, Durch Arbeiten von zwei anderen Gruppen wird eher wie bei den Wirbeltieren eine autoxidative Bildung angenommen [Noordermeer et al.,The further conversion of the aldehydes, which resulted from the HPL reaction, should also be mentioned. Thus, they can be isomerized by a (3Z): 2E enal isomerase [Phillips et al., Phytochem, 18: 401-404, 1979]. Reaction with lipoxygenases that would lead to the formation of hydroxyaldehydes has also been proposed [Gardner et al., Plant Physiol., 116: 1359-1366, 1998]. However, this implementation is not considered to be assured. Working from two other groups assumes autoxidative formation more like vertebrates [Noordermeer et al.,
Biochem Biophys Res Commun, 277(1):112.116, 2000; Schneider et al., J Biol Chem, 276(20831-20838), 2001]. Aus der bei der Umsetzung von 13-HPOTE gebildeten ω-Oxosäure, (9Z)-12-Oxo-9-dodecensäure, entsteht durch Folgereaktionen Traumatin, das durch Oxidation spontan in Traumatinsäure umgewandelt wird [Zimmermann et al., Plant Physiol, 63:536-541 , 1979]. Beide Substanzen werden als Wundhormone bezeichnet, da sie möglicherweise bei der Wundantwort von Pflanzen involviert sind.Biochem Biophys Res Commun, 277 (1): 112.116, 2000; Schneider et al., J Biol Chem, 276 (20831-20838), 2001]. Subsequent reactions result in the ω-oxo acid, (9Z) -12-oxo-9-dodecenoic acid formed in the reaction of 13-HPOTE, which is spontaneously converted into traumatic acid by oxidation [Zimmermann et al., Plant Physiol, 63: 536-541, 1979]. Both substances are called wound hormones because they may be involved in the wound response of plants.
Lipoxygenase-Isoformen kommen in den meisten Pflanzenzellen vor. Die Expression der Lipoxygenase ist jedoch abhängig von den Entwicklungs- und Umweltbedingungen der Pflanze [S. Rosahl, Z Naturforsch, 51 :123-138, 1996]. Sie können löslich oder an Membranen gebunden sein. Lösliche Lipoxygenasen findet man z.B. im Cytosol von Keimlingen und reifenden Samen [Vernooy-Gerritsen et al., Plant Physiol, 76:1070-1080, 1984], in späteren Entwicklungsstadien z.B. in Blättern, auch in Vakuolen [Tranbarger et al., Plant Cell, 3:973-987, 1991], im Zellkern [Feussner et al., Plant J, 7:949-957, 1995] und im Chloroplasten [Bell et al., Proc NatI Acad Sei USA, 92:8675-8676; 1995, Feussner et al., Plant J, 7:949-957, 1995]. Die menbran- gebundenen Lipoxygenasen wurden ebenso in den verschiedensten Kompartimenten der pflanzlichen Zellen gefunden. Sie können an der Plasmamenbran [Nellen et al., Z Naturforsch, 50(c):29-36, 1995], an der Membran der Lipidkörper von Keimlingen [Feussner et al., FEBS Lett, 298:223-225, 1992; Radetzky et al., Planta, 191:166-172, 1993] und an der Hüll- und Thylakoidmembran der Chloroplasten von Blättern, Blüten und Früchten [Blee et al., Plant Physilogy, 110(2):445-454, 1996; Bowsher et al., Plant Physiol, 100:1802-1807, 1992] gebunden sein.Lipoxygenase isoforms are found in most plant cells. However, the expression of lipoxygenase depends on the developmental and environmental conditions of the plant [p. Rosahl, Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996]. They can be soluble or bound to membranes. Soluble lipoxygenases are found, for example, in the cytosol of seedlings and ripening seeds [Vernooy-Gerritsen et al., Plant Physiol, 76: 1070-1080, 1984], in later stages of development, for example in leaves, also in vacuoles [Tranbarger et al., Plant Cell , 3: 973-987, 1991], in the cell nucleus [Feussner et al., Plant J, 7: 949-957, 1995] and in chloroplast [Bell et al., Proc NatI Acad Sei USA, 92: 8675-8676; 1995, Feussner et al., Plant J, 7: 949-957, 1995]. The membrane-bound lipoxygenases were also found in the most diverse compartments of the plant cells. They can be found on the plasma membrane [Nellen et al., Z Naturforsch, 50 (c): 29-36, 1995], on the membrane of the lipid bodies of seedlings [Feussner et al., FEBS Lett, 298: 223-225, 1992; Radetzky et al., Planta, 191: 166-172, 1993] and on the envelope and thylakoid membrane of the chloroplasts of leaves, flowers and fruits [Blee et al., Plant Physilogy, 110 (2): 445-454, 1996; Bowsher et al., Plant Physiol, 100: 1802-1807, 1992].
Folgende mögliche physiologische Funktionen werden für Lipoxygenasen diskutiert:The following possible physiological functions are discussed for lipoxygenases:
1. bei der pflanzlichen Entwicklung1. in plant development
Von den 15-üpoxygenasen der Wirbeltiere ist bekannt, dass sie in den Abbauprozess von Membranen involviert sein können [Schewe et al., TIBS, 16:369-373, 1991]. In Anlehnung daran wird auch bei pflanzlichen Lipoxygenasen vermutet, dass sie durch die Umsetzung von Lipiden zu Lipidhydroper- oxiden einen Verlust der Membranintegrität hervorrufen [Thompson et al., Prog Lipid Res, 37:119-141, 1998]. Eine weitere Hypothese ist, dass durch die Zerstörung der Membranen im Keimling der Transport von Speicherstoffen zu dem Embryo ermöglicht wird [D.F. Hildebrand, Current Topics in Plant Biochemistry and Physiology, 7:201-219, 1988]. Weiterhin wird eine Mitwirkung oder Auslösung der Mobilisierung von Speicherfetten vorgeschlagen [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6:262-267, 2001], da als Hauptbestandteil der Proteinausstattung der Lipidkörper in Gurken-, Sonnenblumen-, Lein-, Anis- und Soja- keimlingen eine membranständige Lipoxygenase identifiziert werden konnte.The 15-epoxygenases of the vertebrates are known to be involved in the membrane degradation process [Schewe et al., TIBS, 16: 369-373, 1991]. Based on this, plant lipoxygenases are also believed to cause loss of membrane integrity through the conversion of lipids to lipid hydroperoxides [Thompson et al., Prog Lipid Res, 37: 119-141, 1998]. Another hypothesis is that the destruction of the membranes in the seedling enables the transport of storage substances to the embryo [D.F. Hildebrand, Current Topics in Plant Biochemistry and Physiology, 7: 201-219, 1988]. Furthermore, participation or triggering of the mobilization of storage fats is proposed [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001], since the lipid body in cucumber, sunflower, flax, anise and A membrane-bound lipoxygenase could be identified in soybean seedlings.
Das Enzym aus Gurke wies nach der Bindung an die Membran des Lipidkörpers [Feussner et al., Biol Chem Hoppe-Seyler, 376:51 , 1995] eine Steigerung der Enzymaktivität und eine Änderung der Regiospezifität auf. Es ist die erste pflanzliche Lipoxygenase, von der gezeigt werden konnte, dass sie direkt veresterte Linol- bzw. Linolensäure umsetzen kann [Feussner et al., Proc NatI Acad SeiAfter binding to the membrane of the lipid body [Feussner et al., Biol Chem Hoppe-Seyler, 376: 51, 1995], the enzyme from cucumber showed an increase in the enzyme activity and a change in the regiospecificity. It is the first plant lipoxygenase to be shown to be able to react directly with esterified linoleic or linolenic acid [Feussner et al., Proc NatI Acad Sei
USA, 92:11849-11853, 1995]. Eine mögliche Funktion dieser Reaktion könnte die Auslösung des Katabolismus von in Lipiden veresterten ungesättigten Fettsäuren sein [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6:262-267, 2001]. Eine weitere Möglichkeit der Rolle von Lipoxygenasen bei der Keimlingsentwjeklung könnte durch den Schutz vor Pathogenen durch die Produktion von antimikrobiellenUSA, 92: 11849-11853, 1995]. A possible function of this reaction could be the triggering of the catabolism of unsaturated fatty acids esterified in lipids [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001]. Another possibility of the role of lipoxygenases in seedling development could be through protection against pathogens through the production of antimicrobial
Substanzen gegeben sein [A. Slusarenko, Lipoxygenase and Lipoxygenase Pathway Enzymes, p. 176-197, 1996, AOCS Press Champaign II]. 2. bei der pflanzlichen StressantwortSubstances are given [A. Slusarenko, Lipoxygenase and Lipoxygenase Pathway Enzymes, p. 176-197, 1996, AOCS Press Champaign II]. 2. with the herbal stress response
Aus den Produkten der Lipoxygenase-Reaktion können durch weitere enzy- matische Reaktionen Verbindungen mit regulatorischen Eigenschaften, wie Jasmonsäure und Traumatin entstehen [Wasternack et al., Trends Plant Sei, 2(8):302-307, 1997]. Das Wundhormon Traumatin scheint die ZellproliferationFrom the products of the lipoxygenase reaction, further enzymatic reactions can give rise to compounds with regulatory properties such as jasmonic acid and traumatin [Wasternack et al., Trends Plant Sei, 2 (8): 302-307, 1997]. The wound hormone traumatin seems to proliferate cells
[Zimmermann et al., Plant Physiol., 63:536-541, 1979] an den verwundeten Stellen innerhalb der Pflanze zu fördern. Jasmonsäure oder deren Methylester scheinen als Signaltranduktions-Molekül der Rlanze bei Verwundung oder Pathogenbefall gebildet zu werden [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48:355-381, 1997]. Sie bewirken die Induktion von Enzymen, die für eine Abwehrreaktion von Bedeutung sind [S. Rosahl et al., Z Naturforsch, 51 :123-138, 1996]. Bei Pathogenbefall reagieren die Pflanzen mit Aktivierung von Abwehrgenen, der Synthese von antimikrobiellen Verbindungen, wie Phyto- alexinen, und hypersensitiven Zelltod, zur Ausbildung von Resistenzen. Auch hierbei spielen Lipoxygenasen scheinbar eine Rolle sein [A. Slusarenko, Lipoxygenase and Lipoxygenase Pathway Enzymes, p. 176-197, 1996, AOCS Press Champaign II].[Zimmermann et al., Plant Physiol., 63: 536-541, 1979] at the wounded sites within the plant. Jasmonic acid or its methyl ester appears to be formed as a signal transduction molecule of the lance when wounded or infected with pathogens [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48: 355-381, 1997]. They induce enzymes that are important for a defense response [p. Rosahl et al., Z Naturforsch, 51: 123-138, 1996]. In the case of pathogen attack, the plants react by activating defense genes, the synthesis of antimicrobial compounds such as phytotoxins, and hypersensitive cell death to develop resistance. Here, too, lipoxygenases seem to play a role [A. Slusarenko, Lipoxygenase and Lipoxygenase Pathway Enzymes, p. 176-197, 1996, AOCS Press Champaign II].
3. als Botenstoffe Lipoxygenasen spielen eine kritische Rolle bei der Synthese von Signalstoffen3. As messenger substances, lipoxygenases play a critical role in the synthesis of signal substances
(Pheromonen) von Braun- und Kieselalgen [Pohnert et al., Nat. Pro. Rep., 19:108-122, 2002]. Durch diese Botenstoffe z.B. werden männliche Spermato- zoiden zu den immobilen weiblichen Gameten geleitet, welche diese ausschütten. Produkte des Lipoxygenase-HPL-Reaktionswegs spielen ebenso eine Rolle bei der Verteidigung von Braun- Kieselalgen (siehe nächster Absatz).(Pheromones) of brown and diatoms [Pohnert et al., Nat. Per. Rep., 19: 108-122, 2002]. Through these messengers e.g. male spermatozoids are directed to the immobile female gametes, which release them. Products of the lipoxygenase-HPL pathway also play a role in the defense of brown diatoms (see next paragraph).
Kieselalgen (Diatomeen) sind einzellige Algen, die im ozeanischen- und im Frischwasser Phytoplankton auftreten, aber auch in Biofilmen und festen Substraten. Sie sind mit Braun- und Goldalgen enger verwandt als mit Grünalgen, Moosen und höheren Pflanzen. Im Gegensatz zu letzteren bilden Kieselalgen Chrysolaminarin (ein ß-1 ,3- Glucan) anstelle von Stärke (ein ß-1 ,4-Glucan). Generell werden Assimilationsprodukte, wie Öle (in besonderen Ölvakuolen) sowie Chrysolaminarin und Volutin, außerhalb der Chromatophoren abgelagert f www.kieselalaen.coml. Ein weiterer Unterscheidungspunkt ist die Anwesenheit von Chlorophyll c anstelle von Chloro- phyll b. Chromophoren, die Chlorophyll b enthalten (bei höheren Pflanzen, Mossen etc.), werden als Chloroplasten bezeichnet. Die Chromophoren bei Kieselalgen werden von vier anstelle von zwei Einheitsmembranen umhüllt. Die beiden inneren sind die eigentlichen Chromatophorenmembranen, die beiden äußeren stellen eine Falte des Endoplasmatischen Reticulums dar. Chromatophoren dieses Bauplans finden sich außer bei Bacillariophyceen (Kieselalagen) auch bei Chrysophyceen, Xanthophyceen, Chloromonadophyceen und Phaeophyceen, mit denen sie zu den Heterokontophyta (Chrysophyta) zusammengefasst werden abgelagert [www.kieselalQen.com1. In der marinen Nahrungskette stellen Kieselalgen die mit am bedeutendste primäre Quelle dar. Sie tragen damit auch global mit bis zu 25 % zur Primärproduktion von Biomaterial bei, mit einem entsprechenden Anteil an der Sauerstoffproduktion [Scala et al., Cell. Mol Life Sei, 58:1666-1673, 2001]. Durch ihre herausragende Rolle als marine Primärquelle stehen sie unter immensem herbivoren Druck. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass Lipoxygenasen in einem Verteidigungsmechanismus gegen herbivore Organismen im Phytoplankton involviert sind [Miralto et al., Nature, 402:173-176, 1999; Pohnert et al., Nat. Pro, Rep., 19:108-122,2002]. Sie werden vermutlich aus hoch ungesättigten Eicosanoiden (Arachidonsäure - ÄRA, Eicosapentaensäure - EPA) über den Lipoygenase-H PL-Weg Aldehyde gebildet, die sich als die wirksamen Verteidigungssubstanzen erwiesen. Diese Aldehyde reduzieren den Erfolg beim Schlüpfen von Ruderfußkrebsen, die 90 % des Phytoplanktons ausmachen. Da die meisten Kieselalgen von einer hochstrukturierten Zellwand mit eingelagerten Silikaten umgeben sind, spielen sie auch eine Schlüsselrolle im bio- geochemischen Kreislauf von Silikaten [Treger et al., Science, 268:375-379, 1995]. Kieselalgen werden kommerziell für vielfältige Zwecke eingesetzt, wie z.B. als Futter in jeder Form der Wasserzucht, als Quelle für mehrfach ungesättigte Fettsäuren (polyunsaturated fatty acids, PUFAs) oder als Bestandteil pharmazeutischer Artikel [Apt et al., J. Phycol, 35:215-226, 1999].Diatoms are unicellular algae that occur in oceanic and fresh water phytoplankton, but also in biofilms and solid substrates. They are more closely related to brown and gold algae than to green algae, moss and higher plants. In contrast to the latter, diatoms form chrysolaminarin (a ß-1, 3-glucan) instead of starch (a ß-1, 4-glucan). In general, assimilation products such as oils (in special oil vacuoles) as well as chrysolaminarin and volutin are deposited outside the chromatophores f www.kieselalaen.coml. Another point of differentiation is the presence of chlorophyll c instead of chlorophyll b. Chromophores that contain chlorophyll b (in higher plants, mosses, etc.) are called chloroplasts. The chromophores in diatoms are enveloped by four instead of two uniform membranes. The two inner ones are the actual chromatophore membranes, the two outer ones represent a fold of the endoplasmic reticulum. Chromatophores of this blueprint are found not only in Bacillariophyceen (silica layers) but also in Chrysophyceen, Xanthophyceen, Chloromonadophyceen and Phaeophyceen, with which they are combined to form the Heterokontophyta (Chrysophyta), are deposited [www.kieselalQen.com1. Diatoms are the most important primary source in the marine food chain. They also contribute up to 25% globally to the primary production of biomaterial, with a corresponding share in oxygen production [Scala et al., Cell. Mol Life Sei, 58: 1666-1673, 2001]. Due to their outstanding role as a primary marine source, they are under immense herbivorous pressure. Recent research has shown that lipoxygenases are involved in a defense mechanism against herbivorous organisms in phytoplankton [Miralto et al., Nature, 402: 173-176, 1999; Pohnert et al., Nat. Pro, Rep., 19: 108-122, 002]. They are thought to be formed from highly unsaturated eicosanoids (arachidonic acid - ERA, eicosapentaenoic acid - EPA) via the lipoygenase-H PL pathway, aldehydes, which have proven to be the effective defense substances. These aldehydes reduce the success in hatching oar crabs, which make up 90% of phytoplankton. Since most diatoms are surrounded by a highly structured cell wall with embedded silicates, they also play a key role in the bio-geochemical cycle of silicates [Treger et al., Science, 268: 375-379, 1995]. Diatoms are used commercially for a variety of purposes, such as forage in all forms of water cultivation, as a source of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) or as a component of pharmaceutical articles [Apt et al., J. Phycol, 35: 215- 226, 1999].
Phaeodactylum tricornutum, eine einzellige Silika-freie Kieselalge, ist eins der am meisten benutzten Modellsysteme für das Studium der Ökologie, der Physiologie, der Biochemie und der molekularen Biologie von Kieselalgen [Apt et al., Mol Gen Genet, 252(5):572-9, 1996]. Sie unterscheidet sich dahingehend signifikant von höheren Pflanzen, dass vom gesamten Fettsäurenbestandteil bis zu 30 % die hoch ungesättigte Fettsäure EPA ist und 11 % Docosahexanensäure (DHA) [Schobert et al., Plant Physiol, 66:215-219, 1980]. Unter optimierten Kultivierungsbedingungen wurden schon 40 % EPA erhalten [Yongmanitchai et al., AppI Environ Mierobiol, 57(2):419-25, 1991]. P. tricornutum wurde um so attraktiver durch die Etablierung eines Protokolls zur stabilen Transformation, was viele neue Studien über Kieselalgen ermöglicht. So wurde durch die Verfügbarkeit dieser Technik ein Sensor-System demonstriert, das durch P. tricornutum benutzt wird, um auf relevante Umwelteinflüsse zu reagieren [Faiciatore et al., Science, 288:2363-2366, 2000]. Durch diese Technik wurde es auch möglich, ein Gen einzuführen, das für einen Glukose-Transporter kodiert. Dadurch wurde photoautotrophe Kieselalge in einen heterotrophen Organismus umgewandelt, wodurch sich neue Möglichkeiten der Fermentation in großem Maßstab für die kommerzielle Verwertung eröffnen [Zaslavskaia et al., Science, 292(5524):2073-5, 2001]. Die Anwesenheit dieser im Pflanzenreich seltenen PUFAs wie EPA und DHA macht aus Phaeodactylum tricornutum ein interessantes Untersuchungsobjekt für Enzyme, die in der Synthese und den Abbau dieser Fettsäuren involviert sind.Phaeodactylum tricornutum, a unicellular silica-free algae, is one of the most widely used model systems for studying the ecology, physiology, biochemistry, and molecular biology of diatoms [Apt et al., Mol Gen Genet, 252 (5): 572 -9, 1996]. It differs significantly from higher plants in that up to 30% of the total fatty acid component is the highly unsaturated fatty acid EPA and 11% docosahexanoic acid (DHA) [Schobert et al., Plant Physiol, 66: 215-219, 1980]. 40% EPA was already obtained under optimized cultivation conditions [Yongmanitchai et al., AppI Environ Mierobiol, 57 (2): 419-25, 1991]. P. tricornutum became all the more attractive by establishing a stable transformation protocol, which made many new studies on diatoms possible. The availability of this technique has thus demonstrated a sensor system which is used by P. tricornutum to react to relevant environmental influences [Faiciatore et al., Science, 288: 2363-2366, 2000]. This technique also made it possible to introduce a gene that codes for a glucose transporter. As a result, photoautotrophic diatom was converted into a heterotrophic organism, which opens up new possibilities for large-scale fermentation for commercial use [Zaslavskaia et al., Science, 292 (5524): 2073-5, 2001]. The presence of these PUFAs, which are rare in the plant kingdom, such as EPA and DHA, makes Phaeodactylum tricornutum an interesting object of study for enzymes that are involved in the synthesis and degradation of these fatty acids.
Es war ein Ziel dieser Arbeit, die erste Lipoxygenase aus einer Alge zu isolieren. Da sich das Spektrum der PUFAs in Kieselalgen grundlegend von den höheren RIanzen unterscheidet, ist zu erwarten, dass PUFA-metabolisierende Enzyme andere Sub- stratspezifitäten aufweisen als Enzyme höherer Pflanzen. Daher soll nach erfolgreicher Isolation die Substratspezifität für Pt-Lipoxygenase-1 mit Substraten bestimmt werden, die in höheren Pflanzen nicht auftreten. So ist keine Lipoxygenase im Rlanzenreich bekannt, deren bevorzugtes Substrat ÄRA, EPA oder DHA ist.It was a goal of this work to isolate the first lipoxygenase from an alga. Since the spectrum of PUFAs in diatoms differs fundamentally from the higher realms, it can be expected that PUFA-metabolizing enzymes have different substrate specificities than enzymes from higher plants. Therefore, after successful isolation, the substrate specificity for Pt lipoxygenase-1 should be determined with substrates that do not occur in higher plants. For example, no lipoxygenase is known in the plant kingdom, the preferred substrate of which is ERA, EPA or DHA.
Wie beschrieben sind oxygenierte Fettsäuren, die sogenannten Oxylipine, bei der pflanzlichen Wund- und Abwehrreaktion von großer Bedeutung. Der erste Schritt der Oxylipinsynthese ist die Bildung von Hydroperoxid-Derivaten vielfach ungesättigter Fettsäuren. Dies führt zur Bildung von Hydroperoxyfettsauren, die wichtige Ausgangsstoffe für die pflanzliche Biosynthese sind und durch eine Vielzahl von Enzymreaktionen weiter umgesetzt werden. Sie sind beispielsweise Ausgangsstoffe für Jasmons- äure und Jasmonsäuremethylester, die innerhalb der Pflanze als Phytohormone fungieren. Produkte der Lipoxygenasereaktion sind beispielsweise an der Regulation von Entwicklungsprozessen (Keimung, Knollenbildung, Seneszenz) durch die Bildung von Blattaldehyden und Blattalkoholen oder an Wundreaktionen und Pathogenabwehr durch die Synthese von Signalmolekülen und Phytoalexinen beteiligt. Weiterhin sind sie an der pflanzlichen Stressantwort beteiligt. So wirken beispielsweise Traumatin und Tramatinsäure wahrscheinlich an der Wundantwort durch Förderung der Zellteilung mit, oder Jasmonate und ihre Octadecan-Vorstufen induzieren nach mechanischer Verwundung sowie Fraßschäden durch Insekten die Expression von Proteinase- Inhibitoren lokal im geschädigten Gewebe. Auch sind sie an der Synthese antimikro- bieller Metaboliten beteiligt.As described, oxygenated fatty acids, the so-called oxylipins, are of great importance in the plant wound and defense response. The first step in oxylipin synthesis is the formation of hydroperoxide derivatives of polyunsaturated fatty acids. This leads to the formation of hydroperoxy fatty acids, which are important starting materials for plant biosynthesis and are further implemented through a variety of enzyme reactions. They are, for example, raw materials for jasmonic acid and jasmonic acid methyl ester, which act as phytohormones within the plant. Products of the lipoxygenase reaction are involved, for example, in the regulation of development processes (germination, tuber formation, senescence) through the formation of leaf aldehydes and leaf alcohols or in wound reactions and defense against pathogens through the synthesis of signaling molecules and phytoalexins. They are also involved in the herbal stress response. For example, traumatin and tramatinic acid probably contribute to the wound response by promoting cell division, or jasmonates and their octadecane precursors induce the expression of proteinase inhibitors locally in the damaged tissue after mechanical wounding and insect damage. They are also involved in the synthesis of antimicrobial metabolites.
Nach wie vor besteht daher ein großer Bedarf an neuen und besser geeigneten Genen, die für Enzyme kodieren, die an der Biosynthese Hydroperoxyfettsauren beteiligt sind und in RIanzen einen Pathogenschutz vermitteln. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass diese Nukleinsäuresequenzen es ermöglichen, regioselektiv mehr- fach ungesättigte Fettsäuren in spezifische Hydroperoxyfettsauren umzusetzen.Therefore, there is still a great need for new and more suitable genes which code for enzymes which are involved in the biosynthesis of hydroperoxy fatty acids and which mediate pathogen protection in Rance. It is also advantageous that these nucleic acid sequences make it possible to convert regioselectively polyunsaturated fatty acids into specific hydroperoxy fatty acids.
Um eine möglichst breite Palette von funktionalisierten Fettsäuren herstellen zu können, besteht deshalb ein großer Bedarf an spezifischen Lipoxygenasen, die es ermöglichen spezifische Hydroperoxyfettsauren herzustellen.In order to be able to produce the widest possible range of functionalized fatty acids, there is therefore a great need for specific lipoxygenases which make it possible to produce specific hydroperoxy fatty acids.
Es bestand daher die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung von Hydroperoxyfett- säuren durch Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül in einem Organismus vorteilhaft in einem eukaryontischen Organismus bevorzugt in einer Pflanze zu entwickeln. Weiterhin bestand die Aufgabe darin für das vorgenannte Verfahren vorteilhafte Nukleinsäure- sequenzen zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wurde durch die erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäuresequenzen gelöst, die für Polypeptide mit Lipoxy- genaseaktivität codieren, ausgewählt aus der Gruppe: a) einer Nukleinsäuresequenz mit der in SEQ ID NO: 1 dargestellten Sequenz, b) Nukleinsäuresequenzen, die sich als Ergebnis des degenerierten genetischen Codes von der in SEQ ID NO: 1 enthaltenden codierenden Sequenz ableiten lassen, oder c) Derivate der in SEQ ID NO: 1 dargestellten Nukleinsäuresequenz, die fürIt was therefore the object of a process for the preparation of hydroperoxy fatty acids by oxidation of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule in one organism, advantageously in one eukaryotic organism preferred to develop in a plant. Furthermore, the task was to provide advantageous nucleic acid sequences for the aforementioned method. This object was achieved by the isolated nucleic acid sequences according to the invention which code for polypeptides with lipoxygenase activity, selected from the group: a) a nucleic acid sequence with the sequence shown in SEQ ID NO: 1, b) nucleic acid sequences which result from the degenerate genetic Let codes be derived from the coding sequence contained in SEQ ID NO: 1, or c) derivatives of the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 which are suitable for
Polypeptide mit Lipoxygenaseaktivität codieren und mindestens 40 % Homologie auf Aminosäureebene mit SEQ ID NO: 2 aufweisen.Encode polypeptides with lipoxygenase activity and have at least 40% homology at the amino acid level with SEQ ID NO: 2.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine Lipoxygenase aus Diatomeen vorteilhaft aus Phaeodactylum tricornutum besonders spezifisch für die Umsetzung von Arachidonsäure oder Eicosapentaensäure ist, wenn sie vorteilhaft in einem heterologen System exprimiert werden. Mit dieser Lipoxygenase können vorteilhaft Hydroperoxyfettsauren in Pflanzen, nicht-humanen Tieren oder Mikroorganismen hergestellt werden.Surprisingly, it was found that a lipoxygenase from diatoms, advantageously from Phaeodactylum tricornutum, is particularly specific for the conversion of arachidonic acid or eicosapentaenoic acid if they are advantageously expressed in a heterologous system. This lipoxygenase can advantageously be used to produce hydroperoxy fatty acids in plants, non-human animals or microorganisms.
Die vorteilhafte Lipoxygenase aus Phaeodactylum tricornutum arbeitet in einem pH- Bereich von 5 bis 9, bevorzugt in einem pH-Bereich von 6 bis 8,5, besonders bevorzugt in einem pH-Bereich von 6,5 bis 8, ganz besonders bevorzugt in einem pH-Bereich von 7 bis 8. Das pH-Optimum der enzymatischen Reaktion liegt bei pH 8,2. Die erfindungsgemäße Lipoxygenase zeigt eine Regiospezifität für die Hydroperoxybildung von Linolsäure am C-Atom 13 (13-LOX) und weist eine chloroplastidiäre Signalsequenz auf.The advantageous lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum works in a pH range from 5 to 9, preferably in a pH range from 6 to 8.5, particularly preferably in a pH range from 6.5 to 8, very particularly preferably in a pH - Range from 7 to 8. The pH optimum of the enzymatic reaction is pH 8.2. The lipoxygenase according to the invention shows a regiospecificity for the hydroperoxy formation of linoleic acid at the C atom 13 (13-LOX) and has a chloroplastic signal sequence.
Dies unterscheidet die gefundene Lipoxygenase neben der erhöhten Regiospezifität und Aktivität von den Enzymen des Standes der Technik.This distinguishes the lipoxygenase found, in addition to the increased regiospecificity and activity, from the enzymes of the prior art.
Der Begriff „Lipoxygenase" im Sinne der Erfindung umfasst Proteine, sowie ihre Homologen, Derivaten oder Analoga, die aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen Hydroperoxyfettsauren bilden vorteilhaft werden als bevorzugte mehrfach ungesättigte Fettsäuren Arachidonsäure (= ÄRA) und/oder Eicosapentaensäure (= EPA) umgesetzt. Aber auch andere mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind Substrat für die enzymatische Reaktion der Lipoxygenase.The term “lipoxygenase” in the sense of the invention encompasses proteins, as well as their homologues, derivatives or analogs, which form hydroperoxy fatty acids from polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds, which are advantageous as preferred polyunsaturated fatty acids arachidonic acid (= ERA) and / or eicosapentaenoic acid (= EPA ), but other polyunsaturated fatty acids are also substrates for the enzymatic reaction of lipoxygenase.
Bei einer weiteren Ausführungsform kodieren Derivate des erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküls, wiedergegeben in SEQ ID NO: 1 , Proteine mit mindestens 60 %, vorteilhaft mit mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 75 % und stärker bevorzugt mindestens 80 %, 85 %, 90 %, 95 % und am stärksten bevorzugt mindestens 96 %, 97 %, 98 %, 99 % oder mehr Identität zur vollständigen Aminosäure- sequenz der SEQ ID NO: 2. Die Identität wurde über den gesamten Aminosäurebzw. Nukleinsäuresequenzbereich berechnet. Für die Sequenzvergleiche wurde das Programm PileUp verwendet (J. Mol. Evolution., 25, 351-360, 1987, Higgins et al., CABIOS, 5 1989: 151-153) oder die Programme Gap und BestFit [Needleman and Wunsch (J. Mol. Biol. 48; 443-453 (1970) und Smith and Waterman (Adv. AppI. Math. 2; 482-489 (1981)], die im GCG Software-Packet [Genetics Computer Group, 575 Science Drive, Madison, Wisconsin, USA 53711 (1991)] enthalten sind. Die oben in Prozent angegebenen Sequenzhomologiewerte wurden mit dem Programm Gap über den gesamten Sequenzbereich mit folgenden Einstellungen ermittelt: Gap Weight: 8, Length Weight: 2 für Proteine und Gap Weight: 50, Length Weight: 3 für Nukleinsäuresequenzen. Dem Fachmann ist klar, dass, wenn man Homologien von Nukleinsäuresequenzen und nicht Identitäten miteinander vergleicht, die mit den Algorithmen erhaltenen Prozentwerte für die Homologie leicht höher liegen als die vorgenannten Prozentwerte für die Identität. Die Erfindung umfasst zudem Nukleinsäuremoleküle, die sich von einer der in SEQ ID NO: 1 gezeigten Nukleotidsequenzen (und Teilen davon) aufgrund des degenerierten genetischen Codes unterscheiden und somit die gleiche Lipoxygenase kodieren wie diejenige, die von der in SEQ ID NO: 1 gezeigten Nukleotidsequenz kodiert wird. In SEQ ID NO: 3 ist zusätzlich zum codierenden Bereich (siehe SEQ ID NO: 1) noch der 5'- und 3'-Bereich der Nukleinsäuresequenz wiedergegeben. SEQ ID NO: 4 zeigt die korrespondierende Proteinsequenz.In a further embodiment, derivatives of the nucleic acid molecule according to the invention, reproduced in SEQ ID NO: 1, encode proteins with at least 60%, advantageously with at least 70%, preferably at least 75% and more preferably at least 80%, 85%, 90%, 95% and most preferably at least 96%, 97%, 98%, 99% or more identity to full amino acid sequence of SEQ ID NO: 2. The identity was established over the entire amino acid or. Nucleic acid sequence range calculated. The PileUp program was used for the sequence comparisons (J. Mol. Evolution., 25, 351-360, 1987, Higgins et al., CABIOS, 5 1989: 151-153) or the programs Gap and BestFit [Needleman and Wunsch (J Mol. Biol. 48; 443-453 (1970) and Smith and Waterman (Adv. AppI. Math. 2; 482-489 (1981)], which are contained in the GCG software package [Genetics Computer Group, 575 Science Drive, Madison , Wisconsin, USA 53711 (1991)] The sequence homology values given above in percent were determined with the program Gap over the entire sequence range with the following settings: Gap Weight: 8, Length Weight: 2 for proteins and Gap Weight: 50, Length Weight: 3 for nucleic acid sequences It is clear to the person skilled in the art that when comparing homologies of nucleic acid sequences and not identities with one another, the percentages for homology obtained with the algorithms are slightly higher than the aforementioned percentages for identity. The invention also encompasses nucleic acid moles which differ from (and parts of) the nucleotide sequences shown in SEQ ID NO: 1 due to the degenerate genetic code and thus encode the same lipoxygenase as that encoded by the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1. In addition to the coding region (see SEQ ID NO: 1), SEQ ID NO: 3 also shows the 5 'and 3' region of the nucleic acid sequence. SEQ ID NO: 4 shows the corresponding protein sequence.
Zusätzlich zu der in SEQ ID NO: 1 gezeigten Lipoxygenase -Nukleotidsequenz erkennt der Fachmann, dass DNA-Sequenzpolymorphismen, die zu Änderungen in den Aminosäuresequenzen der Lipoxygenase führen, innerhalb einer Population existieren können. Diese genetischen Polymorphismen im Lipoxygenase-Gen können zwischen Individuen innerhalb einer Population aufgrund von natürlicher Variation existieren. Diese natürlichen Varianten bewirken üblicherweise eine Varianz von 1 bis 5 % in der Nukleotidsequenz des Lipoxygenase -Gens. Sämtliche und alle dieser Nukleotid- Variationen und daraus resultierende Aminosäurepolymorphismen in der Lipoxygenase, die das Ergebnis natürlicher Variation sind und die funktionelle Aktivität der Lipoxygenase nicht verändern, sollen im Umfang der Erfindung enthalten sein.In addition to the lipoxygenase nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1, those skilled in the art will recognize that DNA sequence polymorphisms that lead to changes in the amino acid sequences of lipoxygenase may exist within a population. These genetic polymorphisms in the lipoxygenase gene can exist between individuals within a population due to natural variation. These natural variants usually cause a variance of 1 to 5% in the nucleotide sequence of the lipoxygenase gene. All and all of these nucleotide variations and the resulting amino acid polymorphisms in lipoxygenase, which are the result of natural variation and do not change the functional activity of lipoxygenase, are intended to be included in the scope of the invention.
Unter mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAS) sind im folgenden doppelt oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren, die Doppelbindungen aufweisen, zu verstehen. Die Doppelbindungen können konjugiert oder nicht konjugiert sein.In the following, polyunsaturated fatty acids (PUFAS) are to be understood as meaning double or polyunsaturated fatty acids which have double bonds. The double bonds can be conjugated or non-conjugated.
Die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz oder Fragmente davon können vorteilhaft zur Isolierung weiterer genomischer Sequenzen über Homologiescreening verwendet werden. Die genannten Derivate lassen sich beispielsweise aus anderen Organismen eukaryontischen Organismen wie RIanzen wie speziell Moosen, Diatomeen oder Pilze vorteilhaft aus anderen Diatomeen isolieren.The nucleic acid sequence according to the invention or fragments thereof can advantageously be used to isolate further genomic sequences via homology screening. The derivatives mentioned can advantageously be isolated, for example, from other organisms in eukaryotic organisms such as compounds such as mosses, diatoms or fungi from other diatoms.
Allelvarianten umfassen insbesondere funktionelle Varianten, die durch Deletion, Insertion oder Substitution von Nukleotiden aus der in SEQ ID NO: 1 dargestellten Sequenz erhältlich sind, wobei die enzymatische Aktivität der abgeleiteten synthetisierten Proteine erhalten bleibt.Allelic variants include, in particular, functional variants which can be obtained by deleting, inserting or substituting nucleotides from the sequence shown in SEQ ID NO: 1, the enzymatic activity of the derived synthesized proteins being retained.
Solche DNA-Sequenzen lassen sich ausgehend von der in SEQ ID NO: 1 beschriebenen DNA-Sequenz oder Teilen dieser Sequenzen, beispielsweise mit üblichen Hybridisierungsverfahren oder der PCR-Technik aus anderen Eukaryonten wie beispielsweise den oben genannt isolieren. Diese DNA-Sequenzen hybridisieren unter Standardbedingungen mit den genannten Sequenzen. Zur Hybridisierung werden vorteilhaft kurze Oligonukleotide beispielsweise der konservierten Bereiche, die über Vergleiche mit anderen Lipoxygenasegenen in dem Fachmann bekannter Weise ermittelt werden können, verwendet. Es können aber auch längere Fragmente der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren oder die vollständigen Sequenzen für die Hybridisierung verwendet werden. Je nach der verwendeten Nukleinsäure: Oligonukleotid, längeres Fragment oder vollständige Sequenz oder je nachdem welche Nukleinsäure- art DNA oder RNA für die Hybridisierung verwendet werden, variieren diese Standard- bedingungen. So liegen beispielsweise die Schmelztemperaturen für DNA:DNA- Hybride ca. 10°C niedriger als die von DNA:RNA-Hybriden gleicher Länge.Such DNA sequences can be isolated from other eukaryotes such as those mentioned above starting from the DNA sequence described in SEQ ID NO: 1 or parts of these sequences, for example using conventional hybridization methods or the PCR technique. These DNA sequences hybridize to the sequences mentioned under standard conditions. For the hybridization, it is advantageous to use short oligonucleotides, for example of the conserved regions, which can be determined by comparison with other lipoxygenase genes in a manner known to the person skilled in the art. However, longer fragments of the nucleic acids according to the invention or the complete sequences can also be used for the hybridization. These standard conditions vary depending on the nucleic acid used: oligonucleotide, longer fragment or complete sequence or depending on the type of nucleic acid DNA or RNA used for the hybridization. For example, the melting temperatures for DNA: DNA hybrids are approx. 10 ° C lower than those of DNA: RNA hybrids of the same length.
Unter Standardbedingungen sind beispielsweise je nach Nukleinsäure Temperaturen zwischen 42 und 58°C in einer wässrigen Pufferlösung mit einer Konzentration zwischen 0,1 bis 5 x SSC (1 X SSC = 0,15 M NaCI, 15 mM Natriumeitrat, pH 7,2) oder zusätzlich in Gegenwart von 50 % Formamid wie beispielsweise 42°C in 5 x SSC, 50 % Formamid zu verstehen. Vorteilhafterweise liegen die Hybridisierungsbedingun- gen für DNA:DNA-Hybride bei 0,1 x SSC und Temperaturen zwischen etwa 20°C bis 45°C, bevorzugt zwischen etwa 30°C bis 45°C. Für DNA:RNA-Hybride liegen die Hybridisierungsbedingungen vorteilhaft bei 0,1 x SSC und Temperaturen zwischen etwa 30°C bis 55°C, bevorzugt zwischen etwa 45°C bis 55°C. Diese angegebenen Temperaturen für die Hybridisierung sind beispielhaft kalkulierte Schmelztemperaturwerte für eine Nukleinsäure mit einer Länge von ca. 100 Nukleotiden und einem G- + C-Gehalt von 50 % in Abwesenheit von Formamid. Die experimentellen Bedingungen für die DNA-Hybridisierung sind in einschlägigen Lehrbüchern der Genetik wie beispielsweise Sambrook et al., „Molecular Cloning", Cold Spring Harbor Laboratory, 1989, beschrieben und lassen sich nach dem Fachmann bekannten Formeln beispielsweise abhängig von der Länge der Nukleinsäuren, der Art der Hybride oder dem G- + C-Gehalt berechnen. Weitere Informationen zur Hybridisierung kann der Fachmann folgenden Lehrbüchern entnehmen: Ausubel et al. (eds), 1985, Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, New York; Hames and Higgins (eds), 1985, Nucleic Acids Hybridization: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford; Brown (ed), 1991, Essential Molecular Biology: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford.Under standard conditions, for example, depending on the nucleic acid, temperatures between 42 and 58 ° C in an aqueous buffer solution with a concentration between 0.1 to 5 x SSC (1 X SSC = 0.15 M NaCl, 15 mM sodium citrate, pH 7.2) or additionally in the presence of 50% formamide such as 42 ° C in 5 x SSC, 50% formamide. The hybridization conditions for DNA: DNA hybrids are advantageously 0.1 × SSC and temperatures between approximately 20 ° C. to 45 ° C., preferably between approximately 30 ° C. to 45 ° C. For DNA: RNA hybrids, the hybridization conditions are advantageously 0.1 × SSC and temperatures between approximately 30 ° C. to 55 ° C., preferably between approximately 45 ° C. to 55 ° C. These specified temperatures for the hybridization are, for example, calculated melting temperature values for a nucleic acid with a length of approx. 100 nucleotides and a G + C content of 50% in the absence of formamide. The experimental conditions for DNA hybridization are described in relevant textbooks of genetics, such as Sambrook et al., "Molecular Cloning", Cold Spring Harbor Laboratory, 1989, and can be made according to formulas known to the person skilled in the art, for example depending on the length of the nucleic acids, the type of hybrid or the G- + C content.For more information on hybridization, one skilled in the art can read the following textbooks: Ausubel et al. (eds), 1985, Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley & Sons, New York; Hames and Higgins (eds), 1985, Nucleic Acids Hybridization: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford; Brown (ed), 1991, Essential Molecular Biology: A Practical Approach, IRL Press at Oxford University Press, Oxford.
