FR2604436A1 - Cloning of the bioA, bioD and bioF genes of Bacillus sphaericus, vectors and transformed cells and process for preparing biotin - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne la préparation de la biotine par fermentation en utilisant la technique des ADN recombinants. The present invention relates to the preparation of biotin by fermentation using the recombinant DNA technique.
La biotine est une vitamine nécessaire pour l'homme, les animaux, les plantes et pour certains microorganismes. Biotin is a vitamin necessary for humans, animals, plants and for certain microorganisms.
Elle a été isolée du jaune d'oeuf et on en trouve dans la levure de bière, les céréales, différents organes, sous forme libre ou combinée à des protéines. It has been isolated from egg yolk and is found in brewer's yeast, cereals, various organs, in free form or combined with proteins.
Cette vitamine a été notamment proposée comme régulateur du métabolisme cutané, notamment dans le traitement des dermites séborrhéiques chez l'homme,
Outre les différentes sources qui ont été rappelées précédemment, la biotine est synthétisée par certains microorganismes, en particulier des microorganismes du genre Bacillus tel que Bacillus sphaericus.This vitamin has been proposed in particular as a regulator of skin metabolism, in particular in the treatment of seborrheic dermatitis in humans,
In addition to the various sources which have been mentioned above, biotin is synthesized by certain microorganisms, in particular microorganisms of the genus Bacillus such as Bacillus sphaericus.
La figure 1 schématise la chaîne de biosynthèse de la biotine à partir de l'acide pimélique dans ce type de microorganisme. Cette chaîne de biosynthèse comprend 5 étapes enzymatiques différentes dans lesquelles les gènes mis en oeuvre sont dénommés successivement bioC, bioF, bioA, bioD et bioB. Figure 1 shows schematically the biosynthesis chain of biotin from pimelic acid in this type of microorganism. This biosynthesis chain includes 5 different enzymatic stages in which the genes used are successively called bioC, bioF, bioA, bioD and bioB.
L'étude systématique de la production de la biotine à partir de l'acide pimélique au cours de fermentations industrielles a montré que certains microorganismes, particulièrement ceux appartenant au genre
Bacillus sphaericus, hyperproduisent des vitamères de la biotine de même que la biotine (on appellera ci-après "vitamères" les différents intermédiaires conduisant à la biotine).The systematic study of the production of biotin from pimelic acid during industrial fermentations has shown that certain microorganisms, particularly those belonging to the genus
Bacillus sphaericus, hyperproduce vitamins of biotin as well as biotin (hereinafter called "vitamers" the various intermediates leading to biotin).
Pour ces bactéries, parmi les précurseurs de la biotine, le DTB (desthiobiotine) représente le composant prédominant qui est produit en quantité beaucoup plus grande que la molécule finale : la biotine. For these bacteria, among the precursors of biotin, DTB (desthiobiotin) represents the predominant component which is produced in much greater quantity than the final molecule: biotin.
Il existe un fort contrôle de transcription réprimant la synthèse de la biotine qui dépend de la quantité de biotine présente dans le milieu de culture ; cette répression intervient dans E. coli de même que dans
Bacillus sphaericus. There is a strong transcription control repressing the synthesis of biotin which depends on the amount of biotin present in the culture medium; this repression occurs in E. coli as well as in
Bacillus sphaericus.
Mais aucune inhibition par "feed back" ne régule la biosynthèse de la biotine dans E. coli et jamais un tel contrôle n'a été décrit dans
Bacillus sphaericus.However, no feedback inhibition regulates the biosynthesis of biotin in E. coli and such control has never been described in
Bacillus sphaericus.
L'explication complète de la production d'une très grande quantité de DTB (pour une quantité faible de biotine) à partir de l'acide pimélique dans Bacillus sphaericus nécessite encore une étude de biologie moléculaire très importante sur l'organisation et la régulation de la voie de biosynthèse de la biotine dans cette bactérie. The complete explanation of the production of a very large amount of DTB (for a small amount of biotin) from pimelic acid in Bacillus sphaericus still requires a very important molecular biology study on the organization and regulation of the biosynthetic pathway for biotin in this bacteria.
