WO2009015623A1 - Biological effect monitoring by means of transgenic hydra - Google Patents

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WO2009015623A1
WO2009015623A1 PCT/DE2008/001086 DE2008001086W WO2009015623A1 WO 2009015623 A1 WO2009015623 A1 WO 2009015623A1 DE 2008001086 W DE2008001086 W DE 2008001086W WO 2009015623 A1 WO2009015623 A1 WO 2009015623A1
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Konstantin Khalturin
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Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel
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Abstract

The invention relates to transgenic hydra which, upon the presence of at least one stress factor in the medium surrounding it, expresses at least one reporter gene which is inducible by the stress factor; to the use of this transgenic hydra as a biomonitoring system, and to a method of detecting stress factors in samples by means of transgenic hydra. Moreover, there are disclosed expression cassettes which, after integration into suitable vectors, can be exploited for generating transgenic hydra which can be employed as biomonitors.

Description

Biologisches Effektmonitoring mittels transgener Hydra Biological effect monitoring by transgenic Hydra
Die Erfindung betrifft als Biomonitoren, insbesondere für die Kontrolle der Trinkwasser- und Gewässerqualität, einsetzbare transgene Hydra, in gängige Vektoren integrierbare Expressionskassetten zu deren Erzeugung sowie ein Verfahren zum Nachweis von Schadstoffen mittels transgenen Hydra.The invention relates to biomonitors, in particular for the control of drinking water and water quality, usable transgenic hydra, integrable in common vectors expression cassettes for their production and a method for the detection of pollutants by means of transgenic hydra.
Die ständig zunehmende Menge an chemischem und mikrobiellem Abfall aus industrieller und anderer menschlicher Aktivität verlangt dringend die Entwicklung von Frühwarnsystemen auf Basis von Biomonitoren. Wissenschaftliche Institutionen erheben seit Jahren die Forderung nach einem biologischen Effektmonitoring, mit welchem sich die Auswirkungen von Umweltgiften und mikrobiellen Keimen auf Organismen nachweisen lassen.The ever-increasing volume of chemical and microbial waste from industrial and other human activities urgently requires the development of biomonitor-based early-warning systems. Scientific institutions have been raising the demand for biological effect monitoring for years, with which the effects of environmental toxins and microbial germs on organisms can be demonstrated.
Auch in aquatischen Lebensräumen spielen neben der Eutrophierung Umweltgifte und mikro- bielle Keime in zunehmendem Maße eine Rolle hinsichtlich der Verbreitung und Diversität von Arten und deren Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit. Die Mischung der Umweltgifte und mikrobiellen Keime in unseren Gewässern ist dabei unüberschaubar und vielfältig. Gezielte chemische Analytik von einzelnen Substanzen kann immer nur einen kleinen Ausschnitt dieser Mischung erfassen. Entscheidend für die Überlebensfähigkeit der dort lebenden Tiere ist das Zusammenwirken aller vorhandenen Einzelsubstanzen und vieler anderer Faktoren. Es müssen also Methoden zur Detektion gefunden werden, die eine biologische „Antwort" auf das Gemisch an Umweltgiften und mikrobiellen Keimen geben, um mögliche Ge- fahren frühzeitig zu erkennen. Biochemisch-molekularbiologische Parameter sind für diesen Zweck gut geeignet, weil die Zeit zwischen Ursache (Umweltgift, Mikrobenblüte) und Wirkung (biologischer Effekt) kurz ist, und man somit eine schnelle und auch empfindliche Antwort erhält.In aquatic habitats, in addition to eutrophication, environmental toxins and microbial germs play an increasing role in the distribution and diversity of species and their ability to survive and reproduce. The mixture of environmental toxins and microbial germs in our waters is unmanageable and diverse. Targeted chemical analysis of individual substances can only capture a small portion of this mixture. Decisive for the survivability of the animals living there is the interaction of all existing individual substances and many other factors. Thus, detection methods have to be found which give a biological "response" to the mixture of environmental toxins and microbial germs in order to detect potential hazards early.Piochemical-molecular biological parameters are well suited for this purpose because the time between cause (Environmental poison, microbial bloom) and effect (biological effect) is short, and thus one receives a fast and also sensitive answer.
Im Rahmen von Gewässer-Überwachungsprogrammen werden derzeit Schadstoffe in Sedimenten und im Wasser gemessen. Die Bewertungen erfolgen auf der Grundlage von physika- lischen, chemischen und/oder mikrobiologischen Grenzwerten. Es gibt daneben jedoch auch Methoden, mit denen eine biologische „Antwort" auf die Anwesenheit von Umweltgiften und Pathogenen in aquatischen Lebensräumen aufgezeigt werden kann. Dabei werden mikrobielle, tierische oder pflanzliche Organismen eingesetzt und als „Bioindikatoren" oder „Biomomto- re" bezeichnet, die auf die Gegenwart von Umweltgiften (z. B. Chemikalien, Schwermetalle) und/oder anderen Stressfaktoren (z. B. Hitze, Sauerstoffmangel, etc.) reagieren, im Wesentlichen durch Änderung der Vitalfunktionen (z. B. Atemfrequenz, Mobilität, Lumineszenz). So wird z. B. in der DD 238 113 Al der Einsatz von Fischen in einer von dem zu testenden Wasser durchströmten Versuchsrinne beschrieben. Im Falle einer Schädigung werden die Fische gegen ein Gitter getrieben, wobei dieses weitgehend blockiert wird, wodurch der Wasserpegel in der Rinne ansteigt. Hierdurch wird beim Vorliegen von fischschädigenden Wasserinhaltsstoffen ein Alarm ausgelöst.Within the scope of water monitoring programs pollutants are currently measured in sediments and in water. Valuations are made on the basis of physical chemical and / or microbiological limit values. However, there are also methods that can be used to demonstrate a biological "response" to the presence of environmental toxins and pathogens in aquatic habitats, using microbial, animal or plant organisms and termed "bioindicators" or "biomimetics". which respond to the presence of environmental toxins (eg, chemicals, heavy metals) and / or other stress factors (eg, heat, lack of oxygen, etc.), essentially by altering vital functions (eg, respiratory rate, mobility, luminescence For example, the use of fish in a test channel through which the water to be tested flows is described in DD 238 113 A. In the case of damage, the fish are driven against a grid, the latter being largely blocked, thus reducing the water level This raises an alarm in the presence of fish-damaging water constituents.