Weiterhin sind unter Derivaten Homologe der Sequenz SEQ ID NO: 1 beispielsweise eukaryontische Homologe, verkürzte Sequenzen, Einzelstrang-DNA der codierenden und nichtcodierenden DNA-Sequenz oder RNA der codierenden und nichtcodierenden DNA-Sequenz zu verstehen.Derivatives homologs of the sequence SEQ ID NO: 1 are furthermore to be understood, for example, as eukaryotic homologs, shortened sequences, single-stranded DNA of the coding and non-coding DNA sequence or RNA of the coding and non-coding DNA sequence.
Außerdem sind unter Homologen der Sequenz SEQ ID NO: 1 Derivate wie beispielsweise Promotorvarianten zu verstehen. Diese Varianten können durch ein oder mehrere Nukleotidaustausche, durch lnsertion(en) und/oder Deletion(en) verändert sein, ohne dass aber die Funktionalität bzw. Wirksamkeit der Promotoren beeinträchtigt sind. Des weiteren können die Promotoren durch Veränderung ihrer Sequenz in ihrer Wirksamkeit erhöht oder komplett durch wirksamere Promotoren auch artfremder Organismen ausgetauscht werden.In addition, homologs of the sequence SEQ ID NO: 1 are to be understood as derivatives such as promoter variants. These variants can be changed by one or more nucleotide exchanges, by insertion (s) and / or deletion (s), but without the functionality or effectiveness of the promoters being impaired. Furthermore, the effectiveness of the promoters can be increased by changing their sequence, or completely replaced by more effective promoters, including organisms of other species.
Unter Derivaten sind auch vorteilhaft Varianten zu verstehen, deren Nukleotidsequenz im Bereich -1 bis -2000 vor dem Startkodon so verändert wurden, dass die Genexpression und/oder die Proteinexpression verändert, bevorzugt erhöht wird. Weiterhin sind unter Derivaten auch Varianten zu verstehen, die am 3'-Ende verändert wurden.Derivatives are also advantageously to be understood as variants whose nucleotide sequence in the range -1 to -2000 before the start codon have been changed such that the gene expression and / or the protein expression is changed, preferably increased. Derivatives are also to be understood as variants which have been changed at the 3 'end.
Die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz(en), die für eine Lipoxygenase codiert/ codieren, können synthetisch hergestellt oder natürlich gewonnen sein oder eine Mischung aus synthetischen und natürlichen DNA-Bestandteilen enthalten, sowie aus verschiedenen heterologen Lipoxygenase-Genabschnitten verschiedener Organismen bestehen. Im allgemeinen werden synthetische Nukleotid-Sequenzen mit Codons erzeugt, die von den entsprechenden Wirtsorganismen beispielsweise Pflanzen bevorzugt werden. Dies führt in der Regel zu einer optimalen Expression der hetero- logen Gene. Diese von RIanzen bevorzugten Codons können aus Codons mit der höchsten Proteinhäufigkeit bestimmt werden, die in den meisten interessanten Pflanzenspezies exprimiert werden. Ein Beispiel für Corynebacterium glutamicum ist gegeben in: Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20:2111-2118). Die Durchführung solcher Experimente sind mit Hilfe von Standardmethoden durchführbar und sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt.The nucleic acid sequence (s) according to the invention which code for a lipoxygenase can be produced synthetically or obtained naturally or contain a mixture of synthetic and natural DNA constituents and consist of different heterologous lipoxygenase gene segments from different organisms. In general, synthetic nucleotide sequences with codons are generated which are preferred by the corresponding host organisms, for example plants. This usually leads to optimal expression of the heterogeneous genes. These codons preferred by Rance can be determined from codons with the highest protein frequency, which are expressed in most interesting plant species. An example of Corynebacterium glutamicum is given in: Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20: 2111-2118). Such experiments can be carried out using standard methods and are known to the person skilled in the art.
Funktioneil äquivalente Sequenzen, die für das Lipoxygenase-Gen kodieren, sind solche Derivate der erfindungsgemäßen Sequenz, welche trotz abweichender Nukleotidsequenz noch die gewünschten Funktionen, das heißt die enzymatische Aktivität und spezifische Selektivität der Proteine besitzen. Funktionelle Äquivalente umfassen somit natürlich vorkommende Varianten der hierin beschriebenen Sequenzen sowie künstliche, z.B. durch chemische Synthese erhaltene, an den Codon-Gebrauch einer Rlanze angepasste, künstliche Nukleotid-Sequenzen.Functionally equivalent sequences which code for the lipoxygenase gene are those derivatives of the sequence according to the invention which, despite a different nucleotide sequence, still have the desired functions, that is to say the enzymatic activity and specific selectivity of the proteins. Functional equivalents thus include naturally occurring variants of the sequences described herein as well as artificial, e.g. artificial nucleotide sequences obtained by chemical synthesis and adapted to the codon use of a lance.
Außerdem sind artifizielle DNA-Sequenzen geeignet, solange sie, wie oben beschrieben, die gewünschte Eigenschaft beispielsweise die Synthese von Hydroperoxyfett- säuren in Ölen, Lipiden oder als freie Fettsäuren in den eukaryontischen Organismen vorteilhaft in den Pflanzen durch Überexpression des Lipoxygenase-Gens in Kulturpflanzen vermitteln. Solche artifiziellen DNA-Sequenzen können beispielsweise durch Rückübersetzung mittels Molecular Modelling konstruierter Proteine, Lipoxygenase - Aktivität aufweisen oder durch in vitro-Selektion ermittelt werden. Mögliche Techniken zur in vitro-Evolution von DNA zur Veränderung bzw. Verbesserung der DNA- Sequenzen sind beschrieben bei Patten, P.A. et al., Current Opinion in Biotechnology 8, 724-733( 1997) oder bei Moore, J.C. et al., Journal of Molecular Biology 272, 336- 347 (1997). Besonders geeignet sind codierende DNA-Sequenzen, die durch Rückübersetzung einer Polypeptidsequenz gemäß der für die Wirtspflanze spezifischen Kodon-Nutzung erhalten werden. Die spezifische Kodon -Nutzung kann ein mit pflanzengenetischen Methoden vertrauter Fachmann durch Computerauswertungen anderer, bekannter Gene der zu transformierenden Rlanze leicht ermitteln.In addition, artificial DNA sequences are suitable as long as they have the desired property, as described above, for example the synthesis of hydroperoxy fatty acids in oils, lipids or as free fatty acids in the eukaryotic organisms mediate advantageously in the plants by overexpression of the lipoxygenase gene in crop plants. Such artificial DNA sequences can have, for example, back-translation of proteins constructed using molecular modeling, lipoxygenase activity, or can be determined by in vitro selection. Possible techniques for the in vitro evolution of DNA to change or improve the DNA sequences are described in Patten, PA et al., Current Opinion in Biotechnology 8, 724-733 (1997) or in Moore, JC et al., Journal of Molecular Biology 272, 336-347 (1997). Coding DNA sequences which are obtained by back-translating a polypeptide sequence according to the codon usage specific for the host plant are particularly suitable. The specific codon usage can easily be determined by a person skilled in plant genetic methods by computer evaluations of other known genes of the lance to be transformed.
Als weitere geeignete äquivalente Nukleinsäure-Sequenzen sind Sequenzen zu nennen, welche für Fusionsproteine kodieren, wobei Bestandteil des Fusionsproteins ein Lipoxygenase-Polypeptid oder ein funktioneil äquivalenter Teil davon ist. Der zweite Teil des Fusionsproteins kann z.B. ein weiteres Polypeptid mit enzymatischer Aktivität sein oder eine antigene Polypeptidsequenz mit deren Hilfe ein Nachweis auf Lipoxy- genase-Expression möglich ist (z.B. myc-tag oder his-tag). Bevorzugt handelt es sich dabei jedoch um eine regulative Proteinsequenz, wie z.B. ein Signalsequenz für das ER oder ein Transitpeptid, das das Lipoxygenase-Protein an den gewünschten Wirkort leitet.Sequences which code for fusion proteins are to be mentioned as further suitable equivalent nucleic acid sequences, part of the fusion protein being a lipoxygenase polypeptide or a functionally equivalent part thereof. The second part of the fusion protein can e.g. be another polypeptide with enzymatic activity or an antigenic polypeptide sequence that can be used to detect lipoxygenase expression (e.g. myc-tag or his-tag). However, this is preferably a regulatory protein sequence, such as e.g. a signal sequence for the ER or a transit peptide that directs the lipoxygenase protein to the desired site of action.
Vorteilhaft stammen die erfindungsgemäßen isolierten Nukleinsäuresequenzen aus Diatomeen wie dem Stamm Bacillariophyta, mit den Klassen Centrales, Cosciniodis- cophyceae, Fragilariophyceae, Pennales oder Bacillariophyceae, bevorzugt aus den Ordnungen Centrales oder Pennales, mehr bevorzugt aus den Unterordnungen Araphidineae, Raphidoidineae, Biraphidineae oder Monoraphidineae, besonders bevorzugt aus den Familien Naviculaceae, Cymbellacease, Entomoneidaceae, Nitzschiaceae, Epithemiaceae, Auriculaceae und Surirellaceae oder ganz besonders bevorzugt aus den Gattungen Amphora, Cymbella und Phaeodactylum. Vorteilhafte Nukleinsäuresequenzen stammen aus den Gattungen und Arten Phaeodactylum tricornutum, Cymbella microcephala, Cymbella leptoceros, Cymbella naviculiformis, Cymbella prostrata, Cymbella sileslaca, Cymbella sinuata, Cymbella trugidula, Cymbella tumida, Encyonema prostratum, Encyonema silesiacum, Reimeria sinuata, Amphora coffeaeformis, Amphora veneta, Amphora ovalis oder Amphora exigua. Vorteilhaft können die Lipoxygenase-Gene im erfindungsgemäßen Verfahren mit weiteren Genen der Fettsäurebiosynthese kombiniert werden. Beispiele für derartige Gene sind die Acyltransferasen, weitere Desaturasen oder Elongasen.The isolated nucleic acid sequences according to the invention advantageously originate from diatoms such as the Bacillariophyta strain with the classes Centrales, Cosciniodiscophyceae, Fragilariophyceae, Pennales or Bacillariophyceae, preferably from the Centrales or Pennales orders, more preferably from the subordinates Araphidineae, Raphididineaeae, especially Monor preferably from the families Naviculaceae, Cymbellacease, Entomoneidaceae, Nitzschiaceae, Epithemiaceae, Auriculaceae and Surirellaceae or very particularly preferably from the genera Amphora, Cymbella and Phaeodactylum. Advantageous nucleic acid sequences originate from the genera and species Phaeodactylum tricornutum, Cymbella microcephala, Cymbella leptoceros, Cymbella naviculiformis, Cymbella prostrata, Cymbella sileslaca, Cymbella sinuata, Cymbella trugidula, Cymbella tumida, Encyonema Reformeraeaumumum, Encyonema Reformeraeaumum, Encyonema Reformeaumiau Amphora ovalis or Amphora exigua. The lipoxygenase genes can advantageously be combined in the method according to the invention with other genes of fatty acid biosynthesis. Examples of such genes are the acyltransferases, further desaturases or elongases.
Unter den erfindungsgemäßen Aminosäuresequenzen sind Proteine zu verstehen, die eine in der Sequenz SEQ ID NO: 2 dargestellten Aminosäuresequenz oder eine daraus durch Substitution, Inversion, Insertion oder Deletion von einem oder mehreren Aminosäureresten erhältliche Sequenz enthalten, wobei die enzymatische Aktivitäten des in SEQ ID NO: 2 dargestellten Proteins erhalten bleibt bzw. nicht wesentlich reduziert wird, das heißt die Fähigkeit Hydroperoxyfettsauren zu bilden bleibt erhalten bzw. ist nicht wesentlich reduziert. Unter nicht wesentlich reduziert sind alle Enzyme zu verstehen, die noch mindestens 10 %, bevorzugt 20 %, besonders bevorzugt 30 % der enzymatischen Aktivität des Ausgangsenzyms aufweisen. Dabei können beispielsweise bestimmte Aminosäuren durch solche mit ähnlichen physikochemischen Eigenschaften (Raumerfüllung, Basizität, Hydrophobizität etc.) ersetzt werden. Beispielsweise werden Argininreste gegen Lysinreste, Valinreste gegen Isoleucinreste oder Asparaginsäurereste gegen Glutaminsäurereste ausgetauscht. Es können aber auch ein oder mehrere Aminosäuren in ihrer Reihenfolge vertauscht, hinzugefügt oder entfernt werden, oder es können mehrere dieser Maßnahmen miteinander kombiniert werden.The amino acid sequences according to the invention are to be understood as proteins which contain an amino acid sequence shown in the sequence SEQ ID NO: 2 or a sequence obtainable therefrom by substitution, inversion, insertion or deletion of one or more amino acid residues, the enzymatic activities of the in SEQ ID NO: 2 protein is retained or is not significantly reduced, that is, the ability to form hydroperoxy fatty acids is retained or is not significantly reduced. Not significantly reduced is understood to mean all enzymes which still have at least 10%, preferably 20%, particularly preferably 30% of the enzymatic activity of the starting enzyme. For example, certain amino acids can be replaced by those with similar physicochemical properties (space filling, basicity, hydrophobicity, etc.). For example, arginine residues are exchanged for lysine residues, valine residues for isoleucine residues or aspartic acid residues for glutamic acid residues. However, one or more amino acids can also be interchanged, added or removed in their order, or several of these measures can be combined with one another.
Unter Derivaten sind auch funktioneile Äquivalente zu verstehen, die insbesondere auch natürliche oder künstliche Mutationen einer ursprünglich isolierten für Lipoxy- genäse codierende Sequenz beinhalten, welche weiterhin die gewünschte Funktion, das heißt deren enzymatische Aktivität und Substratselektivität nicht wesentlich reduziert ist, zeigen. Mutationen umfassen Substitutionen, Additionen, Deletionen, Vertauschungen oder Insertionen eines oder mehrerer Nukleotidreste. Somit werden beispielsweise auch solche Nukleotidsequenzen durch die vorliegende Erfindung mit umfasst, welche man durch Modifikation der Lipoxygenase Nukleotidsequenz erhält. Ziel einer solchen Modifikation kann z.B. die weitere Eingrenzung der darin enthaltenen codierenden Sequenz oder z.B. auch die Einfügung weiterer Restriktionsenzym- Schnittstellen sein.Derivatives are also to be understood as functional equivalents which, in particular, also include natural or artificial mutations of an originally isolated sequence coding for lipoxygenesis, which furthermore show the desired function, that is to say its enzymatic activity and substrate selectivity is not significantly reduced. Mutations include substitutions, additions, deletions, exchanges or insertions of one or more nucleotide residues. Thus, for example, the present invention also encompasses those nucleotide sequences which are obtained by modification of the lipoxygenase nucleotide sequence. The aim of such a modification can e.g. further narrowing down the coding sequence contained therein or e.g. also the insertion of further restriction enzyme interfaces.
Funktionelle Äquivalente sind auch solche Varianten, deren Funktion, verglichen mit dem Ausgangsgen bzw. Genfragment, abgeschwächt (= nicht wesentlich reduziert) oder verstärkt ist (= Enzymaktivität stärker als die Aktivität des Ausgangsenzym, das heißt Aktivität ist höher als 100 %, bevorzugt höher als 110 %, besonders bevorzugt höher als 130 %).Functional equivalents are also those variants whose function is weakened (= not significantly reduced) or enhanced (= enzyme activity stronger than the activity of the starting enzyme, i.e. activity is higher than 100%, preferably higher than the starting gene or gene fragment) 110%, particularly preferably higher than 130%).
Die Nukleinsäuresequenz kann dabei vorteilhaft beispielsweise eine DNA- oder cDNA-Sequenz sein. Zur Insertion in eine erfindungsgemäßen Expressionskassette geeignete codierende Sequenzen sind beispielsweise solche, die für eine Lipoxy genäse mit den oben beschriebenen Sequenzen kodieren und die dem Wirt die Fähigkeit zur Überproduktion von Hydroperoxyfettsauren in freier Form oder in Ölen oder Lipiden gebunden verleihen. Diese Sequenzen können homologen oder heterologen Ursprungs sein.The nucleic acid sequence can advantageously be a DNA or cDNA sequence, for example. Coding sequences suitable for insertion into an expression cassette according to the invention are, for example, those which code for a lipoxy genes with the sequences described above and which give the host the ability to overproduce hydroperoxy fatty acids in free form or bound in oils or lipids. These sequences can be of homologous or heterologous origin.
Unter der erfindungsgemäßen Expressionskassette (= Nukleinsäurekonstrukt oder -fragment) sind die in SEQ ID NO: 1 genannte Sequenz, die sich als Ergebnis des genetischen Codes und/oder deren Derivate zu verstehen, die mit einem oder mehreren Regulationssignalen vorteilhafterweise zur Erhöhung der Genexpression funktionell verknüpft wurden und welche die Expression der codierenden Sequenz in der Wirtszelle steuern. Diese regulatorischen Sequenzen sollen die gezielte Expression der Gene und der Proteinexpression ermöglichen. Dies kann beispielsweise je nach Wirtsorganismus bedeuten, dass das Gen erst nach Induktion exprimiert und/oder überexprimiert wird, oder dass es sofort exprimiert und/oder überexprimiert wird. Beispielsweise handelt es sich bei diesen regulatorischen Sequenzen um Sequenzen an die Induktoren oder Repressoren binden und so die Expression der Nukleinsäure regulieren. Zusätzlich zu diesen neuen Regulationssequenzen 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. Das Genkonstrukt kann aber auch einfacher aufgebaut sein, das heißt es wurden keine zusätzlichen Regulationssignale vor die Nukleinsäuresequenz oder dessen Derivate inseriert und der natürliche Promotor mit seiner Regulation wurde nicht entfernt. Stattdessen wurde die natürliche Regulationssequenz so mutiert, dass keine Regulation mehr erfolgt und/oder die Genexpression gesteigert wird. Diese veränderten Promotoren können in Form von Teilsequenzen (= Promotor mit Teilen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen) auch allein vor das natürliche Gen zur Steigerung der Aktivität gebracht werden. Das Genkonstrukt kann außerdem vorteilhafterweise auch eine oder mehrere sogenannte „enhancer Sequenzen" funktioneil verknüpft mit dem Promotor enthalten, die eine erhöhte Expression der Nukleinsäuresequenz ermöglichen. Auch am 3'-Ende der DNA- Sequenzen können zusätzliche vorteilhafte Sequenzen inseriert werden wie weitere regulatorische Elemente oder Terminatoren. Das Lipoxygenase-Gen kann in einer oder mehreren Kopien in der Expressionskassette (= Genkonstrukt) enthalten sein.The expression cassette according to the invention (= nucleic acid construct or fragment) is the sequence mentioned in SEQ ID NO: 1, which is to be understood as the result of the genetic code and / or its derivatives and which is advantageously functionally linked to one or more regulation signals to increase gene expression and which control the expression of the coding sequence in the host cell. These regulatory sequences are said to be targeted Enable expression of genes and protein expression. Depending on the host organism, this can mean, for example, that the gene is only expressed and / or overexpressed after induction, or that it is expressed and / or overexpressed immediately. For example, these regulatory sequences are sequences to which inducers or repressors bind and thus regulate the expression of the nucleic acid. In addition to these new regulatory sequences or instead of these sequences, the natural regulation of these sequences may still be present in front of the actual structural genes and may have been genetically modified so that the natural regulation has been switched off and the expression of the genes increased. However, the gene construct can also have a simpler structure, that is to say no additional regulation signals have been inserted in front of the nucleic acid sequence or its derivatives, and the natural promoter with its regulation has not been removed. Instead, the natural regulatory sequence was mutated so that regulation no longer takes place and / or gene expression is increased. These modified promoters can also be brought in front of the natural gene to increase the activity in the form of partial sequences (= promoter with parts of the nucleic acid sequences according to the invention). The gene construct can also advantageously contain one or more so-called “enhancer sequences” functionally linked to the promoter, which enable increased expression of the nucleic acid sequence. Additional advantageous sequences can also be inserted at the 3 'end of the DNA sequences, such as further regulatory elements or Terminators The lipoxygenase gene can be contained in one or more copies in the expression cassette (= gene construct).
Die regulatorischen Sequenzen bzw. Faktoren können dabei wie oben beschrieben vorzugsweise die Genexpression der eingeführten Gene positiv beeinflussen und dadurch erhöhen. So kann eine Verstärkung der regulatorischen Elemente vorteilhafterweise auf der Transkriptionsebene erfolgen, indem starke Transkriptionssignale wie Promotoren und/oder "Enhancer" verwendet werden. Daneben ist aber auch eine Verstärkung der Translation möglich, indem beispielsweise die Stabilität der mRNA verbessert wird.As described above, the regulatory sequences or factors can preferably have a positive influence on the gene expression of the introduced genes and thereby increase it. Thus, the regulatory elements can advantageously be strengthened at the transcription level by using strong transcription signals such as promoters and / or "enhancers". In addition, an increase in translation is also possible, for example, by improving the stability of the mRNA.
Als Promotoren in der Expressionskassette sind grundsätzlich alle Promotoren geeignet, die die Expression von Fremdgenen in Organismen vorteilhaft in RIanzen oder Pilzen steuern können. Vorzugsweise verwendet man insbesondere ein pflanzliche Promotoren oder Promotoren, die aus einem Pflanzenvirus entstammen. Vorteil- hafte Regulationssequenzen für das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise in Promotoren wie cos-, tac-, trp-, tet-, trp-tet-, Ipp-, lac-, Ipp-lac-, lacl^' T7-, T5-, T3-, gal-, trc-, ara-, SP6-, λ-PR- oder im λ-P -Promotor enthalten, die vorteilhafterweise in gram-negativen Bakterien Anwendung finden. Weitere vorteilhafte Regulationssequenzen sind beispielsweise in den gram-positiven Promotoren amy und SPO2, in den Hefe- oder Pilzpromotoren ADC1 , MFα, AC, P-60, CYC1 , GAPDH, TEF, rp28, ADH oder in den Pflanzenpromotoren wie CaMV/35S [Franck et al., Cell 21(1980) 285- 294], SSU, OCS, Iib4, STLS1 , B33, nos (= Nopalin Synthase Promotor) oder im Ubiquitin-Promotor enthalten. Die Expressionskassette kann auch einen chemisch induzierbaren Promotor enthalten, durch den die Expression des exogenen Lipoxy- genase-Gens in den Organismen vorteilhaft in den Pflanzen zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert werden kann. Derartige vorteilhafte Pflanzenpromotoren sind beispielsweise der PRP1-Promotor [Ward et al., Plant.Mol. Biol.22(1993), 361-366], ein durch Benzensulfonamid-induzierbarer (EP 388186), ein durch Tetrazyklin- induzierbarer (Gatz et al., (1992) Plant J. 2,397-404), ein durch Salizylsäure induzierbarer Promotor (WO 95/19443), ein durch Abscisinsäure-induzierbarer (EP335528) bzw. ein durch Ethanol- oder Cyclohexanon-induzierbarer (WO93/21334) Promotor. Weitere Pflanzenpromotoren sind beispielsweise der Promotor der cytosolischen FBPase aus Kartoffel, der ST-LSI Promotor aus Kartoffel (Stockhaus et al., EMBO J. 8 (1989) 2445-245), der Promotor der Phosphoribosylpyrophosphat Amidotransferase aus Glycine max (siehe auch Genbank Accession Nummer U87999) oder ein Nodien- spezifischen Promotor wie in EP 249676 können vorteilhaft verwandt werden. Vorteilhaft sind insbesonders solche pflanzliche Promotoren, die die Expression in Geweben oder Pflanzenteilen/-organen sicherstellen, in denen die Fettsäurebiosynthese bzw. dessen Vorstufen stattfindet wie beispielsweise im Endosperm oder im sich entwickelnden Embryo. Insbesondere zu nennen sind vorteilhafte Promotoren, die eine samenspezifische Expression gewährleisten wie beispielsweise der USP-Promotor oder Derivate davon, der LEB4-Promotor, der Phaseolin-Promotor oder der Napin- Promotor. Der erfindungsgemäß aufgeführte und besonders vorteilhafte USP- Promotor oder dessen Derivate vermitteln in der Samenentwicklung eine sehr früh Genexpression (Baeumlein et al., Mol Gen Genet, 1991 , 225(3) :459-67). Weitere vorteilhafte samenspezifische Promotoren, die für monokotyle und dikotyle Pflanzen verwendet werden können, sind die für Dikotyle geeignete Promotoren wie ebefalls beispielhaft augeführte Napingen-Promotor aus Raps (US 5,608,152), der Oleosin- Promotor aus Arabidopsis (WO 98/45461), der Phaseolin-Promotor aus Phaseolus vulgaris (US 5,504,200), der Bce4-Promotor aus Brassica (WO 91/13980) oder der Leguminosen B4-Promotor (LeB4, Baeumlein et al., Plant J., 2, 2, 1992:233-239) oder für Monokotyle geeignete Promotoren wie die Promotoren die Promotoren des lpt2— oder lpt1 -Gens aus Gerste (WO 95/15389 und WO 95/23230) oder die Promotoren des Gersten Hordein-Gens, des Reis Glutelin-Gens, des Reis Oryzin-Gens, des Reis Prolamin-Gens, des Weizen Gliadin-Gens, des Weizen Glutelin-Gens, des Mais Zein-Gens, des Hafer Glutelin-Gens, des Sorghum Kasirin-Gens oder des Roggen Secalin-Gens, die in WO99/16890 beschrieben werden. Weiterhin sind insbesondere solche Promotoren bevorzugt, die die Expression in Geweben oder Rlanzenteilen sicherstellen, in denen beispielsweise die Biosynthese von Fettsäuren, Ölen und Lipiden bzw. deren Vorstufen stattfindet. Insbesondere zu nennen sind Promotoren, die eine samenspezifische Expression gewährleisten. Zu nennen sind der Promotor des Napin-Gens aus Raps (US 5,608,152), des USP- Promotor aus Vicia faba (USP = unbekanntes Samenprotein, Baeumlein et al., Mol Gen Genet, 1991 , 225 (3): 459-67), des Oleosin-Gens aus Arabidopsis (WO98/45461), des Phaseolin-Promotors (US 5,504,200) oder der Promotor des Legumin B4-Gens (LeB4; Baeumlein et al., 1992, Plant Journal, 2 (2): 233-9). Weiterhin sind zu nennen Promotoren, wie der des lpt2 oder lpt1 -Gens aus Gerste (WO95/15389 undIn principle, all promoters which can advantageously control the expression of foreign genes in organisms in radicals or fungi are suitable as promoters in the expression cassette. In particular, a plant promoter or promoters derived from a plant virus are preferably used. Advantageous regulatory sequences for the method according to the invention are, for example, in promoters such as cos, tac, trp, tet, trp-tet, Ipp, lac, Ipp-lac, lacl ^ 'T7, T5, Contain T3, gal, trc, ara, SP6, λ-P R - or in the λ-P promoter, which are advantageously used in gram-negative bacteria. Further advantageous regulatory sequences are, for example, in the gram-positive promoters amy and SPO2, in the yeast or fungal promoters ADC1, MFα, AC, P-60, CYC1, GAPDH, TEF, rp28, ADH or in the plant promoters such as CaMV / 35S [Franck et al., Cell 21 (1980) 285-294], SSU, OCS, Iib4, STLS1, B33, nos (= nopaline synthase promoter) or in the ubiquitin promoter. The expression cassette can also be a chemical contain inducible promoter, by means of which the expression of the exogenous lipoxygenase gene in the organisms can advantageously be controlled in the plants at a specific point in time. Such advantageous plant promoters are, for example, the PRP1 promoter [Ward et al., Plant.Mol. Biol. 22 (1993), 361-366], a benzene sulfonamide-inducible (EP 388186), a tetracycline-inducible (Gatz et al., (1992) Plant J. 2,397-404), a salicylic acid-inducible promoter ( WO 95/19443), an abscisic acid-inducible (EP335528) or an ethanol or cyclohexanone-inducible (WO93 / 21334) promoter. Further plant promoters are, for example, the promoter of the cytosolic FBPase from potato, the ST-LSI promoter from potato (Stockhaus et al., EMBO J. 8 (1989) 2445-245), the promoter of the phosphoribosyl pyrophosphate amidotransferase from Glycine max (see also Genbank Accession Number U87999) or a node-specific promoter as in EP 249676 can advantageously be used. Plant promoters which ensure expression in tissues or plant parts / organs in which fatty acid biosynthesis or its precursors take place, such as, for example, in the endosperm or in the developing embryo, are particularly advantageous. Particular mention should be made of advantageous promoters which ensure seed-specific expression, for example the USP promoter or derivatives thereof, the LEB4 promoter, the phaseolin promoter or the napin promoter. The particularly advantageous USP promoter or its derivatives listed according to the invention mediate gene expression very early in seed development (Baeumlein et al., Mol Gen Genet, 1991, 225 (3): 459-67). Further advantageous seed-specific promoters which can be used for monocotyledon and dicotyledonous plants are the promoters suitable for dicotyledons, such as the Napingen promoter from rapeseed (US Pat. No. 5,608,152), the oleosin promoter from Arabidopsis (WO 98/45461), the phaseolin Promoter from Phaseolus vulgaris (US 5,504,200), the Bce4 promoter from Brassica (WO 91/13980) or the leguminous B4 promoter (LeB4, Baeumlein et al., Plant J., 2, 2, 1992: 233-239) or promoters suitable for monocotyledons such as the promoters the promoters of the lpt2 or lpt1 gene from barley (WO 95/15389 and WO 95/23230) or the promoters of the barley Hordein gene, the rice glutelin gene, the rice oryzin gene , the rice prolamin gene, the wheat gliadin gene, the wheat glutelin gene, the maize zein gene, the oat glutelin gene, the sorghum kasirin gene or the rye secalin gene, which are described in WO99 / 16890 , Furthermore, promoters are particularly preferred which ensure expression in tissues or plant parts in which, for example, the biosynthesis of fatty acids, oils and lipids or their precursors takes place. Promoters that ensure seed-specific expression should be mentioned in particular. The promoter of the napin gene from rapeseed (US 5,608,152), the USP promoter from Vicia faba (USP = unknown seed protein, Baeumlein et al., Mol Gen Genet, 1991, 225 (3): 459-67) should be mentioned, the oleosin gene from Arabidopsis (WO98 / 45461), the phaseolin promoter (US 5,504,200) or the promoter of the legumin B4 gene (LeB4; Baeumlein et al., 1992, Plant Journal, 2 (2): 233-9) , Also to be mentioned Promoters such as that of the barley lpt2 or lpt1 gene (WO95 / 15389 and
WO 95/23230), die in monokotylen Pflanzen samenspezifische Expression vermitteln.WO 95/23230) which mediate seed-specific expression in monocotyledonous plants.
In der Expressionskassette (= Genkonstrukt, Nukleinsäurekonstrukt) können wie oben beschrieben noch weitere Gene, die in die Organismen eingebracht werden sollen, enthalten sein. Diese Gene können unter getrennter Regulation oder unter der gleichen Regulationsregion wie das Lipoxygenase-Gen liegen. Bei diesen Genen handelt es sich beispielsweise um weitere Biosynthesegene vorteilhaft der Fettsäurebiosynthese wie Biosynthesegene des Fettsäure- oder Lipidstoffwechsels, die eine gesteigerte Synthese ermöglichen, ausgewählt aus der Gruppe Acyl-CoA-Dehydrogenase(n), Acyl- ACP[= acyl carrier protein]-Desaturase(n), Acyl-ACP-Thioesterase(n), Fettsäure- Acyl-Transferase(n), Acyl-CoA:Lysophospholipid-Acyltransferase(n), Fettsäure- Synthase(n), Fettsäure-Hydroxylase(n), Acetyl-Coenzym A-Carboxylase(n), Acyl- Coenzym A-Oxidase(n), Fettsäure-Desaturase(n), Fettsäure-Acetylenasen, Triacyl- glycerol-Lipasen, Allenoxid-Synthasen, Hydroperoxid-Lyasen oder Fettsäure- Elongase(n). Beispielsweise seien die Gene für die Δ-15-, Δ-12-, Δ-9-, Δ-6-, Δ-5- Desaturase, ß-Ketoacyl-Reductasen, ß-Ketoacyl-Synthasen, Elongasen oder die verschiedenen Hydroxylasen und Acyl-ACP-Thioesterasen genannt. Vorteilhaft werden Desaturase- und Elongasegene im Nukleinsäurekonstrukt verwendet. Besonders vorteilhaft werden Gene ausgewählt aus der Gruppe Δ-4-Desaturase-, Δ-5- Desaturase-, Δ-6-Desaturase-, Δ-8-Desatuase-, Δ-9-Desaturase-, Δ-12-Desaturase-, Δ-5-Elongase-, Δ-6-Elongase- oder Δ-9-Elongase im Konstrukt verwendet.As described above, the expression cassette (= gene construct, nucleic acid construct) can also contain further genes which are to be introduced into the organisms. These genes can be under separate regulation or under the same regulatory region as the lipoxygenase gene. These genes are, for example, further biosynthesis genes advantageous in fatty acid biosynthesis, such as biosynthesis genes for fatty acid or lipid metabolism, which enable increased synthesis, selected from the group acyl-CoA dehydrogenase (s), acyl-ACP [= acyl carrier protein] - Desaturase (s), acyl-ACP-thioesterase (s), fatty acid acyl transferase (s), acyl-CoA: lysophospholipid acyl transferase (s), fatty acid synthase (s), fatty acid hydroxylase (s), acetyl Coenzyme A carboxylase (s), acyl coenzyme A oxidase (s), fatty acid desaturase (s), fatty acid acetylenases, triacylglycerol lipases, allen oxide synthases, hydroperoxide lyases or fatty acid elongase (s). For example, the genes for the Δ-15, Δ-12, Δ-9, Δ-6, Δ-5 desaturase, β-ketoacyl reductases, β-ketoacyl synthases, elongases or the various hydroxylases and Called acyl-ACP thioesterases. Desaturase and elongase genes are advantageously used in the nucleic acid construct. Genes selected from the group Δ-4-desaturase-, Δ-5-desaturase-, Δ-6-desaturase-, Δ-8-desatase-, Δ-9-desaturase-, Δ-12-desaturase-, Δ-5-elongase, Δ-6-elongase or Δ-9-elongase used in the construct.
Prinzipiell können alle natürlichen Promotoren mit ihren Regulationssequenzen wie die oben genannten für die erfindungsgemäße Expressionskassette und das erfindungsgemäße Verfahren, wie unten beschrieben, verwendet werden. Darüber hinaus können auch synthetische Promotoren vorteilhaft verwendet werden.In principle, all natural promoters with their regulatory sequences such as those mentioned above can be used for the expression cassette according to the invention and the method according to the invention, as described below. In addition, synthetic promoters can also be used advantageously.
Bei der Präparation einer Expressionskassette können verschiedene DNA-Fragmente manipuliert werden, um eine Nukleotid-Sequenz zu erhalten, die zweckmäßigerweise in der korrekten Richtung liest und die mit einem korrekten Leseraster ausgestattet ist. Für die Verbindung der DNA-Fragmente (= erfindungsgemäße Nukleinsäuren) miteinander können an die Fragmente Adaptoren oder Linker angesetzt werden.When preparing an expression cassette, various DNA fragments can be manipulated in order to obtain a nucleotide sequence which expediently reads in the correct direction and which is equipped with a correct reading frame. To connect the DNA fragments (= nucleic acids according to the invention) to one another, adapters or linkers can be attached to the fragments.
Zweckmäßigerweise können die Promotor- und die Terminator-Regionen in Transkriptionsrichtung mit einem Linker oder Polylinker, der eine oder mehrere Restriktionsstellen für die Insertion dieser Sequenz enthält, versehen werden. In der Regel hat der Linker 1 bis 10, meistens 1 bis 8, vorzugsweise 2 bis 6 Restriktionsstellen. Im allge- meinen hat der Linker innerhalb der regulatorischen Bereiche eine Größe von weniger als 100 bp, häufig weniger als 60 bp, mindestens jedoch 5 bp. Der Promotor kann sowohl nativ bzw. homolog als auch fremdartig bzw. heterolog zum Wirtsorganismus beispielsweise zur Wirtspflanze sein. Die Expressionskassette beinhaltet in der 5'-3'- Transkriptionsrichtung den Promotor, eine DNA-Sequenz, die für ein Lipoxygenase- Gen codiert und eine Region für die transkriptionale Termination. Verschiedene Terminationsbereiche sind gegeneinander beliebig austauschbar. Ferner können Manipulationen, die passende Restriktionsschnittstellen bereitstellen oder die überflüssige DNA oder Restriktionsschnittstellen entfernen, eingesetzt werden. Wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen wie z.B. Transitionen und Transversionen in Frage kommen, können in v/fro-Mutagenese, -primerrepair-, Restriktion oder Ligation verwendet werden. Bei geeigneten Manipulationen, wie z.B. Restriktion, -chewing-back- oder Auffüllen von Überhängen für -bluntends-, können komplementäre Enden der Fragmente für die Ligation zur Verfügung gestellt werden.The promoter and terminator regions can expediently be provided in the transcription direction with a linker or polylinker which contains one or more restriction sites for the insertion of this sequence. As a rule, the linker has 1 to 10, usually 1 to 8, preferably 2 to 6, restriction sites. In general, the linker has a size of less than 100 bp within the regulatory areas, often less than 60 bp, but at least 5 bp. The promoter can be native or homologous as well as foreign or heterologous to the host organism, for example to the host plant. The expression cassette contains in the 5'-3 'transcription direction the promoter, a DNA sequence which codes for a lipoxygenase gene and a region for the transcriptional termination. Different termination areas are interchangeable. Manipulations which provide suitable restriction sites or which remove superfluous DNA or restriction sites can also be used. Where insertions, deletions or substitutions such as transitions and transversions are possible, v / fro mutagenesis, primer repair, restriction or ligation can be used. With suitable manipulations, such as restriction, -chewing-back- or filling of overhangs for -bluntends-, complementary ends of the fragments can be provided for the ligation.
Von Bedeutung für eine vorteilhafte hohe Expression kann u.a. das Anhängen des spezifischen ER-Retentionssignals SEKDEL sein (Schouten, A. et al., Plant Mol. Biol. 30 (1996), 781-792), die durchschnittliche Expressionshöhe wird damit verdreifacht bis vervierfacht. Es können auch andere Retentionssignale, die natürlicherweise bei im ER lokalisierten pflanzlichen und tierischen Proteinen vorkommen, für den Aufbau der Kassette eingesetzt werden.Of importance for an advantageous high expression can i.a. the attachment of the specific ER retention signal SEKDEL (Schouten, A. et al., Plant Mol. Biol. 30 (1996), 781-792), the average expression level is tripled to quadrupled. Other retention signals, which occur naturally in plant and animal proteins located in the ER, can also be used to construct the cassette.
Bevorzugte Polyadenylierungssignale sind pflanzliche Polyadenylierungssignale, vorzugsweise solche, die im wesentlichen T-DNA-Polyadenylierungssignale ausPreferred polyadenylation signals are vegetable polyadenylation signals, preferably those which essentially comprise T-DNA polyadenylation signals
Agrobacterium tumefaciens, insbesondere des Gens 3 der T-DNA (Octopin Synthase) des Ti-Plasmids pTiACHδ entsprechen (Gielen et al., EMBO J.3 (1984), 835 ff) oder entsprechende funktionelle Äquivalente.Agrobacterium tumefaciens, in particular gene 3 of T-DNA (octopine synthase) of the Ti plasmid pTiACHδ (Gielen et al., EMBO J.3 (1984), 835 ff) or corresponding functional equivalents.
Die Herstellung einer Expressionskassette erfolgt durch Fusion eines geeigneten Promotors mit einer geeigneten Lipoxygenase-DNA-Sequenz sowie einem Poly- adenylierungssignal nach gängigen Rekombinations- und Klonierungstechniken, wie sie beispielsweise in T. Maniatis, E.F. Fritsch und J. Sambrook, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1989) sowie in T.J. Silhavy, M.L. Berman und L.W. Enquist, Experiments with Gene Fusions, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1984) und in Ausubel, F.M. et al., Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley- Interscience (1987) beschrieben werden.An expression cassette is produced by fusing a suitable promoter with a suitable lipoxygenase DNA sequence and a polyadenylation signal according to common recombination and cloning techniques, as described, for example, in T. Maniatis, E.F. Fritsch and J. Sambrook, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1989) and in T.J. Silhavy, M.L. Berman and L.W. Enquist, Experiments with Gene Fusions, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY (1984) and in Ausubel, F.M. et al., Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley-Interscience (1987).
Bei der Präparation einer Expressionskassette können verschiedene DNA-Fragmente manipuliert werden, um eine Nukleotid-Sequenz zu erhalten, die zweckmäßigerweise in der korrekten Richtung liest und die mit einem korrekten Leseraster ausgestattet ist. Für die Verbindung der DNA-Fragmente miteinander können an die Fragmente Adaptoren oder Linker angesetzt werden.When preparing an expression cassette, various DNA fragments can be manipulated in order to obtain a nucleotide sequence which expediently reads in the correct direction and which is equipped with a correct reading frame. To connect the DNA fragments to one another, adapters or linkers can be attached to the fragments.
Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen zusammen mit mindestens einem Reportergen in eine Expressionskassette kloniert, die in den Organismus über einen Vektor oder direkt in das Genom eingebracht wird. Dieses Reportergen sollte eine leichte Detektierbarkeit über einen Wachstums-, Fluoreszenz-, Chemo-, Biolumineszenz- oder Resistenzassay oder über eine photometrische Messung ermöglichen. Beispielhaft seien als Reportergene Antibiotika-oder Herbizidresistenzgene, Hydrolasegene, Fluoreszenzproteingene, Biolumineszenzgene, Zucker- oder Nukleotidstoffwechselgene oder Biosynthesegene wie das Ura3-Gen, das Ilv2-Gen, das Luciferasegen, das α-Galactosidasegen, das gfp-Gen, das 2-Desoxyglucose-6-phosphat-Phosphatasegen, das ß-Glucuronidase-Gen, ß-Lactamasegen, das Neomycinphosphotransferasegen, das Hygromycinphospho- transferasegen oder das BASTA (= Gluphosinatresistenz)-Gen genannt. Diese Gene ermöglichen eine leichte Messbarkeit und Quantifizierbarkeit der Transcriptionsaktivität und damit der Expression der Gene. Damit lassen sich Genomstellen identifizieren, die eine unterschiedliche Produktivität zeigen.The nucleic acid sequences according to the invention are advantageously cloned together with at least one reporter gene into an expression cassette which is introduced into the organism via a vector or directly into the genome. This reporter gene should enable easy detection via a growth, fluorescence, chemo, bioluminescence or resistance assay or via a photometric measurement. Examples of reporter genes are antibiotic or herbicide resistance genes, hydrolase genes, fluorescence protein genes, bioluminescence genes, sugar or nucleotide metabolism genes or biosynthesis genes such as the Ura3 gene, the Ilv2 gene, the luciferase gene, the α-galactosidase gene, the gfp gene 2-deoxyglucose-6-phosphate-phosphatase gene, the ß-glucuronidase gene, ß-lactamase gene, the neomycin phosphotransferase gene, the hygromycin phosphotransferase gene or the BASTA (= gluphosinate resistance) gene. These genes enable the transcription activity and thus the expression of the genes to be measured and quantified easily. This enables genome sites to be identified that show different levels of productivity.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Expressionskassette stromaufwärts, d.h. am 5'-Ende der codierenden Sequenz, einen Promotor und stromabwärts, d.h. am 3'-Ende, ein Polyadenylierungssignal und gegebenenfalls weitere regulatorische Elemente, welche mit der dazwischenliegenden codierenden Sequenz für die Lipoxygenase DNA Sequenz operativ verknüpft sind. Unter einer operativen Verknüpfung versteht man die sequenzielle Anordnung von Promotor, codierender Sequenz, Terminator und ggf. weiterer regulativer Elemente derart, dass jedes der regulativen Elemente seine Funktion bei der Expression der codierenden Sequenz bestimmungsgemäß erfüllen kann. Die zur operativen Verknüpfung bevorzugten Sequenzen sind Targeting-Sequenzen zur Gewährleistung der subzellulären Lokalisation in Piastiden vorteilhaft in Chloroplasten. Aber auch Targeting-Sequenzen zur Gewährleistung der subzellulären Lokalisation im Mitochondrium, im Endoplasma- tischen Retikulum (= ER), im Zellkern, in Ölkörperchen oder anderen Kompartimenten sind bei Bedarf einsetzbar sowie Translationsverstärker wie die 5'-Führungssequenz aus dem Tabak-Mosaik-Virus (Gallie et al., Nucl. Acids Res. 15 (1987), 8693 -8711).According to a preferred embodiment, an expression cassette comprises upstream, i.e. at the 5 'end of the coding sequence, a promoter and downstream, i.e. at the 3'-end, a polyadenylation signal and optionally further regulatory elements which are operatively linked to the intervening coding sequence for the lipoxygenase DNA sequence. An operative link is understood to mean the sequential arrangement of promoter, coding sequence, terminator and, if appropriate, further regulatory elements in such a way that each of the regulatory elements can fulfill its function as intended when expressing the coding sequence. The sequences preferred for the operative linkage are targeting sequences to ensure subcellular localization in plastids, advantageously in chloroplasts. Targeting sequences to ensure subcellular localization in the mitochondrion, in the endoplasmic reticulum (= ER), in the cell nucleus, in oil cells or other compartments can also be used if required, and translation enhancers such as the 5 'guide sequence from the tobacco mosaic virus (Gallie et al., Nucl. Acids Res. 15 (1987), 8693-8711).
Eine Expressionskassette kann beispielsweise einen konstitutiven Promotor (bevorzugt den USP- oder Napin-Promotor), das zu exprimierende Gen und das ER-Retentions- signal enthalten. Als ER-Retentionssignal wird bevorzugt die Aminosäuresequenz KDEL (Lysin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Leucin) verwendet.An expression cassette can contain, for example, a constitutive promoter (preferably the USP or napin promoter), the gene to be expressed and the ER retention signal. The amino acid sequence KDEL (lysine, aspartic acid, glutamic acid, leucine) is preferably used as the ER retention signal.
Die Expressionskassette wird zur Expression in einem prokaryontischen oder eukaryontischen Wirtsorganismus beispielsweise einem Mikroorganismus wie einem Pilz oder einer Rlanze vorteilhafterweise in einen Vektor wie beispielsweise einem Plasmid, einem Phagen oder sonstiger DNA inseriert, der eine optimale Expression der Gene im Wirtsorganismus ermöglicht. Geeignete Plasmide sind beispielsweise in E. coli pLG338, pACYC184, pBR-Serie wie z.B. pBR322, pUC-Serie wie pUC18 oder PUC19, M113mp-Serie, pKC30, pRep4, pHSl , pHS2, pPLc236, pMBL24, pLG200, pUR290, plN-lll113-B1, λgt11 oder pBdCI, in Streptomyces plJ101, plJ364, plJ702 oder plJ361, in Bacillus pUB110, pC194 oder pBD214, in Corynebacterium pSA77 oder pAJ667, in Pilzen pALSI , pll_2 oder pBB116, weitere vorteilhafte Pilzvektoren werden von Romanos, M.A. et al., [(1992) "Foreign gene expression in yeast: a review", Yeast 8: 423-488] und von van den Hondel, C.A.M.J.J. et al. [(1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi] sowie in More Gene Manipulations in Fungi [J.W. Bennet & LL. Lasure, eds., p. 396-428: Academic Press: San Diego] und in "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi,, [van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) in: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, J.F. et al., eds., p. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge] beschrieben. Vorteilhafte Hefepromotoren sind beispielsweise 2μM, pAG-1 , YEp6, YEp13 oder pEMBLYe23. Beispiele für Algen- oder Pflanzenpromotoren sind pLGV23, pGHIac+, pBIN19, pAK2004, pVKH oder pDH51 (siehe Schmidt, R. and Willmitzer, L, 1988). Die oben genannten Vektoren oder Derivate der vorstehend genannten Vektoren stellen eine kleine Auswahl der möglichen Plasmide dar. Weitere Plasmide sind dem Fachmann wohl bekannt und können beispielsweise aus dem Buch Cloning Vectors (Eds. Pouwels P.H. et al. Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford, 1985 , ISBN 0444 904018) entnommen werden. Geeignete pflanzliche Vektoren werden unter anderem in "Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnology" (CRC Press), Kap. 6/7, S.71 -119 beschrieben. Vorteilhafte Vektoren sind sog. shuttle-Vektoren oder binäre Vektoren, die in E. coli und Agrobacterium replizieren.For expression in a prokaryotic or eukaryotic host organism, for example a microorganism such as a fungus or a lance, the expression cassette is advantageously inserted into a vector such as, for example, a plasmid, a phage or other DNA, which enables optimal expression of the genes in the host organism. Suitable plasmids are, for example, in E. coli pLG338, pACYC184, pBR series such as pBR322, pUC series such as pUC18 or PUC19, M113mp series, pKC30, pRep4, pHSl, pHS2, pPLc236, pMBL24, pLG200, pUR290, plN-lI 113 -B1, λgt11 or pBdCI, in Streptomyces plJ101, plJ364, plJ702 or plJ361, in Bacillus pUB110, pC194 or pBD214, in Corynebacterium pSA77 or pAJ667, in mushrooms pALSI, pll_2 or pBBz116 ., [(1992) "Foreign gene expression in yeast: a review", Yeast 8: 423-488] and by van den Hondel, CAMJJ et al. [(1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi] and in More Gene Manipulations in Fungi [JW Bennet & LL. Lasure, eds., P. 396-428: Academic Press: San Diego] and in" Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi ,, [van den Hondel, CAMJJ & Punt, PJ (1991) in: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, JF et al., eds., p. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge]. advantageous Yeast promoters are, for example, 2μM, pAG-1, YEp6, YEp13 or pEMBLYe23. Examples of algae or plant promoters are pLGV23, pGHIac + , pBIN19, pAK2004, pVKH or pDH51 (see Schmidt, R. and Willmitzer, L, 1988). The above-mentioned vectors or derivatives of the above-mentioned vectors represent a small selection of the possible plasmids. Further plasmids are well known to the person skilled in the art and can be found, for example, in the book Cloning Vectors (Eds. Pouwels PH et al. Elsevier, Amsterdam-New York-Oxford , 1985, ISBN 0444 904018). Suitable plant vectors are described in "Methods in Plant Molecular Biology and Biotechnology" (CRC Press), Chap. 6/7, p.71-119. Advantageous vectors are so-called shuttle vectors or binary vectors that replicate in E. coli and Agrobacterium.
Unter Vektoren sind außer Plasmiden auch alle anderen dem Fachmann bekannten Vektoren wie beispielsweise Phagen, Viren wie SV40, CMV, Baculovirus, Adenovirus, Transposons, IS-Elemente, Phasmide, Phagemide, Cosmide, lineare oder zirkuläre DNA zu verstehen. Diese Vektoren können autonom im Wirtsorganismus repliziert oder chromosomal repliziert werden bevorzugt ist eine chromosomale Replikation.In addition to plasmids, vectors are also understood to mean all other vectors known to the person skilled in the art, such as phages, viruses such as SV40, CMV, baculovirus, adenovirus, transposons, IS elements, phasmids, phagemids, cosmids, linear or circular DNA. These vectors can be replicated autonomously in the host organism or can be replicated chromosomally. Chromosomal replication is preferred.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Vektors kann die erfindungsgemäße Expressionskassette auch vorteilhafterweise in Form einer linearen DNA in die Organismen eingeführt werden und über heterologe oder homologe Rekombination in das Genom des Wirtsorganismus integriert werden. Diese lineare DNA kann aus einem linearisierten Plasmid oder nur aus der Expressionskassette als Vektor oder den erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen bestehen.In a further embodiment of the vector, the expression cassette according to the invention can also advantageously be introduced into the organisms in the form of a linear DNA and integrated into the genome of the host organism via heterologous or homologous recombination. This linear DNA can consist of a linearized plasmid or only the expression cassette as a vector or the nucleic acid sequences according to the invention.
Von Vorteil ist hier die sog. Co-transformation in ihren vielfältigen Ausgestaltungsformen zur Einbringung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz in den Wirts- Organismus.What is advantageous here is the so-called co-transformation in its various configurations for introducing the nucleic acid sequence according to the invention into the host organism.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz auch alleine in einen Organismus eingebracht werden.In a further advantageous embodiment, the nucleic acid sequence according to the invention can also be introduced into an organism on its own.
Sollen neben der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenz weitere Gene in den Organismus eingeführt werden, so können alle zusammen mit einem Reportergen in einem einzigen Vektor oder jedes einzelne Gen mit einem Reportergen in je einem Vektor in den Organismus eingebracht werden, wobei die verschiedenen Vektoren gleichzeitig oder sukzessive eingebracht werden können.If, in addition to the nucleic acid sequence according to the invention, further genes are to be introduced into the organism, they can all be introduced into the organism together with a reporter gene in a single vector or each individual gene with a reporter gene in one vector, the different vectors being introduced simultaneously or successively can.
Der Vektor enthält vorteilhaft mindestens eine Kopie der erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen und/oder der erfindungsgemäßen Expressionskassette. Beispielhaft kann die pflanzliche Expressionskassette in den Transformationsvektor pRT ((a) Toepfer et al., 1993, Methods Enzymol., 217: 66-78; (b) Toepfer et al. 1987, Nucl. Acids. Res. 15: 5890 ff.) eingebaut werden. Alternativ kann ein rekombinanter Vektor (= Expressionsvektor) auch in-vitro transkribiert und translatiert werden, z.B. durch Nutzung des T7 Promotors und der T7 RNA Polymerase.The vector advantageously contains at least one copy of the nucleic acid sequences according to the invention and / or the expression cassette according to the invention. For example, the plant expression cassette can be transformed into the transformation vector pRT ((a) Toepfer et al., 1993, Methods Enzymol., 217: 66-78; (b) Toepfer et al. 1987, Nucl. Acids. Res. 15: 5890 ff. ) to be built in. Alternatively, a recombinant vector (= expression vector) can also be transcribed and translated in vitro, for example by using the T7 promoter and the T7 RNA polymerase.
Typische vorteilhafte Fusions- und Expressionsvektoren sind pGEX [Pharmacia Biotech Ine; Smith, D.B. and Johnson, K.S. (1988) Gene 67: 31-40], pMAL (New England Biolabs, Beverly, MA) and pRIT5 (Pharmacia, Piscataway, NJ) welches Glutathion S-transferase beinhaltet (GST), Maltose Bindeprotein, oder Protein A.Typical advantageous fusion and expression vectors are pGEX [Pharmacia Biotech Ine; Smith, D.B. and Johnson, K.S. (1988) Gene 67: 31-40], pMAL (New England Biolabs, Beverly, MA) and pRIT5 (Pharmacia, Piscataway, NJ) which contains glutathione S-transferase (GST), maltose binding protein, or protein A.
Weitere Beispiele für E. coli Expressionsvektoren sind pTrc [Amann et al., (1988) Gene 69:301-315] und pET Vektoren [Studier et al., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 60-89; Stratagene, Amsterdam, Niederlande].Further examples of E. coli expression vectors are pTrc [Amann et al., (1988) Gene 69: 301-315] and pET vectors [Studier et al., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 60-89; Stratagene, Amsterdam, Netherlands].
Weitere vorteilhafte Vektoren zur Verwendung in Hefe sind pYepSed (Baldari, et al., (1987) Embo J. 6:229-234), pMFa (Kurjan and Herskowitz, (1982) Cell 30:933-943), pJRY88 (Schultz et al., (1987) Gene 54:113-123), and pYES-Derivate (Invitrogen Corporation, San Diego, CA). Vektoren für die Nutzung in filamentösen Pilzen sind beschrieben in: van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of Fungi, J.F. Peberdy, et al., eds., p. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge.Further advantageous vectors for use in yeast are pYepSed (Baldari, et al., (1987) Embo J. 6: 229-234), pMFa (Kurjan and Herskowitz, (1982) Cell 30: 933-943), pJRY88 (Schultz et al., (1987) Gene 54: 113-123), and pYES derivatives (Invitrogen Corporation, San Diego, CA). Vectors for use in filamentous fungi are described in: van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer Systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of Fungi, J.F. Peberdy, et al., Eds., P. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge.
Alternativ können auch vorteilhaft Insektenzellexpressionsvektoren genutzt werden z.B. für die Expression in Sf 9 Zellen. Dies sind z.B. die Vektoren der pAc Serie (Smith et al. (1983) Mol. Cell Biol. 3:2156-2165) und der pVL series (Lucklow and Summers (1989) Virology 170:31 -39).Alternatively, insect cell expression vectors can also be used advantageously, e.g. for expression in Sf 9 cells. These are e.g. the vectors of the pAc series (Smith et al. (1983) Mol. Cell Biol. 3: 2156-2165) and the pVL series (Lucklow and Summers (1989) Virology 170: 31-39).
Des weiteren können zur Genexpression vorteilhaft Rlanzenzellen oder Algenzellen genutzt werden. Beispiele für Rlanzenexpressionsvektoren finden sich in Becker, D., et al. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border", Plant Mol. Biol. 20: 1195-1197 oder in Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobacterium vectors for plant transformation", Nucl. Acid. Res. 12: 8711-8721.Furthermore, lanceol cells or algae cells can advantageously be used for gene expression. Examples of lance expression vectors can be found in Becker, D., et al. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border", Plant Mol. Biol. 20: 1195-1197 or in Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobacterium vectors for plant transformation", Nucl. Acid. Res. 12: 8711-8721.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen in Säugerzellen exprimiert werden. Beispiel für entsprechende Expressionsvektoren sind pCDM8 und pMT2PC genannt in: Seed, B. (1987) Nature 329:840 oder Kaufman et al. (1987) EMBOJ. 6: 187-195). Dabei sind vorzugsweise zu nutzende Promotoren viralen Ursprungs wie z.B. Promotoren des Polyoma, Adenovirus 2, Cytomegalovirus oder Simian Virus 40. Weitere prokaryotische und eukaryotische Expressionssysteme sind genannt in Kapitel 16 und 17 in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd, ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.Furthermore, the nucleic acid sequences according to the invention can be expressed in mammalian cells. Examples of corresponding expression vectors are pCDM8 and pMT2PC mentioned in: Seed, B. (1987) Nature 329: 840 or Kaufman et al. (1987) EMBOJ. 6: 187-195). Promoters to be used are preferably of viral origin, e.g. Promoters of polyoma, adenovirus 2, cytomegalovirus or simian virus 40. Further prokaryotic and eukaryotic expression systems are mentioned in chapters 16 and 17 in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd, ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989.
Das Einbringen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, der Expressionskassette oder des Vektors in Organismen beispielsweise in Pflanzen kann prinzipiell nach allen dem Fachmann bekannten Methoden erfolgen. Für Mikroorganismen kann der Fachmann entsprechende Methoden den Lehrbüchern von Sambrook, J. et al. (1989) Molecular cloning: A laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, von F.M. Ausubel et al. (1994) Current protocols in molecular biology, John Wiley and Sons, von D.M. Glover et al., DNA Cloning Vol.1, (1995), IRL Press (ISBN 019-963476-9), von Kaiser et al. (1994) Methods in Yeast Genetics, Cold Spring Habor Laboratory Press oder Guthrie et al. Guide to Yeast Genetics and Molecular Biology, Methods in Enzymology, 1994, Academic Press entnehmen.In principle, the nucleic acids according to the invention, the expression cassette or the vector can be introduced into organisms, for example in plants, by all methods known to the person skilled in the art. For microorganisms, the person skilled in the art can use the corresponding textbooks from Sambrook, J. et al. (1989) Molecular cloning: A laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, by FM Ausubel et al. (1994) Current protocols in molecular biology, John Wiley and Sons, by DM Glover et al., DNA Cloning Vol. 1, (1995), IRL Press (ISBN 019-963476-9), by Kaiser et al. (1994) Methods in Yeast Genetics, Cold Spring Habor Laboratory Press or Guthrie et al. See Guide to Yeast Genetics and Molecular Biology, Methods in Enzymology, 1994, Academic Press.
Die Übertragung von Fremdgenen in das Genom einer Pflanze wird als Transformation bezeichnet. Es werden dabei die beschriebenen Methoden zur Transformation und Regeneration von Pflanzen aus Pflanzengeweben oder Pflanzenzellen zur transienten oder stabilen Transformation genutzt. Geeignete Methoden sind die Protoplastentrans- formation durch Polyethylenglykol-induzierte DNA-Aufnahme, das biolistische Verfahren mit der Genkanone - die sogenannte particle bombardment Methode, die Elektroporation, die Inkubation trockener Embryonen in DNA-haltiger Lösung, die Mikroinjektion und der durch Agrobacterium vermittelte Gentransfer. Die genannten Verfahren sind beispielsweise in B. Jenes et al., Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Vol. 1 , Engineering and Utilization, herausgegeben von S.D. Kung und R. Wu, Academic Press (1993) 128-143 sowie in Potrykus Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Molec. Biol. 42 (1991) 205-225) beschrieben. Vorzugsweise wird das zu exprimierende Konstrukt in einen Vektor kloniert, der geeignet ist, Agrobacterium tumefaciens zu transformieren, beispielsweise pBin19 (Bevan et al., Nucl. Acids Res. 12 (1984) 8711). Mit einem solchen Vektor transformierte Agrobakterien können dann in bekannter Weise zur Transformation von Pflanzen, insbesondere von Kulturpflanzen, wie z.B. von Tabakpflanzen, verwendet werden, indem beispielsweise verwundete Blätter oder Blattstücke in einer Agrobakterienlösung gebadet und anschließend in geeigneten Medien kultiviert werden. Die Transformation von RIanzen mit Agrobacterium tumefaciens wird beispielsweise von Höfgen und Willmitzer in Nucl. Acid Res. (1988) 16, 9877 beschrieben oder ist unter anderem bekannt aus F.F. White, Vectors for Gene Transfer in Higher Plants; in Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, herausgegeben von S.D. Kung und R. Wu, Academic Press, 1993, S. 15-38.The transfer of foreign genes into the genome of a plant is called transformation. The methods described for the transformation and regeneration of plants from plant tissues or plant cells for transient or stable transformation are used. Suitable methods include protoplast transformation by polyethylene glycol-induced DNA uptake, the biolistic method with the gene gun - the so-called particle bombardment method, electroporation, the incubation of dry embryos in DNA-containing solution, microinjection and gene transfer mediated by Agrobacterium. The methods mentioned are described, for example, in B. Jenes et al., Techniques for Gene Transfer, in: Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, published by S.D. Kung and R. Wu, Academic Press (1993) 128-143 and in Potrykus Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Molec. Biol. 42 (1991) 205-225). The construct to be expressed is preferably cloned into a vector which is suitable for transforming Agrobacterium tumefaciens, for example pBin19 (Bevan et al., Nucl. Acids Res. 12 (1984) 8711). Agrobacteria transformed with such a vector can then be used in a known manner to transform plants, in particular crop plants, such as e.g. of tobacco plants can be used, for example by bathing wounded leaves or leaf pieces in an agrobacterial solution and then cultivating them in suitable media. The transformation of kingdoms with Agrobacterium tumefaciens is described, for example, by Höfgen and Willmitzer in Nucl. Acid Res. (1988) 16, 9877 or is known, inter alia, from F.F. White, Vectors for Gene Transfer in Higher Plants; in Transgenic Plants, Vol. 1, Engineering and Utilization, edited by S.D. Kung and R. Wu, Academic Press, 1993, pp. 15-38.
Mit einem erfindungsgemäßen Expressionsvektor transformierte Agrobakterien können ebenfalls in bekannter Weise zur Transformation von Pflanzen wie Testpflanzen wie Arabidopsis oder Kulturpflanzen wie Getreide, Mais, Hafer, Roggen, Gerste, Weizen, Soja, Reis, Baumwolle, Zuckerrübe, Canola, Sonnenblume, Flachs, Hanf, Kartoffel, Tabak, Tomate, Karotte, Paprika, Raps, Tapioka, Maniok, Pfeilwurz, Tagetes, Alfalfa, Salat und den verschiedenen Baum-, Nuss- und Weinspezies, insbesondere von Ölhaltigen Kulturpflanzen, wie Soja, Erdnuss, Rizinus, Sonnenblume, Mais, Baumwolle, Flachs, Raps, Kokosnuss, Ölpalme, Färbersaflor (Carthamus tinctorius) oder Kakao- bohne verwendet werden, z.B. indem verwundete Blätter oder Blattstücke in einer Agrobakterienlösung gebadet und anschließend in geeigneten Medien kultiviert werden. Die genetisch veränderten Rlanzenzellen können über alle dem Fachmann bekannten Methoden regeneriert werden. Entsprechende Methoden können den oben genannten Schriften von S.D. Kung und R. Wu, Potrykus oder Höfgen und Willmitzer entnommen werden. Als transgene Organismen bzw. Wirtsorganismen für die erfindungsgemäße Nukleinsäure, die Expressionskassette oder den Vektor eignen sich prinzipiell alle Organismen, die in der Lage sind Fettsäuren speziell ungesättigte Fettsäuren zu synthetisieren bzw. für die Expression rekombinanter Gene geeignet sind wie Mikrororganismen, nicht-humane Tiere oder Pflanzen vorteilhaft alle Kulturpflanzen. Beispielhaft seien Kulturpflanzen wie Soja, Erdnuss, Rizinus, Sonnenblume, Mais, Baumwolle, Flachs, Raps, Kokosnuss, Ölpalme, Färbersaflor (Carthamus tinctorius) oder Kakaobohne, Mikroorganismen wie Pilze beispielsweise die Gattung Mortierella, Saprolegnia oder Pythium, Bakterien wie die Gattung Escherichia, Hefen wie die Gattung Saccharomyces, Cyanobakterien, Ciliaten, Algen oder Protozoen wie Dinoflagellaten wie Crypthecodinium genannt. Bevorzugt werden Organismen, die natürlicherweise Öle in größeren Mengen synthetisieren können wie Pilze wie Mortierella alpina, Pythium insidiosum oder Pflanzen wie Soja, Raps, Kokosnuss, Ölpalme, Färbersaflor, Rizinus, Calendula, Erdnuss, Kakaobohne oder Sonnenblume oder Hefen wie Saccharomyces cerevisiae, besonders bevorzugt werden Soja, Raps, Sonnenblume, Lein, Calendula oder Saccharomyces cerevisiae. Prinzipiell sind als Wirtsorganismen auch transgene Tiere geeignet beispielsweise C. elegans.Agrobacteria transformed with an expression vector according to the invention can also be used in a known manner to transform plants such as test plants such as Arabidopsis or crop plants such as cereals, corn, oats, rye, barley, wheat, soybeans, rice, cotton, sugar beet, canola, sunflower, flax, hemp, Potato, tobacco, tomato, carrot, paprika, rapeseed, tapioca, manioc, arrowroot, tagetes, alfalfa, lettuce and the various tree, nut and wine species, in particular of oil-containing crops, such as soybean, peanut, castor oil, sunflower, corn, Cotton, flax, rapeseed, coconut, oil palm, safflower (Carthamus tinctorius) or cocoa bean are used, for example by bathing wounded leaves or leaf pieces in an agrobacterial solution and then cultivating them in suitable media. The genetically modified Lancel cells can be regenerated using all methods known to the person skilled in the art. Appropriate methods can be found in the above-mentioned writings by SD Kung and R. Wu, Potrykus or Höfgen and Willmitzer. In principle, suitable as transgenic organisms or host organisms for the nucleic acid according to the invention, the expression cassette or the vector are all organisms which are able to synthesize fatty acids, especially unsaturated fatty acids or are suitable for the expression of recombinant genes such as microorganisms, non-human animals or Plants beneficial all crops. Examples include cultivated plants such as soybean, peanut, castor oil, sunflower, corn, cotton, flax, rapeseed, coconut, oil palm, safflower (Carthamus tinctorius) or cocoa bean, microorganisms such as fungi, for example the genus Mortierella, Saprolegnia or Pythium, bacteria such as the genus Escherichia, Yeasts such as the genus Saccharomyces, cyanobacteria, ciliates, algae or protozoa such as dinoflagellates such as Crypthecodinium. Organisms which can naturally synthesize oils in large amounts, such as fungi such as Mortierella alpina, Pythium insidiosum or plants such as soybean, rapeseed, coconut, oil palm, safflower, castor bean, calendula, peanut, cocoa bean or sunflower or yeasts such as Saccharomyces cerevisiae, are particularly preferred soy, rapeseed, sunflower, flax, calendula or Saccharomyces cerevisiae. In principle, transgenic animals are also suitable as host organisms, for example C. elegans.
Unter transgenen Organismus bzw. transgener Pflanze im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass die im Verfahren verwendeten Nukleinsäuren nicht an ihrer natürlichen Stelle im Genom eines Organismus sind, dabei können die Nukleinsäuren homolog oder heterolog exprimiert werden. Transgen bedeutet aber auch wie genannt, dass die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren an ihrem natürlichen Platz im Genom eines Organismus sind, dass jedoch die Sequenz gegenüber der natürlichen Sequenz verändert wurde und/oder das die Regulationssequenzen, der natürlichen Sequenzen verändert wurden. Bevorzugt ist unter transgen die Expression der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren an nicht natürlicher Stelle im Genom zu verstehen, das heißt das eine homologe oder bevorzugt heterologe Expression der Nukleinsäuren liegt vor. Bevorzugte transgene Organismen sind Pilze wie Mortierella oder Pflanzen wie Kulturpflanzen vorteilhaft wie Ölfruchtpflanzen.A transgenic organism or transgenic plant within the meaning of the invention is understood to mean that the nucleic acids used in the method are not in their natural place in the genome of an organism, and the nucleic acids can be expressed homologously or heterologously. However, as mentioned, transgene also means that the nucleic acids according to the invention are in their natural place in the genome of an organism, but that the sequence has been changed compared to the natural sequence and / or that the regulatory sequences of the natural sequences have been changed. Transgenic is preferably to be understood as meaning the expression of the nucleic acids according to the invention at a non-natural location in the genome, that is to say that the nucleic acids are homologous or preferably heterologous. Preferred transgenic organisms are fungi such as Mortierella or plants such as crop plants, advantageously as oil crop plants.
"Transgen" meint damit beispielsweise bezüglich einer Nukleinsäuresequenz, einer Expressionskassette oder einem Vektor enthaltend eine Nukleinsäuresequenz, die für die Lipoxygenase oder deren Derivate codiert, oder einem Organismus transformiert mit dieser Nukleinsäuresequenz, einer Expressionskassette oder einem Vektor alle solche durch gentechnische Methoden zustandegekommene Konstruktionen, in denen sich entweder a) die Lipoxygenase-Nukleinsäuresequenz, oder b) eine mit der Lipoxygenase-Nukleinsäuresequenz funktioneil verknüpfte genetische Kontrollsequenz, zum Beispiel ein Promotor, oder c) (a) und (b) sich nicht in ihrer natürlichen, genetischen Umgebung befinden oder durch gentechnische Methoden modifiziert wurden, wobei die Modifikation beispielhaft eine Substitutionen, Additionen, Deletionen, Inversion oder Insertionen eines oder mehrerer Nukleotidreste sein kann. Natürliche genetische Umgebung meint den natürlichen chromosomalen Locus in dem Herkunftsorganismus oder das Vorliegen in einer genomischen Bibliothek. Im Fall einer genomischen Bibliothek ist die natürliche, genetische Umgebung der Nukleinsäuresequenz bevorzugt zumindest noch teilweise erhalten. Die Umgebung flankiert die Nukleinsäuresequenz zumindest an einer Seite und hat eine Sequenzlänge von mindestens 50 bp, bevorzugt mindestens 500 bp, besonders bevorzugt mindestens 1000 bp, ganz besonders bevorzugt mindestens 5000 bp."Transgene" means, for example, with respect to a nucleic acid sequence, an expression cassette or a vector containing a nucleic acid sequence which codes for the lipoxygenase or its derivatives, or an organism transformed with this nucleic acid sequence, an expression cassette or a vector, all such constructions which have been obtained by genetic engineering methods which either a) the lipoxygenase nucleic acid sequence, or b) a genetic control sequence functionally linked to the lipoxygenase nucleic acid sequence, for example a promoter, or c) (a) and (b) are not in their natural, genetic environment or modified by genetic engineering methods where the modification can be, for example, substitutions, additions, deletions, inversions or insertions of one or more nucleotide residues. Natural genetic environment means the natural chromosomal locus in the organism of origin or the presence in a genomic library. In the case of a genomic library, the natural, genetic environment of the nucleic acid sequence is preferably at least partially preserved. The environment flanks the nucleic acid sequence at least on one side and has a sequence length of at least 50 bp, preferably at least 500 bp, particularly preferably at least 1000 bp, very particularly preferably at least 5000 bp.
Nutzbare Wirtszellen sind weiterhin genannt in: Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology l 85, Academic Press, San Diego, CA (1990).Useful host cells are also mentioned in: Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology l 85, Academic Press, San Diego, CA (1990).
Verwendbare Expressionsstämme z.B. solche, die eine geringere Proteaseaktivität aufweisen sind beschrieben in: Gottesman, S., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 119-128.Expression strains that can be used, e.g. those which have a lower protease activity are described in: Gottesman, S., Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 119-128.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer Expressionskassette enthaltend DNA-Sequenzen codierend für ein Lipoxygenase-Gen oder mit diesen hybridisierende DNA-Sequenzen zur Transformation von Pflanzenzellen, -geweben oder Rlanzenteilen. Ziel der Verwendung ist die Erhöhung des Gehaltes an Hydroperoxyfettsauren in diesen Organismen.Another object of the invention relates to the use of an expression cassette containing DNA sequences coding for a lipoxygenase gene or DNA sequences hybridizing therewith for the transformation of plant cells, tissues or plant parts. The aim of the use is to increase the content of hydroperoxy fatty acids in these organisms.
Dabei kann je nach Wahl des Promotors die Expression des Lipoxygenase-Gens spezifisch in den Blättern, in den Samen, den Knollen oder anderen Teilen der Pflanze erfolgen. Solche Lipoxygenase überproduzierenden transgenen Pflanzen, deren Vermehrungsgut, sowie deren Pflanzenzellen, -gewebe oder -teile, sind ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ein bevorzugter erfindungsgemäßer Gegenstand sind transgene Pflanze enthaltend eine erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz, eine Expressionskassette oder ein Vektor enthaltend die erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz, die für eine Lipoxygenase codiert.Depending on the choice of the promoter, the expression of the lipoxygenase gene can take place specifically in the leaves, in the seeds, in the tubers or in other parts of the plant. Such transgenic plants that overproduce lipoxygenase, their reproductive material and their plant cells, tissue or parts are a further subject of the present invention. A preferred subject matter according to the invention are transgenic plants containing a nucleic acid sequence according to the invention, an expression cassette or a vector containing the nucleic acid sequence according to the invention which codes for a lipoxygenase.
Die Expressionskassette oder die erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen enthaltend eine Lipoxygenasegensequenz kann darüber hinaus auch zur Transformation der oben beispielhaft genannten Organismen wie Bakterien, Cyanobakterien, Hefen, filamentösen Pilzen, Ciliaten und Algen mit dem Ziel einer Erhöhung des Gehaltes an Hydroperoxyfettsauren eingesetzt werden. Gegenstand der Erfindung sind wie beschrieben transgene RIanzen, transformiert mit einer Expressionskassette enthaltend eine Lipoxygenase-Gensequenz oder mit dieser hybridisierende DNA-Sequenzen, sowie transgene Zellen, Gewebe, Teile und Vermehrungsgut solcher Pflanzen. Besonders bevorzugt sind dabei transgene Kulturpflan- zen, wie z.B. Gerste, Weizen, Roggen, Hafer, Mais, Soja, Reis, Baumwolle, Zuckerrübe, Raps und Canola, Sonnenblume, Flachs, Hanf, Kartoffel, Tabak, Tomate, Raps, Tapioka, Maniok, Pfeilwurz, Alfalfa, Salat und die verschiedenen Baum-, Nuss- und Weinspezies.The expression cassette or the nucleic acid sequences according to the invention containing a lipoxygenase gene sequence can also be used to transform the above-mentioned organisms such as bacteria, cyanobacteria, yeasts, filamentous fungi, ciliates and algae with the aim of increasing the content of hydroperoxy fatty acids. The invention relates, as described, to transgenic compounds, transformed with an expression cassette containing a lipoxygenase gene sequence or DNA sequences hybridizing therewith, and transgenic cells, tissues, parts and propagation material of such plants. Transgenic crops, such as barley, wheat, rye, oats, corn, soybeans, rice, cotton, sugar beet, rapeseed and canola, sunflower, flax, hemp, potatoes, tobacco, tomato, rapeseed, tapioca, cassava, are particularly preferred , Arrowroot, alfalfa, lettuce and the various tree, nut and wine species.
Pflanzen im Sinne der Erfindung sind mono- und dikotyle Pflanzen, Moose oder Algen. Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand ist ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxyperoxyfettsäuren durch Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens eine oben beschriebene erfindungsgemäße Nukleinsäuresequenz (SEQ ID NO: 1 und Derivate) oder mindestens ein erfindungsgemäßes Genkonstrukt (= Nukleinsäurekonstrukt oder Expressionskonstrukt) in einen Organismus vorteilhaft einen Öl produzierenden Organismus wie einer Pflanze oder einem eukaryontischen Mikroorganismus bringt, diesen Organismus anzieht (Anzucht) bzw. kultiviert und dass in dem Organismus enthaltene Öl isoliert und die im Öl enthaltenden Hydroperoxyfettsauren ggf. freisetzt. Die Fettsäuren können aus den Ölen bzw. Lipiden beispielsweise über eine basische Hydrolyse z.B. mit wässriger NaOH oder KOH oder saure Hydrolyse vorteilhaft in Gegenwart eines Alkohols wie Methanol oder Ethanol oder über eine enzymatische Abspaltung freigesetzt werden. Danach können sie über beispielsweise Phasentrennung und anschließender Ansäuerung über z.B. H2SO4 isoliert werden. Die Freisetzung der Fettsäuren kann auch direkt ohne die vorher- gehend beschriebene Aufarbeitung erfolgen.Plants in the sense of the invention are mono- and dicotyledonous plants, mosses or algae. Another object of the invention is a process for the preparation of hydroxyperoxy fatty acids by oxidation of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule, characterized in that at least one nucleic acid sequence according to the invention described above (SEQ ID NO: 1 and derivatives) or at least one gene construct according to the invention ( = Nucleic acid construct or expression construct) advantageously brings an oil-producing organism such as a plant or a eukaryotic microorganism into an organism, attracts this organism (cultivation) or cultivates and isolates the oil contained in the organism and, if necessary, releases the hydroperoxy fatty acids contained in the oil. The fatty acids can be released from the oils or lipids, for example by basic hydrolysis, for example with aqueous NaOH or KOH or acid hydrolysis, advantageously in the presence of an alcohol such as methanol or ethanol, or by enzymatic elimination. They can then be isolated by, for example, phase separation and subsequent acidification using, for example, H 2 SO 4 . The fatty acids can also be released directly without the workup described above.
Vorteilhaft werden im erfindungsgemäßen Verfahren transgene Pflanzen vorteilhaft Kulturpflanzen wie ölhaltige Pflanzen als Organismen verwendet. Diese Pflanzen enthalten die im erfindungsgemäßen Verfahren synthetisierten Hydroperoxyfettsauren und können vorteilhaft direkt vermarktet werden ohne dass, die synthetisierten Öle, Lipide oder Fettsäuren isoliert werden müssen. Unter Pflanzen im erfindungsgemäßen Verfahren sind ganze RIanzen sowie alle Pflanzenteile, Pflanzenorgane oder Pflanzenteile wie Blatt, Stiel, Samen, Wurzel, Knollen, Antheren, Fasern, Wurzelhaare, Stängel, Embryos, Kalli, Kotelydonen, Petiolen, Erntematerial, pflanzliches Gewebe, reproduktives Gewebe, Zellkulturen, die sich von der transgenen Pflanze abgeleiten und/oder dazu verwendet werden können, die transgene Pflanze hervorzubringen. Der Samen umfasst dabei alle Samenteile wie die Samenhüllen, Epidermis- und Samenzellen, Endosperm oder Embyrogewebe. Die im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindungen können aber auch aus den Organismen vorteilhaft RIanzen in Form ihrer Öle, Fett, Lipide und/oder freien Fettsäuren isoliert werden. Durch dieses Verfahren hergestellte Hydroperoxyfettsauren lassen sich durch Ernten der Organismen entweder aus der Kultur, in der sie wachsen, oder vom Feld ernten. Dies kann über Pressen oder Extraktion der Rlanzenteile bevorzugt der Pflanzensamen erfolgen. Dabei können die Öle, Fette, Lipide und/oder freien Fettsäuren durch sogenanntes kalt schlagen oder kalt pressen ohne Zuführung von Wärme durch Pressen gewonnen werden. Damit sich die Pflanzenteile speziell die Samen leichter aufschließen lassen, werden sie vorher zerkleinert, gedämpft oder geröstet. Die so vorbehandelten Samen können anschließend gepresst werden oder mitIn the process according to the invention, transgenic plants are advantageously used as organisms, such as oil-containing plants. These plants contain the hydroperoxy fatty acids synthesized in the process according to the invention and can advantageously be marketed directly without the oils, lipids or fatty acids synthesized having to be isolated. Plants in the process according to the invention include whole plants and all parts of plants, plant organs or parts of plants such as leaf, stem, seeds, roots, tubers, anthers, fibers, root hairs, stems, embryos, calli, kotelydones, petioles, crop material, plant tissue, reproductive tissue, Cell cultures that are derived from the transgenic plant and / or can be used to produce the transgenic plant. The semen comprises all parts of the semen such as the seminal shell, epidermal and sperm cells, endosperm or embyro tissue. However, the compounds produced in the process according to the invention can also advantageously be isolated from the organisms in the form of their oils, fats, lipids and / or free fatty acids. Hydroperoxy fatty acids produced by this method can be harvested by harvesting the organisms either from the culture in which they grow or from the field. This can preferably be done by pressing or extracting the body parts Plant seeds are made. The oils, fats, lipids and / or free fatty acids can be obtained by cold pressing or cold pressing without the addition of heat by pressing. So that the plant parts, especially the seeds, can be more easily broken down, they are crushed, steamed or roasted beforehand. The seeds pretreated in this way can then be pressed or with
Lösungsmittel wie warmen Hexan extrahiert werden. Anschließend wird das Lösungsmittel wieder entfernt. Im Falle von Mikroorganismen werden diese nach Ernte beispielsweise direkt ohne weitere Arbeitsschritte extrahiert oder aber nach Aufschluss über verschiedene dem Fachmann bekannte Methoden extrahiert. Auf diese Weise können mehr als 96 % der im Verfahren hergestellten Verbindungen isoliert werden. Anschließend werden die so erhaltenen Produkte weiter bearbeitet, das heißt raffiniert. Dabei werden zunächst beispielsweise die Pflanzenschleime und Trübstoffe entfernt. Die sogenannte Entschleimung kann enzymatisch oder beispielsweise chemisch/ physikalisch durch Zugabe von Säure wie Phosphorsäure erfolgen. Anschließend werden die freien Fettsäuren durch Behandlung mit einer Base beispielsweise Natronlauge entfernt. Das erhaltene Produkt wird zur Entfernung der im Produkt verbliebenen Lauge mit Wasser gründlich gewaschen und getrocknet. Um die noch im Produkt enthaltenen Farbstoffe zu entfernen werden die Produkte einer Bleichung mit beispielsweise Bleicherde oder Aktivkohle unterzogen. Zum Schluss wird das Produkt noch beispielsweise mit Wasserdampf noch desodoriert.Solvents such as warm hexane can be extracted. The solvent is then removed again. In the case of microorganisms, these are extracted directly after harvesting, for example, without further work steps, or extracted after digestion using various methods known to the skilled worker. In this way, more than 96% of the compounds produced in the process can be isolated. The products thus obtained are then processed further, that is to say refined. For example, the plant mucus and turbidity are removed first. The so-called degumming can be carried out enzymatically or, for example, chemically / physically by adding acid such as phosphoric acid. The free fatty acids are then removed by treatment with a base, for example sodium hydroxide solution. The product obtained is washed thoroughly with water to remove the lye remaining in the product and dried. In order to remove the dyes still contained in the product, the products are subjected to bleaching with, for example, bleaching earth or activated carbon. Finally, the product is still deodorized with steam, for example.
Die im Verfahren hergestellten Hydroperoxyfettsauren fallen in den Organismen vorteilhaft in Form ihrer Öle, Lipide oder Fettsäuren oder Fraktionen davon an.The hydroperoxy fatty acids produced in the process are advantageously obtained in the form of their oils, lipids or fatty acids or fractions thereof.
In dieser gebundenen Form können sie auch mit den erfindungsgemäßen Lipoxygenasen aus den entsprechenden gebundenen Fettsäuren synthetisiert werden. Auch freie Fettsäuren werden umgesetzt.In this bound form, they can also be synthesized with the lipoxygenases according to the invention from the corresponding bound fatty acids. Free fatty acids are also implemented.