Les études préliminaires de certaines des enzymes biosynthétiques extraites et semi-purifiées à partir de souches de B. sphaericus produisant le DTB ne révèlent pas de différences marquantes avec les enzymes de la biotine bien connues dans E. coli. Preliminary studies of some of the biosynthetic enzymes extracted and semi-purified from strains of B. sphaericus producing DTB do not reveal significant differences with the enzymes of biotin well known in E. coli.
Néanmoins, la production de biotine par fermentation industrielle de telles souches de Bacillus sphaericus (IFO 3525, NCIB 9370) pourrait devenir compétitive avec les procédés chimiques existants si le rendement en biotine était amélioré. De façon à atteindre ce but, il serait intéressant d'obtenir une hyperexpression constitutive de tous les gènes biosynthétiques de la biotine dns C Sç3UCheS. However, the production of biotin by industrial fermentation of such strains of Bacillus sphaericus (IFO 3525, NCIB 9370) could become competitive with existing chemical processes if the yield of biotin were improved. In order to achieve this goal, it would be interesting to obtain a constitutive hyperexpression of all the biosynthetic genes of biotin dns C Sç3UCheS.
On a, bien entendu, décrit la sélection de souches de E. coli déréprimées, soit par leur résistance aux analogues de la biotine tels que- l'alpha-déhydrobiotine, soit par sélection de mutants hyper sécréteurs de biotine. I1 a également été décrit des mutations "cis dominantes" qui agissent de façon plélotrope sur la synthèse de tous les gènes de la biotine organisés en un un opéron bipolaire. Des mutations agissant en trans ont également été mentionnées, bien que, en plus de leur pouvoir d'abolir le contrôle de la transcription des gènes de la biotine, ells ont souvent des propriétés plélotropes qui peuvent se répercuter sur la physiologie générale de la cellule. We have, of course, described the selection of strains of E. coli that are depressed, either by their resistance to biotin analogs such as alpha-dehydrobiotin, or by selection of mutants hyper secreting biotin. I1 has also been described as "dominant cis" mutations which act plelotropically on the synthesis of all the biotin genes organized into a bipolar operon. Mutations acting in trans have also been mentioned, although, in addition to their power to abolish the transcription control of biotin genes, they often have plelotropic properties which can affect the general physiology of the cell.
Ces méthodes de sélection microbiologique traditionnelle peuvent aussi être appliquées aux souches de Bacillus sphaericus produisant du DTB, si l'on émet l'hypothèse que le -contrôle moléculaire de la biosynthèse de la biotine et l'organisation générale des gènes de la biotine sont les mêmes que dans E. coli. These traditional microbiological selection methods can also be applied to strains of Bacillus sphaericus producing DTB, if it is hypothesized that the molecular control of biotin biosynthesis and the general organization of biotin genes are the same as in E. coli.
Au-delà de toutes ces hypothèses, I'utilisation de souches mutantes dans des fermentations industrielles importantes et en culture continue nécessite la sélection de mutants présentant un très faible taux de réversion, ce qui représente une tâche difficile étant donné l'absence actuelle de méthodes d'analyse génétique fine chez Bacillus sphaericus. Beyond all these hypotheses, the use of mutant strains in important industrial fermentations and in continuous culture requires the selection of mutants with a very low reversion rate, which represents a difficult task given the current absence of methods. fine genetic analysis in Bacillus sphaericus.
Une autre approche pourrait consister à cloner tous les gènes de la chaîne de biosynthèse de la biotine à partir d'une souche de Bacillus sphaericus produisant du DTB, puis à modifier, in vitro, la région de contrôle en 5' de façon à supprimer le contrôle de transcription. Another approach could be to clone all genes in the biotin biosynthesis chain from a DTB-producing strain of Bacillus sphaericus and then modify the 5 'control region in vitro so as to suppress the transcription control.