Die DE 698 25 873 T2 beschreibt ein Verfahren zur automatischen biologischen Überwa- chung der Wasserqualität durch Auswertung des Atmungsverhaltens und der Körperbewegung der hierbei eingesetzten Fische.DE 698 25 873 T2 describes a method for automatic biological monitoring of the water quality by evaluating the respiratory behavior and the body movement of the fish used in this case.
In der DE 44 40 320 wird das negativ chemosensorische Verhalten einzelliger Wimpertierchen als Maß der chemischen Belastung von Umweltproben erfasst.In DE 44 40 320, the negative chemosensory behavior of unicellular ciliates is recorded as a measure of the chemical load of environmental samples.
In der US 6,340,572 Bl wird die Verwendung von u. a. lumineszierenden Bakterien, Pilzen, Fischextrakten und Dinoflagellaten zum Nachweis toxischer Substanzen in einer Probe genutzt, indem bei Gegenwart toxischer Substanzen die Lumineszenz der Testorganismen gestört und die Abnahme der Lichtemission gegenüber einer Kontrolle detektiert wird.In US 6,340,572 Bl the use of u. a. luminescent bacteria, fungi, fish extracts and dinoflagellates used to detect toxic substances in a sample by disturbed in the presence of toxic substances, the luminescence of the test organisms and the decrease in light emission is detected against a control.
Der Süßwasserpolyp Hydra ist ein seit längerem etabliertes toxikologisches Testsystem. So werden z. B. die hohen regenerativen Fähigkeiten dieses basalen Vielzellers bei der Herstellung „künstlicher Embryos" aus Zellaggregaten genutzt, die insbesondere für den Nachweis fruchtschädigender (teratogener) toxikologischer Effekte von Chemikalien eingesetzt werden können, wie z. B. in der US 4,346,070 beschrieben. Darüber hinaus ist auch der Einsatz von Hydra als Biomonitor in der Trinkwasser-, Abwasser- und Gewässerüberwachung z. B. von Arkhipchuk et al. („Use of Hydra for chronic toxicity assessment of waters intended for human consumption" Environ Pollut. 2006 JuI; 142 (2): 200-11), Pardos et al. („Acute toxicity assessment of Polish (waste) water with a microplate-based Hydra attenuata assay: a com- parison with the Microtox test." Sei Total Environ. 1999 Dec 15; 243-244: 141-8) und von Fu et al. („Application of the Hydra attenuata assay for identifying developmental hazards among natural waters and wastewaters." Ecotoxicol Environ Saf. 1991 Dec;22(3):309-19) beschrieben worden.The freshwater polyp Hydra is a long established toxicological test system. So z. B. the high regenerative capabilities of this basal multicellular in the production of "artificial embryos" from cell aggregates used, which can be used in particular for the detection of teratogenic (teratogenic) toxicological effects of chemicals, as described, for example, in US 4,346,070 is also the use of Hydra as a biomonitor in drinking water, wastewater and water monitoring z Arkhipchuk et al. Environ Pollut, 2006 JuI; 142 (2): 200-11), Pardos et al. ("Acute toxicity assessment of polish (waste) water with a microplate -based hydra attenuata assay: a com- parison with the Microtox test. "See Total Environ., 1999 Dec 15; 243-244: 141-8) and by Fu et al. ("Application of the Hydra attenuata assay for identifying developmental hazards among natural waters and wastewater." Ecotoxicol Environ Saf. 1991 Dec; 22 (3): 309-19).
In dem US Patent 5,877,398 wird der Einsatz von transgenen Nematoden beschrieben, die bei dem Vorliegen von toxischen Substanzen in einer mit ihnen in Kontakt gebrachten Umweltprobe mit der Expression eines histochemisch nachweisbaren Reportergens reagieren.US Pat. No. 5,877,398 describes the use of transgenic nematodes which, in the presence of toxic substances in an environmental sample contacted with them, react with the expression of a histochemically detectable reporter gene.
Auf einem ähnlichen Prinzip beruht das in der WO 99/11772 beschriebene transgene Mausmodell. Die transgenen Mäuse bzw. hieraus abgeleitete Zellkulturen exprimieren in Gegen- wart toxischer Substanzen ein labortechnisch nachweisbares Reportergen (ein humanes Hormon).The transgenic mouse model described in WO 99/11772 is based on a similar principle. In the presence of toxic substances, the transgenic mice or the cell cultures derived therefrom express a reporter gene that can be detected by laboratory tests (a human hormone).