Unter dem Begriff "Öl", "Lipid" oder "Fett" wird ein Fettsäuregemisch verstanden, das ungesättigte, gesättigte, vorzugsweise veresterte Fettsäure(n) enthält. Bevorzugt ist, dass das Öl, Lipid oder Fett einen hohen Anteil an freien oder vorteilhaft veresterten Hydroperoxyfettsäure(n) hat. Vorzugsweise ist der Anteil an veresterten Hydroperoxy- fettsäuren ungefähr 30 %, mehr bevorzugt ist ein Anteil von 50 %, noch mehr bevorzugt ist ein Anteil von 60 %, 70 %, 80 % oder mehr. Je nach Ausgangsorganismus kann der Anteil der verschiedenen Fettsäuren in dem Öl oder Fett schwanken.The term "oil", "lipid" or "fat" is understood to mean a fatty acid mixture which contains unsaturated, saturated, preferably esterified fatty acid (s). It is preferred that the oil, lipid or fat has a high proportion of free or advantageously esterified hydroperoxy fatty acid (s). The proportion of esterified hydroperoxy fatty acids is preferably approximately 30%, more preferred is a proportion of 50%, even more preferred is a proportion of 60%, 70%, 80% or more. Depending on the starting organism, the proportion of different fatty acids in the oil or fat can fluctuate.
Bei den im Verfahren hergestellten Hydroperoxyfettsauren, handelt es sich beispielsweise um Hydroperoxyfettsauren, die in Sphingolipide, Phosphoglyceride, Lipide, Glycolipide, Phospholipide, Monoacylglycerin, Diacylglycerin, Triacylglycerin oder sonstige Fettsäureester gebunden sind.The hydroperoxy fatty acids produced in the process are, for example, hydroperoxy fatty acids which are bound in sphingolipids, phosphoglycerides, lipids, glycolipids, phospholipids, monoacylglycerol, diacylglycerol, triacylglycerol or other fatty acid esters.
Die in den Verfahren verwendeten Organismen werden je nach Wirtsorganismus in dem Fachmann bekannter Weise angezogen bzw. gezüchtet. Mikroorganismen werden in der Regel in einem flüssigen Medium, das eine Kohlenstoffquelle meist in Form von Zuckern, eine Stickstoffquelle meist in Form von organischen Stickstoffquellen wie Hefeextrakt oder Salzen wie Ammoniumsulfat, Spurenelemente wie Eisen-, Mangan-, Magnesiumsalze und gegebenenfalls Vitamine enthält, bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C, bevorzugt zwischen 10°C bis 60°C unter Sauerstoffbegasung angezogen. Dabei kann der pH der Nährflüssigkeit auf einen festen Wert gehalten werden, das heißt während der Anzucht reguliert werden oder nicht. Die Anzucht kann batch weise, semi batch weise oder kontinuierlich erfolgen. Nährstoffe können zu Beginn der Fermentation vorgelegt oder semikontinuierlich oder kontinuierlich nach gefüttert werden.Depending on the host organism, the organisms used in the processes are grown or cultivated in a manner known to those skilled in the art. Microorganisms are usually in a liquid medium containing a carbon source mostly in the form of sugars, a nitrogen source mostly in the form of organic nitrogen sources such as yeast extract or salts such as ammonium sulfate, trace elements such as Contains iron, manganese, magnesium salts and possibly vitamins, at temperatures between 0 ° C and 100 ° C, preferably between 10 ° C to 60 ° C with oxygen. The pH of the nutrient liquid can be kept at a fixed value, that is to say it can be regulated during cultivation or not. The cultivation can be batch-wise, semi-batch wise or continuous. Nutrients can be introduced at the beginning of the fermentation or fed semi-continuously or continuously.
Pflanzen werden nach Transformation zunächst wie oben beschrieben regeneriert und anschließend wie üblich angezüchtet bzw. angebaut. Aus den Organismen werden nach Anzucht die Lipide in üblicherweise gewonnen. Hierzu können die Organismen nach Ernte zunächst aufgeschlossen werden oder direkt verwendet werden. Die Lipide werden vorteilhaft mit geeigneten Lösungsmitteln wie apolare Lösungsmittel wie Hexan oder Ethanol, Isopropanol oder Gemischen wie Hexan/Isopropanol, Phenol/Chloroform/Isoamylalkohol bei Temperaturen zwischen 0°C bis 80°C, bevorzugt zwischen 20°C bis 50°C extrahiert. Die Biomasse wird in der Regel mit einem Überschuss an Lösungsmittel extrahiert beispielsweise einem Überschuss von Lösungsmittel zu Biomasse von 1 :4. Das Lösungsmittel wird anschließend beispielsweise über eine Destillation entfernt. Die Extraktion kann auch mit superkritischem CO2 erfolgen. Nach Extraktion kann die restliche Biomasse beispiels- weise über Filtration entfernt werden.After transformation, plants are first regenerated as described above and then grown or cultivated as usual. After culturing, the lipids are usually obtained from the organisms. For this purpose, the organisms can first be digested after harvesting or used directly. The lipids are advantageously extracted with suitable solvents such as apolar solvents such as hexane or ethanol, isopropanol or mixtures such as hexane / isopropanol, phenol / chloroform / isoamyl alcohol at temperatures between 0 ° C. to 80 ° C., preferably between 20 ° C. to 50 ° C. The biomass is usually extracted with an excess of solvent, for example an excess of solvent to biomass of 1: 4. The solvent is then removed, for example by distillation. The extraction can also be carried out with supercritical CO 2 . After extraction, the remaining biomass can be removed, for example, by filtration.
Das so gewonnene Rohöl kann anschließend weiter aufgereinigt werden, beispielsweise in dem Trübungen über das Versetzen mit polaren Lösungsmittel wie Aceton oder Chloroform und anschließender Filtration oder Zentrifugation entfernt werden. Auch eine weitere Reinigung über Säulen ist möglich. Zur Gewinnung der freien Fettsäuren aus den Triglyceriden werden diese in üblicherweise wie oben beschrieben verseift.The crude oil obtained in this way can then be further purified, for example by removing turbidity by adding polar solvents such as acetone or chloroform and then filtering or centrifuging. Further cleaning via columns is also possible. To obtain the free fatty acids from the triglycerides, they are usually saponified as described above.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind:Further objects of the invention are:
- Verfahren zur Transformation einer Rlanze dadurch gekennzeichnet, dass man erfindungsgemäße Expressionskassetten enthaltend eine Lipoxygenase- Gensequenz aus Diatomeen oder mit dieser hybridisierende DNA'-Sequenzen in eine Rlanzenzelle, in Kallusgewebe, eine ganze Rlanze oder Protoplasten von Pflanzen einbringt.- Process for transforming a lance, characterized in that expression cassettes according to the invention containing a lipoxygenase gene sequence from diatoms or DNA 'sequences which hybridize therewith are introduced into a lanceol cell, into callus tissue, a whole lance or protoplasts of plants.
Proteine enthaltend die in SEQ ID NO: 2 dargestellten Aminosäuresequenzen.Proteins containing the amino acid sequences shown in SEQ ID NO: 2.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert: BeispieleThe invention is illustrated by the following examples: Examples
a) Materialiena) Materials
Mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie Arachidonsäure (= ÄRA), Docosapen- taensäure (= DPA), Docosahexaensäure (= DHA), Linolsäure, α-Linolensäure und γ-ünolensäure wurden von der Firma Cayman Chemicals, USA, verwendet.Polyunsaturated fatty acids such as arachidonic acid (= ERA), docosapentaenoic acid (= DPA), docosahexaenoic acid (= DHA), linoleic acid, α-linolenic acid and γ-oleolenic acid were used by Cayman Chemicals, USA.
Alle weiteren verwendeten Chemikalien wurden von den Firmen Merck (Darm- Stadt), Roth (Karlsruhe), Sigma (Deisenhofen) oder Serva (Heidelberg) bezogen.All other chemicals used were obtained from Merck (Darmstadt), Roth (Karlsruhe), Sigma (Deisenhofen) or Serva (Heidelberg).
Als HPLC-Laufmittel wurden die Produkte von J.T. Baker (Phillipsburg, N.J., USA) in HPLC-Qualaität genutzt.The products of J.T. Baker (Phillipsburg, N.J., USA) used in HPLC quality.
b) Vektorenb) vectors
Verwendete Vektoren:Vectors used:
PQE30™ stammt von Qiagen, Hilden pGem-T stammt von Promega, Madison, USAPQE30 ™ is from Qiagen, Hilden pGem-T is from Promega, Madison, USA
c) Bakterienc) bacteria
Als Bakterien wurden verwendet:The following bacteria were used:
E. coli XL1-Blue [Bullock et al., Bio Techniques, 5:376-378, 1987 recA1 endA1 gyrA96 thi-1hsdR17 supE44 relA1 lac[F proAB lacqZE. coli XL1-Blue [Bullock et al., Bio Techniques, 5: 376-378, 1987 recA1 endA1 gyrA96 thi-1hsdR17 supE44 relA1 lac [F proAB lac q Z
MIS TnlOCTef)]MIS TnlOCTef)]
E. coli SG13009[pREP4] [Gottesman et al., J Bacteriol, 148(1):265-73, 1981] Nals Strs rifs lac" ara gal" mtl" F" recA+ uvr+ E. coli SG13009 [pREP4] [Gottesman et al., J Bacteriol, 148 (1): 265-73, 1981] Nal s Str s rif s lac " ara gal " mtl " F " recA + uvr +
d) Antibiotikad) antibiotics
Zur Selektion wurden folgende Antibiotika verwendet: Carbenicillin Stammlösung: 100 mg/ml, Endkonzentration: 100 μg/ml (Roth, Karlsruhe)The following antibiotics were used for the selection: Carbenicillin stock solution: 100 mg / ml, final concentration: 100 μg / ml (Roth, Karlsruhe)
Kanamycin Stammlösung: 50 mg/ml, Endkonzentration: 25 μg/mlKanamycin stock solution: 50 mg / ml, final concentration: 25 μg / ml
(Dichefa, Niederlande) e) Antikörper und Konjugate(Dichefa, Netherlands) e) Antibodies and conjugates
Folgende Antikörper wurden verwendet:The following antibodies were used:
anti-CsLb-Lipoxygenase Antikörper Kaninchen, Dr. I. Feussner, Gatersleben [Hause et al., Planta, 210:708-714, 2000]anti-CsLb-Lipoxygenase Antibody Rabbit, Dr. I. Feussner, Gatersleben [Haus et al., Planta, 210: 708-714, 2000]
anti-Kaninchen IgG-Alkalischeanti-rabbit IgG alkaline
Phosphate (ALP) Konjugat Röche Diagnostics GrenzachPhosphate (ALP) conjugate Röche Diagnostics Grenzach
f) PCR-Protokollf) PCR protocol
• 10 Zyklen• 10 cycles
94°C 30 sek94 ° C 30 sec
52-57°C 30 sek52-57 ° C 30 sec
72°C 2 min72 ° C 2 min
• 25 Zyklen• 25 cycles
94°C 30 sek94 ° C 30 sec
47-52°C 30 sek47-52 ° C 30 sec
72°C 2 min, Inkrement δ sek72 ° C 2 min, increment δ sec
• 1 Zyklus• 1 cycle
72°C 5 min72 ° C 5 min
Beispiel 1 : Kolonie-PCRExample 1: Colony PCR
Zur Identifikation der Bakterienkolonien, die nach Transformation das gewünschte Fragment in der Plasmid-DNA enthalten, wurde eine Kolonie-PCR durchgeführt. Zell- material einer Kolonie wurde mit einem Zahnstocher in 10 μl Wasser suspendiert.A colony PCR was carried out to identify the bacterial colonies which contain the desired fragment in the plasmid DNA after transformation. Cell material from a colony was suspended in 10 μl of water using a toothpick.
Durch Zugabe von 10 x Puffer, MgCI2, dNTP, Tfl-Polymerase und der entsprechenden Primer wurde das oben erwähnte [PCR-Protokoll (f)] PCR-Reaktionsgemisch hergestellt. Es wurde das gleiche Programm durchlaufen und die selben Primer verwendet, die zu Amplifikation des Fragments dienten. Wurde zur Amplifikätion ein Primer eingesetzt, der auch im Vektor eine Bindungsstelle besitzt, ist dieser Primer durch Vektor-spezifische Primer ersetzt worden. Wurde das Fragment in diesem Falle nicht gerichtet kloniert (z.B. in pGEM-T), wurde Kolonie-PCR für beide Richtungen mit den entsprechenden Vektor-spezifischen Primern durchgeführt. Für die Identifikation von Bakterienkolonien, die DNA-Konstrukte im Vektor enthalten, die aus mehr als einem PCR-Fragment zusammengesetzt wurden, ist der 5'-Primer des am 5'-Ende befindlichen Fragments und der 3'-Primer des am 3'-Ende befindlichen Fragments verwendet worden.The above-mentioned [PCR protocol (f)] PCR reaction mixture was prepared by adding 10 × buffer, MgCl 2 , dNTP, Tfl polymerase and the corresponding primer. The same program was run and the same primers used to amplify the fragment. If a primer was used for the amplification, which also has a binding site in the vector, this primer has been replaced by vector-specific primers. If the fragment was not cloned directionally in this case (eg in pGEM-T), colony PCR was carried out for both directions with the corresponding vector-specific primers. For the identification of bacterial colonies, which contain DNA constructs in the vector, which were composed of more than one PCR fragment, the 5 'primer of the fragment located at the 5' end and the 3 'primer of the fragment located at the 3' End fragment was used.
Beispiel 2: EXPAND™ High Fidelity-PCRExample 2: EXPAND ™ high fidelity PCR
Wenn eine niedrige Fehlerate bei der PCR essentiell war, wie z.B. für die DNA- Sequenz der rekombinanten Pt-Lipoxygenase, wurde die Amplifizierung von DNA- Fragmenten mit dem „EXPAND™ High Fidelity-PCR-System" nach der Vorschrift des Hersteller durchgeführt. Dieses System enthält ein Gemisch aus der thermostabilen Taq-DNA-Polymerase und der ebenfalls thermostabilen Pwo-DNA-Polymerase, die zusätzlich eine 3'-5'-Exonuklease-Aktivität besitzt. Außerdem wurden statt 35 nur 30 Zyklen durchlaufen. Beides diente dazu, die Fehlerrate niedrig zu halten, um möglichst wenig Mutationen in der zu amplifizierenden DNA zu erhalten.If a low error rate was essential in PCR, e.g. for the DNA sequence of the recombinant Pt lipoxygenase, the amplification of DNA fragments was carried out using the "EXPAND ™ high fidelity PCR system" according to the manufacturer's instructions. This system contains a mixture of the thermostable Taq DNA polymerase and the also thermostable Pwo DNA polymerase, which also has a 3'-5 'exonuclease activity, and only 30 cycles were used instead of 35. Both served to keep the error rate low in order to minimize mutations in the to obtain amplifying DNA.
Beispiel 3: Ligation von DNAExample 3: Ligation of DNA
Die Verknüpfung von DNA-Fragmenten mit Vektor-DNA erfolgte durch Ligation mittels T4-DNA-Ligase. Dabei werden endständige 5'-Phosphatgruppen und 3'-Hydroxyl- gruppen unter Bildung von Phosphordiesterbindungen verbunden. Cofaktor dieser Reaktion ist ATP. Um die intramolekulare bzw. intermolekulare Ligation des Vektors zu reduzieren, wurde das DNA-Fragment in etwa dreifachem Überschuss im Vergleich zur Vektor-DNA eingesetzt. Die Ligationsreaktion erfolgte bei 4°C über Nacht. Die Ligation wurde in einem Volumen von 10 μl oder 20 μl durchgeführt.DNA fragments were linked to vector DNA by ligation using T4 DNA ligase. Terminal 5'-phosphate groups and 3'-hydroxyl groups are bonded to form phosphorus diester bonds. The cofactor of this reaction is ATP. In order to reduce the intramolecular or intermolecular ligation of the vector, the DNA fragment was used in a three-fold excess compared to the vector DNA. The ligation reaction took place at 4 ° C. overnight. The ligation was carried out in a volume of 10 μl or 20 μl.
Grundsätzlich wurden PCR-amplifizierte DNA-Fragmente zunächst in pGEM-T kloniert. Mit Tfl bzw. „EXPAND™ High Fidelity" amplifizierte Fragmente besitzen einen 3'-Adenin-Überhang, der mit dem 3'-Thymin-Überhang des pGEM-T- Vektors hybridi- siert. Unter anderem deshalb ist die Ligationseffizienz dieses Vektors relativ hoch. pGEM-T bietet die Möglichkeit der Blau-Weiß-Selektion mit IPTG und X-Gal.Basically, PCR-amplified DNA fragments were first cloned in pGEM-T. Fragments amplified with Tfl or "EXPAND ™ High Fidelity" have a 3'-adenine overhang which hybridizes with the 3'-thymine overhang of the pGEM-T vector. This is one of the reasons why the ligation efficiency of this vector is relatively high pGEM-T offers the possibility of blue-white selection with IPTG and X-Gal.
Fragmente, die über Schnittstellen für Restriktionsendonukleasen aus Vektoren herausgeschnitten wurden (Beispiel 5), sind mit entsprechend vorgeschnittenem Vektor ligiert worden. Der in Tabelle 1 angegebene Ansatz für Ligation unter Benutzung von Restriktionsschnittstellen wurden entsprechend der gegebenen DNA-Konzentration variiert, um eine Konzentration von Insert: Vektor von rund 1 μM : 0,3 μM im Ansatz zu erzielen. Bei einer hypothetischen Ligationseffiziens von 100 % ergibt dieser Ansatz rund 15 fmol/μl Ligationsprodukt. Tabelle 1 : Ligation von Vektor- und Donor-DNAFragments which were cut out from vectors via interfaces for restriction endonucleases (example 5) have been ligated with a correspondingly pre-cut vector. The approach given in Table 1 for ligation using restriction sites was varied in accordance with the given DNA concentration in order to achieve an insert: vector concentration of around 1 μM: 0.3 μM in the approach. With a hypothetical ligation efficiency of 100%, this approach yields around 15 fmol / μl ligation product. Table 1: Ligation of vector and donor DNA
Ligationsansatz 5 μl 2x Ligationspuffer, 3 μl DNA (Fragment), 1 μl Vektor,Ligation mix 5 μl 2x ligation buffer, 3 μl DNA (fragment), 1 μl vector,
(pGEM-T Vektor) 1 μl T4-DNA-Ligase (1 U/μl)(pGEM-T vector) 1 μl T4 DNA ligase (1 U / μl)
Ligationsansatz 2 μl 10x Ligationspuffer, 5-9 μl DNA (Fragment),Ligation mix 2 μl 10x ligation buffer, 5-9 μl DNA (fragment),
(Restriktionsschnittstellen) 1-3 μl Vektor, 2 μl T4-DNA-ügase (1 U/μl), ad 20 μl H2O(Restriction sites) 1-3 μl vector, 2 μl T4-DNA-ugase (1 U / μl), ad 20 μl H 2 O
Beispiel 4: Transformation von E. coliExample 4: Transformation of E. coli
Im Zuge der Klonierung von DNA-Fragmenten wurden die E. coli-Stämme XL1-Blue und SG 13009 transformiert. Es wurden 100 μl kompetente E. coli-Zellen auf Eis aufgetaut und ca. 5 fmol DNA zugegeben. Dies entspricht 10 ng eines 3000 bp DNA- Konstruktes oder 17 ng eines 5000 bp DNA-Konstruktes. Nach 20 min Inkubation im Eis wurden die Bakterien für 50 s bei 42°C einem Hitzeschock ausgesetzt. Anschließend wurde der Ansatz für 5 min auf Eis belassen, mit 900 μl LB-Medium versetzt und 1 h unter Schütteln bei 37°C kultiviert. Die Bakterien wurden entsprechend ihrer Resistenz auf Selektionsmedium ausplattiert und über Nacht bei 37°C inkubiert.In the course of cloning DNA fragments, the E. coli strains XL1-Blue and SG 13009 were transformed. 100 μl of competent E. coli cells were thawed on ice and about 5 fmol of DNA were added. This corresponds to 10 ng of a 3000 bp DNA construct or 17 ng of a 5000 bp DNA construct. After 20 min incubation in ice, the bacteria were exposed to a heat shock at 42 ° C for 50 s. The mixture was then left on ice for 5 min, 900 μl of LB medium were added and the mixture was cultured at 37 ° C. with shaking for 1 h. The bacteria were plated on selection medium according to their resistance and incubated overnight at 37 ° C.
Beispiel 5: Spaltung von DNA mit Restriktionsendonukleasen [Sambrook et al.,Example 5: Cleavage of DNA with restriction endonucleases [Sambrook et al.,
Molecular cloning: A loboratory manual, Cold Spring Habor Laboratory Press, New York, 1989]Molecular cloning: A loboratory manual, Cold Spring Habor Laboratory Press, New York, 1989]
Restriktionsnukleasen spalten doppelsträngige DNA sequenzspezifisch durch Hydro- lyse kovalenter Bindungen. Dabei werden 4 bis 8 bp lange palindromische Sequenzen erkannt und geschnitten. Bei Spaltungen mit den in dieser Arbeit verwendeten Restriktionsendonukleasen entstehen Enden, die einen 3'- oder 5'-Überhang tragen.Restriction nucleases cleave double-stranded DNA in a sequence-specific manner by hydrolysis of covalent bonds. 4 to 8 bp long palindromic sequences are recognized and cut. Cleavages with the restriction endonucleases used in this work result in ends that carry a 3 'or 5' overhang.
Restriktionen wurden zur Kontrolle von Bakterienkolonien durchgeführt, die sich für die Klonierungsstrategie eignen (s. Beispiel 28) und für Gewinnung von DNA-Fragmenten für die Ligation (Beispiel 3). Das Ausschneiden der DNA-Fragmente in zwei Schritten. Nach der Restriktion mit dem erste Enzym erfolgte eine Reinigung des Reaktionsansatzes und dann erst die Restriktion mit dem zweiten Enzym. Dies erfolgte, um die Ausbeute an korrekt gespaltener DNA dadurch zu erhöhen, dass jedes Enzym im optimalen Puffer mit 100 % Aktivität ohne unspezifische Nebenreaktion („Stern-Aktivität") spaltet. Für die Kontrolle von Bakterienkolonien, die sich für die Klonierungsstrategie eignen, wurde pro Ansatz nur ein Enzym eingesetzt, um eine eindeutige Aussage für jedes Enzym zu erhalten. Tabelle 2 zeigt die verwendeten Ansätze für Restriktionsspaltungen. Als Reaktionspuffer wurde der jeweils optimale Puffer nach Herstellerangaben eingesetzt. Der Restriktionsansatz wurde ca. 12 h bei 37°C inkubiert. Tabelle 2: Spaltung von DNA mit RestriktionsendonukleasenRestrictions were carried out to control bacterial colonies which are suitable for the cloning strategy (see Example 28) and for obtaining DNA fragments for the ligation (Example 3). Cutting out the DNA fragments in two steps. After the restriction with the first enzyme, the reaction mixture was cleaned and only then was the restriction with the second enzyme. This was done in order to increase the yield of correctly cleaved DNA by cleaving each enzyme in the optimal buffer with 100% activity without unspecific side reaction (“star activity”). The control of bacterial colonies that were suitable for the cloning strategy was carried out Only one enzyme was used per batch in order to obtain a clear statement for each enzyme.Table 2 shows the batch cleavage approaches used, and the optimum buffer was the reaction buffer Buffer used according to the manufacturer's instructions. The restriction mixture was incubated at 37 ° C. for about 12 h. Table 2: Cleavage of DNA with restriction endonucleases
Restriktionsansatz 1 μl 10x Reaktionspuffer, 2 μl Plasmid-DNA (ca. 0,6 μg), zum Screening 0,21 μl Restriktionsenzym, 1 ,8 μl H2ORestriction mixture 1 μl 10x reaction buffer, 2 μl plasmid DNA (approx. 0.6 μg), for screening 0.21 μl restriction enzyme, 1.8 μl H 2 O
präparativer 5 μMOx Reaktionspuffer, 30 μl Plasmid-DNA (ca. 9 μg),preparative 5 μMOx reaction buffer, 30 μl plasmid DNA (approx. 9 μg),
Restriktionsansatz 2 μl Restriktionsenzym, 13 μl H2ORestriction mixture 2 μl restriction enzyme, 13 μl H 2 O
Beispiel 6: Auftrennung von DNA in Agarose-Gelen [Sambrook et al., Molecular cloning: A loboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1989]Example 6: Separation of DNA in Agarose Gels [Sambrook et al., Molecular cloning: A loboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1989]
Mit einem 1 ,5 %igen Agarosegel ließen sich DNA-Fragmente von 0,2 bis 4 kb effektiv trennen. Dazu wurden 1 ,5 % (w/v) Agarose in TAE-Puffer durch Aufkochen in der Mikrowelle gelöst, auf 60°C abgekühlt und in einen horizontalen Gelträger gegossen. Zur Polymerisation wurde für mindestens 30 min abgekühlt. Die DNA-Proben wurden mit 0,1 Volumen Probenpuffer versetzt und bei einer Spannung von 120 V elektro- phoretisch getrennt. Als Größenmarker wurde der S ARTLADDER-Standard (Eurogentec, Seraing, Belgien) mit DNA-Fragmenten definierter Größe verwendet. Um die DNA- Banden im Gel sichtbar zu machen, wurde das Agarosegel anschließend für 15 bis 20 min in einem Ethidiumbromid-Bad (2 μg/ml) inkubiert und für etwa 5 min in destilliertem Wasser entfärbt. Unter Bestrahlung mit UV-Licht (312 nm) fluoresziert das an die DNA angelagerte Ethidiumbromid. Zur Dokumentation und Auswertung wurden die Agarosegele fotografiert.DNA fragments of 0.2 to 4 kb could be separated effectively using a 1.5% agarose gel. For this purpose, 1.5% (w / v) agarose was dissolved in TAE buffer by boiling in the microwave, cooled to 60 ° C. and poured into a horizontal gel carrier. The polymerization was cooled for at least 30 minutes. The DNA samples were mixed with 0.1 volume of sample buffer and separated electrophoretically at a voltage of 120 V. The S ARTLADDER standard (Eurogentec, Seraing, Belgium) with DNA fragments of a defined size was used as the size marker. In order to visualize the DNA bands in the gel, the agarose gel was then incubated for 15 to 20 min in an ethidium bromide bath (2 μg / ml) and decolorized in distilled water for about 5 min. The ethidium bromide attached to the DNA fluoresces when irradiated with UV light (312 nm). The agarose gels were photographed for documentation and evaluation.
Beispiel 7: Minipräparation von Plasmid DNAExample 7: Mini preparation of plasmid DNA
Die Plamidminipräparation erfolgte entweder mit dem „QLAprep Plasmid MiniPrep Kit" (Qiagen, Hilden) oder mit dem „NucleoSpin® Plasmid Miniprep Kit" (Macherey-Nagel, Düren), jeweils nach der vom Hersteller angegebenen Methode. Diese Methoden basieren auf der Bindung von DNA an Silicagel Membranen bei hohen Konzentrationen von chaotropen Salzen. Die Elution erfolgt mit niedrig konzentrierten Salz- Puffern oder mit Wasser. Mit dieser Methode wird die DNA somit von anderen Zellbestandteilen getrennt und in hoher Reinheit erhalten. Beispiel 8: DNA-Fragmentisolierung aus AgarosegelenThe plamide mini preparation was carried out either with the "QLAprep Plasmid MiniPrep Kit" (Qiagen, Hilden) or with the "NucleoSpin® Plasmid MiniPrep Kit" (Macherey-Nagel, Düren), each according to the method specified by the manufacturer. These methods are based on the binding of DNA to silica gel membranes at high concentrations of chaotropic salts. Elution is carried out with low-concentration salt buffers or with water. With this method, the DNA is separated from other cell components and preserved in high purity. Example 8: DNA fragment isolation from agarose gels
Die Gel-Bande des zu reinigenden DNA-Fragments wurde unter UV-Licht mit einem Skalpell sauber ausgeschnitten und mit dem „GFT™ PCR DNA und Gel Band Puri- fication Kif nach Angaben des Herstellers (Amersham Pharmacia Biotech, UK) gereinigt. Um Mutationen in den DNA-Fragmenten zu vermeiden, wurde bei der Fragmentisolierung darauf geachtet, dass die UV-Bestrahlungszeit nur sehr kurz war.The gel band of the DNA fragment to be purified was cut out cleanly under UV light with a scalpel and cleaned with the “GFT ™ PCR DNA and Gel Band Purification Kif according to the manufacturer's instructions (Amersham Pharmacia Biotech, UK). In order to avoid mutations in the DNA fragments, care was taken when isolating the fragments that the UV irradiation time was only very short.
Beispiel 9: SequenzanalyseExample 9: Sequence analysis
Die Sequenzen wurden mit HUSAR (DKFZ, Heidelberg) unter Nutzung der Fragment Assemblierungsprogramme, die Teil des WISCONCIN Packets Version 10.2 sind (Actylrys, ehemals Genetics Computer Group (GCG), Madison, Wisc.) analysiert. Sequenzen wurden in das Projekt geladen, Bestandteile vom Klonierungsvektor und Phagenbank- Vektor halbautomatisch entfernt und anschließend zu durchgehenen Sequenzen (Contig's) assembliert, Sequenzvergleich gegen die Datenbanken SWISSPROT, TREMBL, PIR und OWL wurde mittels des BLASTX2 Algorithmus [Altschul et al., Nucleic Acids Res, 25(17):3389-3402, 1997] durchgeführt.The sequences were analyzed with HUSAR (DKFZ, Heidelberg) using the fragment assembly programs that are part of the WISCONCIN package version 10.2 (Actylrys, formerly Genetics Computer Group (GCG), Madison, Wisc.). Sequences were loaded into the project, components of the cloning vector and phage bank vector were removed semi-automatically and then assembled into sequences (Contig's), sequence comparison against the databases SWISSPROT, TREMBL, PIR and OWL was carried out using the BLASTX2 algorithm [Altschul et al., Nucleic Acids Res, 25 (17): 3389-3402, 1997].
Ein phylogenetischer Stammbaum wurde mit dem Programm PHYLIP 35 erstellt. Ausgehend von CLUSTALX-Sequenzvergleich einer Vielzahl bekannter Lipogenase- Proteine wurden mittels SEQBOOT einhundert Punktmutationsreihen erstellt (random seed number:5). Die bekannten Lipoxygenase-Proteine gliedern sich in drei Stammbaumsegmente, nämlich den Typ 1 13-LOX-, Typ 1 9-LOX- und Typ 2 13-LOX- Stammbaum. PROTPARS erstellt die Stammbäume der einhundert Punktmutationsreihen, indem die evolutionären Abstände zwischen den Proteinen berechnet werden. Mit CONSENS wird aus den einhundert Stammbäumen der wahrscheinlichste berechnet. Die Entfernung zweier Proteine im phylogenetischen Stammbaum beruht auf der Anzahl von Mutationen, die auf DNA-Ebene notwendig sind, um die Sequenz des einen Proteins dem anderen anzugleichen. Der genetische Code wird dabei berücksichtigt. So sind z.B. drei Punktmutationen für eine Gln/Cys Austausch notwendig. Die unterschiedlichen Mutationsraten von Organismen werden allerdings nicht einbezogen.A phylogenetic family tree was created with the PHYLIP 35 program. On the basis of a CLUSTALX sequence comparison of a large number of known lipogenase proteins, one hundred series of point mutations were created using SEQBOOT (random seed number: 5). The known lipoxygenase proteins are divided into three family tree segments, namely the type 1 13-LOX, type 1 9-LOX and type 2 13-LOX family tree. PROTPARS creates the pedigrees of the one hundred point mutation series by calculating the evolutionary distances between the proteins. With CONSENS, the most probable is calculated from the one hundred family trees. The removal of two proteins in the phylogenetic family tree is based on the number of mutations that are necessary at the DNA level to match the sequence of one protein to the other. The genetic code is taken into account. For example, three point mutations are necessary for a Gln / Cys exchange. The different mutation rates of organisms are not included.
Beispiel 10: Expression des rekombinanten ProteinsExample 10: Expression of the recombinant protein
Die Expression des rekombinanten Proteins erfolgte im E. coli-Stamm SG 13009. Die Expressionsklone wurden zunächst bis zu einer OD600 von 0,6 bis 0,8 in LB-Medium (mit Cabenicillin und Kanamycin) bei 37°C inkubiert. Nach Induktion der Expression mit IPTG (Endkonzentration: 1 mM) wurden die Bakterien 2 oder 7 Tage bei 10°C kultiviert. Beispiel 11 : ZellaufschlussThe expression of the recombinant protein took place in the E. coli strain SG 13009. The expression clones were initially incubated up to an OD 600 of 0.6 to 0.8 in LB medium (with cabenicillin and kanamycin) at 37 ° C. After induction of the expression with IPTG (final concentration: 1 mM), the bacteria were cultivated at 10 ° C. for 2 or 7 days. Example 11: Cell disruption
Die E. coli-Zellen wurden 20 min bei 4000 x g und 4°C abzentrifugiert und in Lysinpuffer (50 mM Tris.HCI, 10 % Glycerin, 0,1 % Tween, 0,5 M NaCI, pH 7,5) aufgenommen (7 ml Lysinpuffer pro 250 ml Zellkultur). Mit Ultraschall (zehnmal 1 min, 50 % Leistung, 50 % Impuls) wurden die Zellen aufgeschlossen. Die Zelltrümmer wurden 30 min bei 4000 x g, 4°C abzentrifugiert. Der Überstand mit den löslichen Proteinen wurde abgenommen und bei 4°C aufbewahrt. Die Aktivität der rekombinant hergestellten Lipoxygenase wurde mit diesem Lysat analysiert.The E. coli cells were centrifuged at 4000 xg and 4 ° C for 20 min and taken up in lysine buffer (50 mM Tris.HCI, 10% glycerol, 0.1% Tween, 0.5 M NaCI, pH 7.5) ( 7 ml lysine buffer per 250 ml cell culture). The cells were disrupted using ultrasound (ten times 1 min, 50% power, 50% pulse). The cell debris was centrifuged at 4000 x g, 4 ° C for 30 min. The supernatant with the soluble proteins was removed and stored at 4 ° C. The activity of the recombinantly produced lipoxygenase was analyzed with this lysate.
Beispiel 12: AktivitätstestExample 12: Activity test
Mit Linolsäure als Substrat wurde die Lipoxygenase auf Aktivität getestet. Im Gegensatz zum Substrat mit seinen isolierten Doppelbindungen besitzen die gebildeten Hydro(pero)xide durch ihr konjugiertes Dien-System ein Absorptionsmaximum bei 234 nm. Aufgrund der hohen Eigenabsorption des Zelllysates erfolgte diese Bestimmung nicht spektrophotometisch. Die Produkte der Fettsäureumsetzung wurden daher mittels Normal-Phasen-HPLC durchgeführt (s. Beispiel 15). Die Umsetzung erfolgte nach dem im folgenden angegebenen Protokoll bei pH 6 und 8.With linoleic acid as the substrate, the lipoxygenase was tested for activity. In contrast to the substrate with its isolated double bonds, the hydro (pero) xides formed have an absorption maximum at 234 nm due to their conjugated diene system. Due to the high self-absorption of the cell lysate, this determination was not carried out spectrophotometically. The products of the fatty acid conversion were therefore carried out by means of normal phase HPLC (see Example 15). The reaction was carried out according to the protocol given below at pH 6 and 8.
Beispiel 13: Bestimmung des pH-OptimumsExample 13: Determination of the pH optimum
800 μl der Enzymlösung (s. Beispiel 11) wurden mit 1,2 ml pH-Puffer (100 mM Na- Phosphat, pH 5,5 bis 8; 100 mM TrisHCI, pH 8 bis 9,5) und 1 μl (250 μg) Linolsäure versetzt. Die Reaktion erfolgte für 30 min in einem offenen 15-ml-Gefäß bei Raumtemperatur (= 23CC RT). Die entstandenen Hydroperoxid-Derivate wurden durch Zugabe eines Krümels (« 2 mm3) Natriumborbydrid zu den entsprechenden Hydroxid- Derivaten der Fettsäuren reduziert. Nach 2 min wurde mit 100 μl Eisessig auf pH 3 angesäuert, um die Reduktion abzustoppen und die Hydroxide der Fettsäuren für die folgende Extraktion in die nicht-ionische Form zu überführen. Um die Produkte zu isolieren, erfolgte eine Extraktion mit Methanol und Chloroform [Bligh et al., Can J Biochem Physiol, 37:911-917, 1959]. Mit einem Verhältnis wässrige Phase/ Methanol/Chloroform von 1 :1:1 (v/v/v). Nach 10 min Zentrifugation bei 4000 x g zur Phasentrennung wurde die Chloroformphase in ein 1 ,5-ml-Gefäß überführt, im Stick- Stoffstrom vollständig eingedampft und dann in dem entsprechenden Laufmittel für die HPLC aufgenommen. Beispiel 14: Bestimmung der Substratspezifität800 μl of the enzyme solution (see Example 11) were mixed with 1.2 ml of pH buffer (100 mM Na phosphate, pH 5.5 to 8; 100 mM TrisHCI, pH 8 to 9.5) and 1 μl (250 μg ) Added linoleic acid. The reaction took place for 30 min in an open 15 ml vessel at room temperature (= 23 C C RT). The resulting hydroperoxide derivatives were reduced by adding a crumb (2 mm 3 ) sodium borohydride to the corresponding hydroxide derivatives of the fatty acids. After 2 min, the mixture was acidified to pH 3 with 100 μl of glacial acetic acid in order to stop the reduction and to convert the hydroxides of the fatty acids into the non-ionic form for the subsequent extraction. In order to isolate the products, extraction was carried out with methanol and chloroform [Bligh et al., Can J Biochem Physiol, 37: 911-917, 1959]. With an aqueous phase / methanol / chloroform ratio of 1: 1: 1 (v / v / v). After centrifugation at 4000 xg for 10 min to separate the phases, the chloroform phase was transferred to a 1.5 ml vessel, completely evaporated in a nitrogen stream and then taken up in the appropriate solvent for HPLC. Example 14: Determination of substrate specificity
Der Umsatz erfolgte wie oben beschrieben (Beispiel 13) bei pH 8,2 mit jeweils 250 μg Substrat. Die unterschiedlichen Substrate lagen in Ethanol gelöst in ungleicher Konzentration vor. Die daurch bedingten abweichenden Volumina Substrat wurden durch Zugabe reinen Ethanols ausgeglichen, um einen Einfluss des Ethanols auf die Aktivität des möglicherweise Membran-assoziierten Enzyms zu nivellieren.The conversion took place as described above (Example 13) at pH 8.2 with 250 μg substrate in each case. The different substrates were dissolved in ethanol in an uneven concentration. The resulting deviating volumes of substrate were compensated for by adding pure ethanol in order to level out an influence of the ethanol on the activity of the possibly membrane-associated enzyme.
Beispiel 15: Normal-Phasen-HPLCExample 15: Normal phase HPLC
Die gebildeten Positionsisomere wurden mit Geräten der AGILENT SERIES IIOO (Hewlett- Packard, Waldbronn) unter Benutzung von Normal-Phasen-Säulen (50 x 4,6 mm, 3 μm LUNA SILICA (2), Phenomenex, Aschaffenburg, oder 150 x 2,1 mm, 5 μm, ZORBAX RX- SIL, Hewlett Packard, Waldbronn) und einem Dioden-Array Detektor analysiert. Bei Verwendung der LUNA SiucA-Säule wurde als Laufmittel ein Gemisch auf Hexan/iso- Propanol/TCA (99:1 :0,02, v/v/v, isokratischer Fluss 1 ml/min, 20 min) verwendet, wohingegen bei der ZORBAX RX-SIL-Säule ein Mischungsverhältnis von 98:2:0,02 (v/v/v, isokratischer Fluss 250 μl/min, 20 min) eingesetzt wurde. Da für die Untersuchung der Hydroxide der langkettigen Fettsäuren eine höhere Trennschärfe erforder- lieh war, wurde für die Untersuchung der Substratspezifität für alle Substrate als unpolares Laufmittel auf der ZORBAX RX-SIL Säule Hexan/iso-Propanol/TCA im Verhältnis 99:1 :0,02 (v/v/v, isokratischer Fluss 250 μml/min, 60 min) benutzt. Zur Identifizierung der gebildeten Hydroxyfettsäuren dienten Standards von Cayman Chemicals (USA). Nicht erwerbliche Hydroxid-Derivate wurden durch Vergleich mit Autooxidationsprodukten (Beispiel 17) sowie durch GC/MS (Beispiel 18) identifiziert. Die Datenaufnahme und -auswertung erfolgte mit der Software CHEMSTATION FOR LC 3D [Rev. A.08.01 (783)] von Agilent Technologies, Waldbronn.The position isomers formed were analyzed with devices from AGILENT SERIES IIOO (Hewlett-Packard, Waldbronn) using normal phase columns (50 x 4.6 mm, 3 μm LUNA SILICA (2), Phenomenex, Aschaffenburg, or 150 x 2, 1 mm, 5 μm, ZORBAX RX-SIL, Hewlett Packard, Waldbronn) and a diode array detector were analyzed. When using the LUNA SiucA column, a mixture of hexane / isopropanol / TCA (99: 1: 0.02, v / v / v, isocratic flow 1 ml / min, 20 min) was used as the eluent, whereas the ZORBAX RX-SIL column a mixing ratio of 98: 2: 0.02 (v / v / v, isocratic flow 250 μl / min, 20 min) was used. Since a higher selectivity was required for the investigation of the hydroxides of the long-chain fatty acids, hexane / iso-propanol / TCA in a ratio of 99: 1: 0 was used on the ZORBAX RX-SIL column for the investigation of the substrate specificity for all substrates , 02 (v / v / v, isocratic flow 250 μml / min, 60 min). Standards from Cayman Chemicals (USA) were used to identify the hydroxy fatty acids formed. Inactive hydroxide derivatives were identified by comparison with autooxidation products (example 17) and by GC / MS (example 18). The data acquisition and evaluation was carried out with the software CHEMSTATION FOR LC 3 D [Rev. A.08.01 (783)] from Agilent Technologies, Waldbronn.
Beispiel 16: Chiral-Phasen-HPLCExample 16: Chiral-phase HPLC
Die per Normal-Phasen HPLC gereinigten Fettsäure-Hydroxide wurden unter Verwendung des oben beschriebenen Systems (Beispiel 15) ausgestattet mit einer Chiral- PhasenSäule (150 x 2,1 mm, 5 μm Daicel Chemical Industries Ltd. CHIRACEL OD-H, Merk, Darmstadt), auf deren Enantiomeren-Zusammensetzung untersucht. Für die Hydroxide der Linolsäure und α-Linolsäure wurde als Laufmittel Hexan/iso-Propanol/ TCA (95:5:0,2, v/v/v, isokratischer Fluss 100 μl/min, 20 min) verwendet und für die Hydroxid-Derivate der y-Linolensäure, Arachidonsäure, Eicosapentaensäure, Docosa- pentaensäure sowie Docosahexaensäure wurde das Laufmittel Hexan/iso-Propanol/ TCA im Verhältnis 98:2:0,02 (v/v/v, isokratischer Fluss 100 μl/min, 60 min). Die Daten- aufnähme und -auswertung erfolgte mit der Software CHE STATION FOR LC 3D [Rev. A.08.01 (783)] von Agilent Technologies Waldbronn.The fatty acid hydroxides purified by normal-phase HPLC were equipped with a chiral-phase column (150 × 2.1 mm, 5 μm Daicel Chemical Industries Ltd.CHIRACEL OD-H, Merk, Darmstadt) using the system described above (Example 15) ), examined for their enantiomer composition. Hexane / iso-propanol / TCA (95: 5: 0.2, v / v / v, isocratic flow 100 μl / min, 20 min) was used as the eluent for the hydroxides of linoleic acid and α-linoleic acid, and for the hydroxide Derivatives of y-linolenic acid, arachidonic acid, eicosapentaenoic acid, docosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid were used in the solvent 98: 2: 0.02 (v / v / v, isocratic flow 100 μl / min, 60 min ). The data- recording and evaluation was carried out with the software CHE STATION FOR LC 3 D [Rev. A.08.01 (783)] from Agilent Technologies Waldbronn.