En outre, le clonage et la manipulation in vitro de ces gènes permettraient l'étude de leur organisation générale et l'amélioration de leur transcription in vivo, par des techniques de génie génétique qui sont connues, impliquant en particulier l'utilisation de promoteurs forts, connus pour être fonctionnels dans les souches de Bacillus sphaericus. In addition, cloning and in vitro manipulation of these genes would allow the study of their general organization and the improvement of their transcription in vivo, by known genetic engineering techniques, implying in particular the use of strong promoters. , known to be functional in Bacillus sphaericus strains.
La réintroduction de tous ces gènes hyperexprimés et qui ne seraient plus régulés par la biotine (mais qui seraient régulés de façon inductible en utilisant, par exemple, une induction par une augmentation de température ou par un substrat peu onéreux) dans la souche originale de
Bacillus sphaericus pourrait alors être mise en oeuvre en utilisant les techniques connues de transformation, de transduction ou de conjugaisonmobilisation.The reintroduction of all these hyperexpressed genes which would no longer be regulated by biotin (but which would be regulated inducibly by using, for example, an induction by an increase in temperature or by an inexpensive substrate) in the original strain of
Bacillus sphaericus could then be implemented using known techniques of transformation, transduction or conjugation-mobilization.
On peut également envisager l'introduction de ces gènes dans des différents microorganismes qui sont connus pour être acceptables dans l'industrie alimentaire et qui sont perméables à l'acide pimélique, par exemple Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae ou des souches de
Pseudomonas.It is also possible to envisage the introduction of these genes into various microorganisms which are known to be acceptable in the food industry and which are permeable to pimelic acid, for example Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae or strains of
Pseudomonas.
Enfin, la stabilisation de ces informations génétiques dans les microorganismes pourrait être réalisée par une intégration dirigée dans les chromosomes ou par une autosélection de plasmides tel que cela est décrit, par exemple, dans le brevet français nO 84 12598. Finally, the stabilization of this genetic information in microorganisms could be carried out by a directed integration in the chromosomes or by a self-selection of plasmids as described, for example, in French patent No. 84 12598.
Le clonage et la caractérisation du gène bioB de Bacillus sphaericus ont déjà été décrits dans les brevets JP-A-166 992/85 du 29 juillet 1985, 3P-A-66 532/86 du 25 mars 1986 et JP-A-95 724/86 du 24 avril 1986. The cloning and characterization of the bioB gene of Bacillus sphaericus have already been described in patents JP-A-166 992/85 of July 29, 1985, 3P-A-66 532/86 of March 25, 1986 and JP-A-95 724 / 86 of April 24, 1986.
Plus particulièrement, la présente invention concerne les séquences d'ADN codant pour l'enzyme produit de l'un des gènes suivants de la chaîne de biosynthèse de la biotine chez les bactéries - gène bioA - gène bioD, et - gène bioF. More particularly, the present invention relates to the DNA sequences coding for the enzyme produced from one of the following genes of the biotin biosynthesis chain in bacteria - bioA gene - bioD gene, and - bioF gene.
Ces séquences d'ADN selon l'invention sont liées sous forme de "cluster" avec le gène bioB qui avait été précédemment identifié et l'ensemble couvre donc la plus grande partie de la chaîne de biosynthèse de la biotine. These DNA sequences according to the invention are linked in the form of a "cluster" with the bioB gene which had been previously identified and the whole therefore covers the major part of the biotin biosynthesis chain.
Bien que les séquences d'ADN mentionnées précédemment puissent être d'origine diverse, on préferera utiliser les séquences provenant d'une souche de Bacillus, en particulier d'une souche de Bacillus sphaericus. Although the DNA sequences mentioned above may be of diverse origin, it is preferable to use the sequences originating from a strain of Bacillus, in particular from a strain of Bacillus sphaericus.