Der derzeit existierende Stand der Technik weist eine Vielzahl unterschiedlicher Nachteile auf. Die derzeitigen Grenzen des Einsatzes von Biomonitoren ergeben sich u. a. aus fehlenden Kenntnissen aus der Grundlagen- und angewandten Forschung, der mangelnden Aussageschärfe auf den verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation (Zelle, Gewebe, Organismus), sowie der oft nicht-praktikablen Anwendbarkeit in der Praxis. So sind z. B. Biomonitoringsysteme, die auf der Analyse von Atmungsfrequenz und Körperbewegungen von Fischen basieren, nicht sensitiv genug und daher lediglich in der Lage, akut-toxische Schad- Stoffkonzentrationen nachzuweisen. Längerfristig schädliche Effekte (Fruchtschädigung, Erbgutschädigung, Krebs) und Schadstoffkonzentrationen, die erst nach mehreren Tagen oder Wochen zu detektierbaren Symptomen führen, werden von diesen Biomonitoringsystemen nicht zeitnah erfasst. Der Einsatz im Online-Monitoring, z. B. bei der Trinkwassergewinnung, ist hiermit nicht praktikabel. Auch die inzwischen kommerziell erhältlichen, auf dem Einsatz lumineszierender Organismen beruhenden Monitoringsysteme (z. B. Microtox-Assay) wirken erst bei vergleichsweise hohen Schadstoffkonzentrationen oder akut-toxischen Substanzen, die mit einer deutlichen Vitalitäts- und damit Lumineszenzeinbuße unter den Testorganismen einhergehen. Transgene mammalische Tiermodelle, wie das bereits angeführte Mausmodell, bzw. hieraus gewonnene primäre Zellkulturen, eignen sich organismusbedingt nicht zum kontinuierlichen Online-Monitoring von z. B. Trinkwasser. Zudem sind eine vergleichsweise auf- wendige Laboranalytik, gegebenenfalls Zellkultureinrichtungen sowie geschultes Personal erforderlich. Darüber hinaus ist die Herstellung bzw. Beschaffung der transgenen Mäuse bzw. die Kultivierung der entsprechenden Zellkulturen sehr kostenintensiv. Transgene Caenorhab- ditis elegans, die, wie in der US 5,877,398 beschrieben, beim Vorliegen von Schadstoffen Reportergene exprimieren, eignen sich ebenfalls nur schlecht für eine kontinuierliche Über- wachung der Trinkwasser- und Gewässerqualität bzw. für den Nachweis von Spuren wasserspezifischer Verunreinigungen, da es sich bei C. elegans um keinen aquatischen Organismus, sondern um einen habitatfremden klassischen Bodenbewohner handelt. Eine kontinuierliches Inkontaktbringen des Testorganismus mit dem zu überwachenden Wasser (vorteilhafter Weise sollte der Testorganismus durchgehend komplett von diesem umspült werden) dürfte bei dem Einsatz transgener C. elegans unmöglich sein, da diese umgehend ertrinken würden. Der Süßwasserpolyp Hydra hingegen ist ein klassischer Süßwasserorganismus und sehr sensitiv auch gegenüber geringsten Spuren von Verunreinigungen und somit im Hinblick auf die Sen- sitivität auch vielfach dem weitverbreiteten Microtox-Test überlegen (Pardos et al. „Acute toxicity assessment of Polish (waste) water with a microplate-based Hydra attenuata assay: a comparison with the Microtox test." Sei Total Environ. 1999 Dec 15; 243-244:141-8). Bisher ist es jedoch weder unter Einsatz von Hydra noch einem der anderen als Stand der Technik bekannten Biomonitorsysteme möglich, die einzelnen, auf den jeweiligen Biomonitor wirkenden Stressfaktoren (Schadstoffe, Keime und weitere schädliche Umweltfaktoren) gegeneinander abzugrenzen. Es besteht daher Bedarf an Biomonitoringsystemen, die dazu geeignet sind.The currently existing state of the art has a number of different disadvantages. The current limitations of the use of biomonitors arise, among other things, from a lack of knowledge from basic and applied research, the lack of pronounceability at the various levels of biological organization (cell, tissue, organism), as well as the often impractical applicability in practice. So z. B. Biomonitoring systems that are based on the analysis of respiratory rate and body movements of fish, not sensitive enough and therefore only able to detect acute toxic concentrations of pollutants. Long-term damaging effects (damage to the fetus, damage to the genome, cancer) and concentrations of pollutants which only lead to detectable symptoms after several days or weeks are not promptly recorded by these biomonitoring systems. The use in online monitoring, z. As in the production of drinking water, this is not practicable. Even the now commercially available, based on the use of luminescent organisms monitoring systems (eg Microtox assay) work only at relatively high concentrations of pollutants or acutely toxic substances, associated with a significant loss of vitality and thus luminescence loss among the test organisms. Transgenic mammalian animal models, such as the already mentioned mouse model, or primary cell cultures derived therefrom, are not suitable for continuous online monitoring of z. B. drinking water. In addition, comparatively complex laboratory analysis, possibly cell culture facilities and trained personnel are required. In addition, the production or procurement of the transgenic mice or the cultivation of the corresponding cell cultures is very cost-intensive. Transgenic Caenorhabditis elegans, which, as described in US Pat. No. 5,877,398, express reporter genes when pollutants are present, are also poorly suited for continuous monitoring of drinking water and body water quality or for detecting traces of water-specific contaminants, since it C. elegans is not an aquatic organism, but a habitat-foreign classical soil inhabitant. Continuous contacting of the test organism with the water to be monitored (advantageously, the test organism should be completely lapped by it throughout) should be impossible in the use of transgenic C. elegans, as they would drown immediately. The freshwater polyp Hydra, on the other hand, is a classic freshwater organism and is very sensitive to even the slightest traces of impurities and is therefore often superior to the widespread Microtox test in terms of sensitivity (Pardos et al., Acute toxicity assessment of polish (waste) water with a microplate-based Hydra attenuata assay: a comparison with the Microtox test "Be Total Environ., 1999 Dec 15; 243-244: 141-8), but so far it is not state of the art using either Hydra or any of the others It is therefore possible to differentiate the individual stress factors (pollutants, germs and other harmful environmental factors) acting on the respective biomonitor from one another, and there is therefore a need for biomonitoring systems which are suitable for this purpose.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein praktikables, sensitives und kostengünstiges Biomonitoringsystem für die Trinkwasser- und Gewässerüberwachung bereitzustellen, das unmittelbar Aufschluss über die Art eines detektierten Stressfaktors gibt. Die Aufgabe wird durch die Bereitstellung transgener Hydra mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.The object of the present invention is therefore to provide a practicable, sensitive and cost-effective biomonitoring system for drinking water and water monitoring, which provides immediate information about the type of a detected stress factor. The object is achieved by the provision of transgenic hydra having the features listed in claim 1. The subclaims indicate advantageous embodiments of the invention.
Hydra ist ein in allen aquatischen Lebensräumen verbreiteter einfacher Organismus. Die Polypen leben in allen Süßgewässern und reagieren sehr rasch auf eine Verschlechterung der Gewässerqualität (Schwermetallbelastung etc.) oder der Wassertemperatur mit einer Stressantwort (Bosch et al. „Thermotolerance and synthesis of heat shock proteins: these responses are present in Hydra attenuata but absent in Hydra oligactis." Proc Natl Acad Sei USA, 1988 Nov;85(21):7927-31).Hydra is a common organism found in all aquatic habitats. The polyps live in all fresh waters and react very rapidly to a deterioration of the water quality (heavy metal pollution, etc.) or the water temperature with a stress response (Bosch et al., Thermotolerance and synthesis of heat shock proteins: Hydra attenuata but absent in Hydra oligactis. "Proc Natl Acad Sci USA, 1988 Nov; 85 (21): 7927-31).