Beispiel 17: Autooxidation von FettsäurenExample 17: Autooxidation of fatty acids
200 μg der Fettsäuren wurden in 100 μl Methanol aufgenommen, mit 800 μl eines 100 mM TrisHCI Puffers, pH 9,9 versetzt, eine Spatelspitze Eisen-(ll)-sulfat hinzugegeben und die Lösung für 1 h bei 80°C inkubiert. Alle 10 min wurde hierbei Luft in die Proben eingeblasen. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgte die Zugabe eines Krümels (« 2 mm3) Natriumborhydrid zur Reduktion der Hydroperoxide der200 μg of the fatty acids were taken up in 100 μl of methanol, 800 μl of a 100 mM TrisHCI buffer, pH 9.9, a spatula tip of iron (II) sulfate was added and the solution was incubated at 80 ° C. for 1 h. Air was blown into the samples every 10 minutes. After cooling to room temperature, a crumb (“2 mm 3 ) sodium borohydride was added to reduce the hydroperoxides
Fettsäuren zu den entsprechenden Hydroxid-Derivaten. Durch Ansäuerung mit 100 μl Eisessig auf pH 3 nach 2 min wird diese Reaktion gestoppt und die Hydroxide der Fettsäuren in die ungeladene Form überführt für die folgende Extraktion. Die Extraktion erfolgte zweimal mit 1 ml n-Heptan. Um die Phasen zu trennen, wurden die Proben zentrifugiert. Die beiden organischen Phasen wurden vereinigt, im Stickstoffstrom vollständig eingedampft und in dem entsprechenden HPLC-Laufmittel aufgenommen.Fatty acids to the corresponding hydroxide derivatives. This reaction is stopped by acidification with 100 μl glacial acetic acid to pH 3 after 2 min and the hydroxides of the fatty acids are converted into the uncharged form for the following extraction. The extraction was carried out twice with 1 ml of n-heptane. The samples were centrifuged to separate the phases. The two organic phases were combined, completely evaporated in a stream of nitrogen and taken up in the corresponding HPLC mobile phase.
Beispiel 18: Derivatisierung von Hydroxyfettsäuren und GC/MS AnalysenExample 18: Derivatization of hydroxy fatty acids and GC / MS analyzes
Für die GC/MS Analyse werden Hydroxyfettsäuren derivatisiert, um ihre Flüchtigkeit sowie thermische Stabilität zu erhöhen und um die Polarität zu senken [W.W. Christie, Lipids, 33(4):343-53, 1998]. Dadurch wird die gaschromatographische Trennung erhöht und die Detektierbarkeit verbessert. Die Derivatisierung von Hydroxyfettsäuren zu ihren Methylester-Trimethylsilylethern erlaubt die Identifizierung der Verbindung und die Bestimmung der Position der Hydroxy-Gruppe [Wollard et al., J Chromatogr, 306:1-21 , 1984].For the GC / MS analysis, hydroxy fatty acids are derivatized to increase their volatility and thermal stability and to reduce polarity [W.W. Christie, Lipids, 33 (4): 343-53, 1998]. This increases the gas chromatographic separation and improves the detectability. The derivatization of hydroxy fatty acids to their methyl ester trimethylsilyl ethers allows the compound to be identified and the position of the hydroxy group to be determined [Wollard et al., J Chromatogr, 306: 1-21, 1984].
Ein Viertel des Umsatzes der Ansätze für die Substratbestimmung (Beispiel 14) wurde mittels Normal-Phasen-HPLC gereinigt. Die spekulativen Hydroxide der Fettsäuren (Absorption bei 234 bis 237 nm) wurden aufgefangen, im Stickstoffstrom vollständig eingedampft und in 400 μl Methanol aufgenommen. Zur Methylierung wurden dazu 10 μl der EDAC-Stammlösung (100 mg/ml) gegeben und 2 h bei Raumtemperatur geschüttelt. Nach Zugabe von 200 μl 100 mM Tris HCI, pH 7,5 zur Phasenbildung wurde zweimal mit 1 ml n-Hexan ausgeschüttelt. Die Hexanphasen wurden nach Vereinigung im Stickstoffstrom verdampft. Nach Aufnahme des Methylierungs- produktes in 3 μl Acetonitril wurde 1 μl BSTFA-Regisil (1 %) zur Silylierung zugegeben und die GC/MS Analyse durchgeführt. Die GC/MS Analysen unter folgenden Analysebedingungen durchgeführt: GC: Agilent 6890 SerieA quarter of the turnover of the batches for the substrate determination (example 14) was purified by means of normal phase HPLC. The speculative hydroxides of the fatty acids (absorption at 234 to 237 nm) were collected, completely evaporated in a stream of nitrogen and taken up in 400 μl of methanol. For the methylation, 10 μl of the EDAC stock solution (100 mg / ml) were added and shaken at room temperature for 2 h. After adding 200 μl of 100 mM Tris HCl, pH 7.5 for phase formation, the mixture was shaken twice with 1 ml of n-hexane. After combining, the hexane phases were evaporated in a stream of nitrogen. After the methylation product had been taken up in 3 μl acetonitrile, 1 μl BSTFA-Regisil (1%) was added for the silylation and the GC / MS analysis was carried out. The GC / MS analyzes were carried out under the following analysis conditions: GC: Agilent 6890 series
Inj.-Volumen 4 μl (manuell)Inj. Volume 4 μl (manual)
Trägergas Helium, lineare Flussgeschwindigkeit 1 ,2 ml/minCarrier gas helium, linear flow rate 1, 2 ml / min
Trennsäule 30 m x 0,25 mm HP-5MS (Crosslinked 5 % PH ME Siloxane); 0,25 μm Filmdicke; Temperaturprogramm: 60°C (Inj.-Tempera- tur) → 25°C/min → 300°C (1 min) → 10°C/min → 270°C (10 min) MS Aligent 5973 Network lonisierungsenergie 70 eV Scangeschwindigkeit 1 scan/sSeparation column 30 mx 0.25 mm HP-5MS (Crosslinked 5% PH ME Siloxane); 0.25 µm film thickness; Temperature program: 60 ° C (injection temperature) → 25 ° C / min → 300 ° C (1 min) → 10 ° C / min → 270 ° C (10 min) MS Aligent 5973 Network ionization energy 70 eV Scanning speed 1 scan / s
Die Datenaufnahme und -auswertung erfolgte mit der Software ENHANCED CHEMSTATION G1701CA Version C.00.00 von Aligent Technologies, Waldbronn.The data acquisition and evaluation was carried out with the software ENHANCED CHEMSTATION G1701CA version C.00.00 from Aligent Technologies, Waldbronn.
Beispiel 19: Reinigung von Pt-LipoxygenaseExample 19: Purification of Pt lipoxygenase
Zur Reinigung der Proteine wurden die Zellen wie unter Beispiel 11 beschrieben aufgeschlossen, die Zelltrümmer abzentrifugiert und der Überstand über Nacht bei 4°C mit „TALON® Metal Affinity Resin" inkubiert. Die Bindungskapazität beträgt laut Her- steller 5 mg/ml Bettvolumen. Für den Proteinüberstand, der aus 500 ml Zellkultur gewonnen wurde, sind 250 bis 500 μl TALON® eingesetzt worden. Anschließend wurde das Säulenmaterial auf eine Leersäule (T.J. Baker, Phillipsburg, N.J., USA) gegeben. Zunächst wurde mit dem zwanzigfachen Säulenvolumen Na-Phosphat-Puffer (50 mM, 300 mM NaCI, pH 8,0) gewaschen. Um die optimalen Reinigungsbedingungen festzustellen, wurde mit jeweils einfachen Bettvolumen von Na-Phosphat-PufferTo purify the proteins, the cells were disrupted as described in Example 11, the cell debris centrifuged off and the supernatant incubated overnight at 4 ° C. with "TALON® Metal Affinity Resin". According to the manufacturer, the binding capacity is 5 mg / ml bed volume the protein supernatant, which was obtained from 500 ml of cell culture, was used in 250 to 500 μl of TALON®, and the column material was then placed on an empty column (TJ Baker, Phillipsburg, NJ, USA). Buffer (50 mM, 300 mM NaCl, pH 8.0) was washed in. In order to determine the optimal cleaning conditions, simple bed volumes of Na phosphate buffer were used
(50 mM, 150 mM NaCI, pH 8,0) mit steigender Imidazolkonzentration (10 mM, 25 mM, 50 mM, 75 mM, 100 mM, 125 mM, 150 mM, 200 mM, 250 mM und 300 mM Imidazol) eluiert. Jeder Elutionssohritt wurde vollständig aufgefangen, mit 10 % Glycerin versetzt und bei -80°C eingefroren. Nach der Proteinbestimmung [M.M. Bradford, Anal Bio- chem, 72:248-54, 1976] wurden jeweils 4 μg Protein auf ein SDS-Proteingel aufgetragen sowie ein Western-Blot durchgeführt, um festzustellen, in welcher(en) Fraktion(en) sich das gereinigte Protein befand.(50 mM, 150 mM NaCl, pH 8.0) with increasing imidazole concentration (10 mM, 25 mM, 50 mM, 75 mM, 100 mM, 125 mM, 150 mM, 200 mM, 250 mM and 300 mM imidazole). Each elution step was completely collected, 10% glycerol was added and the mixture was frozen at -80 ° C. After protein determination [M.M. Bradford, Anal Biochem, 72: 248-54, 1976], 4 μg protein were applied in each case to an SDS protein gel and a Western blot was carried out to determine which fraction (s) the purified protein was in ,
Die Elution unter optimierten Bedingungen erfolgt mit dreimal mit einfachem Bett- volumen Na-Phosphat-Puffer (50 mM, 150 mM NaCI, pH 0,8) mit 125 mM Imidazol. Anschließende Elution mit 300 sowie 500 mM Imidazol wurde durchgeführt, um sicherzustellen, dass von dem zu reinigenden Protein tatsächlich nichts am TALON® verbleibt. Untersucht wurde dies wieder mittels SDS-PAGE und Western-Blot. Beispiel 20: Proteinbestimmung [M.M. Bradford, Anal Biochem, 72:248-54, 1976]Elution under optimized conditions is carried out with three times with a single bed volume of Na phosphate buffer (50 mM, 150 mM NaCl, pH 0.8) with 125 mM imidazole. Subsequent elution with 300 and 500 mM imidazole was carried out to ensure that nothing of the protein to be purified actually remains on the TALON®. This was examined again using SDS-PAGE and Western blot. Example 20: Protein Determination [MM Bradford, Anal Biochem, 72: 248-54, 1976]
Die Proteinbestimmung erfolgte mit „BIO-RAD Protein Assay) der Firma Bio-Rad (Hercules, USA) gemäß Herstellerangaben unter Benutzung einer BSA Eichgerade.The protein was determined using the “Bio-Rad protein assay” from Bio-Rad (Hercules, USA) according to the manufacturer's instructions using a BSA calibration line.
Beispiel 21 : SDS.Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE [U.K. Laemmli, Nature, 227(259):680-5, 1970], modifizierte Methode)Example 21: SDS.polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE [U.K. Laemmli, Nature, 227 (259): 680-5, 1970], modified method)
Für die SDS-PAGE wurde eine Minigelapparatur von Bio-Rad, Hercules, USA, verwendet. Die Proteinproben wurden direkt mit Probenpuffer versetzt oder mit TCA (Trichloressigsäure) gefällt. Dazu wurde 1 ml Probe mit 250 μl 30 %iger TCA für 30 min auf Eis inkubiert, anschließend 10 min bei 14000 x g zentrifugiert und das erhaltene Präzipitat nochmals mit Wasser gewaschen. Nach der Zentrifugation und der Abnahme des wässrigen Überstandes wurde das Präzipitat getrocknet und in „Roti®-Load 1" Probenpuffer gelöst. Vor dem Auftragen wurden die Proben 3 min bei 15000 x g zentrifugiert. Alternativ wurde das Präzipitat bei sehr geringen Mengen Protein (= 4 μg) nach der TCA-Fällung direkt in „Roti®-Load 1" Probenpuffer aufgenommen und solange 1 N NaOH zugegeben, bis die gelbe Färbung nach blau umschlug. Die Auftrennung der Proben erfolgte elektrophoretisch in einem 8 %igen Polyacrylamidgel (Trenngel: 2,15 ml Wasser, 1 ,2 ml Acrylamid/Methylbisacrylamid (30 % / 0,8 %), 1 ,1 ml 4 x Trenngelpuffer, 14 μl APS (50 %), 3,5 μl TEMED; Sammelgel: 0,87 ml Wasser, 0,24 ml Acrylamid/Methylbisacrylamid (30 % / 0,8 %), 0,375 ml 4 x Sammeigelpuffer, 6 μl APS, 3 μl (50 %)). Der Probeneinlauf in das Sammelgel erfolgte für 25 min bei 12,5 mA pro Gel. Die Auftrennung der Proteine im Trenngel wurde bei einer Stromstärke von 25 mA pro Gel für 40 min durchgeführt, bzw. bis die Bromphenolblaufront das Gelende erreicht hatte. Die aufgetrennten Proteine wurden im Gel angefärbt.A mini gel apparatus from Bio-Rad, Hercules, USA, was used for the SDS-PAGE. The protein samples were mixed directly with sample buffer or precipitated with TCA (trichloroacetic acid). For this purpose, 1 ml of sample was incubated with 250 μl of 30% TCA for 30 min on ice, then centrifuged for 10 min at 14,000 × g and the precipitate obtained was washed again with water. After centrifugation and the removal of the aqueous supernatant, the precipitate was dried and dissolved in "Roti®-Load 1" sample buffer. Before application, the samples were centrifuged at 15000 xg for 3 min. Alternatively, the precipitate was mixed with very small amounts of protein (= 4 μg) after TCA precipitation directly in "Roti®-Load 1" sample buffer and 1 N NaOH added until the yellow color changed to blue. The samples were separated electrophoretically in an 8% polyacrylamide gel (separating gel: 2.15 ml water, 1, 2 ml acrylamide / methylbisacrylamide (30% / 0.8%), 1, 1 ml 4 x separating gel buffer, 14 μl APS ( 50%), 3.5 μl TEMED; stacking gel: 0.87 ml water, 0.24 ml acrylamide / methylbisacrylamide (30% / 0.8%), 0.375 ml 4 x collecting gel buffer, 6 μl APS, 3 μl (50% )). The sample was run into the collection gel for 25 min at 12.5 mA per gel. The separation of the proteins in the separating gel was carried out at a current of 25 mA per gel for 40 min or until the bromophenol blue front had reached the end. The separated proteins were stained in the gel.
Beispiel 22: Coomasie-Färbung von ProteingelenExample 22: Coomasia staining of protein gels
Die Färbung von Proteinen in SDS-Polyacrylamidgelen wurde nach Herstellerangaben mit dem GELCODE® Blue Stain Reagent der Firma Pierce (Rockford, IL, USA) angefärbt. Beispiel 23: Silberfärbung von Proteingelen [Blum et al.; Electrophoresis, 8:93-99, 1987]The staining of proteins in SDS polyacrylamide gels was stained according to the manufacturer's instructions with the GELCODE® Blue Stain Reagent from Pierce (Rockford, IL, USA). Example 23: Silver staining of protein gels [Blum et al .; Electrophoresis, 8: 93-99, 1987]
Zur Silberfärbung wurde das Gel dreimal 30 min mit Ethanol/Essigsäure/Wasser (30:5:65, v/v/v) [Für alle Puffer und Waschschritte bis/inkl. der Entwicklung wurde 18 MΩ-Wasser verwendet.] fixiert und anschließend dreimal 10 min mit Wasser gewaschen. Sensibilisierung erfolgte durch Inkubation mit 0,02 %iger Na-Thiosulfat- Lösung (frisch hergestellt) für 1 min, woraufhin zweimal 1 min mit Wasser gewaschen wurde. Nach Imprägnierung mit Silbernitratlösung (0,025 % Formaldehyd, 0,0125 % AgNO3), für 30 min wurde darauf geachtet, höchstens 15 sek (5 bis 15 sek) mit Wasser zu waschen. Die Inkubation mit Entwicklerlösung (3 % Kaliumcarbonat, 0,01 % Formaldehyd, 0,001 % Na-Thiosulfat) erfolgte solange, bis das Proteingel hinreichend gefärbt war (1 bis 10 min). Abgestoppt wurde durch mehrmaliges Spülen mit 1 %iger Essigsäure, woraufhin einmal mit dest. Wasser gewaschen wurde.For silver staining, the gel was washed three times for 30 min with ethanol / acetic acid / water (30: 5: 65, v / v / v) [for all buffers and washing steps up to / incl. 18 MΩ water was used in the development.] and then washed three times with water for 10 min. Sensitization was carried out by incubation with 0.02% Na thiosulfate solution (freshly prepared) for 1 min, after which it was washed twice with water for 1 min. After impregnation with silver nitrate solution (0.025% formaldehyde, 0.0125% AgNO 3 ) for 30 minutes, care was taken to wash with water for a maximum of 15 seconds (5 to 15 seconds). Incubation with developer solution (3% potassium carbonate, 0.01% formaldehyde, 0.001% Na thiosulfate) continued until the protein gel was sufficiently colored (1 to 10 min). Was stopped by repeated rinsing with 1% acetic acid, whereupon once with dist. Water was washed.
Beispiel 24: Western BlotExample 24: Western blot
Nach der elektrophoretischen Auftrennung in einem 8 %igen Proteingel [U.K. Laemmli, Nature, 227(259):680-5, 1970] wurden die Proteine unter Verwendung von Transfer- puffern auf eine Nitrocellulosemembran übertragen (Minigelapparatur von Bio-Rad, Hercules, USA; 75 min mit 65 V). Die Membran wurde 4 h bei Raumtemperatur mit 1 %iger Ovalbuminlösung (PBST) blockiert und anschließend mit PBST kurz gewaschen. Der primäre Antikörper (anti-CsIb-üpoxygenase (1:1000) und anti-his (1 :2500)) wurde mit PBST (1 % BSA) verdünnt und 1 h mit der Membran inkubiert. Im Anschluss wurde die Membran dreimal 10 min in PBST gewaschen. Für den kolorimetrischen Nachweis wurde das entsprechende ALP Konjugat in der Verdünnung 1 :5000, 1 h mit der Membran inkubiert, zweimal 5 min in PBST gewaschen, einmal 5 min mit PBS und einmal 10 min in AP-Puffer. NBT/BCIP wurde entsprechend der Herstellerangabe in AP-Puffer verdünnt eingesetzt.After electrophoretic separation in an 8% protein gel [U.K. Laemmli, Nature, 227 (259): 680-5, 1970] the proteins were transferred onto a nitrocellulose membrane using transfer buffers (mini-gel apparatus from Bio-Rad, Hercules, USA; 75 min at 65 V). The membrane was blocked for 4 h at room temperature with 1% ovalbumin solution (PBST) and then briefly washed with PBST. The primary antibody (anti-CsIb-epoxygenase (1: 1000) and anti-his (1: 2500)) was diluted with PBST (1% BSA) and incubated for 1 h with the membrane. The membrane was then washed three times in PBST for 10 min. For the colorimetric detection, the corresponding ALP conjugate was diluted 1: 5000, incubated with the membrane for 1 h, washed twice in PBST for 5 min, once with PBS for 5 min and once in AP buffer for 10 min. NBT / BCIP was used diluted in AP buffer according to the manufacturer's instructions.
Beispiel 25: Isolierung der Phaeodactylum tricornutum LipoxygenaseExample 25: Isolation of Phaeodactylum tricornutum Lipoxygenase
Isolierung der Sequenz einer mutmaßlichen Lipoxygenase aus der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum per 5'-RACE. SEQ ID NO: 5 gibt die Consensussequenz aller 5'-RACE-Fragmente wieder. Die isolierte RNA der Kieselalge P. tricornutum lag in Form einer „Lambda Zap II Express"-cDNA-Bank vor, in die sie gerichtet kloniert wurde. Der zugrunde liegende Vektor war pBK-CVM. Die vollständige Sequenz wurde anschließend in einen bakteriellen Expressionsvektor kloniert. Die folgende biochemische Charakterisierung des rekombinanten aktiven Enzyms umfasste die Bestimmung des pH-Optimums und der Substratspezifität. Da viele der gebildeten Hydroxyfettsäuren nicht als Standardsubstanzen zugänglich waren, wurden sie als kombinierte Methylester- und Trimethylsilylether-Derivate mittels GC/MS-Analyse charakterisiert. Außerdem wurde eine Reinigung für das rekombinante Enzym begonnen.Isolation of the sequence of a putative lipoxygenase from the diatom Phaeodactylum tricornutum by 5'-RACE. SEQ ID NO: 5 shows the consensus sequence of all 5 'RACE fragments. The isolated RNA of the diatom P. tricornutum was in the form of a “Lambda Zap II Express” cDNA library, into which it was cloned in a directional manner. The underlying vector was pBK-CVM. The complete sequence was then cloned into a bacterial expression vector The following biochemical characterization of the recombinant active enzyme included the determination of the pH optimum and the substrate specificity Hydroxy fatty acids were not available as standard substances, they were characterized as combined methyl ester and trimethylsilyl ether derivatives by means of GC / MS analysis. Purification for the recombinant enzyme was also started.
Beispiel 26: KlonierungExample 26: Cloning
Es wurde eine cDNA-Bank aus der Kieselalge P. tricornutum erstellt. Weiterhin wurde eine in vivo Exzission durchgeführt, die Plasmide wiedergewonnen und in E. coli DH1 OB transformiert. Anschließend wurde automatisiert Plasmid DNA gewonnen und eine Zufallssequenzierung durch die Kettenabbruch-Methode durchgeführt. Es wurden 8400 Klone am 5'-Ende sequenziert, zu 3400 nicht-redundanten Sequenzen (Contig's) zusammengefügt und diese annotiert. Durch anschließende Analyse der so entstandenen Datenbank wurden zwei Klone über ihre 5'-Sequenz identifiziert, die Homologien zu pflanzlichen Lipoxygenasen zeigten. Eine davon war die in dieser Arbeit beschriebene Lipoxygenase aus P. tricornutum (LOX2:R:1 (PtLOXI). Klon Pt001077095r) zeigte auf DNA-Ebene im sequenzierten Bereich von 800 bp des 5'- Endes mit 42 % die größte Homologie zur Lipoxygenase- 1 aus Pisum sativum. Zur Verifizierung dieses Befundes wurde dann das 3'-Ende dieses cDNA-Klones sequen- ziert (Figur 4, grauer Bereich). Im Bereich von 170 bp oberhalb des 3'-Endes betrug die Homologie 55 % zur selben Lipoxygenase aus Pisum sativum. Gleichzeitig zeigte dieser Sequenzvergleich, dass mutmaßlich rund 500 bp vom offenen Leserahmen (ORF) am 5'-Ende fehlten.A cDNA library was created from the P. tricornutum diatom. Furthermore, an in vivo excision was carried out, the plasmids were recovered and transformed into E. coli DH1 OB. Then plasmid DNA was obtained automatically and random sequencing was carried out using the chain termination method. 8400 clones were sequenced at the 5 'end, combined into 3400 non-redundant sequences (Contig's) and annotated. Subsequent analysis of the database created in this way identified two clones via their 5 'sequence which showed homologies to plant lipoxygenases. One of them was the lipoxygenase from P. tricornutum (LOX2: R: 1 (PtLOXI) described in this work. Clone Pt001077095r) showed the greatest homology to lipoxygenase with 42% at the DNA level in the sequenced region of 800 bp of the 5 'end - 1 from Pisum sativum. The 3 'end of this cDNA clone was then sequenced to verify this finding (FIG. 4, gray area). In the range of 170 bp above the 3 'end, the homology was 55% to the same lipoxygenase from Pisum sativum. At the same time, this sequence comparison showed that presumably around 500 bp of the open reading frame (ORF) was missing at the 5 'end.
Beispiel 27: Sequenzverlängerung durch 5'-RACEExample 27: Sequence extension by 5'-RACE
Ausgehend von der bekannten Sequenz wurde im 5'-Bereich der genspezifische Primer Pt-LOX2_5RACE(1 ) (5'-GAG CCC CTG.TCT TCT CGG TAT TG) abgeleitet. Durch 5'-RACE mit diesem genspezifischen und dem vektorspezifischen Primer 3 (5'-GCT CGA AAT TAA CCC TCA CTA AAG GG) wurden die in Figur 4 dargestellten Fragmente verschiedener Länge erhalten, welche die bekannte Sequenz um rund 650 bp in 5'-Richtung verlängerten. Die dunkelgrau hervorgehobenen Sequenzen von Klon Pt001077095r ergaben sich aus der Zufallssequenzierung von 8400 Klonen einer cDNA-Bank der Kieselalge P. tricornutum. Mittels 5'-RACE wurden die hellgrau hervorgehobenen Sequenzen gewonnen. Die Pfeile kennzeichnen die oben erwähnten Primer. Die obere Kurve zeigt die Güte der Sequenzinformation an, die über die Anzahl und das Maß der Übereinstimmung der Sequenzen definiert ist. Eine weitere Sequenzverlängerung mit dem Primer PtLOX2_5RACE(2) (5'-CAA TAT CGA TCA AAC CTC GCT AC), der 677 bp aufwärts vom ersten 5'-RACE-Primer bindet, konnte nicht erreicht werden. Aufgrund von Sequenzvergleichen mit pflanzlichen Lipoxygenasen wurde jedoch angenommen, dass die erhaltene Sequenzinformation dennoch ausreichen würde, um Primer abzuleiten, mit der die vollständige DNA-Sequenz der PtLOXI aus der zugrundeliegenden Phagen-Bank amplifiziert und kloniert werden kann. Da dies jedoch nicht gelang, wurde die vollständige Sequenz aus zwei überlappenden Fragmenten zusammengesetzt. Als Voraussetzung für die Entwicklung der Klonierungsstrategie wurde jener cDNA-Klon, der mittels der Zufallssequenzierung identifiziert worden war (Pt001077095r), zunächst vollständig sequenziert.The gene-specific primer Pt-LOX2_5RACE (1) (5'-GAG CCC CTG.TCT TCT CGG TAT TG) was derived from the known sequence in the 5 'region. 5'-RACE with this gene-specific and vector-specific primer 3 (5'-GCT CGA AAT TAA CCC TCA CTA AAG GG) gave the fragments of different lengths shown in FIG. 4, which extend the known sequence by around 650 bp in 5'- Extended direction. The dark gray highlighted sequences of clone Pt001077095r resulted from the random sequencing of 8400 clones from a cDNA bank of the diatom P. tricornutum. The sequences highlighted in light gray were obtained using 5'-RACE. The arrows indicate the primers mentioned above. The upper curve shows the quality of the sequence information, which is defined by the number and the extent to which the sequences match. A further sequence extension with the primer PtLOX2_5RACE (2) (5'-CAA TAT CGA TCA AAC CTC GCT AC), which binds 677 bp upwards from the first 5'-RACE primer, could not be achieved. Based on sequence comparisons with plant lipoxygenases However, it was assumed that the sequence information obtained would nevertheless be sufficient to derive primers with which the complete DNA sequence of the PtLOXI from the underlying phage library can be amplified and cloned. However, since this did not succeed, the complete sequence was composed of two overlapping fragments. As a prerequisite for the development of the cloning strategy, the cDNA clone that had been identified by means of random sequencing (Pt001077095r) was first completely sequenced.
Beispiel 28: Gewinnung der vollständigen cDNA-SequenzExample 28: Obtaining the complete cDNA sequence
Ein Bereich von 1336 bp (Fragment 1), der das 5'-Ende der PtLOX Sequenz darstellt, wurde mittels der Primer A (5'-GGJ_ACC ATG ATG CTC AAC CGG TTG AC) und B (5'-AAA TTC CCG AGC AAA CTC GT) aus der cDNA-Bank von P. tricornutum amplifiziert (vergl. Figur 4). Mit Primer A, der das Startcodon ATG enthält, wurde Restriktionsschnittstelle für Kpnl eingeführt. Das zweite Fragment des Gens lag im Vektor pBK-CMV in Form des Klones vor, mit dem die beiden EST's erhalten wurden. Im überlappenden Bereich von 787 bp der beiden Fragmente befindet sich die in der Sequenz unikal schneidende Restriktionsschnittstelle für Sal I. Um die Restriktionsschnittstelle für Hind III am 3'-Ende des zweiten Fragments mit dem Primer C ein- zuführen, wurde dieses Fragment mit dem Primer M13-rev (5'-GGA AAC AGC TAT GAC CAT G) und dem Primer C (5'-CCC AAG CTT CTA TAT GGT GAT GCT GTT GGG CAC) mittels PCR amplifiziert. Beide Fragmente wurden zunächst in den Vektor pGEM-T kloniert und anschließend über unikale sowie mittels PCT eingeführte Restriktionsschnittstellen in pQE30 zur vollständigen Gensequenz zusammengesetzt. Über die Restriktionsschnittstellen für Sal I und Hind III wurde das Fragment 2 mit dem Expressionsvektor pQE30 ligiert. Nach dem entsprechenden Restriktionsverdau wurde dieses Konstrukt unter Benutzung der Restriktionsschnittstellen für Kpn I sowie Sal I mit Fragment ! ligiert. Um das Risiko der Einführung einer Mutation möglichst gering zu halten, waren jeweils zwei bzw. drei Bakterienkolonien für die Klonierungs- experimente verwendet worden, die das Fragment 1 bzw. 2 enthielten. Nachdem alle getesteten der Klone aktiv waren (Beispiel 30), wurde der Klon mit der Nummer ([52-1]+43)-1-1 als PtLOXI bezeichnet und alle weiteren Tests mit diesem Klon durchgeführt.A 1336 bp region (fragment 1) representing the 5 'end of the PtLOX sequence was primed using A (5'-GGJ_ACC ATG ATG CTC AAC CGG TTG AC) and B (5'-AAA TTC CCG AGC AAA CTC GT) amplified from the P. tricornutum cDNA library (see FIG. 4). With primer A, which contains the start codon ATG, a restriction site for Kpnl was introduced. The second fragment of the gene was present in the vector pBK-CMV in the form of the clone with which the two ESTs were obtained. In the overlapping region of 787 bp of the two fragments is the restriction site for Sal I that cuts uniquely in the sequence. To insert the restriction site for Hind III at the 3 'end of the second fragment with primer C, this fragment was primed M13-rev (5'-GGA AAC AGC TAT GAC CAT G) and the primer C (5'-CCC AAG CTT CTA TAT GGT GAT GCT GTT GGG CAC) were amplified by PCR. Both fragments were first cloned into the vector pGEM-T and then assembled into unique gene sequences via unique restriction sites introduced by means of PCT in pQE30. Fragment 2 was ligated to the expression vector pQE30 via the restriction sites for Sal I and Hind III. After the corresponding restriction digest, this construct was used using the restriction sites for Kpn I and Sal I with fragment! ligated. In order to keep the risk of introducing a mutation as low as possible, two or three bacterial colonies were used for the cloning experiments, which contained fragment 1 and 2, respectively. After all of the clones tested were active (Example 30), the clone with the number ([52-1] +43) -1-1 was designated PtLOXI and all further tests were carried out with this clone.
Beispiel 29: Sequenzanalyse der PtLOXIExample 29: Sequence analysis of PtLOXI
Die vollständige cDNA-Klon wurde dann sequenziert, wobei sich die bekannte Sequenz (Übersicht in Figur 4) bestätigte. Mithilfe des BLASτX2-Algorithmus wurde für die vollständige PtLOXI -Sequenz mit 43 % die höchste Homologie zur AtLOX3 gefunden, einer 13-LOX vom Typ 2, aus Arabidopsis thaliana. Dieses Ergebnis wurde durch den im Rahmen dieser Arbeit erstellten phylogenetischen Stammbau bestätigt. Der ORF von PtLOXI besteht aus 938 Aminosäuren und hat ein berechnetes Molekulargewicht von 105 kDa. Dabei wurden mögliche Glykosilierungen im Herkunftsorganismus P. tricornutum nicht berücksichtigt. Der berechnete isoelektrische Punkt liegt bei pH 6,69. Ungewöhnlich ist der Anfang der Proteinsequenz mit zwei Methioni- nen. Das erste Methionin wird als Start-Codon der Translation angesehen und wurde für die Klonierung verwendet. Die cDNA ist in 5'-Richtung 66 bp länger als der für die Klonierung verwendete Sequenzbereich. Da sich kein Start-Methionin in dieser Region befindet, wurde sie als untranslatierter Bereich am 5'-Ende angesehen. Mit der voll- ständigen Sequenz von PtLOXI wurde eine Analyse mit dem Programm PSORT auf HUSAR bezüglich möglicher Signalsequenzen durchgeführt. Da diese Datenbank keine chloroplastidären Signalsequenzen berücksichtigt, wurde nur eine 50 %ige Wahrscheinlichkeit für eine plastidäre Lokalisation gefunden. Der Sequenzvergleich der PtLOXI mit anderen bekannten Lipoxygenase-Sequenzen hatte jedoch ergeben, dass die PtLOXI zur Gruppe der 13-Lipoxygenasen vom Typ 2 gehört, für die eine chloroplastidäre Signalsequenz charakteristisch ist. Anhand des phylogenetischen Stammbaum wird jedoch ersichtlich, dass dies Zuordnung mit einem hohen Unsicher- heitsfaktor belastet ist, da PtLOXI dort ungefähr die gleiche Entfernung zu 13- und 9-Sipoxygenasen vom Typ 2 aufweist. Zudem sind einige Lipoxygenasen in diese Stammbaum falsch eingeordnet, da es sich z.B. bei LOX1 :Cs:1 , LOX1 :Cs:3 undThe complete cDNA clone was then sequenced, the known sequence (overview in FIG. 4) being confirmed. With the help of the BLASτX2 algorithm, the highest homology to AtLOX3, a 13-LOX of type 2, from Arabidopsis thaliana was found for the complete PtLOXI sequence with 43%. This result was confirmed by the phylogenetic parent structure created as part of this work. PtLOXI's ORF consists of 938 amino acids and has a calculated molecular weight of 105 kDa. Possible glycosylations in the original organism P. tricornutum were not taken into account. The calculated isoelectric point is pH 6.69. The beginning of the protein sequence with two methionines is unusual. The first methionine is considered the translation start codon and was used for cloning. The cDNA is 66 bp longer in the 5 'direction than the sequence region used for the cloning. Since there is no starting methionine in this region, it was considered an untranslated region at the 5 'end. With the complete sequence of PtLOXI an analysis with the program PSORT on HUSAR was carried out regarding possible signal sequences. As this database does not take into account chloroplastic signal sequences, only a 50% probability of plastid localization was found. However, the sequence comparison of the PtLOXI with other known lipoxygenase sequences had shown that the PtLOXI belongs to the group of 13-lipoxygenases of type 2, for which a chloroplastic signal sequence is characteristic. However, it can be seen from the phylogenetic family tree that this assignment is burdened with a high degree of uncertainty, since PtLOXI is approximately the same distance to 13- and 9-sipoxygenases of type 2 there. In addition, some lipoxygenases are misclassified in this family tree, as for example LOX1: Cs: 1, LOX1: Cs: 3 and
LOX1 :Hv:3 und 13-üpoxygenasen handelt und nicht um 9-Lipoxygenasen. Trotzdem kann für die RLOX1 eine plastidäre Lokalisation diskutiert werden. Aufgrund geringerer Sicherheitsmodi wurde eine Analyse mit anderen Datenbanken nicht durchgeführt.LOX1: Hv: 3 and 13-epoxygenases and not 9-lipoxygenases. Nevertheless, plastid localization can be discussed for the RLOX1. Due to lower security modes, an analysis with other databases was not carried out.
Im Vergleich mit anderen pflanzlichen Lipoxygenasen zeigt PtLOXI einige interessante Unterschiede auf der Ebene der Proteinsequenz. So sind im aktiven Zentrum von Lipoxygenasen drei Determinanten bestimmt worden, die Einfluss auf die Substrat- und Positionsspezifität haben, wobei. die BORNGRÄBER- und SLOANE-Determinante hervorzuheben sind (zusammengefasst in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley,-VCH, Einheim, 2000]). So wurde am Boden der Bindungstasche bei allen pflanzlichen Lipoxygenasen ein höchst konserviertes Arginin identifiziert, das bei der Umwandlung der Lipidkörper 12-Lipoxygenasen aus Gurke in eine 9-Lipoxygenase eine kritische Rolle spielt (R758 der CsIbLOX [Hornung et al., Proc NatI Acad Sei USA, 96(7):4192-4197, 1999]. Dieses Arginin tritt unabhängig von der Substrat- und Positionsspezifität auf und ihm geht in über 90 % der Fälle ein Aparagin voran. Als einzige Ausnahme decken sich in PtLOXI zwei Histidin mit diesem Asparagin-Arginin- Tandem. Konserviert ist hingegen die Aminosäure, die sich im Sequenzvergleich mit der SLOANE-Determinante [Sloane et al., Nature, 354:149-152, 1991] deckt. An dieser Stelle befindet sich in 9-Lipoxygenasen eine kleine Aminosäure wie Valin und in 13-üpoxygenasen eine große wie Phenylalanin. Eine Ausnahme bilden die oben erwähnten LOX1:Cs:1 und LOX1:Cs:3 (H statt F) sowie LOX1:Hv:3 (V statt F). Diese Diskrepanz mag ihre Ursache darin haben, dass in diesem Fällen kein „klassischen" 13-Lipoxygenasen vorliegen [Feussner et al., Annu. Rev, Plant. Biol., 53:275-297, 2002]. In PtLOXI liegt jedoch die voluminöse Aminosäure Phenylalanin vor, wie für eine 13-Lipoxygenase erwartet. An der Position im Sequenzvergleich, die sich mit der BoRNGRÄBER-Determinante deckt, ist es schwieriger, konservierte Unterschiede zwischen 13- und 9-Lipoxygenasen zu finden. Meist findet man eine Kombination aus hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren, die von der kleinen Aminosäure Glycin oder der hydrophoben Aminosäure Cystein getrennt werden (z.B. S515,G516,V517 in LOX1 :Nt:1 ). Bezüglich der Kombination von hydrophober-/hydrophiler Aminosäure finden sich konservierte Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen. PtLOXI unterscheidet sich dahingehend von allen anderen Lipoxygenasen, dass bei ihr zwei hydrophobe Aminosäuren von der hydrophilen Aminosäure Threonin getrennt werden. Der C-Terminus ist wie bei allen anderen Lipoxygenasen hoch konserviert, mit dem kleinen Unterschied, dass sich an vorletzter Position Threonin anstatt Sein befindet, wie bei allen anderen Lipoxygenasen.Compared to other plant lipoxygenases, PtLOXI shows some interesting differences at the level of the protein sequence. In the active center of lipoxygenases, three determinants have been determined that have an influence on the substrate and position specificity, whereby. the BORNGRÄBER and SLOANE determinants are to be emphasized (summarized in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley, -VCH, Einheim, 2000]). A highly conserved arginine was identified at the bottom of the binding pocket in all plant lipoxygenases, which plays a critical role in the conversion of the lipid body 12-lipoxygenases from cucumber into a 9-lipoxygenase (R758 of the CsIbLOX [Hornung et al., Proc NatI Acad Sei USA, 96 (7): 4192-4197, 1999]. This arginine occurs regardless of the substrate and position specificity and precedes an aparagin in more than 90% of the cases, with the exception of two histidine in PtLOXI which coincide with this asparagine The amino acid, on the other hand, is conserved in the sequence comparison with the SLOANE determinant [Sloane et al., Nature, 354: 149-152, 1991]. At this point there is a small amino acid in 9-lipoxygenases like valine and a large one like phenylalanine in 13-epoxygenases, with the exception of the ones above mentioned LOX1: Cs: 1 and LOX1: Cs: 3 (H instead of F) and LOX1: Hv: 3 (V instead of F). This discrepancy may be due to the fact that in these cases no "classic" 13-lipoxygenases are present [Feussner et al., Annu. Rev, Plant. Biol., 53: 275-297, 2002]. However, the voluminous one lies in PtLOXI Amino acid phenylalanine, as expected for a 13-lipoxygenase At the position in the sequence comparison that coincides with the BoRNGRÄBER determinant, it is more difficult to find conserved differences between 13- and 9-lipoxygenases, usually a combination of hydrophobic ones and hydrophilic amino acids, which are separated from the small amino acid glycine or the hydrophobic amino acid cysteine (e.g. S515, G516, V517 in LOX1: Nt: 1) There are conserved differences between the individual groups with regard to the combination of hydrophobic / hydrophilic amino acids. PtLOXI differs from all other lipoxygenases in that it separates two hydrophobic amino acids from the hydrophilic amino acid threonine, the C-terminus is highly conserved as with all other lipoxygenases, with the small difference that threonine is in the penultimate position instead of being, as with all other lipoxygenases.
Beispiel 30: Biochemische Charakterisierung der PtLOXIExample 30: Biochemical characterization of PtLOXI
Zunächst wurde überprüft, ob das rekombinante Enzym aktiv war. Da Linolsäure ein generelles Substrat für Lipoxygenasen darstellt [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002], wurde die Aktivität des Enzyms zunächst gegenüber dieser Fettsäure bestimmt. Aufgrund der hohen Eigenabsorption des Rohextraktes nach dem Aufschluss der E. coli-Zellen, erfolgte diese Bestimmung nicht Spektophotometer. Die Produkte der Fettsäureumsetzung wurden mittels Normal-Phasen-HPLC analysiert. Es zeigte sich, dass alle getesteten Klone aktiv waren, da bei der Umsetzung mit Linolsäure 13-HODE in S-Konf iguration entstand. Bei der Zusammensetzung des 5'- und 3'-Bereichs der Sequenz im Zuge der Klonierung wurden sechs verschiedene Kombinationen erhalten (Beispiel 28). Von jeder Kombination wurden zwei Klone getestet.First, it was checked whether the recombinant enzyme was active. Since linoleic acid is a general substrate for lipoxygenases [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002], the activity of the enzyme was first determined against this fatty acid. Due to the high self-absorption of the crude extract after disruption of the E. coli cells, this determination was not made using a spectophotometer. The products of the fatty acid conversion were analyzed by normal phase HPLC. It was shown that all the clones tested were active, since 13-HODE in an S configuration was formed when reacting with linoleic acid. Six different combinations were obtained in the composition of the 5 'and 3' region of the sequence during the cloning (Example 28). Two clones of each combination were tested.