Comme cela a été indiqué précédemment, il est particulièrement intéressant que ces séquences d'ADN soient dépourvues des séquences naturelles assurant le contrôle de la transcription des enzymes de la voie de biosynthèse de la biotine chez la bactérie d'origine afin d'abolir la régulation naturelle due à la biotine et de placer ces séquences d'ADN sous le contrôle d'éléments choisis, qui assureront leur transcription efficace dans la souche hôte. As indicated above, it is particularly interesting that these DNA sequences are devoid of the natural sequences ensuring the control of the transcription of the enzymes of the biotin biosynthesis pathway in the original bacterium in order to abolish the regulation. natural due to biotin and to place these DNA sequences under the control of selected elements, which will ensure their efficient transcription in the host strain.
L'invention concerne, en particulier, to;Jt ou partie des séquences qui sont représentées dans les figures 4 à 8 et qui codent pour l'un des gènes mentionnés précédemment. The invention relates, in particular, to; Jt or part of the sequences which are represented in FIGS. 4 to 8 and which code for one of the genes mentioned above.
Les séquences d'ADN selon la présente invention peuvent être utilisées de différentes façons. The DNA sequences according to the present invention can be used in different ways.
Tout d'abord, ces séquences peuvent être introduites dans un vecteur plasmidique présentant ou non une origine de réplication efficace dans la cellule hôte. First of all, these sequences can be introduced into a plasmid vector which may or may not have an origin of efficient replication in the host cell.
Lorsque le vecteur plasmidique est non réplicable, il comporte de préférence des séquences d'ADN permettant son intégration chromosomique dans la souche hôte ; pour ce faire, ces séquences doivent être homologues de séquences déjà présentes dans le génome de la souche à transformer. Ces séquences homologues peuvent etre naturelles, c'est-à-dire se trouver dans le chromosome, ou bien y avoir été introduites par un plasmide d'intégration, ce dernier type de plasmide comportant en général un gène de résistance à un antibiotique et un gène marqueur sous la dépendance d'un promoteur de la souche à transformer. When the plasmid vector is non-replicable, it preferably comprises DNA sequences allowing its chromosomal integration in the host strain; to do this, these sequences must be homologous to sequences already present in the genome of the strain to be transformed. These homologous sequences may be natural, that is to say be found in the chromosome, or else have been introduced therein by an integration plasmid, this latter type of plasmid generally comprising a gene for resistance to an antibiotic and a marker gene dependent on a promoter of the strain to be transformed.
Dans le cadre de la présente invention, le vecteur plasmidique d'intégration est plus particulièrement le plasmide pTG475 qui sera décrit ci-après et qui comporte notamment un promoteur inductible. In the context of the present invention, the integration plasmid vector is more particularly the plasmid pTG475 which will be described below and which comprises in particular an inducible promoter.
Lorsque le vecteur comporte une origine de réplication autonome, les séquences d'ADN codant pour les enzymes mentionnées précédemment seront, de préférence, flanquées d'éléments de contrôle assurant leur expression dans la souche hôte ; il s'agira en particulier, à l'extrémité 5', d'un promoteur fort, efficace dans ladite souche et éventuellement d'autres éléments tels qu'une séquence de terminaison lorsque la souche hôte sera une levure ou tout autre microorganisme où une telle séquence est nécessaire. When the vector has an origin of autonomous replication, the DNA sequences coding for the enzymes mentioned above will preferably be flanked by control elements ensuring their expression in the host strain; it will be in particular, at the 5 ′ end, a strong promoter, effective in said strain and possibly other elements such as a termination sequence when the host strain is a yeast or any other microorganism such sequence is necessary.
La présente invention concerne également les cellules transformées par les plasmides vecteurs selon l'invention. Parmi ces cellules, il faut citer plus particulièrement les bactéries, notamment des genres Bacillus,
Escherichia ou Pseudomonas, mais également les levures, en particulier du genre Saccharomyces.The present invention also relates to the cells transformed by the vector plasmids according to the invention. Among these cells, mention should be made more particularly of bacteria, in particular of the genera Bacillus,
Escherichia or Pseudomonas, but also yeasts, in particular of the genus Saccharomyces.