Die Erfinder haben Gene in Hydra entdeckt, die spezifisch von jeweils verschiedenen Umweltsignalen (Stressfaktoren) wie Temperatur, Anwesenheit toxischer Substanzen und mikro- biellen Keimen reguliert werden. Hierbei handelt es sich um die Hydra-Gens hsp70.1 (Acces- sion-no. M84019, SEQ ID NO:1) und Periculin (SEQ ID NO:2).The inventors have discovered genes in Hydra that are specifically regulated by different environmental signals (stress factors) such as temperature, presence of toxic substances and microbial germs. These are the Hydra gene hsp70.1 (Acces- sion No. M84019, SEQ ID NO: 1) and periculin (SEQ ID NO: 2).
hsp70.1 codiert für das Hydra Heat Shock Protein (HSP) 70. Dieses Gen wird sehr sensitiv über Temperaturschwankungen in dem die Hydra umgebenden Wasser reguliert (Gellner et al. „Cloning and expression of an heat inducible hsp 70 gene in two species oihydra which differ in their stress response" Eur J Biochem 1992, 210, 683-691). Darüberhinaus führen bereits Spuren von toxischen Substanzen (z. B. Natriumazid, Schwermetalle) im Wasser zu einer deutlich verstärkten Transkription des hsp70.1-Gens, wodurch sich die entsprechende 5 '-regulatorische Region (Promotor) dieses Gens hervorragend für die sensitive und spezifische Regulation eines Reportergens zum Nachweis von toxischen Substanzen eignet.hsp70.1 encodes the Hydra Heat Shock Protein (HSP) 70. This gene is very sensitive to temperature variations in the water surrounding the hydrate (Gellner et al., "Cloning and expression of an inducible hsp70 gene in two species oihydra which Differ in their stress response "Eur J Biochem 1992, 210, 683-691.) In addition, traces of toxic substances (eg, sodium azide, heavy metals) in the water lead to a significantly increased transcription of the hsp70.1 gene, resulting in the corresponding 5'-regulatory region (promoter) of this gene is outstandingly suitable for the sensitive and specific regulation of a reporter gene for the detection of toxic substances.
Die Transkription des Hydra-Gens Periculin hingegen wird spezifisch durch mikrobielle Wasserverunreinigungen wie Bakterien, Pilze und Viren bzw. durch für diese charakteristische Substanzen, z.B Lipopolysaccharide (LPS) aus gram-negativen Bakterien oder virale doppelsträngige RNA, induziert. Der entsprechende Periculin-Promotor kann daher als sehr sensitiver und spezifischer Regulator für die Transkription eines das Vorliegen einer mikro- biellen Kontamination anzeigenden Reportergens genutzt werden. Die jeweiligen Promotoren dieser Gene konnten identifiziert und in verschiedene DNA- Konstrukte (Expressionkassetten) integriert werden. Diese werden erfindungsgemäß von No- tl-Restriktionsschnittstellen flankiert und können hierüber problemlos in ein für die Klonie- rung und Propagation in dem Bakterium Escherichia coli geeignetes Vektor-Grundgerüst integriert werden. Jede Expressionskassette enthält einzelne Restriktionsschnittstellen für die Restriktionsendonukleasen ApaLI, Xbal, BamHI, Sbfl, Pacl, AsiSI, AscI und Fsel. Diese Schnittstellen ermöglichen ein leichtes Austauschen und Kombinieren von verschiedenen Promotoren und Reportergenen. Die Expressionskassetten enthalten jeweils mindestens einen der vorbezeichneten Stress-Promotoren sowie das jeweilige von diesem regulierte Reportergen (z. B. GFP, eGFP, YFP, eYFP, CFP, dsRED, BFP, mTFPl, Emerald, Citrine, mOrange, mApple, mCherry, mGrape). Dem Reportergen nachgeschaltet ist eine Expressionsterminati- ons-Sequenz, vorzugsweise der Hydra Actin-Terminator. Ferner kann die Expressionskassette ein weiteres über Fluoreszenzlicht nachweisbares Reportergen enthalten, das unter der Kon- trolle eines starken konstitutiven Promotors steht. Dies kann z. B. der Promotor des Hydra Actin-Gens sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Dieses zusätzliche konstitutiv in Hydra exprimier- bare Reportergen kann gegebenenfalls nach Mikroinjektion der Expressionsvektoren in frühe Hydra-Embryos, wie in Wittlieb et al. („Transgenic Hydra allow in vivo tracking of individ- ual stem cells during morphogenesis." Proc Natl Acad Sei U S A. 2006 Apr 18;103(16):6208- 11) beschrieben, der Kontrolle der Transfektionseffizienz und der Selektion der erfolgreich transfizierten Tiere dienen. So können z. B. verschiedene transgene Hydra-Linien erzeugt werden, die jede für sich dazu geeignet ist, über die Stress-induzierbare Expression eines geeigneten Reportergens und dessen z. B. unter Fluoreszenzlicht nachweisbaren Genproduktes die Gegenwart eines bestimmten Stressfaktors anzuzeigen (Fig. 4 und 6). In den Fig. 1 und 2 ist jeweils exemplarisch nur ein Stress-induzierbares Reportergen pro Expressionskassette dargestellt. Es ist aber genauso gut möglich, zwei unterschiedliche Stress-induzierbare Reportergene in die Expressionskassette zu integrieren. Bevorzugt werden hierfür in diesem Fall Reportergene ausgewählt, deren Genprodukte unter Fluoreszenzlicht farblich deutlich voneinander unterschieden werden können z. B. GFP und dsRED. Die mittels dieser mehrfach- induzierbaren Reportergenkonstrukte hergestellten transgenen Hydra werden unter Fluoreszenzlicht bei Kontakt mit Schwermetallen z. B. grün und bei Anwesenheit von Bakterien z. B. rot leuchten. Hierdurch kann mit ein und derselben transgenen Hydra-Linie zwischen verschiedenen UmwehWStressfaktoren unterschieden werden. In mehrfach-induzierbaren Repor- tergenkonstrukten kann es vorteilhaft sein, auf die der Kontrolle des Transfektionserfolges dienenden zusätzlichen konstitutiv exprimierten Reportergene zu verzichten, um negative Wechselwirkungen mit den induzierbaren Reportergenen zu vermeiden. In diesem Fall kann z. B. eines der induzierbaren Reportergene durch kurzfristige Inkubation mit dem jeweiligen Stressfaktor zur Kontrolle des Tranfektionserfolgs und zur Selektion der transfizierten Tiere genutzt werden. Die Nukleinsäuresequenzen der verschiedenen erfindungsgemäßen Expressionskassetten sind unter der SEQ ID:N0 3-5 dargestellt.In contrast, the transcription of the hydra gene periculin is specifically induced by microbial water contaminants such as bacteria, fungi and viruses or by substances characteristic for them, for example lipopolysaccharides (LPS) from gram-negative bacteria or viral double-stranded RNA. The corresponding periculin promoter can therefore be used as a very sensitive and specific regulator