Im Anschluss wurde der pH-Wert bestimmt, bei dem das Enzym die maximale Aktivität zeigt. Dabei wurde auch der Frage nachgegangen, ob sich die Produkt- und Regiospezifität des Enzyms in diesem pH-Bereich ändert. Außerdem wurde untersucht, welche anderen Fettsäuren als Substrate von der PtLOXI akzeptiert werden. Dabei wurden zum einen die Struktur der entstandenen Hydroxyfettsäuren genauer analysiert und zum anderen auch das bevorzugte Substrat dieses Enzyms ermittelt. Beispiel 31 : pH-OptimumThe pH at which the enzyme shows the maximum activity was then determined. The question of whether the enzyme's product and region specificity changes in this pH range was also investigated. It was also examined which other fatty acids are accepted as substrates by PtLOXI. On the one hand, the structure of the resulting hydroxy fatty acids was analyzed in more detail and, on the other hand, the preferred substrate of this enzyme was determined. Example 31: pH optimum
Das pH-Optimum wurde mittels einer Endpunktbestimmung mit Hilfe der Normal- Phasen-HPLC für die Umsetzung von Linolsäure ermittelt. Für die Analysen wurden Zellaufschlüsse (Beispiel 11 ) der Proteinexpression bei 10°C verwendet. Die Lysate wurden sofort nach ihrer Herstellung weiter verwendet, um die Stabilität der Proteine durch Einfrieren und Auftauen der Proben nicht herabzusetzen. Die Zellaufschlüsse wurden mit Linolsure inkubiert und die entstandenen Hydroperoxid-Derivate mit Natriumborhydrid zu den entsprechenden Hydroxiden reduziert, die nach der sauren Extraktion mittels Normal-Phasen-HPLC (SP-HPLC) analysiert wurden. Ausgewertet wurden die Flächen der integrierten HODE-Signale bei 234 nm und er Linolsäure bei 202 nm. Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass die maximale Aktivität der PtLOXI für Linolsäure bei pH-Werten zwischen pH 8,0 und pH 8,4 erreicht wird.The pH optimum was determined by means of an end point determination using normal phase HPLC for the conversion of linoleic acid. Cell digests (Example 11) of protein expression at 10 ° C. were used for the analyzes. The lysates were used immediately after their preparation in order not to reduce the stability of the proteins by freezing and thawing the samples. The cell disruption was incubated with linoleic acid and the resulting hydroperoxide derivatives were reduced to the corresponding hydroxides with sodium borohydride, which were analyzed after the acidic extraction using normal-phase HPLC (SP-HPLC). The areas of the integrated HODE signals at 234 nm and the linoleic acid at 202 nm were evaluated. From FIG. 6 it can be seen that the maximum activity of the PtLOXI for linoleic acid is achieved at pH values between pH 8.0 and pH 8.4.
Linolsäure wurde im Substrat-Überschuss für 30 min mit Enzymextrakt und die entstandenen Hydroperoxide zu den Hydroxiden reduziert. Nach saurer Extraktion wurde das Substrat-Produktspektrum mittels SP-HPLC analysiert. Die Summe der Fläche aller integrierter HODE-Signale bei 234 nm wurde ins Verhältnis zur Fläche des integrierten Linolsäure-Signals bei 202 nm gesetzt. Die Darstellung in Figur 6 zeigt den Durchschnitt und den Standardfehler für zwei Experimente.Linoleic acid was reduced in substrate excess for 30 min with enzyme extract and the hydroperoxides formed were reduced to the hydroxides. After acid extraction, the substrate product spectrum was analyzed using SP-HPLC. The sum of the area of all integrated HODE signals at 234 nm was related to the area of the integrated linoleic acid signal at 202 nm. The representation in FIG. 6 shows the average and the standard error for two experiments.
Beispiel 32: Analyse der Regiospezifität gegenüber LinolsäureExample 32: Analysis of the regiospecificity towards linoleic acid
Ein charakteristisches Merkmal von Lipoxygenasen ist ihre Regiospezifität bei der Ein- führung von molekularem Sauerstoff [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Da Linolsäsure sowohl im Tierreich als auch im Pflanzenreich ein Substrat für Lipoxygenasen darstellt und im Gegensatz dazu Arachidonsäure im Pflanzenreich nicht oder nur in Speicherlipiden auftritt, werden pflanzliche Lipoxygenasen in Bezug auf die Positionsspezifität der Oxygenierung von Linolsäure klassifiziert [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084:221-239, 1991]. Sauerstoff kann entweder am Kohlenstoffatom 9 (9-Lipoxygenase) oder 13 (13-Lipoxy- genase) der Linolsäure eingeführt werden.A characteristic feature of lipoxygenases is their regiospecificity when introducing molecular oxygen [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Since linoleic acid is a substrate for lipoxygenases both in the animal kingdom and in the plant kingdom and, in contrast, arachidonic acid does not occur in the plant kingdom or only occurs in storage lipids, plant lipoxygenases are classified in terms of the position specificity of the oxygenation of linoleic acid [H.W. Gardner, Biochim Biophys Acta, 1084: 221-239, 1991]. Oxygen can be introduced either at carbon atom 9 (9-lipoxygenase) or 13 (13-lipoxygenase) of linoleic acid.
Die Trennung der gebildeten Regioisomere erfolgte wiederum mittels SP-HPLC nach der Reduktion der Hydroperoxide zu den entsprechenden Hydroxiden [Kühn et al., Anal Biochem, 160:24-34, 1987]. Dabei wurden Standards der jeweiligen Hydroxid- Derivate vor oder nach den Messungen der Zellaufschluss-Extrakte und die Reten- tionszeiten der Signale miteinander verglichen. Das Verhältnis von 9- zu 13-HODE wurde durch Integration der jeweiligen Signale bei 234 nm ermittelt. In Figur 7 wurde für jeden pH-Wert das Verhältnis von Gesamtprodukt zu Substrat gebildet und außerdem der jeweilige Anteil von 13- und 9-HODE am Gesamtprodukt dargestellt.The regioisomers formed were again separated by means of SP-HPLC after the reduction of the hydroperoxides to the corresponding hydroxides [Kühn et al., Anal Biochem, 160: 24-34, 1987]. Standards of the respective hydroxide derivatives were compared with one another before or after the measurements of the cell disruption extracts and the retention times of the signals. The ratio of 9- to 13-HODE was determined by integrating the respective signals at 234 nm. In Figure 7 the ratio of total product to substrate is formed for each pH value and the respective proportion of 13- and 9-HODE in the total product is also shown.
Linolsäure wurde im Substrat-Überschuss für 30 min mit Enzym rohextrakt inkubiert und die entstandenen Hydroperoxide zu den Hydroxiden reduziert. Nach saurer Extraktion wurde das Substrat-Produktspektrum mittels SP-HPLC analysiert. Die integrierten Signale von 9-HODE und 13-HODE bei 234 nm wurde ins Verhältnis zum integrierten Linolsäure-Signal bei 20 nm gesetzt. Die Darstellung in Figur 7 zeigt den Durchschnitt und den Standardfehler für zwei Experimente.Linoleic acid was incubated in excess substrate for 30 min with crude extract enzyme and the hydroperoxides formed were reduced to the hydroxides. After acid extraction, the substrate product spectrum was analyzed using SP-HPLC. The integrated signals of 9-HODE and 13-HODE at 234 nm were compared to the integrated linoleic acid signal at 20 nm. The representation in FIG. 7 shows the average and the standard error for two experiments.
Das Verhältnis von 13- zu 9-HODE ist außerdem in Tabelle 3 zusammengefasst. Die Vorhersage aus dem Sequenzvergleich (Beispiel 29), dass es sich bei PtLOXI um eine 13-Lipoxygenase handelt, wurde somit durch biochemische Daten bestätigt.The ratio of 13 to 9 HODE is also summarized in Table 3. The prediction from the sequence comparison (Example 29) that PtLOXI is a 13-lipoxygenase was thus confirmed by biochemical data.
Durch die Analyse der Enantiomeren-Zusammensetzung mittels Chiral-Phasen-HPLC (CP-HPLC) kann zwischen den Produkten der enzymatischen Lipidperoxidation und der nicht-enzymatischen Autoxidation unterschieden werden. Die Umsetzung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren durch pflanzliche Lipoxygenasen führt zur Bildung der Hydroxid-Derivate in S-Konfiguration, wohingegen bei der Autoxidation die Enantiomere in einem racemischen Verhältnis entstehen [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002]. Wie Figur 7 zeigt, liegen über das gesamte untersuchte pH-Spektrum mehr als 90 % des gemessenen 13-HODE in S-Konfiguration vor, wohingegen das Verhältnis der 9-HODE-Enantiomere racemisch ist. Da die Menge des bei den verschiedenen pH-Werten gebildeten 9-HODE mit der Enzymakativität korreliert, ist die Bildung dieses Hydroxid-Derivates möglicherweise nicht autoxidativen Vorgängen geschuldet, sondern resultiert aus einer enzymatischen Aktivität (s. Figur 7 und Tabelle 3). Die Nebenprodukte bei der Umsetzung von Linolsäure durch Lipoxygenasen unter aeroben Bedingungen sind die Ketooctadecadiensäuren (KODEs), welche ein Absorptionsmaximum bei 273 nm besitzen. Bei der Linolsäure-Umsetzung durch PtLOXI wurden keine KODE gebildet durch PtLOXI . By analyzing the enantiomer composition by means of chiral phase HPLC (CP-HPLC), a distinction can be made between the products of enzymatic lipid peroxidation and non-enzymatic autoxidation. The conversion of polyunsaturated fatty acids by vegetable lipoxygenases leads to the formation of the hydroxide derivatives in the S configuration, whereas the enantiomers are formed in a racemic ratio during the autoxidation [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002]. As FIG. 7 shows, more than 90% of the 13-HODE measured in the S configuration is present over the entire pH spectrum investigated, whereas the ratio of the 9-HODE enantiomers is racemic. Since the amount of 9-HODE formed at the different pH values correlates with the enzyme reactivity, the formation of this hydroxide derivative may not be due to autoxidative processes, but results from an enzymatic activity (see FIG. 7 and Table 3). The by-products in the conversion of linoleic acid by lipoxygenases under aerobic conditions are the ketooctadecadienoic acids (KODEs), which have an absorption maximum at 273 nm. In the linoleic acid reaction by PtLOXI, no KODE was formed by PtLOXI.
Tabelle 3: Regiospezifität von PtLOXI gegenüber Linolsäure. Das R/S-Verhältnis von 13-HODE betrug über den gesamten pH-Bereich 7 %/93 %, wohingegen 9-HODE racemisch war. Diese Daten sind Bestandteil der Figur 7.Table 3: Regiospecificity of PtLOXI compared to linoleic acid. The R / S ratio of 13-HODE was 7% / 93% over the entire pH range, whereas 9-HODE was racemic. These data are part of FIG. 7.
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Beispiel 33: Substratspezifität von PtLOXI und Analyse der gebildeten RegioisomereExample 33: Substrate specificity of PtLOXI and analysis of the regioisomers formed
Um aufzuklären, welche vielfach ungesättigten Fettsäuren von PtLOXI als Substrate akzeptiert werden und welche Regioisomere dabei bevorzugt entstehen, wurden sieben verschiedene Fettsäuren eingesetzt: Linolsäure (LA), α-Linolensäure (α-LEA), Y-Linolensäure (γ-LEA), Arachidonsäure (ÄRA), Eicosapentaensäure (EPA), Docosa- pentaensäure (DPA) und Docosahexaensäure (DHA). Diese Fettsäuren unterscheiden sich in ihrer Länge sowie in der Anzahl und Position der Doppelbindungen (s. Tabelle 4). Mit Ausnahme von LA kommen in diesen Fettsäuren für die initiale Wasserstoff-Abstraktion durch das nicht-Haem Eisen im reaktiven Zentrum der Lipoxygenasen mehrere bisallylische Methylengruppen in Frage. Durch die [2+]- und [-2]-Radikalumlagerung an jeder bisallylischen Methylengruppe kann die Sauerstoffanlagerung daher zur Bildung von je vier Hydroperoxid-Derivaten aus α-LEA (9-,13-,12-,16-α-HPOTE) und γ-LEA (6-,10-,9-,13-γ-HPOTE), sechs aus ARA (5-,9-,8-,12-,11-,15-HPETE), acht aus EPA (5-,9-,8-,12-,11-,15-,14-,18- HEPE), acht aus DPA (7-,11-,10-,14-,13-,17-,16-,20-HPDPE) und zehn aus DHA (4-,8-,7-,11-,10-,14-,13-,17-,16-,20-HPDHE) führen.In order to clarify which polyunsaturated fatty acids are accepted as substrates by PtLOXI and which regioisomers preferentially arise, seven different fatty acids were used: linoleic acid (LA), α-linolenic acid (α-LEA), Y-linolenic acid (γ-LEA), arachidonic acid (ERA), eicosapentaenoic acid (EPA), docosapentaenoic acid (DPA) and docosahexaenoic acid (DHA). These fatty acids differ in their length and in the number and position of the double bonds (see Table 4). With the exception of LA, several bisallylic methylene groups can be used in these fatty acids for the initial hydrogen abstraction by the non-hemem iron in the reactive center of the lipoxygenases. Due to the [2 +] and [-2] radical rearrangement on each bisallylic methylene group, the oxygen addition can therefore form four hydroperoxide derivatives from α-LEA (9-, 13-, 12-, 16-α-HPOTE) and γ-LEA (6-, 10-, 9-, 13-γ-HPOTE), six from ARA (5-, 9-, 8-, 12-, 11-, 15-HPETE), eight from EPA (5th -, 9-, 8-, 12-, 11-, 15-, 14-, 18- HEPE), eight from DPA (7-, 11-, 10-, 14-, 13-, 17-, 16-, 20-HPDPE) and ten from DHA (4-, 8-, 7-, 11-, 10-, 14-, 13-, 17-, 16-, 20-HPDHE).
Um einen ersten Hinweis zu erhalten, welche der vielfach ungesättigten Fettssäuren PtLOXI als bevorzugte Substrate dienen, wurde in Figur 8 für jedes Substrat die Summe der integrierten Signale aller Hydroxid-Derivate, die nach der Reduktion der entsprechenden Hydroperoxide entstanden, aufgetragen.In order to obtain a first indication of which of the polyunsaturated fatty acids PtLOXI serve as preferred substrates, the sum of the integrated signals of all hydroxide derivatives which resulted after the reduction of the corresponding hydroperoxides was plotted for each substrate.
Das Enzym wurde mit verschiedenen Substraten bei pH 8,4 inkubiert und die Produktanalyse mittels SP-HPLC durchgeführt. Für den Umsatz jeder Fettsäure wurde die Summe der integrierten Signale aller Hydroxid-Derivate aufgetragen. Die unterschied- liehen Extinktionskoeffizienten der Hydroxide wurden bei der Integration nicht berücksichtigt. Die Darstellung zeigt in Figur 8 den Durchschnitt und den Standardfehler von zwei Experimenten.The enzyme was incubated with various substrates at pH 8.4 and the product analysis was carried out using SP-HPLC. The sum of the integrated signals of all hydroxide derivatives was plotted for the conversion of each fatty acid. The difference- The extinction coefficients of the hydroxides were not taken into account during the integration. The representation in FIG. 8 shows the average and the standard error of two experiments.
Dabei wurden die unterschiedlichen Extinktionskoeffizienten der Hydroxid-Derivate (bei 234 nm) nicht berücksichtigt, da sie nicht für alle der gebildeten Hydroxide bekannt sind. Der Vergleich des molaren Extinktionskoeffizienten von HOTE (ε = 27000 l/mol x cm 234 nm) mit dem von HETE (ε = 27000 l/mol x cm 236 nm) lässt darauf schließen, dass dieser Wert mit steigender Anzahl an Doppelbindungen zunimmt. Aus diesem Grunde ist die bevorzugte Umsetzung von ÄRA gegenüber γ-LEA nicht ganz so ausgeprägt wie im Diagramm dargestellt. Nichtsdestoweniger kann man aus diesem Diagramm schließen, dass die C20-Fettsäuren Arachidonsäure und Eicosapentaensäure bevorzugt umgesetzt werden im Vergleich zu Cι8- und C22-Fettsäuren. Die Identifizierung der Regioisomere der gebildeten Hydroxide dieser Fettsäuren erfolgte entweder über Standards, die bei den jeweiligen HPLC-Analysen eingesetzt wurden oder mittels GC/MS-Analysen (Beispiel 18 und Beispiel 34). Es stellte sich heraus (Tabelle 4), dass von den in Frage kommenden bisallylischen Methylengruppen für jedes Substrat hauptsächlich nur eine für die initiale Entfernung von Wasserstoff benutzt wurde. Dies betraf die Methylengruppe an Position (n-8) in Fall von LA und α- LEA und jeweils (n-11) für γ-LEA, ÄRA, EPA, DPA und DHA. Unter der Voraussetzung, dass bei 13-Lipoxygenasen das Substrat mit dem Methylende voran in die Bindungstasche eintaucht [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002], kann man abschätzen, dass der Abstand des Wasserstoffakzeptors und dem Boden der Bindungstasche rund elf Methylengruppen beträgt. Ein Überblick über alle Umsetzungen, auf die nun näher eingegangen wird, liefert Tabelle 4. The different extinction coefficients of the hydroxide derivatives (at 234 nm) were not taken into account, since they are not known for all of the hydroxides formed. The comparison of the molar extinction coefficient of HOTE (ε = 27000 l / mol x cm 234 nm) with that of HETE (ε = 27000 l / mol x cm 236 nm) suggests that this value increases with increasing number of double bonds. For this reason, the preferred implementation of ERA over γ-LEA is not quite as pronounced as shown in the diagram. Nevertheless, it can be concluded from this diagram that the C 20 fatty acids arachidonic acid and eicosapentaenoic acid are preferably implemented compared to C 8 and C 22 fatty acids. The regioisomers of the hydroxides of these fatty acids formed were identified either using standards which were used in the respective HPLC analyzes or by means of GC / MS analyzes (example 18 and example 34). It was found (Table 4) that of the bisallylic methylene groups in question, only one was used for each substrate for the initial removal of hydrogen. This affected the methylene group at position (n-8) in the case of LA and α-LEA and each (n-11) for γ-LEA, ERA, EPA, DPA and DHA. Provided that with 13-lipoxygenases the substrate is immersed in the binding pocket with the methyl end first [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002], it can be estimated that the distance between the hydrogen acceptor and the bottom of the binding pocket is around eleven methylene groups. Table 4 provides an overview of all implementations, which will now be discussed in more detail.
Tabelle 4: Überblick über die Substrat- und Regiospezifität von rekombinanter PtLOXITable 4: Overview of the substrate and region specificity of recombinant PtLOXI
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a' Struktur wurde nicht durch GC/MS verifiziert
Figure imgf000050_0001
a 'Structure was not verified by GC / MS
Wie schon in Beispiel 32 behandelt, führt die Umsetzung von Linolsäure zu 90 % zur Bildung von 13-HODE in S-Konfiguration. Das Chromatogram der SP-HPLC-Analyse ist in Figur 9 dargestellt. Die Kontroll-Umsetzung wurde durchgeführt mit dem Zell- aufschluss von SG 13009 Zellen, die den Leervektor trugen. Wie schon in Beispiel 32 erläutert, zeigt das Chromatogram dieser Umsetzung (Figur 9, unterer Teil), dass 9-HODE enzymatisch gebildet wurde und nicht durch Autoxidation entsteht. Auch für die anderen Fettsäuren wurden jeweils gleiche Mengen des Umsatzes der Fettsäure mit rekombinanter PtLOXI und der Kontroll-Umsetzung analysiert.As already treated in Example 32, the conversion of linoleic acid leads to 90% formation of 13-HODE in the S configuration. The chromatogram of the SP-HPLC analysis is shown in FIG. 9. The control implementation was carried out with cell disruption of SG 13009 cells which carried the empty vector. As already explained in Example 32, the chromatogram of this reaction (FIG. 9, lower part) shows that 9-HODE was formed enzymatically and does not result from autoxidation. For the other fatty acids, too, the same amounts of the turnover of the fatty acid with recombinant PtLOXI and the control conversion were analyzed.
Für α-LEA als Substrat beträgt der Anteil der beiden möglichen Oxidationsprodukte in [+2]- und [-2]-Position bezüglich des Kohlenstoffs (n-8) an den gesamt gebildeten Hydro(pero)xid-Derivaten (Figur 10) 92 % und ist damit mit dem Umsatz von LA vergleichbar. Das Verhältnis der [+2]- zu [-2]-Oxidationsprodukte sinkt von 6,7 für 13-/9-HODE auf 2,7 für 13-/9-α-HOTE. Der Faktor 6,7/2,7 « 2,5 der damit berechnet werden kann, wurde bei der Änderung der Anzahl der Doppelbindungen oder der Anzahl der Methylengruppen noch häufiger beobachtet. Die denkbaren Hydroxy- lierungsprodukte von α-LEA 12- und 16-α-HOTE, die bei initialer Wasserstoffent- fernung an C1 (n-5) entstehen können, haben einen vernachlässigbar kleinen Anteil an den Hydro(pero)xy-Derivaten von α-LEA.For α-LEA as substrate, the proportion of the two possible oxidation products in the [+2] and [-2] positions with respect to the carbon (n-8) in the total hydro (pero) oxide derivatives formed (FIG. 10) is 92 % and is therefore comparable to the sales of LA. The ratio of the [+2] to [-2] oxidation products drops from 6.7 for 13- / 9-HODE to 2.7 for 13- / 9-α-HOTE. The factor 6.7 / 2.7 «2.5 which can be calculated with this was observed even more frequently when the number of double bonds or the number of methylene groups changed. The conceivable hydroxylation products of α-LEA 12- and 16-α-HOTE, which distance at C 1 (n-5), have a negligible proportion of the hydro (pero) xy derivatives of α-LEA.
Bei γ-LEA in Figur 11 wurde die bisallylische Methylengruppe in Position (n-11) bevorzugt durch den Wasserstoffakzeptor angegriffen, was zur Bildung von 10- und 6-γ-HOTE führt. Die Methylengruppe an Position (n-8), bei der die Hydro(pero)xid- Derivate 13- und 9-α-HOTE entstehen, spielen mit einem Gesamtanteil von rund 17 % an den gesamten Hydro(pero)xid-Derivaten eher eine untergeordnete Rolle. Aber auch hier ist das Verhältnis zugunsten des [+2]-Hydro(pero)xid-Derivates. Das Verhältnis der Hauptprodukte 10- zu 6-γ-HOTE ist vergleichbar mit dem von 13- zu 9-α-HOTE von α-LEA. Für LA, α-LEA und γ-LEA ist das jeweilige [-2]-Hydro(pero)xid-Derivat racemisch.In γ-LEA in Figure 11, the bisallylic methylene group in position (n-11) was preferentially attacked by the hydrogen acceptor, which leads to the formation of 10- and 6-γ-HOTE. The methylene group at position (n-8), in which the hydro (pero) oxide derivatives 13- and 9-α-HOTE are formed, play a role with a total share of around 17% of the total hydro (pero) oxide derivatives subordinate role. But here too the ratio is in favor of the [+2] -hydro (pero) oxide derivative. The ratio of the main products 10- to 6-γ-HOTE is comparable to that of 13- to 9-α-HOTE from α-LEA. For LA, α-LEA and γ-LEA, the respective [-2] hydro (pero) oxide derivative is racemic.
Bei Arachidonsäure (Figur 12) erfolgt die Hydro(pero)xydierung an Position [+2] und in geringem Maße an Position [-2] bezüglich der bisallylischen Methylengruppe an Position (n-11). Das Verhältnis der Hydro(pero)xylierung an Position [+2] zu [-2] ist deutlich in Richtung [+2] verschoben im Vergleich zu α- oder γ-LEA. Hier wird beobachtet, was schon erwähnt wurde und auch später wieder beobachtet wurde: Beim Vergleich zweier Fettsäuren bezüglich der Methylengruppe, von der Wasserstoff abstrahiert wurde, führte die Einführung einer Doppelbindung in ,,[-X]"- Position, also am Carboxyende, zu einer Verschiebung der Hydro(pero)xylierung zugunsten des [+2]-Produktes, ebenso wie die Einführung zweier Methylengruppen in ,,[+X]"-Position (am Methylende). Umgekehrt kommt es zu einer Verschiebung zugunsten des [-2]- Produktes, wenn eine Doppelbindung ,,[+X]"-Position eingeführt wurde (wie schon bei Y- und α-LEA beobachtet), oder zwei Methylengruppen in ,,[-X]"-Position (dem Carboxylende) hinzukamen, Bezüglich des [+2] zu [-2] Verhältnisses wurde im ersten Fall eine Erhöhung um Faktor 2 bis 4 beobachtet und im zweiten Fall eine Erniedrigung um Faktor 2 bis 4. Diese Beobachtung ist rein empirisch und muss diskutiert werden. Es sollte hervorgehoben werden, dass hierbei lediglich Charakteristika bezüglich der Position der betreffenden bisallylischen Methylengruppe beschrieben werden, die in keiner Weise die biochemische Einführung von Methylengruppen oder Doppelbindungen reflektieren. Im Vergleich zu α- und γ-LEA ist Arachidonsäure bezüglich der benutzten bisallylischen Methylengruppen in ,,[+X]"-Position zwei Methylengruppen länger (x4) und in ,,[-X]"-Position kommt eine Doppelbindung hinzu (x4). Daraus resultiert eine Erhöhung des Verhältnisses der [+2]- zu [-2]-Hydro(pero)xid- Derivate 12-HETE zu 8-HETE von 4 x 4 = 16 im Vergleich zu den entsprechenden Produkten bei γ-LEA; 2,8 x 16 = 44,8. Das gemessene Verhältnis von 12-HETE zu 8-HETE beträgt 46,3 (97 %). Das Hauptprodukt 12-HETE lag unerwarteterweise nur zu 79 % in S-Konfiguration vor, obwohl die vergleichende Analyse in Figur 8 dafür spricht, dass ÄRA oder EPA die bevorzugten Substrate darstellen. Das Nebenpropdukt 8-HETE lag in S-Konfiguration vor.In arachidonic acid (FIG. 12), the hydro (peroxidation) takes place at position [+2] and to a small extent at position [-2] with respect to the bisallylic methylene group at position (n-11). The ratio of hydro (pero) xylation at position [+2] to [-2] is clearly shifted towards [+2] compared to α- or γ-LEA. Here we observe what has already been mentioned and was later observed again: When comparing two fatty acids with regard to the methylene group from which hydrogen was abstracted, the introduction of a double bond in the "[- X]" position, that is to say at the carboxy end, led to a shift in hydro (pero) xylation in favor of the [+2] product, as well as the introduction of two methylene groups in the "[+ X]" position (at the methyl end). Conversely, there is a shift in favor of the [-2] product if a double bond "[+ X]" position has been introduced (as already observed for Y and α-LEA), or two methylene groups in ,, [- X] "position (the carboxyl end) was added. With regard to the [+2] to [-2] ratio, an increase by a factor of 2 to 4 was observed in the first case and a decrease by a factor of 2 to 4 in the second case. This observation is purely empirical and must be discussed. It should be emphasized that only characteristics regarding the position of the bisallylic methylene group in question are described here, which do not in any way reflect the biochemical introduction of methylene groups or double bonds. Compared to α- and γ-LEA, arachidonic acid is two methylene groups longer in the "[+ X]" position in terms of the bisallylic methylene groups used (x4) and a double bond is added in the "[- X]" position (x4) , This results in an increase in the ratio of the [+2] to [-2] -hydro (pero) oxide derivatives 12-HETE to 8-HETE of 4 x 4 = 16 compared to the corresponding products in γ-LEA; 2.8 x 16 = 44.8. The measured ratio of 12-HETE to 8-HETE is 46.3 (97%). The main product 12-HETE was unexpectedly only 79% in S configuration, although the comparative analysis in Figure 8 suggests that ERA or EPA are the preferred substrates. The secondary product 8-HETE was in S configuration.
Gemäß obiger Erläuterungen erniedrigt die Einführung einer Doppelbindung am Methylende bei EPA im Vergleich zu ÄRA das Verhältnis von [+2] zu [-2] der gebildeten Hydroxid-Derivate bezüglich der bisallylischen Methylengruppe. Als einzige Ausnahme in der Reihe lässt sich das Ausmaß der Erniedrigung um Faktor sechzehn hier nicht erklären, da die eben erwähnte Doppelbindung in allen anderen Fällen zu einer Veränderung um Faktor 2 bis 4 führte (LA / α-LEA, γ-LEA / ÄRA, DPA / DHA). Das Verhältnis von 12- zu 8-HEPE beträgt hier also 46,3 / (4 x 4) = 2,9 * 3,01 (75,1 % : 24,9 %). Beide Hydroxid- Derivate liegen nahezu 100 % in S-Konfiguration vor.According to the explanations above, the introduction of a double bond at the methyl end in EPA lowers the ratio of [+2] to [-2] of the hydroxide derivatives formed with respect to the bisallylic methylene group compared to ERA. As the only exception in the series, the extent of the reduction by a factor of sixteen cannot be explained here, since the double bond just mentioned led to a change by a factor of 2 to 4 in all other cases (LA / α-LEA, γ-LEA / ERA, DPA / DHA). The ratio of 12- to 8-HEPE is 46.3 / (4 x 4) = 2.9 * 3.01 (75.1%: 24.9%). Both hydroxide derivatives are almost 100% in the S configuration.
Die Verlängerung um zwei Methylengruppen auf der Carboxyseite bezüglich der bisallylischen Methylengruppe (n-9) von DPA (Figur 14) erniedrigt erwartungsgemäß das Verhältnis der Oxidationsprodukte an Position [+2] zu [-2] im Vergleich zu EPA. Auch ist der Faktor mit 3 im Rahmen dessen, was mit obiger Ausnahme immer beobachtet wurde. 14- zu 10-HDPE wurde im Verhältnis 3 / (3) = 1 (51 % : 49 %) gebildet. Wie schon bei Arachidonsäure ist der Anteil der S-Konfiguration am Hauptprodukt (hier 14-HDPE) mit 68 % erstaunlich niedrig.The extension by two methylene groups on the carboxy side with respect to the bisallylic methylene group (n-9) of DPA (FIG. 14) is expected to lower the ratio of the oxidation products at position [+2] to [-2] compared to EPA. The factor of 3 is also within the range of what has always been observed with the exception above. 14- to 10-HDPE was formed in the ratio 3 / (3) = 1 (51%: 49%). As with arachidonic acid, the proportion of the S configuration in the main product (here 14-HDPE) is surprisingly low at 68%.
Auch im Vergleich der Umsetzung von DHA (Figur 15) mit der von DPA passt sich gut in das Bild ein: Die zusätzliche Doppelbindung auf der Carboxyseite der (n-9) Methylengruppe begünstigt die Bildung des [+2]-Produktes, mithin von 14-HDHE. Im Vergleich zum (51 % : 49 %) Verhältnis von 14- zu 10-HDPE ist das Verhältnis von 14- zu 10-HDHE um den Faktor 2,9 erhöht und beträgt somit 2,9 = 74,3 % : 25,7 %. Für das Hauptpodukt 14-HDHE wurde bei der CP-Analyse eine Aufspaltung des Signals des S-Positionsisomers festgestellt. Ein dazu nahezu identisches Chromatogram wurde auch bei einer von vier Chiral-Phasen-Analysen von 12-HEPE beobachtet, daher wurde das R- zu S- Verhältnis von von 14-HDHE in Tabelle 4 auf Grundlage der Signale R und Si in Figur 15 berechnet. Gegebenenfalls müsste diese Analyse noch einmal durchgeführt werden.Comparing the implementation of DHA (Figure 15) with that of DPA also fits well into the picture: The additional double bond on the carboxy side of the (n-9) methylene group favors the formation of the [+2] product, hence of 14 -HDHE. Compared to the (51%: 49%) ratio of 14- to 10-HDPE, the ratio of 14- to 10-HDHE is increased by a factor of 2.9 and is therefore 2.9 = 74.3%: 25.7 %. For the main product 14-HDHE, a splitting of the signal of the S-position isomer was found in the CP analysis. An almost identical chromatogram was also observed in one of four chiral phase analyzes of 12-HEPE, therefore the R to S ratio of 14-HDHE in Table 4 was calculated on the basis of the signals R and Si in FIG. 15 , If necessary, this analysis would have to be carried out again.
Bei Arachidonsäure wurden die oben erwähnten (Beispiel 32) Nebenprodukte bei aeroben Verhältnissen, namentlich die Keto-Säuren, in äußerst geringem Ausmaß von 1 ,2 % bei 273 nm detektiert. Außerdem traten sie bei der Umsetzung von DPA und DHA mit jeweils rund 7,0 % auf. Beispiel 34: GC/MS-Analyse der Fettsäure-HydroxideIn the case of arachidonic acid, the above-mentioned (Example 32) by-products were detected under aerobic conditions, namely the keto acids, to an extremely small extent of 1.2% at 273 nm. They also occurred in the implementation of DPA and DHA with around 7.0% each. Example 34: GC / MS analysis of the fatty acid hydroxides
Die Produkte der Umsetzung von PtLOXI mit La, α-LEA und γ-LEA konnten mit Standards eindeutig durch die Normal-Phasen HPLC identifiziert werden. Von den möglichen Hydroxiden ist 10-γ-HOTE nicht als Standard verfügbar gewesen. Auch der Vergleich mit den Autoxidationsprodukten der γ-LEA führte nicht zu einer sicheren Identifizierung. Daher wurden für die Identifizierung der restlichen Hydroxide der eingesetzten Fettsäuren in Zusammenarbeit mit Frau Dr. C. Göbel (IPK, Gaterieben) GC/MS-Analysen durchgeführt. Hierfür wurden die Hydroxide der Fettsäuren in ihre kombinierten Methylester- und Trimethylsilylether-Derivate überführt, um ihre Flüchtigkeit sowie thermische Stabilität zu erhöhen und um die Polarität zu senken [W.W. Christie, Lipids, 33(4):343-53, 1998]. Dadurch wird die gaschromatographische Trennung erhöht und die Detektierbarkeit verbessert. Die derivatisierten Fettsäuren hatten bei den Analysen eine Retentionszeit zwischen 16 min und 20 min. In diesem Bereich des Chromatograms wurden die im folgenden dargestellten Massenspektren aufgenommen. Meist wurde ein charakteristisches Fragment des Zerfalls der Verbindung im Massenspektrum detektiert, wobei zusätzlich Signale das Molgewicht der unfragmentierten Verbindung, das M-15-Signal (ohne Mehtylgruppe) und das M-31 Signal (ohne Methoxygruppe) detektiert wurden. Die möglichen Zerfallsprodukte sind mit ihren Molgewichten in dem jeweiligen Diagramm dargestellt. Der charakteristische Zerfall erlaubt die Identifizierung der Verbindung und die Bestimmung der Position der Hydroxygruppe [Woollard et al., J Chromatogr, 306:1-21 , 1984].The products of the implementation of PtLOXI with La, α-LEA and γ-LEA could be clearly identified with standards by the normal phase HPLC. Of the possible hydroxides, 10-γ-HOTE was not available as a standard. The comparison with the autoxidation products of the γ-LEA also did not lead to a reliable identification. For this reason, in collaboration with Ms. Dr. C. Göbel (IPK, Gaterieben) GC / MS analyzes performed. For this purpose, the hydroxides of the fatty acids were converted into their combined methyl ester and trimethylsilyl ether derivatives in order to increase their volatility and thermal stability and to reduce the polarity [W.W. Christie, Lipids, 33 (4): 343-53, 1998]. This increases the gas chromatographic separation and improves the detectability. The derivatized fatty acids had a retention time between 16 min and 20 min in the analyzes. The mass spectra shown below were recorded in this area of the chromatogram. Usually a characteristic fragment of the decay of the compound was detected in the mass spectrum, with additional signals the molecular weight of the unfragmented compound, the M-15 signal (without methyl group) and the M-31 signal (without methoxy group) being detected. The possible decay products are shown with their molecular weights in the respective diagram. The characteristic decay allows the compound to be identified and the position of the hydroxy group to be determined [Woollard et al., J Chromatogr, 306: 1-21, 1984].
Wie in Figur 16 ersichtlich, wurde anhand der charakteristischen Massen (im Diagram dargestellt) somit bestätigt, dass es sich bei der fraglichen Verbindung des γ-LEA- Umsatzes um 10-γ-HOTE handelte. Auch 8-HETE, für das nach der HPLC-Analyse keine eindeutige Aussage getroffen werden konnte, wurde auf diese Weise verifiziert (Figur 17).As can be seen in FIG. 16, it was thus confirmed on the basis of the characteristic masses (shown in the diagram) that the combination of the γ-LEA conversion in question was 10-γ-HOTE. 8-HETE, for which no clear statement could be made after the HPLC analysis, was also verified in this way (FIG. 17).
Mit Ausnahme von dem mutmaßlichen 10-HDHE konnten alle Hydroxide der Fettsäuren EPA, DPA, DHA bestimmt werden. Figur 18 und Figur 19 zeigen die Massenspektren der identifizierten Produkte der Umsetzung von PtLOXI mit EPA, 12-HEPE bzw. 8-HEPE. Die Hydroxide von DPA erwiesen sich als 14-HDPE (Figur 20) und 10-HDPE (Figur 21). Da mit zunehmender Kettenlänge der zu analysierenden Ver- bindung das Zerfallsmuster unspezifischer wird, fällt die Identifizierung in diesem Maße immer schwerer. So konnte 14-HDHE (Figur 22) noch identifiziert werden, aufgrund verschiedener Limitierungen, die schon bei 8-HETE, 8HEPE und 10-HDPE auftraten, gelang die Analyse von 10-HDHE nicht. Aufgrund mechanistischer Überlegungen sowie der Tatsache, dass sich die Produkte von ÄRA und EPA gleichen (12-/8-HETE, 12-/8-HEPE) und auch 14-HDPE sein Equivalent in Form von 14-HDHE hat, ist davon auszugehen, dass es sich tatsächlich um 10-HDHE handelt.With the exception of the putative 10-HDHE, all hydroxides of the fatty acids EPA, DPA, DHA could be determined. Figure 18 and Figure 19 show the mass spectra of the identified products of the reaction of PtLOXI with EPA, 12-HEPE and 8-HEPE, respectively. The hydroxides of DPA were found to be 14-HDPE (Figure 20) and 10-HDPE (Figure 21). As the decay pattern becomes more unspecific as the chain length of the compound to be analyzed increases, identification becomes increasingly difficult. So 14-HDHE (Figure 22) could still be identified, due to various limitations that already occurred with 8-HETE, 8HEPE and 10-HDPE, the analysis of 10-HDHE was not successful. Due to mechanistic considerations and the fact that the products from ERA and EPA are the same (12- / 8-HETE, 12- / 8-HEPE) and also 14-HDPE has its equivalent in the form of 14-HDHE, it can be assumed that it is actually 10-HDHE.
Beispiel 35: Reinigung des EnzymsExample 35: Purification of the enzyme
Für eine detaillierte kinetische Untersuchung der PtLOXI sollte das rekombinante Enzym zunächst aufgereinigt werden. Dazu wurde PtLOXI im Vektor pQE30 mit einem N-terminalen hexa-Histidin-Tag exprimiert und anschließend eine Affinitätsreinigung mit TALON® durchgeführt. Diese Reinigung basiert auf der Komplexierung des am TALON® fixierten Cobalts durch Histidin. Die Elution des Proteins erfolgt über kompetiti- ve Verdrängung des Histidins durch Imidazol oder einem Chelator zweiwertiger Metallionen (z.B. EDTA). Alternativ kann durch Senkung des pH-Wertes eluiert werden, da protoniertes Histidin vom zweiwertigen Metall abgestoßen wird.The recombinant enzyme should first be purified for a detailed kinetic study of PtLOXI. To this end, PtLOXI was expressed in the vector pQE30 with an N-terminal hexa-histidine tag and then an affinity purification was carried out using TALON®. This cleaning is based on the complexation of the cobalt fixed to the TALON® by histidine. The protein is eluted by competitive displacement of the histidine by imidazole or a chelator of divalent metal ions (e.g. EDTA). Alternatively, elution can be carried out by lowering the pH, since protonated histidine is repelled by the divalent metal.
Beispiel 36: SDS-PAGE und Western-Blot Analyse der ReinigungExample 36: SDS-PAGE and Western blot analysis of cleaning
Zunächst wurde das Protein in E. coli nach IPTG-Zugabe rund 60 h bei 10°C produziert. Dann wurden verschiedene Methoden zur Elution des affinitätsgebundenen Proteins verwendet: Elution mit EDTA bzw. Imidazol sowie durch Senkung des pH- Wertes. In Figur 23a ist die SDS-PAGE zur Untersuchung der optimalen Elutions- bedingungen mit Imidazol dargestellt.First the protein was produced in E. coli after adding IPTG for around 60 h at 10 ° C. Then different methods were used to elute the affinity-bound protein: elution with EDTA or imidazole and by lowering the pH. FIG. 23a shows the SDS-PAGE for examining the optimal elution conditions with imidazole.
A mit Silber gefärbtes SDS-Gel, B mit αCsIbLOX/lgG-ALP gefärbter Western-Blot. Der Pfeil kennzeichnet PtLOXI. 1 Proteinstandard, 2 Kontrolle (Lysat von SG 13009- Zellen, die mit Leervektor pQE30 transformiert wurden), 3 Lysat von SG 13009-Zellen (transformiert mit PtLOXI in pQE30) vor Induktion mit IPTG, 4 Lysat von SG 13009- Zellen (transformiert mit PtLOXI in pQE30) nach Induktion mit IPTG, 5 Durchfluss nach Affinitätsbindung des bakteriellen Proteinextraktes an TALON® , 6 Waschschritt mit Na-Phosphat-Puffer, 7 bis 15 Elution mit Imidazol steigender Konzentration: 10 mM, 30 mM, 50 mM, 75 mM, 100 mM, 125 mM, 150 mM, 200 mM, 300 mM.A SDS gel stained with silver, B Western blot stained with αCsIbLOX / lgG-ALP. The arrow indicates PtLOXI. 1 protein standard, 2 control (lysate from SG 13009 cells transformed with empty vector pQE30), 3 lysate from SG 13009 cells (transformed with PtLOXI in pQE30) before induction with IPTG, 4 lysate from SG 13009 cells (transformed with PtLOXI in pQE30) after induction with IPTG, 5 flow through after affinity binding of the bacterial protein extract to TALON®, 6 washing steps with Na phosphate buffer, 7 to 15 elution with imidazole increasing concentration: 10 mM, 30 mM, 50 mM, 75 mM, 100mM, 125mM, 150mM, 200mM, 300mM.