Enfin, la présente invention concerne un procédé de préparation de la biotine dans lequel on fait fermenter un milieu de croissance contenant au moins de l'acide pimélique, ou l'un des vitamères de la biotine, par des cellules telles qu'elles ont été décrites précédemment, qui soient perméables soit à l'acide pimélique, soit auxdits vitamères de la biotine et en ce qu'on récupère la biotine produite. Finally, the present invention relates to a process for the preparation of biotin in which a growth medium containing at least pimelic acid, or one of the vitamins of biotin, is fermented by cells as they have been described above, which are permeable either to pimelic acid or to said biotin vitamers and in that the biotin produced is recovered.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture des exemples ci-après décrits en se référant aux figures sur lesquélles la figure 1 représente la chaîne de biosynthèse de la biotine, la figure 2 schématise le plasmide pTG1400, . la figure 3 schématise le plasmide pTG475, .la figure 4 représente la séquence non codante en amont de la séquence
LORF nO 1, . la figure 5 représente la séquence LORF nb I correspondant au gène bioD, la figure 6 représente la séquence LORF nO 2 correspondant au gène bioA, la figure 7 représente la séquence LORF nO 3 correspondant au gène Y, .la figure 8 représente la séquence LORF n 4 correspondant au gène bioB, . la figure 9 schématise l'étude de complémentation de pTGl400, . la figure 10 schématise l'étude de complémentation entre différents
plasmides, . la figure 11 schématise la structure du plasmide pTG1418, la figure 12 schématise l'essai de complémentation de pTG1418.Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the examples below described with reference to the figures in which FIG. 1 represents the biosynthesis chain of biotin, FIG. 2 schematizes the plasmid pTG1400,. FIG. 3 schematizes the plasmid pTG475,. FIG. 4 represents the non-coding sequence upstream of the sequence
LORF nO 1,. FIG. 5 represents the LORF nb I sequence corresponding to the bioD gene, FIG. 6 represents the LORF nO 2 sequence corresponding to the bioA gene, FIG. 7 represents the LORF nO 3 sequence corresponding to the Y gene, FIG. 8 represents the LORF sequence n 4 corresponding to the bioB gene,. FIG. 9 schematizes the complementation study of pTGl400,. Figure 10 shows schematically the complementation study between different
plasmids,. FIG. 11 diagrams the structure of the plasmid pTG1418, FIG. 12 diagrams the complementation test for pTG1418.
EXEMPLE 1
Clonage par complémentation des gènes bioA et bioD de Bacillus sphaericus IFO 3525 et mise en évidence de leur liaison avec bioB
a) Dans E. coli
Bacillus sphaericus IFO 3525 est mis en culture dans 200 ml de milieu de culture PAB (DIFCO Bacto antibiotique, milieu 3, 17,5 g/l) à 37 C pendant 17 heures. Les bactéries sont récupérées par centrifugation et l'ADN total est alors extrait à partir des cellules par la méthode de Saito (Saito et al. BBA 1963, 72, 619-629). Une quantité de 450 g d'ADN pur est obtenue.EXAMPLE 1
Cloning by complementation of the bioA and bioD genes of Bacillus sphaericus IFO 3525 and demonstration of their link with bioB
a) In E. coli
Bacillus sphaericus IFO 3525 is cultured in 200 ml of PAB culture medium (DIFCO Bacto antibiotic, medium 3, 17.5 g / l) at 37 ° C. for 17 hours. The bacteria are recovered by centrifugation and the total DNA is then extracted from the cells by the Saito method (Saito et al. BBA 1963, 72, 619-629). 450 g of pure DNA are obtained.
20 pg de l'ADN total sont mis en restriction totale avec Hindlil (3 U/jig d'ADN). pBR322 est traité avec la phosphatase alcaline après avoir été complètement digéré par HindlII. 20 μg of the total DNA are placed in total restriction with HindIII (3 U / μg of DNA). pBR322 is treated with alkaline phosphatase after being fully digested with HindIII.