for the transcription of a microbial contamination indicating reporter gene. The respective promoters of these genes could be identified and integrated into different DNA constructs (expression cassettes). According to the invention, these are flanked by Nelt restriction sites and can be easily integrated into a vector backbone suitable for cloning and propagation in the bacterium Escherichia coli. Each expression cassette contains unique restriction endonucleases for the restriction endonucleases ApaLI, XbaI, BamHI, Sbfl, Pacl, AsiSI, AscI and Fsel. These interfaces allow for easy replacement and combining of different promoters and reporter genes. The expression cassettes each contain at least one of the above-described stress promoters and the respective reporter gene regulated by it (eg GFP, eGFP, YFP, eYFP, CFP, dsRED, BFP, mTFPl, Emerald, Citrine, mOrange, mApple, mCherry, mGrape ). The reporter gene is followed by an expression termination sequence, preferably the hydra actin terminator. Furthermore, the expression cassette may contain another fluorescent light detectable reporter gene, which is under the control of a strong constitutive promoter. This can be z. Example, the promoter of the Hydra actin gene, as shown in Fig. 2. This additional constitutively expressible in Hydra reporter gene may optionally after microinjection of the expression vectors in early hydra embryos, as in Wittlieb et al. ("Transgenic Hydra Allow In Vivo Tracking of Individual Stem Cells During Morphogenesis." Proc Natl Acad US Pat. No. 2006 Apr 18; 103 (16): 6208-11), the control of transfection efficiency and selection of successfully transfected Thus, for example, various transgenic Hydra lines can be generated, each of which is suitable for indicating the presence of a specific stress factor via the stress-inducible expression of a suitable reporter gene and its, for example, fluorescence-detectable gene product 4 and 6), only one stress-inducible reporter gene per expression cassette is shown by way of example in each of Figures 1 and 2. However, it is just as possible to integrate two different stress-inducible reporter genes into the expression cassette In this case, reporter genes selected whose gene products under fluorescent light color can be clearly distinguished from each other kö For example, GFP and dsRED. The transgenic hydra prepared by means of these multiply-inducible reporter gene constructs are incubated under fluorescent light upon contact with heavy metals, eg. B. green and in the presence of bacteria z. B. glow red. This allows a distinction to be made between different environmental stress factors with one and the same transgenic hydra line. In multiply-inducible reporter gene constructs, it may be advantageous to dispense with the additional constitutively expressed reporter genes which serve to control the transfection success in order to avoid negative interactions with the inducible reporter genes. In this case, z. B. one of the inducible reporter genes by short-term incubation with the respective stress factor for controlling the transfection success and for the selection of the transfected animals are used. The nucleic acid sequences of the different expression cassettes according to the invention are shown under SEQ ID: N0 3-5.
Durch die Verwendung der so hergestellten transgenen Hydra-Linien als Biomonitoren ist es beispielsweise möglich, automatische Systeme bereitzustellen, in denen die transgenen Hydra kontinuierlich von dem zu überwachenden Wasser umspült werden. Die entsprechenden Hydra-Kulturen werden dabei entweder permanent, bevorzugt jedoch, um ein vorzeitiges Aus- bleichen der Fluoreszenz zu vermeiden, in regelmäßigen Intervallen kurzfristig mit Fluoreszenzlicht einer geeigneten Anregungswellenlänge bestrahlt. Dies kann z. B. unter Zuhilfenahme eines modifizierten Fluoreszenz-Mikroskops oder vorzugsweise eines Fluoreszenz- Auflichtbinokulars erfolgen. Über eine geeignete Kamera wird die Kultur zu jedem Bestrah- lungsintervall auf die Expression der jeweiligen Reportergene hin analysiert. Sollte eins der jeweiligen Reportergenprodukte nachweisbar sein, wird über eine entsprechende Analysesoftware ein Warnsignal generiert und/oder entsprechende Sicherheitsprotokolle aktiviert (z. B. Abschaltung der Wasserversorgung). Natürlich sind die erfindungsgemäßen transgenen Hydra ebenso zur gezielten Untersuchung von aus Süßgewässern entnommenen Wasserproben geeignet. Hierbei werden die Hydra-Kulturen für gewisse Zeit mit den jeweiligen Was- serproben inkubiert und in regelmäßigen Abständen, wie zuvor beschrieben, auf die Expression der jeweiligen Reportergenprodukte überprüft. In Analogie hierzu liegt es auf der Hand, das gegebenenfalls auch in Wasser gelöste, auf Toxizität zu testende Substanzen mit den erfindungsgemäßen transgenen Hydra auf deren biologischen Effekt überprüft werden können.By using the transgenic hydra-lines thus prepared as biomonitors, it is possible, for example, to provide automatic systems in which the transgenic hydra are continuously bathed in the water to be monitored. The corresponding hydra cultures are irradiated either permanently, but preferably in order to avoid premature bleaching of the fluorescence, at short intervals with fluorescent light of a suitable excitation wavelength. This can be z. B. with the aid of a modified fluorescence microscope or preferably a fluorescence Auflichtbinokulars done. Using a suitable camera, the culture is analyzed for the expression of the respective reporter genes at each irradiation interval. If one of the respective reporter gene products is detectable, a warning signal is generated via appropriate analysis software and / or appropriate safety protocols are activated (eg shutdown of the water supply). Of course, the transgenic hydra according to the invention are also suitable for the targeted analysis of water samples taken from fresh water. Here, the hydra cultures are incubated for a certain time with the respective water samples and checked at regular intervals, as described above, for the expression of the respective reporter gene products. By analogy with this, it is obvious that substances which may also be dissolved in water and are to be tested for toxicity can be tested for their biological effect with the transgenic hydra according to the invention.