Das zu reinigende Protein hat eine berechnete Größe von 105 kDa. In diesem Bereich waren deutlich mehrere Proteinbanden bei der Auftragung des Zellaufschlusses nach der Induktion und in den Fraktionen der Elution mit Imidazol zu erkennen (Figur 23a, Pfeile). Um zu verifizieren, dass es sich bei einer der Banden im Berich von 105 kDa um RLOX1 handelte, wurde die in Figur 23b dargestellte Immunodetektion durchgeführt. Es wurde dafür ein monospezifischer Antikörper verwendet, der gegen die Lipidkörper-Lypoxygenase der Gurke (CsIb-LOC) gerichtet war [Hause et al., Planta, 210:708-714, 2000]. Dieser Antikörper weist die meisten anderen pflanzlichen Lipoxy- genasen aufgrund seiner hohen Kreuzreaktivität gegenüber anderen Lipoxygenasen auf. Auch im Western-Blot wurde vor allem eine Bande knapp unterhalb von 105 kDa detektiert (Figur 23b, Spur 5, Pfeil). Die Vielzahl der mit der Immunodetektion erhaltenen, vermutlich unspezifischen Signale resultieren möglicherweise aus der Art der Antikörper-Gewinnung. Für das gereinigte rekombinante Protein (CsIb-LOX) wurde dasselbe Expressionssystem verwendet wie für die PtLOXI (Vektor pQE30 in SG 13009 E. coli-Zellen). Aus diesem Grunde zeigt die Antikörperfraktion, die mit der gereinigten rekombinanten Cslb-Lipoxygenase erhalten wurde, auch Reaktivität gegen andere Proteine aus diesem System, die daher in allen Fraktionen, auch der Leervektorreinigung, detektiert wurden.The protein to be purified has a calculated size of 105 kDa. Several protein bands were clearly visible in this area when the cell disruption was applied after induction and in the fractions of the elution with imidazole (FIG. 23a, arrows). In order to verify that one of the bands in the 105 kDa range was RLOX1, the immunodetection shown in FIG. 23b was carried out. A monospecific antibody was used for this, which was directed against the lipid body lypoxygenase of the cucumber (CsIb-LOC) [Haus et al., Planta, 210: 708-714, 2000]. This antibody exhibits most other plant lipoxygenases due to its high cross-reactivity with other lipoxygenases on. A band just below 105 kDa was also detected in the Western blot (FIG. 23b, lane 5, arrow). The large number of presumably unspecific signals obtained with immunodetection may result from the type of antibody obtained. The same expression system was used for the purified recombinant protein (CsIb-LOX) as for the PtLOXI (vector pQE30 in SG 13009 E. coli cells). For this reason, the antibody fraction obtained with the purified recombinant Cslb lipoxygenase also shows reactivity to other proteins from this system, which were therefore detected in all fractions, including the empty vector purification.
Das Ergebnis der SDS-PAGE und des Westem-Blots zusammengenommen bedeutete, dass PtLOXI nicht an das TALON® bindet. Eine vergleichende Aktivitätsbestimmung zwischen den einzelnen Proteinfraktionen könnte Klärung verschaffen bei Einsatz von jeweils gleichen Mengen an Protein. Da bei diesem Experiment lediglich genug Protein für ein SDS-Gel und eine Western-Blot-Analyse vorhanden war, konnte dies mit dieser Reinigung nicht weiter verfolgt werden. Daher wurde eine erneute Reinigung im präparativen Maßstab durchgeführt. Es wurde auch mit EDTA und durch das Senken des pH-Wertes eluiert, wobei konsequenterweise dasselbe Ergebnis erhalten wurde, da PtLOXI nicht an das TALON® band.The result of the SDS-PAGE and the Western blot taken together means that PtLOXI does not bind to the TALON®. A comparative determination of the activity between the individual protein fractions could provide clarification when the same amounts of protein are used. Since there was only enough protein for an SDS gel and a Western blot analysis in this experiment, this purification could not be pursued further. Therefore, a new cleaning was carried out on a preparative scale. It was also eluted with EDTA and by lowering the pH, and consequently the same result was obtained since PtLOXI did not bind to the TALON®.
Beispiel 37: Präparative ReinigungExample 37: Preparative cleaning
Für die präparative Reinigung wurde unter modifizierten Bedingungen das rekombinante Protein exprimiert. Nach Induktion der Translation mit IPTG erfolgte eine weitere Inkubation über Nacht bei 28°C und über die Dauer von sieben Tagen bei 10°C. Statt stufenweiser Elution (Beispiel 36) wurde hier nur mit 5 mM Imidazol gewaschen und das an der Säule verbliebene Protein im Anschluss mit 125 mM Imidazol eluiert (s. Beispiel ,19).. Die Reinigung bestätigt, dass nur in den Fraktionen der Reinigung nach Expression von PtLOXI bei 10°C das als PtLOXI identifizierte Protein vorhanden war (Figur 24, Spur 19, 20, Reil). Der Western-Blot der Expression bei 10°C (Figur 25b) bestätigt, dass RLOX1 nicht an das TALON® band, da wieder im Durchfluss sowie in der Na- Phosphat-Waschfraktion eine Bande der richtigen Größe detektiert wurde (Spur 19 und 20, Reil).For the preparative purification, the recombinant protein was expressed under modified conditions. After induction of translation with IPTG, a further incubation took place overnight at 28 ° C and over a period of seven days at 10 ° C. Instead of stepwise elution (example 36), washing was carried out here only with 5 mM imidazole and the protein remaining on the column was then eluted with 125 mM imidazole (see example, 19). The cleaning confirmed that only in the fractions after the cleaning Expression of PtLOXI at 10 ° C. the protein identified as PtLOXI was present (FIG. 24, lane 19, 20, Reil). The Western blot of the expression at 10 ° C. (FIG. 25b) confirms that RLOX1 did not bind to the TALON®, since a band of the correct size was again detected in the flow and in the Na phosphate wash fraction (lanes 19 and 20, Reil).
SG 13009-Zellen wurden mit PtLOXI transformiert und nach IPTG-Zugabe bei 10°C rund 60 h exprimiert. - A mit Coomasie gefärbtes SDS-Gel, B mit α-CsIbLOX/lgA-ALP gefärbter Western-Blot. Der Pfeil kennzeichnet PtLOXI . 19 Durchfluss nach Affinitätsbindung des bakteriellen Proteinextraktes an TALON®, 20 Waschschritt mit Na- Phosphat-Puffer, 21 Waschschritt mit 5 mM Imidazol, 22 bis 26 Elution mit Imidazol: 125 mM'1 , 125 mM"2, 125 mM"3, 300 mM, 500 mM. Weder bei der Reinigung des Zelllysates nach der Expression des Leervektors, noch bei der Expression von PtLOXI bei 28°C ist in Figur 24 an dieser Stelle eine Proteinbande deutlich erkennbar.SG 13009 cells were transformed with PtLOXI and, after adding IPTG, expressed at 60 ° C. for about 60 hours. - A SDS gel stained with Coomasie, B Western blot stained with α-CsIbLOX / lgA-ALP. The arrow indicates PtLOXI. 19 flow rate after affinity binding of the bacterial protein extract to TALON®, 20 washing step with Na phosphate buffer, 21 washing step with 5 mM imidazole, 22 to 26 elution with imidazole: 125 mM '1 , 125 mM "2 , 125 mM " 3 , 300 mM, 500 mM. Neither in the cleaning of the cell lysate after the expression of the empty vector nor in the expression of PtLOXI at 28 ° C. is a protein band clearly recognizable in FIG.
Der Pfeil kennzeichnet PtLOXI. Es wurden SG 13009-Zelien mit folgenden Vektoren transformiert und unter den im Text angegebenen Bedingungen nach IPTG Zugabe exprimiert: 1 bis 8 pQE2028°C, 9 bis 12 und 15 bis 18 PtLOXI (Expression bei 28°C), 19 bis 26 PtLOXI (Expression bei 10°C) 1 ,9,19 Durchfluss nach Affinitätsbindung des bakteriellen Proteinextraktes an TALON®, 2,10,20 Waschschritt mit Na-Phosphat-Puffer,The arrow indicates PtLOXI. SG 13009 cells were transformed with the following vectors and expressed under the conditions specified in the text after IPTG addition: 1 to 8 pQE2028 ° C, 9 to 12 and 15 to 18 PtLOXI (expression at 28 ° C), 19 to 26 PtLOXI ( Expression at 10 ° C) 1, 9.19 flow rate after affinity binding of the bacterial protein extract to TALON®, 2.10.20 washing step with Na phosphate buffer,
3.11.21 Waschschritt mit 5 mM Imidazol, 13,14 Proteinstandard; Elution mit Imidazol:3.11.21 washing step with 5 mM imidazole, 13.14 protein standard; Elution with imidazole:
4.12.22 125 mM-1 , 5,15,23 125 mM"2, 6,16,24 125 mM"3, 7,17,25300 mM, 8,18,26 500 mM.4.12.22 125mM-1, 5.15.23 125mM "2 , 6.16.24 125mM " 3 , 7.17.25300mM, 8.18.26 500mM.
Als zusätzliche Bestätigung der Western-Blot-Analysen wurde eine Aktivitätsbestimmung für ausgewählte Fraktionen der Reinigung von rekombinanter PtLOXI, die bei 10°C bzw. bei 28°C exprimiert wurde, mit jeweils gleichen Mengen an Protein durchgeführt (Beispiel 13). Die Auswertung für die Reinigung von rekombinanter PtLOX, die bei 10°C exprimiert wurde, ist in Tabelle 5 dargestellt. Die Enzymaktivität der Expression von PtLOXI bei 28°C war nicht auswertbar. Als Maß für die Aktivität wurde die Summe der Flächen von 13- und 9-HODE herangezogen. Um autoxidative Prozesse abzuschätzen, wurde das Verhältnis von 13- zu 9-HODE zusätzlich angegeben. Es zeigte sich, dass die LOX-Aktivität ausschließlich im Durchfluss und in der Waschfraktion zu messen ist. Es sollte hervorgehoben werden, dass der zum Waschen verwendete Na-Phosphat-Puffer kein Imidazol enthielt. Somit bestätigte sich, dass PtLOXI nicht an TALON® bindet. Der aktive Klon PtLOXI wurde nun im Expressionsvektor pQE30 durchsequenziert, wobei bei der Benutzung der Vektor-spezifischen Primer für die äußeren Enden von PtLOXI (3'- und 5'-Ende) die Sequenzierung bestätigen, dass der Vektor pQE30 tatsächlich die sechs Histidinreste in seiner kodierenden Sequenz enthält. As an additional confirmation of the Western blot analyzes, an activity determination for selected fractions for the purification of recombinant PtLOXI, which was expressed at 10 ° C. or at 28 ° C., was carried out with the same amounts of protein (Example 13). The evaluation for the purification of recombinant PtLOX, which was expressed at 10 ° C., is shown in Table 5. The enzyme activity of the expression of PtLOXI at 28 ° C could not be evaluated. The sum of the areas of 13- and 9-HODE was used as a measure of the activity. In order to estimate autoxidative processes, the ratio of 13- to 9-HODE was also given. It was shown that the LOX activity can only be measured in the flow and in the wash fraction. It should be emphasized that the Na phosphate buffer used for washing contained no imidazole. This confirmed that PtLOXI does not bind to TALON®. The active clone PtLOXI was now sequenced in the expression vector pQE30, and when using the vector-specific primers for the outer ends of PtLOXI (3 'and 5' end) the sequencing confirms that the vector pQE30 actually contains the six histidine residues in its contains coding sequence.
Tabelle 5: Analyse der Aktivität einzelner Fraktionen der präparativen Reinigung von PtLOXI . Dargestellt sind die Ergebnisse für die Expression rekombinanter PtLOXI bei 10°C nach IPTG-Zugabe. Es wurden jeweils 40 μg Substrat eingesetzt, 2 h inkubiert und gleiche Mengen per Normal-Phasen PHLC analysiert.Table 5: Analysis of the activity of individual fractions of the preparative purification of PtLOXI. The results for the expression of recombinant PtLOXI at 10 ° C. after addition of IPTG are shown. 40 μg of substrate were used in each case, incubated for 2 h and the same amounts were analyzed by normal phase PHLC.
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Insgesamt belegen die durchgeführten Analysen, dass das erhaltene Enzym weder in ausreichender Reinheit noch in genügenden Mengen, die für die geplanten kinetischen Messungen benötigt werden, gewonnen werden konnte.Overall, the analyzes carried out show that the enzyme obtained could not be obtained either in sufficient purity or in sufficient amounts that are required for the planned kinetic measurements.
Diskussiondiscussion
Im Rahmen dieser Arbeit wurde Lipoxygenase aus der Kieselalge P. tricornutum isoliert und rekombinant in E. coli exprimiert. Bisher wurde keine isolierte Sequenz beschrieben, die eine Lipoxygenase aus Kieselalgen kodiert. Die Lipoxygenase weist im Vergleich zu pflanzlichen Lipoxygenasen eine außergewöhnliche Substratspezifität auf.In the course of this work, lipoxygenase was isolated from the diatom P. tricornutum and expressed recombinantly in E. coli. So far, no isolated sequence encoding a diatom lipoxygenase has been described. Compared to vegetable lipoxygenases, lipoxygenase has an exceptional substrate specificity.
Die Zuordnung von PtLOXI zur Gruppe der 13-Lipoxygenasen vom Typ 2 ist mit einem hohen Unsicherheitsfaktor belastet, da sie im Stammbaum ungefähr die gleiche Entfernung zu 13- und 9-üpoxygenasen vom Typ 1 aufweist. Bei Lipoxygenasen vom Typ 2 handelt es sich um Lipoxygenasen chloroplastidärer Signalsequenz. PtLOXI weist zu den Vertretern der verschiedenen Gruppen relativ geringe Homologie auf der Basis des Sequenzvergleiches auf.The assignment of PtLOXI to the group of 13 lipoxygenases of type 2 is burdened with a high degree of uncertainty, since it is approximately the same distance to 13- and 9-epoxygenases of type 1 in the family tree. Type 2 lipoxygenases are lipoxygenases of chloroplastic signal sequence. PtLOXI shows relatively low homology to the representatives of the different groups based on the sequence comparison.
Der durchschnittliche Wert der Homologie unter Einbeziehung jeweils aller Vertreter der 9- und 13-Lipoxygenasen vom Typ 1 beträgt jeweils 36 %. Bemerkenswert ist, dass PtLOXI auch innerhalb der Gruppe der 13-Lipoxygenasen vom Typ 2 durchschnittlich nur 33 % Homologie aufweist, anstatt der unter den Gruppenmitgliedern sonst üblichen 45 % (s. Tabelle 6). All diese Befunde sprechen dafür, dass die Abspaltung von PtLOXI von der Entwicklung der Lipoxygenasen höherer Pflanzen während der Evolution relativ früh eintrat. Dies ist in Übereinstimmung mit dem evolutionären Abstand zwischen Kieselalgen und höheren Pflanzen, der auch auf anderen Ebenen gefunden wird.The average homology value, including all representatives of the 9- and 13-lipoxygenases of type 1, is 36%. It is noteworthy that PtLOXI also has an average of only 33% homology within the group of 13-type 2 lipoxygenases, instead of the 45% otherwise usual among the group members (see Table 6). All of these findings suggest that the cleavage of PtLOXI from the development of lipoxygenases in higher plants occurred relatively early during evolution. This is in line with the evolutionary Distance between diatoms and higher plants, which is also found on other levels.
Tabelle 6: Homologie der Lipoxygenasegruppen zueinander. Schnittpunkte der Gruppe mit sich selber entsprechen der Homologie der Lipoxygenasen innerhalb der Gruppe. Grundlage der Berechnung mit GENEDOC bildete der Sequenzvergleich bekannter Sequenzen. Es wurde der Durchschnittswert der Kombination aller Sequenzen gebildet, die für den jeweiligen Vergleich relevant waren (zwischen 130 und 900 Kombinationen). Angaben in Prozent.Table 6: Homology of the lipoxygenase groups to one another. Intersections of the group with themselves correspond to the homology of the lipoxygenases within the group. The sequence comparison of known sequences formed the basis for the calculation with GENEDOC. The average of the combination of all sequences which were relevant for the respective comparison was formed (between 130 and 900 combinations). Numbers in percent.
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Die intrazelluläre Lokalisation wird als Hinweis auf die physiologische Funktion von Lipoxygenasen betrachtet (zusammengefasst in [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002]. Ein gleichzeitiges Auftreten von Lipoxygenasen wurde inThe intracellular localization is regarded as an indication of the physiological function of lipoxygenases (summarized in [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002]. A simultaneous occurrence of lipoxygenases has been described in
Vakuolen, im Cytoplasma und in Piastiden beobachtet. Es wird angenommen, dass die zeitliche und räumliche Trennung der Aktivität verschiedener Lipoxygenase-Isoformen die Grundlage für das Beschreiten eines der sechs verschiedenen Reaktionswege für Lipoxygenase-Produkte bildet [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002]. Zumindest in zwei Fällen wurde nachgewiesen, dass das Auftreten einerVacuoles observed in the cytoplasm and plastids. It is believed that the temporal and spatial separation of the activity of different lipoxygenase isoforms forms the basis for following one of the six different reaction pathways for lipoxygenase products [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002]. At least in two cases it was demonstrated that the occurrence of a
Lipidkörper-Lipoxygenase bei der Mobilisierung von Speicherlipiden eine Rolle spielt [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6:262-267, 2001] und eine chloroplastidäre Lipoxygenase essenziell für die Jasmonsäure-Synthese ist [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48:355-381, 1997].Lipid body lipoxygenase plays a role in the mobilization of storage lipids [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001] and a chloroplastic lipoxygenase is essential for the synthesis of jasmonic acid [Creelman et al., Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 48: 355-381, 1997].
Gemäß dem phylogenetischen Stammbaum gehört PtLOXI scheinbar den Lipoxygenasen vom Typ 2 an, welche durch eine chloroplastidäre Signalsequenz charakterisiert sind. Allerdings ist, wie im vorherigen Abschnitt diskutiert, der evolutionäre Abstand zu allen Gruppen der Lipoxygenasen ungefähr gleich groß. Zudem sind einige Lipoxygenasen in dem Stammbaum falsch eingeordnet, da es sich z.B. bei LOX1 :Cs:3 und LOX1:Hv:3 um 13-Lipoxygenasen handelt und nicht um 9-Lipoxygenasen, wie man dem Stammbaum entnehmen könnte. Da somit nicht eindeutig ist, ob PtLOXI nun tatsächlich eher vom LOX2-Typ ist oder vom LOX1 -Typ, wurde genauer untersucht, ob PtLOXI eine Signalsequenz aufweist. Im Sequenzvergleich mit einer Auswahl pflanzlicher Lipoxygenasen weist PtLOXI , wie alle Lipoxygenasen vom LOX2-Typus, eine N-terminale Verlängerung von rund 50 AS im Vergleich zu Lipoxygenasen vom Typ 1 auf. Dies spricht stark für eine plastidäre Signalsequenz, da aber PtLOXI mutmaßlich evolutionär weit entfernt ist von Lipoxygenasen höherer RIanzen, kann dies auch andere Ursachen haben.According to the phylogenetic family tree, PtLOXI apparently belongs to the type 2 lipoxygenases, which are characterized by a chloroplastic signal sequence. However, as discussed in the previous section, the evolutionary distance to all groups of lipoxygenases is approximately the same. In addition, some lipoxygenases are misclassified in the family tree, since LOX1: Cs: 3 and LOX1: Hv: 3 are 13-lipoxygenases and not 9-lipoxygenases, as one could see from the family tree. Since it is therefore not clear whether PtLOXI is actually actually of the LOX2 type or of the LOX1 type, it was examined more closely whether PtLOXI has a signal sequence. In a sequence comparison with a selection of plant lipoxygenases, PtLOXI, like all lipoxygenases of the LOX2 type, shows an N-terminal extension of around 50 AS compared to type 1 lipoxygenases. This speaks strongly for a plastid signal sequence, but since PtLOXI is presumably evolutionarily far away from lipoxygenases of higher levels, this can also have other causes.
Chloroplastidäre Signalsequenzen, auch Transitpeptide genannt, können sehr unterschiedlich in Bezug auf ihre Aminosäuresequenz sein, aber enthalten gewisse diagnostische Merkmale. Sie haben einen außergewöhnlich hohen Grad an hydroxy- lierten Aminosäuren (Serin, Threonin) und sind zudem immer positiv geladen. Die pro-Proteine weisen eine Schnittstelle für Signal-Peptidase auf, die in Landpflanzen und Chlamydomonas eingeschränkt konserviert ist [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47):30973-30978, 1998]. Aufgrund dieser relativ schlechten Identifizierbarkeit wurden Programme entwickelt, mit denen eine Vorhersage für diese Transitpeptide getroffen werden kann.Chloroplastidale signal sequences, also called transit peptides, can be very different in terms of their amino acid sequence, but contain certain diagnostic features. They have an exceptionally high level of hydroxylated amino acids (serine, threonine) and are also always positively charged. The pro proteins have an interface for signal peptidase which is conserved to a limited extent in land plants and Chlamydomonas [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-30978, 1998]. Because of this relatively poor identifiability, programs have been developed with which a prediction for these transit peptides can be made.
Wie schon erwähnt, konnte aufgrund geringer Sicherheitsmodi keine Analyse mit Programmen wie CHLOROP [Emanuelsson et al., Protein Sei, 8(5):978-84, 1999] oder dem moderneren PCLR [Schein et al., Nucleic Acids Res. 29(16):E82, 2001] für PtLOXI durchgeführt werden CHLOROP basiert auf einem neuronalen Netzwerk, das mit Sequenzen von Proteinen trainiert wurde, von denen die Präsenz einer N-terminalen chloroplastidären Signalsequenz bekannt ist. Daher weist es eine schon recht bemerkenswerte Genauigkeit in der Vorhersage auf. Ein Kritikpunkt dieses Programmes ist die Schwierigkeit die Kriterien zu interpretieren, aufgrund derer eine Vorhersage getroffen wird. Aus diesem Grunde wurde eine Methode entwickelt, welche die Vor- hersage ausschließlich aufgrund der Häufigkeit verschiedener Aminosäuretypen in der N-trminalen Region des Proteins trifft [Schein et al., Nucleic Acids Res. 29(16):E82, 2001]. Damit werden Ergebnisse in der Vorhersage erzielt, die CHLOROP in der Genauigkeit der Vorhersage bei weitem übertreffen.As already mentioned, due to low security modes, analysis with programs such as CHLOROP [Emanuelsson et al., Protein Sei, 8 (5): 978-84, 1999] or the more modern PCLR [Schein et al., Nucleic Acids Res. 29 ( 16): E82, 2001] for PtLOXI CHLOROP is based on a neural network that has been trained with sequences of proteins, of which the presence of an N-terminal chloroplastic signal sequence is known. Therefore, it has a quite remarkable accuracy in the prediction. A criticism of this program is the difficulty in interpreting the criteria on the basis of which a prediction is made. For this reason, a method was developed which predicts only on the basis of the frequency of different amino acid types in the N-terminal region of the protein [Schein et al., Nucleic Acids Res. 29 (16): E82, 2001]. This results in prediction results that far exceed CHLOROP in the accuracy of the prediction.
Mit diesen beiden Programmen wurde eine Analyse auf Signalsequenzen für alle Lipoxygenasen durchgeführt. Daraufhin wurde die Sequenz im mutmaßlichen Schnittbereich positiver Kandidaten mit dem bekannten konservierten Schnittbereich von Landpflanzen und mit PtLOXI vergleichen. Erwartungsgemäß wurde nur für 13-Lipoxygensen vom LOX2-Typ eine chloroplastidäre Signalsequenz vorher- gesagt. Wie erwähnt, besitzen Landpflanzen eine konservierte Region im Bereich der Schnittstelle für stromale Peptidasen. Diese Ergebnisse wurden mit PtLOXI verglichen, woraufhin eine mutmaßliche Schnittstelle für stromale Signalpeptidasen gefunden wurde. Tabelle 7 zeigt für einige 13-Lipoxygenasen vom Typ 2 die Vorhersage von PCLR und CHLOROP, den konservierten Schnittbereich von Landpflanzen sowie die mögliche Schnittstelle von PtLOXI . Diese Befunde sprechen recht deutlich für eine plastidäre Lokalisation, was durch immuncytochemische Untersuchungen bestätigt werden müsste. Im Vergleich zu höheren Pflanzen unterscheiden sich Heterokontophyta (Chrysophyta), zu denen auch die Kieselalgen zählen, durch die bemerkenswerte Tatsache, dass die Plastide vier umschließende Membranen besitzen. Es wird angenommen, dass dieses Merkmal die Evolution dieser Organismen durch sekundäre Endosymbiose reflektiert, indem ein photosynthetische Eukaryot (der durch primäre Endosymbiose entstand) durch eine eukaryotische heterotrophe Wirtszelle aufgenommen wurde [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47):30973-30978, 1998]. Als Ergebnis scheinen die inneren zwei Membranen den Hüllmembranen der Plastide höherer Pflanzen zu entsprechen, die nächste Membran ist ein Rest der endosymbiontischen Plasmamembran und die vierte Membran geht fließend in das Endoplasmatische Retikulum (ER) über. Es ist bekannt, dass plastidäre Proteine in Heterokontophyta eine zusätzliche Signalsequenz für den Eintritt in das ER besitzen [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47): 30973-30978, 1998; Bhaya et al., Mol Gen Genet, 229(3):400-4, 1991]. Es ist allerdings nicht bekannt, wie die zweite Membran vom Lumen des ER aus überwunden wird. Schnittstellen für Eurkaryotische Signalpeptid- asen werden gewöhnlich im Bereich an Position 15 bis 18 von Pre-Pro-Proteinen durch die Methode von HEIJNE [G. von Heijne, Nucleic Acids Res, 14(11):4683-90, 1986] vorhergesagt. SIGNALSEQ, was Bestadteil von HUSAR ist, nutzt die Methode und sagt für PtLOXI an Position 14 (ASAJFR) eine Schnittstelle voraus (Pmax = 0,4350). Da allerdings auch für LOX2:At:1 eine Schnittstelle in diesem Bereich mit einer ähnlichen Wahrscheinlichkeit vorhergesagt wird, kann dieser Befund nur bedingt die These unterstützen, dass RLOX1 N-terminal bezüglich des Transitpeptides für plastidäre Lokalisation über ein ER-Signalpeptid verfügt. These two programs were used to analyze signal sequences for all lipoxygenases. The sequence in the putative cut area of positive candidates was then compared with the known conserved cut area of land plants and with PtLOXI. As expected, a chloroplastid signal sequence was only predicted for 13-lipoxygens of the LOX2 type. As mentioned, land plants have a conserved region in the region of the interface for stromal peptidases. These results were compared to PtLOXI, whereupon a putative interface for stromal signal peptidases was found. Table 7 shows the prediction of PCLR and CHLOROP for some 13-type 2 lipoxygenases, the conserved cut area of land plants and the possible interface of PtLOXI. These findings speak very clearly for plastid localization, which should be confirmed by immunocytochemical studies. Compared to higher plants, Heterocontophyta (Chrysophyta), which also includes diatoms, differ in the remarkable fact that the plastids have four enclosing membranes. This trait is believed to reflect the evolution of these organisms through secondary endosymbiosis by ingesting a photosynthetic eukaryote (originating from primary endosymbiosis) through a eukaryotic heterotrophic host cell [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47 ): 30973-30978, 1998]. As a result, the inner two membranes appear to correspond to the envelope membranes of the plastids of higher plants, the next membrane is a remnant of the endosymbiotic plasma membrane, and the fourth membrane flows smoothly into the endoplasmic reticulum (ER). It is known that plastid proteins in heterocontophyta have an additional signal sequence for entry into the ER [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-30978, 1998; Bhaya et al., Mol Gen Genet, 229 (3): 400-4, 1991]. However, it is not known how the second membrane is overcome from the ER lumen. Interfaces for eurkaryotic signal peptide ases are usually in the range at positions 15 to 18 of pre-pro proteins by the method of HEIJNE [G. by Heijne, Nucleic Acids Res, 14 (11): 4683-90, 1986]. SIGNALSEQ, which is part of HUSAR, uses the method and predicts an interface for PtLOXI at position 14 (ASAJFR) (P max = 0.4350). However, since an interface in this area is also predicted with a similar probability for LOX2: At: 1, this finding can only support the thesis to a limited extent that RLOX1 has an ER signal peptide with respect to the transit peptide for plastid localization.
Tabelle 7: Schnittstellen stromaler Peptidasen in Kieselalgen und höheren Pflanzen, Schnittstellen für den LOX2-Typus pflanzlicher Lipoxygenasen wurden mit CHLOROP und PCLR berechnet.Table 7: Interfaces of stromal peptidases in diatoms and higher plants, interfaces for the LOX2 type of plant lipoxygenases were calculated with CHLOROP and PCLR.
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Auf das Vorhandensein einer Signalsequenz wird bei CHLOROP ab Werten größer als 0,5 und bei PCLR ab 0,42 geschlossen. einfacher Reil, mutmaßliche Schnittposition durch CHLORP berechnet; Doppelpfeil, durch N-terminalβ Sequenzierung bestimmt. c) Aufgrund von Sequenzhomologie bestimmt Fucoxanthin-Chlorophyll a/c bindendes Protein von P. tricornutum [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47):30973-The existence of a signal sequence is inferred for CHLOROP from values greater than 0.5 and for PCLR from 0.42. simple reil, putative cut position calculated by CHLORP; Double arrow, determined by N-terminalβ sequencing. c) Based on sequence homology, fucoxanthin chlorophyll a / c determines binding protein of P. tricornutum [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-
30978, 1998] eennttsspprreecchheenndd den Referenzen [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47):30973-30978, 1998; Emanuelsson, Protein Sei,30978, 1998] recognizes the references [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-30978, 1998; Emanuelsson, protein be,
8(5):978-84, 1999]8 (5): 978-84, 1999]
OOddooiinnttella sinensis (Kieselalge), entsprechend der Referenz [Lang et al., J. Biol. Chem., 273(47):30973-30978,OOddooiinnttella sinensis (diatoms), according to the reference [Lang et al., J. Biol. Chem., 273 (47): 30973-30978,
1998]1998]
Ein weiteres Indiz für plastidäre Lokalisation von PtLOXI ist das pH-Optimum von 8,2 (siehe unten).Another indication of plastid localization of PtLOXI is the pH optimum of 8.2 (see below).
pH-OptimumpH optimum
Das pH-Optima der PtLOXI wurde mittels Normal-Phasen-HPLC durch die Umsetzung von Linolsäure bestimmt. Es wurde die Methode der Endwert-Bestimmung ange- wendet, bei der die Menge des gebildeten Produkts nach einer gewissen Zeit unter differierenden Bedingungen bestimmt wird. Sie ist aus dem Grunde ungeeignet, da in keinem Fall linearer Produktanstieg und Substratabnahme für alle Bedingungen garantiert werden kann, was insbesondere lange Umsatzzeiten und hohe Enzymaktivität betrifft. Aus diesem Grunde repräsentieren die erhaltenen Optimumskurven, bei dem Vergleich der Aktivität unter verschiedenen Bedingungen, in keinem Fall das wahre Verhältnis der Aktivitäten. Nichtsdestoweniger lassen sich bei entsprechender Wahl der Menge des eingesetzten Enzyms und der Umsatzzeit ein guter Hinweis auf die optimalen Bedingungen erhalten. Im Vergleich zu diesem Fehler spielen unter- schiedliche Enzym- oder Substratmengen im Ansatz (durch Pipetierfehler) sowie unterschiedliche lonenstärke des Puffers, Temperatur usw. eher eine untergeordnete Rolle. Andere Verfahren zur pH-Optimumbestimmung wären über die „online" Verfolgung des Sauerstoffverbrauchs bei der Lipoxygenase-Reaktion über eine Sauer- stoffelektrode oder die Messung der Produktbildung durch die Verfolgung der Absorp- tionszunahme bei 234 nm am Spektrophotometer möglich [Axelrod et al., MethodsThe pH optima of the PtLOXI was determined by means of normal phase HPLC through the conversion of linoleic acid. The method of determining the final value was used, in which the amount of product formed is determined after a certain time under different conditions. It is unsuitable for the reason that in no case can linear increase in product and decrease in substrate be guaranteed for all conditions, in particular with regard to long sales times and high enzyme activity. For this reason, the optimum curves obtained represent at comparing the activity under different conditions, never the true ratio of the activities. Nevertheless, a good indication of the optimal conditions can be obtained if the amount of enzyme used and the conversion time are chosen accordingly. In comparison to this error, different amounts of enzyme or substrate in the batch (due to pipetting errors) as well as different ionic strength of the buffer, temperature etc. play a minor role. Other methods for determining the optimum pH would be possible via the "online" monitoring of the oxygen consumption in the lipoxygenase reaction via an oxygen electrode or the measurement of the product formation by monitoring the increase in absorption at 234 nm on a spectrophotometer [Axelrod et al., Methods
Enzymol, 71:441-451, 1981]. Über das pH-Optimum der Enzyme lassen sich Aussagen über die Lokalisierung der Enzyme treffen und damit auch Schlussfolgerungen auf die mögliche physiologische Funktionen ziehen. In den einzelnen Kompartimenten der Pflanzenzelle sind, z.T. zeitlich abhängig, verschiedene pH-Werte. So besitzen Vakuolen und Peroxisomen ein saures Milieu. Im Stroma der Chloroplasten steigt tagsüber der pH-Wert von 7,0 auf rund 8, da durch die aktiven Photosysteme in der Thylakoidmembran Protonen aus dem Stroma in die Thylakoiden gepumpt werden. Das pH-Optimum von RLOX von 8,2 ist somit in Übereinstimmung mit der chloro- plastidären Signalsequenz, die für PtLOXI identifiziert wurde. Zudem dient es als Hinweis, dass PtLOXI während der Lichtreaktion aktiv wird. Es gibt auch chloroplastidäre Lipoxygenasen mit einem sauren pH-Optimum (z.B LOX2:Hv:1 (LOX-100) [Kohlmann et al., Eur. J. Biochem., 260:885-895, 1999]. Sinkt der pH-Wert im Stroma auf dieses Niveau durch Stress oder durch Beschädigung der Membranen, so nimmt man an, dass diese Lipoxygenasen aktiv werden und den weiteren Abbau der Zelle induzieren können (Jasmonsäurebildung, Abbau der Membranen usw.). Es wurde beschrieben, dass Produkte des LOX-HPL-Reaktionswegs (Aldehyde) rapide nach mechanischer Beschädigung von Kieselalgen gebildet wurden. Da diese Aldehyde drastisch den Erfolg beim Schlüpfen von Ruderfußkrebsen, den Feinden von Kieselalgen im Phytoplankton, verminderte, spricht dies für eine Wund-induzierte Ver- teidigung. Dass Jasmonsäure durch die Aktivität von PtLOXI den Verteidigungsmechanismus bei P. tricornutum induzieren könnte, ist äußerst unwahrscheinlich, da die zur Synthese notwendige α-Linolensäure mit 0,2 % Anteil am Fettsäureinhalt [Schobert et al., Plant Physiol, 66:215-219, 1980] zu vernachlässigen ist. Sollte PtLOXI eine Rolle spielen bei der Wund-induzierten Freisetzung von Aldehyden, stellt sich somit die Frage der Aktivierung. Jasmonsäure als Aktivator von Stress-induzierten Genen kann, wie eben erläutert, keine Rolle spielen und eine Aktivierung durch den Zusammenbruch des stromalen pH-Gradienten ist aufgrund des pH-Optimums von PtLOXI auch auszuschließen. Somit scheint unwahrscheinlich, dass RLOX1 in diesem Verteidigungsmechanismus involviert ist. In unbeschädigten Zellen wurden nahezu keine Degradationsprodukte oxidierter Fettsäuren festgestellt [Pohnert et al., Nat. Pro. Rep., 19:108-122, 2002].Enzymol, 71: 441-451, 1981]. About the pH optimum of the enzymes, statements can be made about the localization of the enzymes and thus also conclusions can be drawn about the possible physiological functions. Different pH values in the individual compartments of the plant cell are dependent on the time. Vacuoles and peroxisomes have an acidic environment. In the stroma of the chloroplasts, the pH rises from 7.0 to around 8 during the day, since protons are pumped from the stroma into the thylakoids by the active photosystems in the thylakoid membrane. The pH optimum of RLOX of 8.2 is thus in agreement with the chloroplast plastic signal sequence that was identified for PtLOXI. It also serves as an indication that PtLOXI becomes active during the light reaction. There are also chloroplastic lipoxygenases with an acidic pH optimum (eg LOX2: Hv: 1 (LOX-100) [Kohlmann et al., Eur. J. Biochem., 260: 885-895, 1999]. The pH value drops in the stroma to this level due to stress or damage to the membranes, it is believed that these lipoxygenases become active and can induce further cell degradation (jasmonic acid formation, membrane degradation, etc.). It has been described that products of the LOX- HPL reaction pathways (aldehydes) were formed rapidly after mechanical damage to diatoms, since these aldehydes drastically reduced the success in hatching crayfish, the enemies of diatoms in phytoplankton, suggests a wound-induced defense PtLOXI activity could induce the defense mechanism in P. tricornutum is extremely unlikely since the α-linolenic acid required for synthesis with 0.2% of the fatty acid content [Schobert et al., Pla nt Physiol, 66: 215-219, 1980] is negligible. If PtLOXI plays a role in the wound-induced release of aldehydes, the question of activation arises. As just explained, jasmonic acid as an activator of stress-induced genes can play no role and activation due to the breakdown of the stromal pH gradient can also be ruled out due to the pH optimum of PtLOXI. Thus, RLOX1 seems unlikely to be involved in this defense mechanism. Almost none were found in undamaged cells Degradation products of oxidized fatty acids found [Pohnert et al., Nat. Per. Rep., 19: 108-122, 2002].
Reinigungcleaning
Für genaue kinetische Untersuchungen ist es notwendig, gereinigtes Enzym einzusetzen. So kann zwar der KM auch mit ungereinigtem Enzym bestimmt werden, wobei sich aber ein Unsicherheitsfaktor aufgrund der Präsenz anderer Proteine im Ansatz ergibt. Da durch die vergleichbare Analyse der verschiedenen Substrate in Figur 8 ein Hin- weis für eine Bevorzugung für ÄRA und EPA ergeben hat, wäre es von Interesse, den KM und ^M für alle Substrate zu bestimmen. Dadurch könnte eine viel präzisere Aussage über die Substratspezifität von PtLOXI getroffen werden. Es wird angenommen, dass die Reinigung über das Histidin-Metallkomplex-System nicht gelang, weil das rekombinante Protein die N-terminale Sequenz von sechs Histidin nicht aufweist. Als möglich Ursache könnte in Frage kommen, dass die Translation des Proteins nicht an der im Expressionsvektor dafür vorgesehenen Stelle begann, sondern erst am Start-Methionin der RLOX1 -Sequenz.For precise kinetic studies, it is necessary to use purified enzyme. So the K M can also be determined with unpurified enzyme, but there is an uncertainty factor due to the presence of other proteins in the batch. Since the comparable analysis of the different substrates in FIG. 8 has indicated a preference for ERA and EPA, it would be of interest to determine the K M and ^ M for all substrates. This could make a much more precise statement about the substrate specificity of PtLOXI. Purification via the histidine metal complex system is believed to have failed because the recombinant protein does not have the N-terminal sequence of six histidine. The possible cause could be that the translation of the protein did not begin at the location provided in the expression vector, but only at the start methionine of the RLOX1 sequence.