Les plasmides recombinants hybrides sont obtenus en mélangeant l'ADN génomique digéré par Hindlil (2 lig) et pBR322 traité comme précédemment (I pg) avec 2 unités de ligase T4 (Boehringer Mannheim)
dans 50 l du tampon réactionnel contenant NaCI 30 mM, Tris HCI pH 7,5
30 mM, MgCl2 10 mM, EDTA pH 8 0,2 mM, DTT 2 mM, ATP pH 7 0,5 mM et
BSA 0,1 mg/ml. L'incubation est effectuée à 140C pendant 16 heures. Des
aliquotes du mélange de ligation sont alors ajoutées dans une expérience de
transformation (Cohen et al. (1972) PNAS 69, 2110-2114) en utilisant la
souche E. coli C600 r K m K + et en sélectionnant les souches pour leur
résistance à l'ampicilline (100 pg/ml > sur milieu LB.The hybrid recombinant plasmids are obtained by mixing the genomic DNA digested with Hindlil (2 lig) and pBR322 treated as above (I pg) with 2 units of T4 ligase (Boehringer Mannheim)
in 50 l of the reaction buffer containing 30 mM NaCI, Tris HCI pH 7.5
30 mM, MgCl2 10 mM, EDTA pH 8 0.2 mM, DTT 2 mM, ATP pH 7 0.5 mM and
BSA 0.1 mg / ml. The incubation is carried out at 140C for 16 hours. Of
aliquots of the ligation mixture are then added in an experiment of
transformation (Cohen et al. (1972) PNAS 69, 2110-2114) using the
E. coli C600 r K m K + strain and selecting the strains for their
resistance to ampicillin (100 pg / ml> on LB medium.
4 "pools" différents d'ADN plasmidique sont alors extraits,
chacun correspondant à une moyenne de 104 clones individuels sur les
boîtes de transformation.4 different "pools" of plasmid DNA are then extracted,
each corresponding to an average of 104 individual clones on the
transformation boxes.
Différents mutants bio de E. coli sont alors transformés avec ces
"pools" d'ADN et les transformés sont sélectionnés soit en présence
d'ampicilline (100 pg/ml) sur milieu LB soit pour la résistance à cet
antibiotique et pour la prototrophie pour la biotine en même temps (milieu
LB + ampicilline 100 Pg/ml + avidine 0,2 U/ml).Different bio mutants of E. coli are then transformed with these
DNA pools and transformants are selected either in the presence
ampicillin (100 pg / ml) on LB medium either for resistance to this
antibiotic and for prototrophy for biotin at the same time (middle
LB + ampicillin 100 Pg / ml + avidin 0.2 U / ml).
Les résultats observés sont rassemblés dans le tableau 1
Tableau 1
Génotype de la souche Sélection Amp. Sélection sur milieu Amp
de E. coli Transformants/g d'ADN + avidine 0,2 U/ml
transformants/pa d'ADN
C268* #bioA, his > 103 3 (pool n 4)
(pour chaque pool) 1 (pool n 1)
C173* ssbioD, his > 103 2 (pool n 4)
(pour chaque pool)
* : Cleary et Campbell (1972) J. Bacteriol. 112, 830.The results observed are collated in Table 1
Table 1
Genotype of the Amp Selection strain. Selection on medium Amp
of E. coli Transformants / g DNA + avidin 0.2 U / ml
DNA transformants / pa
C268 * #bioA, his> 103 3 (pool n 4)
(for each pool) 1 (pool n 1)
C173 * ssbioD, his> 103 2 (pool n 4)
(for each pool)
*: Cleary and Campbell (1972) J. Bacteriol. 112, 830.
Les plasmides sont isolés à partir des clones sélectionnés sur
ampicilline + avidine et analysés en utilisant des enzymes de restriction.The plasmids are isolated from the clones selected on
ampicillin + avidin and analyzed using restriction enzymes.