Der Einsatz von transgenen Hydra, die beim Vorliegen eines bestimmten Stressfaktors in dem sie umgebenden Medium ein bestimmtes Reportergen exprimieren, erlaubt somit die prakti- kable, sensitive und kostengünstige Überwachung der Qualität von Trinkwasser und Gewässern. Femer ermöglicht der Einsatz transgener Hydra auch Aussagen zu funktionellen und strukturellen Änderungen auf der Ebene von Zellen und Geweben. Dazu gehören u. a. die Erfassung von oxidativem Stress, pathologische Gewebeveränderungen, Enzymhemmungen, Dysfunktionen der Zelldifferenzierung, gentoxische Effekte und vieles mehr.The use of transgenic hydra, which express a particular reporter gene in the surrounding medium when a certain stress factor is present, thus allows the practical kable, sensitive and cost-effective monitoring of the quality of drinking water and bodies of water. Furthermore, the use of transgenic Hydra also allows statements on functional and structural changes at the level of cells and tissues. These include the detection of oxidative stress, pathological tissue changes, enzyme inhibition, dysfunctions of cell differentiation, genotoxic effects and much more.
Die Erfindung wird in den Figuren 1 bis 6 näher veranschaulicht. Es zeigen:The invention is illustrated in more detail in FIGS. Show it:
Fig. 1 eine schematische allgemeine Darstellung der Expressionsvektorkonstrukte,1 is a schematic general representation of the expression vector constructs,
Fig. 2 eine detailliertere Darstellung einer beispielhaften Expressionskassette,FIG. 2 is a more detailed illustration of an exemplary expression cassette. FIG.
Fig. 3 eine Stufe des Transfektionsvorgangs eines Hydra Embryos mittels Mikroin- jektion als Negativdarstellung,3 shows a stage of the transfection process of a Hydra embryo by means of microinjection as a negative representation,
Fig. 4 eine transgene Hydra, die das Reportergen GFP unter Regulation des hsp70.1- Promotors exprimiert, in Negativdarstellung,4 shows a transgenic hydra which expresses the reporter gene GFP under regulation of the hsp70.1 promoter, in negative representation,
Fig. 5 die Induktion des Hydra-Gens Periculin durch A: LPS und B: doppelsträngige RNA5 shows the induction of the hydra gene periculin by A: LPS and B: double-stranded RNA
Fig. 6 eine transgene Hydra, die das Reportergen dsRED unter Regulation des Pericu- lin-Promotors exprimiert.6 shows a transgenic hydra which expresses the reporter gene dsRED under regulation of the pericinol promoter.
In Fig. 1 ist eine schematische allgemeine Darstellung der Expressionsvektorkonstrukte aufgezeigt. Die Gruppe dieser Expressionsvektoren zur Herstellung von als Biomonitoren geeigneten transgenen Hydra wurde von den Erfindern als pHyMON bezeichnet. Der Vektor trägt als bakteriellen Selektionsmarker ein Ampicillin-Resistenzgen (AmpR) sowie SP6 und T7- Transkriptionsinitiationssequenzen. Über die Notl-Restriktionsschnittstelle des Vektors wurde eine Expressionskassettte mit zwei Reportergenen eingefügt. Ferner sind in der Darstellung weitere Restriktionsschnittstellen für die Restriktionsendonukleasen SacI, PstI (Sbfl) sowie AscI angegeben.In Fig. 1 is a schematic general representation of the expression vector constructs is shown. The group of these expression vectors for the preparation of transgenic hydra suitable as biomonitors was designated as pHyMON by the inventors. The vector carries, as a bacterial selection marker, an ampicillin resistance gene (Amp R ) as well as SP6 and T7 transcription initiation sequences. Via the NotI restriction cleavage site of the vector, an expression cassette with two reporter genes was inserted. Further, in the illustration further restriction sites for the restriction endonucleases SacI, PstI (Sbfl) and AscI indicated.
Eine detailiertere Darstellung der in den in Fig. 1 gezeigten Vektor inkorporierten beispielhaf- ten Expressionskassette ist in Fig. 2 gezeigt. Neben den die Expressionskassette flankierenden Notl-Restriktionsschnittstellen sind weitere Schnittsellen für die Restriktionsendonukleasen ApaLI, Xbal, BamHI, Hindlll, PstI, Sbfl, Päd, AsiSI, EcoRI, Spei, AscI und Fsel angegeben. Einzelne Restriktionsschnittstellen, die dem Austausch von Promotoren und Reportergenen dienen, sind grau dargestellt. Ferner ist die Position und Orientierung des Stress-Promotors und des von diesem kontrollierten Stress-induzierbaren Reportengens (hier GFP) sowie die Position und Orientierung des konstirutiv aktiven Actin-Promotors und des über diesen kon- stitutiv exprimierten Reportergens (hier dsRED) angegeben. Zur Terminierung der Transkription befindet sich 3' des jeweiligen Reportergens eine der Terminationsregion des Hydra Ac- tin-Gens entsprechende Terminationssequenz. Das GFP-Reportergen wird nur exprimiert, wenn ein bestimmter Stressfaktor vorhanden ist, das dsRED-Reportergenprodukt dient hier der Kontrolle der Transfektionseffizienz und der Selektion transgener Tiere.A more detailed representation of the exemplary expression cassette incorporated in the vector shown in FIG. 1 is shown in FIG. In addition to the Notl restriction sites flanking the expression cassette, further cut-off cells for the restriction endonucleases ApaLI, XbaI, BamHI, HindIII, PstI, Sbfl, Päd, AsiSI, EcoRI, Spei, AscI and Fsel are indicated. Individual restriction sites used to exchange promoters and reporter genes are shown in gray. Furthermore, the position and orientation of the stress promoter and the stress-inducible reporter gene (in this case GFP) controlled by it, as well as the position and orientation of the constitutively active actin promoter and the reporter gene constitutively expressed via it (here dsRED) are indicated. To terminate the transcription, 3 'of the respective reporter gene is a termination sequence corresponding to the termination region of the hydraacetin gene. The GFP reporter gene is only expressed if a certain stress factor is present, the dsRED reporter gene product here serves to control the transfection efficiency and the selection of transgenic animals.