Substratspezifitätsubstrate specificity
Pflanzliche Lipoxygenasen werden aufgrund ihrer Positionsspezifität gegenüber Linolsäure in 9- und 13-Lipoxygenasen eingeteilt, da Linolsäure ein ubiquitär verbreitetes Substrat bei RIanzen darstellt. Wichtig für die Bildung der unterschiedlichen Produkte sind die Aminosäuren im aktiven Zentrum des Enzyms [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Es wurden zwei Hypothesen entwickelt, welche die Positionsspezifität von Lipoxygenasen zu erklären versuchen (zusammengefasst in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Die eine Hypothese geht davon aus, dass der verfügbare Raum über die Position der Sauerstoffeinführung ent- scheidet. So gleitet die ungesättigte Fettsäure mit dem Methylende voran soweit wie möglich in die Substratbindungstasche ein. Die bisallylische Methylgruppe, die dann in größter Nähe zum Wasserstoffakzeptor ist, wird in der Folge angegriffen, wonach eine [+2]- oder [-2]-Umlagerung des entstehenden Pentadienylradikals stattfinden kann. Es ist allerdings schwierig, mit diesem Modell genau diese Umlagerung zu erklären, weswegen eine zweite Hypothese entwickelt wurde. Dabei ist die Orientierung des Substrates in der Substratbindungstasche darüber entscheidend, ob Sauerstoff an der [+2]- oder [-2]-Position eingeführt wird. Soll bei 13-Lipoxygenasen das Substrat, wie auch bei dem Raum-Modell, mit dem Methylende voraus in die Bindungstasche gleiten, wohingegen bei 9-Lipoxygenasen die ungesättigte Fettsäure mit dem Carboxylende voran in die Tasche gleitet. Teil des Bodens der Bindungstasche ist bei allen pflanzlichen Lipoxygenasen ein höchst konserviertes Arginin, das bei der Umwandlung der Lipidkörper 13-Lipoxy- genase aus Gurke in eine 9-Lipoxygenase von zentraler Bedeutung ist (R758 der CsIbLOX) [Hornung et al., Proc NatI Acid Sei USA, 96(7):4192-4197, 1999]. Dieses Arginin tritt unabhängig von der Substrat- und Positionsspezifität auf und ihm geht in über 90 % der Fälle ein Asparagin voran. Als einzige Ausnahme unter pflanzlichen Lipoxygenasen sind an dieser Stelle im Sequenzvergleich bei PtLOXI zwei Histidine anstelle des Asparagin-Arginin-Tandem. Es ist davon auszugehen, dass diese auch bei PtLOXI den Boden der Tasche bilden, da dieser Bereich ansonsten hoch konserviert ist. Das Arginin am Boden der Bindungstasche wurde durch die H608V Mutation von CsIbLOX demaskiert, wobei durch die Salzbrücke zwischen der Carboxylgruppe des Substrates und dem Arginin die Energie des Einbringens einer Carboxylgruppe in eine hydrophobe Umgebung stark gesenkt wird [Hornung et al., Proc NatI Acad Sei USA, 96(7):4192-4197, 1999]. Auch wenn der pK-Wert der Histidine im Protein nicht genau abgeschätzt werden kann (pK = 6,5), so ist es im Vergleich zu Arginin (rund pK = 12) sicherlich unwahrscheinlicher, dass sie eine positive Ladung tragen. Aus diesem Grunde ist es unwahrscheinlich, dass es einen nahen Verwandten von PtLOXI mit 9-Lipoxygenase-Aktivität gibt, welcher der Orientation-bezogenen Theorie gerecht wird. Da selbst bei dieser Theorie bei einer 12-Lipoxygenase diese Position maskiert ist und somit keine Rolle spielt, scheint dieses außergewöhnliche Auftreten von Histidin anstatt von Arginin keine Bedeutung für den Katalysemechanismus zu haben.Plant-based lipoxygenases are classified into 9- and 13-lipoxygenases based on their position-specificity compared to linoleic acid, since linoleic acid is a ubiquitous substrate in plants. The amino acids in the active center of the enzyme are important for the formation of the different products [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. Two hypotheses have been developed which attempt to explain the position specificity of lipoxygenases (summarized in [Feussner et al., Enzymes in Lipid Modification, p. 309-336, Wiley-VCH, Weinheim, 2000]. One hypothesis assumes That the available space decides on the position of the oxygen introduction. Thus, the unsaturated fatty acid slides as far as possible into the substrate binding pocket with the methyl end first. The bisallylic methyl group, which is then in close proximity to the hydrogen acceptor, is subsequently attacked, after which a [+2] or [-2] rearrangement of the resulting pentadienyl radical can take place, but it is difficult to explain exactly this rearrangement with this model, which is why a second hypothesis was developed, whereby the orientation of the substrate in the substrate binding pocket is above it is decisive whether oxygen is introduced at the [+2] or [-2] position strat, as with the space model, slide the methyl end into the binding pocket, whereas with 9-lipoxygenases the unsaturated fatty acid slides into the pocket with the carboxyl end first. Part of the bottom of the binding pocket is a highly conserved arginine in all plant lipoxygenases, which is of central importance in the conversion of the lipid body 13-lipoxygenase from cucumber into a 9-lipoxygenase (R758 from CsIbLOX) [Hornung et al., Proc NatI Acid Sei USA, 96 (7): 4192-4197, 1999]. This arginine occurs regardless of substrate and position specificity and is preceded by an asparagine in over 90% of the cases. The only exception among plant lipoxygenases are two histidines instead of the asparagine-arginine tandem in the PtLOXI sequence comparison. It can be assumed that these also form the bottom of the bag for PtLOXI, as this area is otherwise highly conserved. The arginine at the bottom of the binding pocket was unmasked by the H608V mutation of CsIbLOX, whereby the salt bridge between the carboxyl group of the substrate and the arginine greatly reduced the energy of introducing a carboxyl group into a hydrophobic environment [Hornung et al., Proc NatI Acad Sei USA, 96 (7): 4192-4197, 1999]. Even if the pK value of the histidines in the protein cannot be estimated exactly (pK = 6.5), compared to arginine (around pK = 12) it is certainly less likely that they will carry a positive charge. For this reason, it is unlikely that there is a close relative of PtLOXI with 9-lipoxygenase activity that does justice to the orientation-related theory. Since even with this theory this position is masked for a 12-lipoxygenase and therefore does not play a role, this unusual occurrence of histidine instead of arginine does not seem to have any significance for the catalytic mechanism.
Konserviert ist hingegen die Aminosäure, die sich im Sequenzvergleich mit der SLOANE- Determinante [Sloane et al., Nature, 354:149-152, 1991] deckt. An dieser Stelle befindet sich in 9-Lipoxygenasen eine kleine Aminosäure wie Valin und in 13-Lipoxy- genasen eine große wie Phenylalanin. Eine Ausnahme bilden die 13-Lipoxygenasen LOX1 :Cs:1 und LOX1 :Cs:3 (H statt F) sowie LOX1:Hv:3 (V statt F). Diese Diskrepanz mag ihre Ursache darin haben, dass in diesen Fällen keine „klassischen" 13-üpoxy- genasen vorliegen [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002]. In PtLOXI liegt jedoch die voluminöse Aminosäure Phenylalanin vor, wie für eine 13-üpoxygenase erwartet.The amino acid, on the other hand, is conserved, which corresponds to the SLOANE determinant in sequence comparison [Sloane et al., Nature, 354: 149-152, 1991]. At this point there is a small amino acid like valine in 9-lipoxygenases and a big one like phenylalanine in 13-lipoxygenases. An exception are the 13-lipoxygenases LOX1: Cs: 1 and LOX1: Cs: 3 (H instead of F) and LOX1: Hv: 3 (V instead of F). This discrepancy may be due to the fact that in these cases there are no "classic" 13-epoxygenases [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002]. However, PtLOXI does the voluminous amino acid phenylalanine as expected for a 13-epoxygenase.
An der Position im Sequenzvergleich, die sich mit der BoRNGRÄBER-Determinante deckt, ist es schwieriger, konservierte Unterschiede zwischen 13- und 9-Lipoxygenasen zu finden. Meist findet man eine Kombination aus hydrophoben und hydrophilen Aminosäuren, die von der kleinen Aminosäure Glycin oder hydrophoben Aminosäure Cystein getrennt werden (z.B. S515,G516,V517 in LOX1:Nt:1). Bezüglich der Kombination von hydrophober/hydrophiler Aminosäure finden sich konservierte Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen. PtLOXI unterscheidet sich dahingehend von allen anderen Lipoxygenasen, dass bei ihr zwei hydrophobe Aminosäuren von der hydrophilen Aminosäure Threonin getrennt werden. Diese beiden hydrophoben Aminosäuren (Isoleucin deckt sich mit V542 der CsIbLOX, Alanin mit Y544 der CsIbLOX) existieren an dieser Stelle des Sequenzvergleichs bei keiner anderen Lipoxygenase, obwohl unmittelbar davor und dahinter PtLOXI höchste Homologie mit allen anderen Lipoxygenasen aufweist. Da diese Positionen als Bestandteil der Substratbindungstasche identifiziert wurden und ein Einfluss auf die Positionsspezifität nachgewiesen wurde [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53:275-297, 2002], muss davon ausgegangen werden, dass dieser Unterschied Einfluss auf die Art und Weise haben könnte, wie das Substrat gebunden oder fixiert wird. Da Aminosäuren ähnlichen Charakters und ähnlicher Größe an zwei dieser Positionen (vor und hinter dem Threonin) in anderer Kombination auch bei anderen Lipoxygenasen gefunden werden, ist die Art dieses Einflusses nicht unmittelbar ersichtlich.At the position in the sequence comparison that coincides with the BoRNGRÄBER determinant, it is more difficult to find conserved differences between 13- and 9-lipoxygenases. Usually a combination of hydrophobic and hydrophilic amino acids is found, which are separated from the small amino acid glycine or hydrophobic amino acid cysteine (e.g. S515, G516, V517 in LOX1: Nt: 1). With regard to the combination of hydrophobic / hydrophilic amino acids, there are conserved differences between the individual groups. PtLOXI differs from all others in that Lipoxygenases that separate two hydrophobic amino acids from the hydrophilic amino acid threonine. These two hydrophobic amino acids (isoleucine coincides with V542 from CsIbLOX, alanine with Y544 from CsIbLOX) do not exist at any other lipoxygenase at this point in the sequence comparison, although immediately before and after PtLOXI shows the highest homology with all other lipoxygenases. As these positions were identified as part of the substrate binding pocket and an influence on the position specificity was demonstrated [Feussner et al., Annu. Rev. Plant. Biol., 53: 275-297, 2002], it must be assumed that this difference could influence the way in which the substrate is bound or fixed. Since amino acids of similar character and size are found in two of these positions (before and after the threonine) in a different combination in other lipoxygenases, the nature of this influence is not immediately apparent.
Für 13- Lipoxygenasen ist in beiden Modellen die Entfernung der bisallylisschenFor 13-lipoxygenases, the removal of the bisallylis is in both models
Methylengruppe von dem Methylende des Substrates entscheidend, ob die einleitende Wasserstoffabstraktion an dieser Stelle stattfindet. Es stellte sich heraus (Tabelle 4), dass von den in Frage kommenden bisallylischen Methyiengruppen für jedes der eingesetzten Substrate hauptsächlich nur eine für die initiale Wasserstoffentfernung be- nutzt wurde. Dies betraf die Methylengruppe an Position (n-8) im Fall von LA und α- LEA und jeweils (n-11) für γ-LEA, ÄRA, EPA, DPA und DHA. Man kann somit abschätzen, dass der Abstand des Wasserstoffakzeptors von dem Boden der Bindungstasche rund elf Methylengruppen beträgt. Auffallend ist besonders im Fall von γ-LEA, dass von den beiden möglichen Positionen der Wasserstoffabstraktion (C8 und Cn) jene benutzt wurde, bei der das Substrat maximal in die Bindungstasche eintaucht (C8 entspricht (n-11)). Dies ist auch bei α-LEA der Fall, auch wenn hier gezwungenermaßen zum hypothetischen Boden der Bindungstasche noch drei Methylengruppen Platz bleibt. Bei allen langkettigen Fettsäuren ab ÄRA (20:4) wird immer das C-Atom (n-11) benutzt. Aufgrund dieser Beobachtung und durch die vergleichende Analyse in Figur 8 ist davon auszugehen, dass entweder ÄRA oder EPA die bevorzugten Substrate von PtLOXI sind. DPA ist aus dem Grunde unwahrscheinlich, da beide Produkte ([+2]- und [-2]-Umlagerung) im Verhältnis 1:1 entstehen und zudem die Menge an gebildetem Produkt im Vergleich zu ÄRA und EPA wieder abnimmt. Die Produkte aus DHA entstehen dagegen im selben Verhältnis wie die EPA-Produkte, wobei allerdings die Produktmenge geringer ist als bei ÄRA und EPA. In Anbetracht dessen, dass EPA rund dreimal mehr als DHA in P: tricornutum vorkommt [Schobert et al., Plant Physiol, 66:215-219, 1980], scheint durch PtLOX bevorzugt dieses Substrat umgesetzt zu werden. Für die Verschiebung der Verhältnisse der Oxidation an [+2] zu [-2] bei Änderung der Anzahl der Doppelbindungen oder Methylengruppen diesseits oder jenseits der benutzten bisallylischen Methylengruppe konnte keine rationale Erklärung gefunden werden. Scheinbar stabilisieren Doppelbindungen auf der Carboxyseite der benutzten bisallylischen Methylengruppe da [+2]-Radikal, wohingegen Doppelbindungen auf der Methylseite das [-2]-Radikal stabilisieren. Da sp2 hybridisierter Kohlenstoff eine höhere Elektronegativität als sp3 hybridisierter Kohlenstsoff besitzt, ist dieses Ergebnis das Gegenteil von dem, was man aufgrund dieses Elektronenzuges sp2 hybridisierten Kohlenstoffs erwarten würde. Auch die Verschiebung des Verhältnisses bei der Änderung der Anzahl der Methylengruppen bei gleichbleibender Doppelbindungsanzahl kann nicht mit induktiven Effekten der Methylengruppen (+) erklärt werden. Hier werden [-2]-Radikale durch Einführung von Methylengruppen auf der Carboxyseite der benutzten bisallylischen Methylengruppe scheinbar stabilisiert und umgekehrt.Methylene group from the methyl end of the substrate determines whether the introductory hydrogen abstraction takes place at this point. It was found (Table 4) that of the bisallylic methyl groups in question, only one was used for the initial hydrogen removal for each of the substrates used. This affected the methylene group at position (n-8) in the case of LA and α-LEA and each (n-11) for γ-LEA, ERA, EPA, DPA and DHA. It can thus be estimated that the distance of the hydrogen acceptor from the bottom of the binding pocket is around eleven methylene groups. It is particularly striking in the case of γ-LEA that of the two possible positions of the hydrogen abstraction (C 8 and Cn) the one in which the substrate immerses maximally in the binding pocket (C 8 corresponds (n-11)) was used. This is also the case with α-LEA, even if there is still space for three methylene groups to the hypothetical bottom of the binding pocket. The carbon atom (n-11) is always used for all long-chain fatty acids from ERA (20: 4). Based on this observation and through the comparative analysis in FIG. 8, it can be assumed that either ERA or EPA are the preferred substrates of PtLOXI. DPA is unlikely because both products ([+2] and [-2] rearrangement) are formed in a 1: 1 ratio and the amount of product formed decreases again compared to ERA and EPA. The DHA products, on the other hand, are produced in the same ratio as the EPA products, although the amount of products is less than for ERA and EPA. In view of the fact that EPA occurs about three times more than DHA in P: tricornutum [Schobert et al., Plant Physiol, 66: 215-219, 1980], this substrate seems to be preferentially implemented by PtLOX. No rational explanation could be found for the shift in the ratios of the oxidation at [+2] to [-2] when the number of double bonds or methylene groups on either side of or beyond the bisallylic methylene group used. Apparently double bonds on the carboxy side of the bisallylic methylene group used stabilize the [+2] radical, whereas double bonds on the methyl side stabilize the [-2] radical. Since sp 2 hybridized carbon has a higher electronegativity than sp 3 hybridized carbon, this result is the opposite of what one would expect from this electron train sp 2 hybridized carbon. The shift in the ratio when the number of methylene groups changes while the number of double bonds remains the same cannot be explained by inductive effects of the methylene groups (+). Here, [-2] radicals are apparently stabilized by the introduction of methylene groups on the carboxy side of the bisallylic methylene group used and vice versa.
Als Erklärung bleibt die Möglichkeit, die Fixierung des Substrates durch die Bindungstasche anzuführen (Figur 26). So ändert sich durch eine Doppelbindung die Struktur des Substrates. Nimmt man an, dass im Fall von ÄRA das Substrat am Methyl- sowie am Carboxylende optimal arretiert ist für die Oxidation am C12, so ändert sich die Möglichkeit der Interaktion des Bodens der Bindungstasche mit EPA durch die Einführung einer Doppelbindung an dieser Stelle. Ist EPA weniger fest fixiert, kann die Positionsänderung während der Katalyse die Positionsspezifität nachteilig beeinflussen. Ähnliche Effekte mögen bei den anderen Substraten auftreten. Der Bereich von C18 bis C7 bei γ-LEA (Bildung von 10-16-γ-HOTE) ist identisch mit dem Bereich C20 bis C9 von ÄRA (Bildung von 12-/-HETE). Der Unterschied ist die fehlende Arretierung am Kopfende (Carboxyl-) von γ-LEA durch die Bindungstasche. Durch denselben Effekt könnte ÄRA (20:4) und EPA (20:5) am Kopfende optimal arretiert sein und DPA (22:5) durch die Entfernung der Caboxylgruppe vom Eingang der Bindungstasche eine Arretierung unmöglich machen. Die Einführung der Doppelbindung an dieser Position in DHA (22:6) könnte dies rückgängig machen, da das Substrat durch die Doppel- bindung in den Freiheitsgraden eingeschränkt („versteift") wird. In diesem Zusammenhang könnten auch die stereochemischen Unterschiede zwischen den Hauptprodukten erklärt werden und diese These untermauern: Wird das Substrat am Methyl- sowie Carboxylende fest durch Interaktion mit Aminosäuren der Bindungstasche arretiert, könnte dies die nahezu 100-%-Enantiomerenreinheit im Fall der Umsetzung von EPA und DHA für jeweils beide Produkte erklären. Die oben angeführte Lockerung der Interaktion am Carboxylende bei DPA könnte dann auch das Absinken des S- zu R- Verhältnisses für 14-HDPE bedingen. Im Fall von γ-LEA ist genau dieselbe Erklärung anzuführen, da das Substrat bei der Bildung von 10-/6-γ-HOTE so tief in die Bindungstasche eintaucht, dass das Carboxylende nicht mehr mit den möglichen Determianten der Substratfixierung am Kopfende der Bindungstasche interagieren kann. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass PtLOXI auf Basis der vergleichenden Substratumsetzung (Figur 8) ÄRA bzw. EPA bevorzugt umsetzt. Nimmt man die Ergebnisse der Positionsspezifität und der Enantiomerenanalyse hinzu, spricht dies für EPA als bevorzugtes Substrat. Im Vergleich zu ÄRA ist das Verhältnis zwischen Haupt- und Nebenprodukt zwar deutlich zugunsten des Hauptproduktes verschoben, welches dafür in nahezu enantiomerer Reinheit vorliegt. Damit wurde im Vergleich zu pflanzlichen Lipoxygenasen eine außergewöhnliche Substratspezifität gefunden. Auch andere pflanzliche 13-Lipoxygenasen, die chloroplastidär lokalisiert sind, waren in der Lage, Arachidonsäure umzusetzen (z.B. LOX2:Hv:1 , [Vöros et al., Eur J Biochem, 251:36-44, 1998]. Dabei wurde für gewöhnlich 15-HPETE in S-Konfiguration gebildet sowie eine Reihe racemischer Produkte, aber nicht 12- und 8-HETE in S-Konfiguration.As an explanation, there remains the possibility of using the binding pocket to fix the substrate (FIG. 26). A double bond changes the structure of the substrate. Assuming that in the case of ERA the substrate at the methyl and carboxyl ends is optimally locked for oxidation at C 12 , the possibility of the bottom of the binding pocket interacting with EPA changes by introducing a double bond at this point. If EPA is less firmly fixed, the change in position during catalysis can adversely affect position specificity. Similar effects may occur with the other substrates. The range from C 18 to C 7 for γ-LEA (formation of 10-16-γ-HOTE) is identical to the range C 20 to C 9 of ÄRA (formation of 12 - / - HETE). The difference is the lack of locking at the head end (carboxyl) of γ-LEA due to the binding pocket. With the same effect, ERA (20: 4) and EPA (20: 5) could be optimally locked at the head end, and DPA (22: 5) could make locking impossible by removing the caboxyl group from the entrance of the binding pocket. The introduction of the double bond at this position in DHA (22: 6) could reverse this, since the substrate is restricted ("stiffened") in the degrees of freedom by the double bond. In this context, the stereochemical differences between the main products could also be explained and support this thesis: If the substrate is firmly locked at the methyl and carboxyl ends by interaction with amino acids in the binding pocket, this could explain the almost 100% enantiomeric purity in the case of the implementation of EPA and DHA for both products the interaction at the carboxyl end in DPA could then also result in the lowering of the S to R ratio for 14-HDPE In the case of γ-LEA, the exact same explanation should be given, since the substrate forms 10- / 6-γ- HOTE is so deeply immersed in the binding pocket that the carboxyl end no longer matches the possible determinants of substrate fixation at the head end r binding pocket can interact. In summary, it should be noted that PtLOXI prefers to implement ERA or EPA based on the comparative substrate implementation (Figure 8). If one adds the results of the position specificity and the enantiomer analysis, this speaks for EPA as the preferred substrate. Compared to ERA, the relationship between the main and by-products is clearly shifted in favor of the main product, which is almost enantiomerically pure. In this way, an exceptional substrate specificity was found compared to plant lipoxygenases. Other plant 13-lipoxygenases, which are localized chloroplastid, were able to convert arachidonic acid (eg LOX2: Hv: 1, [Vöros et al., Eur J Biochem, 251: 36-44, 1998] Formed 15-HPETE in S configuration and a number of racemic products, but not 12- and 8-HETE in S configuration.
Ketokonjudienfettsäuren wurden durch PtLOX unter den Bedingungen der Analyse nicht gebildet. KODE werden hauptsächlich bei geringem Sauerstoffpartialdruck gebildet, aber von einigen pflanzlichen Lipoxygenasen, z.B. Lipoxygenase-2 aus Sojabohne und Lipoxygenase-1 aus Erbse, ist bekannt, dass sie diese auch bei normalem Sauerstoffpartialdruck in ungewöhnlich hohen Mengen von bis zu 50 % bezogen auf HODE bilden [Axelrod et al., Methods Enzymol, 71:441-451, 1981; Kühn et al., Eicosanoids, 4:9-14, 1991]. Auch die Umsetzung von komplexen Lipiden ist von Lipoxygenasen aus anderen RIanzen bekannt. So ist z.B. die Lipidkörper- Lipoxygenase aus Gurkenkeimlingen in der Lage, Triacylglyceride umzusetzen [Feussner et al., FEBS Lett; 431(3):433-436, 1998]. Wahrscheinlich sind diese Lipoxygenasen bei der Mobilisierung von Speicherfetten bei der Keimung beteiligt [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6:262-267, 2001]. PtLOX verfügt zwar über Öl- vakuolen rwww.kieselalαen.coml. aber da die Fortpflanzung durch vegetative Zellteilung geschieht, ist eine Einbeziehung von Lipoxygenasen bei der Mobilisierung von Speicherlipiden wie bei manchen höheren Pflanzen auszuschließen. Auch die Umsetzung von Phosphatidylcholin kann durch Lipoxygenasen stattfinden. Lipoxy- genase-1 aus Sojabohnen setzte dieses Substrat zuerst zu Monohydroperoxy- Linoleoyl-Phosphatidylcholin und dann weiter zum Dihydroperoxid um [Brash et al., Biochemistry, 26:5465-5471, 1987]. In Arabidopsis wurde zudem ein neues Oxolipin identifiziert [Stelmach et al., J Biol Chem, 276(16): 12832-12838, 2001]. Es handelt sich dabei um ein sn-1-O-(12-Oxophytodienyl)-sn2-O-(hexadekatrienoyl)-monogalactosyl- diglycerid. Man könnte daher aufgrund dieser Befunde und früherer HypothesenKetoconjudic fatty acids were not formed by PtLOX under the conditions of the analysis. CODE are mainly formed at low oxygen partial pressures, but by some plant lipoxygenases, e.g. Lipoxygenase-2 from soybean and lipoxygenase-1 from pea, are known to produce these even in normal oxygen partial pressure in unusually high amounts of up to 50% based on HODE [Axelrod et al., Methods Enzymol, 71: 441-451, 1981; Kuehn et al., Eicosanoids, 4: 9-14, 1991]. The implementation of complex lipids is also known from lipoxygenases from other sources. For example, the lipid body lipoxygenase from cucumber seedlings is able to convert triacylglycerides [Feussner et al., FEBS Lett; 431 (3): 433-436, 1998]. These lipoxygenases are probably involved in the mobilization of storage fats during germination [Feussner et al., Trends Plant Sei, 6: 262-267, 2001]. PtLOX does have oil vacuoles rwww.kieselalαen.coml. but since reproduction takes place through vegetative cell division, the inclusion of lipoxygenases in the mobilization of storage lipids can be ruled out, as in some higher plants. The conversion of phosphatidylcholine can also take place using lipoxygenases. Soybean lipoxygenase-1 first converted this substrate to monohydroperoxy-linoleoyl-phosphatidylcholine and then to dihydroperoxide [Brash et al., Biochemistry, 26: 5465-5471, 1987]. A new oxolipin was also identified in Arabidopsis [Stelmach et al., J Biol Chem, 276 (16): 12832-12838, 2001]. It is a sn-1-O- (12-oxophytodienyl) -sn2-O- (hexadecatrienoyl) monogalactosyl diglyceride. One could, therefore, based on these findings and previous hypotheses
[Feussner et al., Fett-üpid, 100:146-152, 1998] annehmen, dass Lipoxygenasen Mono- galactosyldiglyceride, die Hauptbestandteile der Chloroplastenmembran, als Substrate akzeptieren und eine Hydroperoxidgruppe in die Fettsäure, die sich in der sn1 -Position befindet, einbauen. In Pflanzen gibt es Hinweise, dass bei Existenz eines solchen Weges letztendlich Jamonsäure gebildet wird. Obwohl dies bei PtLOXI aufgrund der geringen Menge an veresterter α-Linolensäure unwahrscheinlich ist, sollte eine weitere Untersuchung auch komplexe Lipide der veresterten Fettsäuren wie EPA und AA in Form von Phosphatidylcholin und Monogalactosyldiglycenden berücksichtigen.[Feussner et al., Fett-üpid, 100: 146-152, 1998] assume that lipoxygenases accept monogalactosyl diglycerides, the main components of the chloroplast membrane, as substrates and a hydroperoxide group in the fatty acid, which is in the sn1 position, install. In plants there are indications that if such a route exists, jamonic acid is ultimately formed. Although at PtLOXI this is due to the If a small amount of esterified α-linolenic acid is unlikely, a further investigation should also consider complex lipids of the esterified fatty acids such as EPA and AA in the form of phosphatidylcholine and monogalactosyl diglycends.
AbkürzungsverzeichnisList of abbreviations
APS Ammoniumperoxodisulfat ATP Adenosin-5'-triphosphat BCIP 5-Brom-4-Chlor-3-indoxylphosphat BLAST Basic LocalAlignment Search Tool - Suche der nächstenAPS ammonium peroxodisulfate ATP adenosine 5'-triphosphate BCIP 5-bromo-4-chloro-3-indoxyl phosphate BLAST Basic LocalAlignment Search Tool - search the next one
Homologen einer Sequenz durch Vergleich mit Sequenzen in verschiedenen Datenbanken bp BasenpaarHomologues of a sequence by comparison with sequences in different databases bp base pair
BSA Bovine Serum Albumin - Rinderserumalbumin BSTFA N,O-Bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide cDNA komplementräge DesoxyribonukleinsäureBSA Bovine Serum Albumin - Bovine Serum Albumin BSTFA N, O-Bis (trimethylsilyl) trifluoroacetamide cDNA complementary deoxyribonucleic acid
C-Terminus Carboxy-TerminusC-terminus carboxy-terminus
DNA Desoxyribonukleinsäure dNTP Desoxynukleotid-5'-triphosphate EDTA EthylendiamintetraessigsäureDNA deoxyribonucleic acid dNTP deoxynucleotide 5'-triphosphate EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
EDAC N-Dimethylamino-propyl-N'-ethylcarbodiimid Hydrochlorid g (Formelzeichen) Erdbeschleunigung g (Einheit) GrammEDAC N-dimethylamino-propyl-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride g (symbol) gravitational acceleration g (unit) grams
GC/MS Gaschromatograph/Massenspektrometer 17-H(P)DHE (17S,4Z,7Z,10Z,13Z,15E,19Z-17-Hydro(pero)xy-4,7,10,13,15,GC / MS gas chromatograph / mass spectrometer 17-H (P) DHE (17S, 4Z, 7Z, 10Z, 13Z, 15E, 19Z-17-Hydro (pero) xy-4,7,10,13,15,
19-docosahexaensäure19-docosahexaenoic acid
14-H(P)DPE (14S,7Z,10Z,12E,16Z,19Z)-14-Hydro(pero)xy-7,10,12,16,19- docosapentaensäure14-H (P) DPE (14S, 7Z, 10Z, 12E, 16Z, 19Z) -14-hydro (pero) xy-7,10,12,16,19-docosapentaenoic acid
10-H(P)DPE (10S,7Z,11 E,13Z.16Z.19Z)-10-Hydro(pero)xy-7,11 ,13,15,19- docosapentaensäsure10-H (P) DPE (10S, 7Z, 11E, 13Z.16Z.19Z) -10-Hydro (pero) xy-7.11, 13,15,19-docosapentaenoic acid
12-H(P)EPE (12S,5Z,8Z, 10E,14Z, 17Z)-12-Hydro(pero)xy-5,8, 10,14,17- eicosapentaensäure12-H (P) EPE (12S, 5Z, 8Z, 10E, 14Z, 17Z) -12-hydro (pero) xy-5,8, 10,14,17-eicosapentaenoic acid
8-H/P)EPE (8S,5Z,9E, 11 E, 14Z, 17Z)-8-Hydro(pero)xy-5,9, 11 ,14,17-eicosa- pentaensäure -H(P)ETE (5S,6E,8Z,11Z,14Z)-5-Hydro(pero)xy-6,8,11,14-eicosatetraen- säure -H(P)ETE (8S,5Z,9E,11Z,14Z)-8-Hydro(pero)xy-5,9,11 ,14-eicosatetraen- säure -H(P)ETE (9S,5Z,7E,11Z,14Z)-9-Hydro(pero)xy-5,7,11 ,14-eicosatetraen- säure 11-H(P)ETE (11S,5Z,8Z,12E,14Z)-11-Hydro(pero)xy-5,8,12,14-eicosa- tetraensäure8-H / P) EPE (8S, 5Z, 9E, 11 E, 14Z, 17Z) -8-hydro (pero) xy-5,9, 11, 14,17-eicosapentaenoic acid -H (P) ETE ( 5S, 6E, 8Z, 11Z, 14Z) -5-hydro (pero) xy-6,8,11,14-eicosatetraenoic acid -H (P) ETE (8S, 5Z, 9E, 11Z, 14Z) -8- Hydro (pero) xy-5,9,11, 14-eicosatetraenoic acid -H (P) ETE (9S, 5Z, 7E, 11Z, 14Z) -9-Hydro (pero) xy-5,7,11, 14 -eicosatetraenoic acid 11-H (P) ETE (11S, 5Z, 8Z, 12E, 14Z) -11-hydro (pero) xy-5,8,12,14-eicosatetraenoic acid
12-H(P)ETE (12S.5Z.8Z, 10E, 14Z)-12-Hydro(pero)xy-5,8, 10, 14-eicosa- tetraensäure 15-H(P)ETE (15S,5Z,8Z,11Z,13E)-15-Hydro(pero)xy-5,8,11,13-eicosa- tetraensäure12-H (P) ETE (12S.5Z.8Z, 10E, 14Z) -12-Hydro (pero) xy-5,8, 10, 14-eicosatetraenoic acid 15-H (P) ETE (15S, 5Z, 8Z, 11Z, 13E) -15-hydro (pero) xy-5,8,11,13-eicosatetraenoic acid
HPLC High Performance Liquid Chromatography -Hochleistungs- FlüssigchromatographieHPLC High Performance Liquid Chromatography
9-H(P)ODE (9S, 10E, 12Z)-9-Hydro(pero)xy-10, 12-octadecadiensäure 13-H(P)ODE (13S,9Z,11 E)-13-Hydro(pero)xy-9,11 -octadecadiensäure 9-α H(P)OTE (9S,10E,12Z,15Z)-9-Hydro(pero)xy-10,12,15-octadecatrien- säure9-H (P) ODE (9S, 10E, 12Z) -9-Hydro (pero) xy-10, 12-octadecadienoic acid 13-H (P) ODE (13S, 9Z, 11 E) -13-Hydro (pero) xy-9.11-octadecadienoic acid 9-α H (P) OTE (9S, 10E, 12Z, 15Z) -9-hydro (pero) xy-10,12,15-octadecatrienoic acid
12-α H(P)OTE (12S.9Z.13E, 15Z)-12-Hydro(pero)xy-9, 13,15-octadecatrien- säure 13-α H(P)OTE (13S,9Z,11E,15Z)-13-Hydro(pero)xy-9,11 ,15-octadecatrien- säure12-α H (P) OTE (12S.9Z.13E, 15Z) -12-hydro (pero) xy-9, 13.15-octadecatrienoic acid 13-α H (P) OTE (13S, 9Z, 11E, 15Z) -13-Hydro (pero) xy-9,11, 15-octadecatrienic acid
16-α H(P)OTE (16S.9Z, 12Z, 14E)-16-Hydro(pero)xy-9, 12, 14-octadecatrien- säure16-α H (P) OTE (16S.9Z, 12Z, 14E) -16-hydro (pero) xy-9, 12, 14-octadecatrienoic acid
6-γ H(P)OTE (6S,7E,9Z,12Z)-6-Hydro(pero)xy-7,9,12-octadecatriensäure6-γ H (P) OTE (6S, 7E, 9Z, 12Z) -6-hydro (pero) xy-7,9,12-octadecatrienoic acid
9-γ H(P)OTE (9S,6Z,10E,12Z)-9-Hydro(pero)xy-6,10,12-octadecatriensäure9-γ H (P) OTE (9S, 6Z, 10E, 12Z) -9-hydro (pero) xy-6,10,12-octadecatrienoic acid
10-γ H(P)OTE (10S,6Z,8E, 12Z)-10-Hydro(pero)xy-6,8, 12-octadecatriensäure10-γ H (P) OTE (10S, 6Z, 8E, 12Z) -10-hydro (pero) xy-6,8, 12-octadecatrienoic acid
13-γ H(P)OTE (13S,6Z,9Z, 11 E)-13-Hydro(pero)xy-6,9,11 -octadecatriensäure13-γ H (P) OTE (13S, 6Z, 9Z, 11E) -13-hydro (pero) xy-6,9,11 -octadecatrienoic acid
IEP isoelektrischer PunktIEP isoelectric point
IPTG Isopropyl-ß-thiogalaktopyranosid kDa KilodaltonIPTG isopropyl-β-thiogalactopyranoside kDa kilodalton
MOPS 3-(N-Morpholino)-propansulfonsäure mRNA messenger RibonukleinsäureMOPS 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid mRNA messenger ribonucleic acid
NBT NatriumnitrotetrazoliumblauNBT sodium nitrotetrazolium blue
N-Terminus Amino-TerminusN-terminus amino-terminus
OD optische Dichte bezogen auf 1 cm KüvettenbreiteOD optical density based on 1 cm cell width
PAGE Polyacrylamid-GelelektrophoresePAGE polyacrylamide gel electrophoresis
PBS Phosphat gepufferte SalinePBS phosphate buffered saline
P/C/l Phenol-Chloroform-IsoamylalkoholP / C / l phenol-chloroform-isoamyl alcohol
PCR Polymerase-Ketten-Reaktion pH negativer dekadischer Logarithmus der ProtonenkonzentrationPCR polymerase chain reaction pH negative decimal logarithm of the proton concentration
RACE Rapid Amplification of cDNA End - Methods zur SequenzverlängerungRACE Rapid Amplification of cDNA End - Methods for sequence extension
RNA RibonukleinsäureRNA ribonucleic acid
SDS NatriumdodecylsulfatSDS sodium dodecyl sulfate
SSC Natrium-Natriumchlorid TAE Tris-Acetat-EDTASSC sodium sodium chloride TAE Tris Acetate EDTA
TCA TrichloressigsäureTCA trichloroacetic acid
TE Tris-EDTATE Tris-EDTA
TEAA Triethylamonium-AcetatTEAA triethylamonium acetate
TEMED N,N,N',N'-TetramethylendiaminTEMED N, N, N ', N'-tetramethylene diamine
TENS Tris-EDTA-NaCI-SDSTENS Tris-EDTA-NaCI-SDS
Tris Tris-(hydoxymethyl)-aminomethanTris tris (hydoxymethyl) aminomethane
TMS Trimethylsilyl-TMS trimethylsilyl
ORF Open Reading Frame - offener LeserahmenORF Open Reading Frame
U unit; Einheit der Enzymaktivität [μmol/min]U unit; Unit of enzyme activity [μmol / min]
UV ultraviolett var. VarietätUV ultraviolet var. Variety
V „volume", Volumen w „weight", GewichtV "volume", volume w "weight", weight
X-Gal 5-Brom-4-Chlor-3-indolyl-ß-Galaktosid X-Gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-galactoside

Claims

Patentansprüche claims
1. Lipoxygenase aus Phaeodactylum tricornutum mit einem pH-Optimum von 8,2 und einer Regiospezifität für die Hydroperoxybildung von Linolsäure am C-Atom 13 (13-LOX).1. Lipoxygenase from Phaeodactylum tricornutum with a pH optimum of 8.2 and a regiospecificity for the hydroperoxy formation of linoleic acid at the C atom 13 (13-LOX).
2. Isolierte Nukleinsäuresequenzen, die für Polypeptide mit Lipoxygenaseaktivi- tät codieren, ausgewählt aus der Gruppe: a) einer Nukleinsäuresequenz mit der in SEQ ID NO: 1 dargestellten Sequenz, b) Nukleinsäuresequenzen, die sich als Ergebnis des degenerierten genetischen Codes von der in SEQ ID NO: 1 enthaltenden codierenden Sequenz ableiten lassen, oder c) Derivate der in SEQ ID NO: 1 dargestellten Nukleinsäuresequenz, die für Polypeptide mit Lipoxygenaseaktivität codieren und mindestens 60 % Identität auf Aminosäureebene mit SEQ ID NO: 2 aufweisen.2. Isolated nucleic acid sequences which code for polypeptides with lipoxygenase activity, selected from the group: a) a nucleic acid sequence with the sequence shown in SEQ ID NO: 1, b) nucleic acid sequences which, as a result of the degenerate genetic code, differ from that in SEQ Deriving the coding sequence containing ID NO: 1, or c) derivatives of the nucleic acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, which code for polypeptides with lipoxygenase activity and have at least 60% identity at the amino acid level with SEQ ID NO: 2.
3. Isolierte Nukleinsäuresequenz nach Anspruch 2, wobei die Sequenz von Diatomeen stammt.3. The isolated nucleic acid sequence according to claim 2, wherein the sequence is derived from diatoms.
4. Isolierte Nukleinsäuresequenz nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Sequenz aus Phaeodactylum tricornutum stammt. 4. An isolated nucleic acid sequence according to claim 2 or 3, wherein the sequence originates from Phaeodactylum tricornutum.
5. Aminosäuresequenz, die von einer isolierten Nukleinsäuresequenz nach einem der Ansprüche 2 bis 4 codiert wird.5. amino acid sequence encoded by an isolated nucleic acid sequence according to any one of claims 2 to 4.
6. Genkonstrukt, enthaltend eine isolierte Nukleinsäure nach einem der6. gene construct containing an isolated nucleic acid according to one of the
Ansprüche 2 bis 4, wobei die Nukleinsäure funktionsfähig mit einem oder mehreren Regulationssignalen verbunden ist. Claims 2 to 4, wherein the nucleic acid is operably linked to one or more regulatory signals.
7. Genkonstrukt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nukleinsäurekonstrukt zusätzliche Biosynthesegene des Fettsäure- oder Lipidstoff- wechsels enthält ausgewählt aus der Gruppe Acyl-CoA-Dehydrogenase(n), Acyl-ACP[= acyl carrier protein]-Desaturase(n), Acyl-ACP-Thioesterase(n), Fettsäure-Acyl-Transferase(n), Acyl-CoA:Lysophospholipid-Äcyl- transferase(n), Fettsäure-Synthase(n), Fettsäure-Hydroxylase(n), Acetyl-7. Gene construct according to claim 6, characterized in that the nucleic acid construct contains additional biosynthesis genes of the fatty acid or lipid metabolism selected from the group acyl-CoA dehydrogenase (s), acyl-ACP [= acyl carrier protein] desaturase (s) , Acyl-ACP thioesterase (s), fatty acid acyl transferase (s), acyl-CoA: lysophospholipid-acyl transferase (s), fatty acid synthase (s), fatty acid hydroxylase (s), acetyl
Coenzym A-Carboxylase(n), Acyl-Coenzym A-Oxidase(n), Fettsäure- Desaturase(n), Fettsäure-Acetylenasen, Triacylglycerol-Lipasen, Allenoxid- Synthasen, Hydroperoxid-Lyasen oder Fettsäure-Elongase(n).Coenzyme A carboxylase (s), acyl coenzyme A oxidase (s), fatty acid desaturase (s), fatty acid acetylenases, triacylglycerol lipases, allen oxide synthases, hydroperoxide lyases or fatty acid elongase (s).
8. Vektor, enthaltend eine Nukleinsäure nach den Ansprüchen 2 bis 4 oder ein Genkonstrukt nach Anspruch 6. 8. vector containing a nucleic acid according to claims 2 to 4 or a gene construct according to claim 6.
9. Transgener nicht-humaner Organismus, enthaltend mindestens eine Nukleinsäure nach den Ansprüchen 2 bis 4, ein Genkonstrukt nach Anspruch 6 oder einen Vektor nach Anspruch 8.9. Transgenic non-human organism containing at least one nucleic acid according to claims 2 to 4, a gene construct according to claim 6 or a vector according to claim 8.
10. Transgener nicht-humaner Organismus nach Anspruch 9, wobei der Organismus ein Mikroorganismus, ein nicht-humanes Tier oder eine Pflanze ist.10. A transgenic non-human organism according to claim 9, wherein the organism is a microorganism, a non-human animal or a plant.
11. Transgener nicht-humaner Organismus nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Organismus eine Pflanze ist.11. A transgenic non-human organism according to claim 9 or 10, wherein the organism is a plant.
12. Verfahren zur Herstellung von Hydroperoxyfettsauren durch Oxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit mindestens zwei Doppelbindungen im Fettsäuremolekül, wobei das Verfahren das Züchten eines transgenen Organismus umfasst, der eine Nukleinsäure nach den Ansprüchen 2 bis 4, ein Genkonstrukt nach Anspruch 6 oder einen Vektor nach Anspruch 8 umfasst, kodierend für eine Lipoxygenase, die ein pH-Optimum von 8,2 und einer Regiospezifität für die Hydroperoxybildung von Linolsäure am12. A process for the preparation of hydroperoxy fatty acids by oxidation of polyunsaturated fatty acids with at least two double bonds in the fatty acid molecule, the process comprising culturing a transgenic organism which comprises a nucleic acid according to claims 2 to 4, a gene construct according to claim 6 or a vector according to claim 8 encoding a lipoxygenase that has a pH optimum of 8.2 and a regiospecificity for the hydroperoxy formation of linoleic acid
C-Atom 13 hat.C atom has 13.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Verfahren Arachidonsäure oder Eicosapentaensäure oxidiert werden.13. The method according to claim 12, wherein arachidonic acid or eicosapentaenoic acid are oxidized in the method.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Hydroperoxyfettsauren aus dem Organismus in Form eines Öls, Lipids oder einer freien Fettsäure isoliert werden.14. The method according to claim 12 or 13, wherein the hydroperoxy fatty acids are isolated from the organism in the form of an oil, lipid or a free fatty acid.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Organismus ein Mikroorganismus, ein nicht-humanes Tier oder eine Pflanze ist.15. The method according to any one of claims 12 to 14, wherein the organism is a microorganism, a non-human animal or a plant.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Organismus eine transgene Rlanze ist. 16. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein the organism is a transgenic lance.
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WO2001038484A2 (en) * 1999-11-25 2001-05-31 Basf Plant Science Gmbh Moss genes from physcomitrella patens coding proteins involved in the synthesis of polyunsaturated fatty acids and lipids

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WO2001038484A2 (en) * 1999-11-25 2001-05-31 Basf Plant Science Gmbh Moss genes from physcomitrella patens coding proteins involved in the synthesis of polyunsaturated fatty acids and lipids

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MIRALTO A ET AL: "Embryonic development in invertebrates is arrested by inhibitory compound in diatoms", MARINE BIOTECHNOLOGY, (JUL-AUG 1999 ) VOL. 1, NO. 4, PP. 401-402 PUBLISHER: SPRINGER-VERLAG, 175 FIFTH AVE, NEW YORK, NY 10010. ISSN: 1436-2228., XP009021406 *
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