In Fig. 3 ist ein früher Hydra-Embryo dargestellt, der über die Fixierungspipette (links) des Mikromanipulators angesaugt und somit fixiert wird. Die Iηjektionskanüle mit der Vektorlö- sung ist rechts unten zu sehen.FIG. 3 shows an early hydra embryo which is sucked in via the fixation pipette (left) of the micromanipulator and thus fixed. The injection cannula with the vector solution can be seen at the bottom right.
In Fig. 4 ist eine transgene Hydra dargestellt, die das Reportergen GFP unter Regulation des Schwermetall-sensitiven hsp70.1 — Promotors exprimiert. Dem die Hydra umgebenden Medium wurden 25 μmol/1 Cadmiumchlorid zugesetzt und die Hydra hierin für 2 Stunden inku- biert. Das von der Hydra in allen Körperzellen exprimierte GFP leuchtet unter Fluoreszenzlicht hellgrün.FIG. 4 shows a transgenic hydra which expresses the reporter gene GFP under the regulation of the heavy metal-sensitive hsp70.1 promoter. To the medium surrounding the hydra was added 25 μmol / l cadmium chloride and the hydra incubated therein for 2 hours. The GFP expressed by the Hydra in all body cells glows bright green under fluorescent light.
Fig. 5 zeigt die Konzentrations-abhängige Induktion des Wildtyp-Gens Periculin in Hydra vulgaris durch Lipopolysaccharid (LPS - ein charakteristischer Zellwandbestandteil gram- negativer Bakterien) und nach Transfektion mit doppelsträngiger RNA, wie sie häufig in Viren vorkommt. Fig 6. zeigt eine transgene Hydra, die das Reportergen dsRED unter Regulation des Periculin- Promotors exprimiert. Dem die Hydra umgebenden Wasser wurde 20 ng/ml LPS zugesetzt und die Hydra hierin für 2 Stunden inkubiert. Die Hydra leuchtet an vielen Stellen rot. Die klonale Selektion ist hier noch nicht soweit fortgeschritten, dass das Reportergen in allen Körperzellen exprimiert wird.FIG. 5 shows the concentration-dependent induction of the wild-type gene periculin in Hydra vulgaris by lipopolysaccharide (LPS - a characteristic cell wall constituent of Gram-negative bacteria) and after transfection with double-stranded RNA, as frequently occurs in viruses. FIG. 6 shows a transgenic hydra expressing the reporter gene dsRED under regulation of the periculin promoter. The water surrounding the hydra was added to 20 ng / ml LPS and the hydra incubated therein for 2 hours. The Hydra shines red in many places. The clonal selection has not progressed so far that the reporter gene is expressed in all body cells.
Die transgenen Hydra wurden, wie in Wittlieb et al. („Transgenic Hydra allow in vivo track- ing of individual stem cells during morphogenesis." Proc Natl Acad Sei U S A. 2006 Apr 18;103(16):6208-l 1) im Detail beschrieben, erzeugt. Im Folgenden wird die Methode daher lediglich kurz zusammengefasst:The transgenic hydra were, as described in Wittlieb et al. ("Transgenic Hydra allow in vivo tracking of individual stem cells during morphogenesis.") Proc Natl Acad US Pat. No. 2006 Apr 18; 103 (16): 6208-l 1) is described in detail therefore briefly summarized:
zur Transfektion der Hyc/ra-Polypen werden Reportergenkonstrukte eingesetzt. Die Transfek- tion erfolgt mittels Mikroinjektion von H. vulgaris (AEP) Embryos im 2 - 8 Zell Stadium. Vor der Mikroinjektion werden die Embryos vom mütterlichen Gewebe abgelöst. Die Mikroinjektion wird unter einem invertierten Mikroskop (Zeiss Axiovert 100) und zwei Mikroma- nipulatoren (Leitz, Eppendorf) durchgeführt. Embryos werden unter Zuhilfenahme einer CellTram Air Pumpe (Eppendorf) mit einer Mikropipette gehalten. Das jeweilige Konstrukt (0.1 μl; 0.6 μg Vektor/μl) wird mit einer CellTram vario Pumpe (Eppendorf) injiziert. Die Glassnadeln für die Mikroinjektion werden mit einem Vertical Pipette Puller 700 C (Kopf Instruments, Tujunga, CA) hergestellt. Zwischen 20 und 30 % der Embryonen exprimieren das Konstrukt von Tag 2 an. Nach dem Schlüpfen exprimieren die Polypen das Reportergen als „Mosaike" in kleinen Zellgruppen. Durch klonale Propagation werden aus solchen Gründerpolypen Polypen hergestellt, die das Expressionskonstrukt in allen Zellen des Körpers oder der betreffenden Zelllinie tragen. Reporter gene constructs are used to transfect the Hyc / ra polyps. The transfection is carried out by microinjection of H. vulgaris (AEP) embryos in the 2-8 cell stage. Before the microinjection, the embryos are detached from the maternal tissue. The microinjection is performed under an inverted microscope (Zeiss Axiovert 100) and two micro-manipulators (Leitz, Eppendorf). Embryos are maintained with a micropipette using a CellTram Air pump (Eppendorf). The respective construct (0.1 μl, 0.6 μg vector / μl) is injected with a CellTram vario pump (Eppendorf). The glass needles for microinjection are made with a Vertical Pipette Puller 700 C (Kopf Instruments, Tujunga, CA). Between 20 and 30% of the embryos express the construct from day 2 onwards. After hatching, the polyps express the reporter gene as "mosaics" in small groups of cells, and clonal propagation produces polyps from such founder polyps that carry the expression construct in all cells of the body or cell line.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Transgene Hydra, dadurch gekennzeichnet, dass diese beim Vorliegen wenigstens ei-1. A transgenic hydra, characterized in that it has at least one
. nes Stressfaktors in dem sie umgebenden Medium ein durch den jeweiligen Stressfaktor induzierbares Reportergen exprimiert., Stress factor in the surrounding medium expressed by the respective stress factor inducible reporter gene.
2. Transgene Hydra nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem2. Transgenic Hydra according to claim 1, characterized in that it is in the
Stressfaktor um eine toxische Substanz handelt.Stress factor is a toxic substance.
3. Transgene Hydra nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Trans- fektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ID:NO 3 enthaltenden Vektor erzeugt wird.3. Transgenic Hydra according to claim 2, characterized in that it is produced by transfection with a the expression cassette according to SEQ ID: NO 3 containing vector.
4. Transgene Hydra nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stressfaktor um mikrobielle Keime handelt.4. Transgenic Hydra according to claim 1, characterized in that it is the stress factor to microbial germs.
5. Transgene Hydra nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrobiellen Keime ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bakterien, Pilzen und Viren.5. Transgenic Hydra according to claim 4, characterized in that the microbial germs are selected from the group consisting of bacteria, fungi and viruses.
6. Transgene Hydra nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Trans- fektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ED:NO 4 enthaltenden Vektor erzeugt wird.6. Transgenic Hydra according to claim 5, characterized in that it is produced by transfection with a the expression cassette according to SEQ ID: NO 4 containing vector.
7. Transgene Hydra nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese beim Vorliegen eines ersten Stressfaktors ein erstes Reportergen und beim Vorliegen eines zweiten Stressfaktors ein zweites von dem ersten unterscheidbares Reportergen exprimiert.7. Transgenic Hydra according to claim 2 and 5, characterized in that they are in the presence of a first stress factor, a first reporter gene and in the presence of a second stress factor expresses a second from the first distinguishable reporter gene.
8. Transgene Hydra nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Trans- fektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ID:NO 5 enthaltenden Vektor erzeugt wird.8. Transgenic hydra according to claim 7, characterized in that it is produced by transfection with a vector containing the expression cassette according to SEQ ID: NO 5.
9. Verwendung von transgenen Hydra gemäß Anspruch 1 bis 8 als Biomonitoren zum9. Use of transgenic hydra according to claim 1 to 8 as biomonitors for
Nachweis von toxischen Substanzen und/oder mikrobiellen Keimen.Detection of toxic substances and / or microbial germs.
10. Verfahren zum Nachweis wenigstens eines Stressfaktors in einer Probe, gekennzeich- net durch das Inkontaktbringen der Probe mit transgenen Hydra, wobei diese beim10. A method for detecting at least one stress factor in a sample, characterized by contacting the sample with transgenic hydra, which in the
Vorliegen des wenigstens einen Stressfaktors ein durch den jeweiligen Stressfaktor induzierbares Reportergen exprimieren, sowie dem Nachweis des jeweiligen Reportergenproduktes durch Bestrahlung der transgenen Hydra mit Licht einer geeigneten Anregungswellenlänge und der Untersuchung des hierbei von dem Reportergenprodukt abgestrahlten Lichts.Presence of the at least one stress factor expressing a reporter gene inducible by the respective stress factor, as well as the detection of the respective reporter gene product by irradiation of the transgenic Hydra with light of a suitable excitation wavelength and the examination of the light emitted thereby by the reporter gene product.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stressfaktor um eine toxische Substanz handelt.11. The method according to claim 10, characterized in that it is the stressor is a toxic substance.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die transgenen Hydra durch Transfektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ID:NO 3 enthaltenden Vektor erzeugt werden. 12. The method according to claim 11, characterized in that the transgenic hydra are produced by transfection with a vector containing the expression cassette according to SEQ ID: NO 3.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stressfaktor um mikrobielle Keime handelt.13. The method according to claim 10, characterized in that it is the stress factor to microbial germs.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrobiellen Keime ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bakterien, Pilzen und Viren.14. The method according to claim 13, characterized in that the microbial germs are selected from the group consisting of bacteria, fungi and viruses.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die transgenen Hydra durch Transfektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ID:NO 4 enthaltenden Vektor erzeugt werden.15. The method according to claim 13, characterized in that the transgenic hydra are produced by transfection with a vector containing the expression cassette according to SEQ ID: NO 4.
16. Verfahren nach Anspruch 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die transgenen Hydra beim Vorliegen eines ersten Stressfaktors ein erstes Reportergen und beim Vorliegen eines zweiten Stressfaktors ein zweites von dem ersten unterscheidbares Reportergen exprimieren.16. The method according to claim 11 and 14, characterized in that the transgenic hydra expressing a first reporter gene in the presence of a first stress factor and in the presence of a second stress factor, a second of the first distinguishable reporter gene.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die transgenen Hydra durch Transfektion mit einem die Expressionskassette gemäß SEQ ID:NO 5 enthaltenden Vektor erzeugt werden.17. The method according to claim 16, characterized in that the transgenic hydra are produced by transfection with a vector containing the expression cassette according to SEQ ID: NO 5.
18. Expressionskassette, gekennzeichnet durch eine Nukleotidsequenz welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den unter SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:4 und SEQ ID NO: 5 angegebenen Nukleotidsequenzen.18. Expression cassette, characterized by a nucleotide sequence which is selected from the group consisting of the nucleotide sequences given under SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 5.
19. Verwendung eines eine Expressionskassette nach Anspruch 18 enthaltenden Vektors zur Herstellung von als Biomonitoringsystem einsetzbaren transgenen Hydra. 19. Use of a vector containing an expression cassette according to claim 18 for the production of usable as biomonitoring system transgenic hydra.
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