Trois plasmides (2 provenant de la souche C268 et 1 de la souche C173)
contiennent un insert Hindlil de 4,3 kb avec un site BgllI et 2 sites Spahi et sans site BamHI, Sall, Pstl, EcoRV, Pull, Aval. Three plasmids (2 from strain C268 and 1 from strain C173)
contain a 4.3 kb Hindlil insert with a BglII site and 2 Spahi sites and without a BamHI, Sall, Pstl, EcoRV, Pull, Downstream site.
Avec l'un de ces plasmides, dénommé pTGl400, et dont la carte de restriction est représentée à la figure 2, il est possible de retransformer en sélectionnant pour la résistance à l'ampicilline et la prototrophie pour la biotine, aussi bien les souches C268 (dbioA), C173 ZbioD), R877 (bioDI9) (Cleary et Campbell, 1972) ou C162 (bioB) avec une fréquence moyenne correspondant à celle obtenue pour la sélection avec l'ampicilline seule (plus de 103 par p8 d'ADN). Aucune complémentation de l'auxotrophie pour la biotine des souches R878 (bioC23) ou R901 (bbioA-D) (Cleary et
Campbell, 1972) ne peut etre obtenue en utilisant pTGl400. With one of these plasmids, called pTGl400, and the restriction map of which is shown in FIG. 2, it is possible to retransform by selecting for resistance to ampicillin and prototrophy for biotin, as well the strains C268 (dbioA), C173 ZbioD), R877 (bioDI9) (Cleary and Campbell, 1972) or C162 (bioB) with an average frequency corresponding to that obtained for selection with ampicillin alone (more than 103 per p8 of DNA) . No complement of the auxotrophy for the biotin of the strains R878 (bioC23) or R901 (bbioA-D) (Cleary and
Campbell, 1972) cannot be obtained using pTGl400.
b) Dans Bacillus subtilis
La complémentation des mutants bio de Bacillus subtilis pourrait se révéler difficile car il est connu que des délétions peuvent se produire avec une fréquence très importante dans les inserts étrangers clonés dans les plasmides réplicatifs usuels de Bacillus subtilis. C'est pourquoi il a été développé une nouvelle stratégie basée sur des essais de complémentation à l'aide d'un plasmide non réplicatif. L'intégration de plasmides non réplicatifs dans l'ADN génomique de Bacillus subtilis intervient avec une fréquence assez élevée (environ 104 transformants/lJg d'ADN), en utilisant des cellules naturellement compétentes de Bacillus subtilis, si des régions homologues existent entre l'ADN génomique et le plasmide.b) In Bacillus subtilis
The complementation of the biological mutants of Bacillus subtilis could prove to be difficult because it is known that deletions can occur with very high frequency in the foreign inserts cloned in the usual replicative plasmids of Bacillus subtilis. This is why a new strategy has been developed based on complementation tests using a non-replicating plasmid. The integration of non-replicative plasmids into the genomic DNA of Bacillus subtilis occurs with a fairly high frequency (approximately 104 transformants / lJg of DNA), using naturally competent cells of Bacillus subtilis, if homologous regions exist between the Genomic DNA and the plasmid.
La première étape consiste à intégrer le plasmide pTG475 dont la structure est indiquée à la figure 3 dans différents mutants bio de
Bacillus subtilis.The first step consists in integrating the plasmid pTG475, the structure of which is indicated in FIG. 3 in various bio mutants of
Bacillus subtilis.
Le plasmide pTG475 contient le gène XylE qui code pour l'enzyme C2 3 oxygénase (Zukowski et al. (1983) PNAS USA, 80, 1101-1105), qui peut être utilisé comme marqueur chromogénique (jaune) et qui est exprimé sous le contrôle du promoteur inductible du gène de la levane sucrase de Bacillus subtilis. Ce plasmide comporte également un gène CAT conférant la résistance au chloramphénicol ; les gènes CAT et XylE sont insérés dans pBR322. The plasmid pTG475 contains the XylE gene which codes for the enzyme C2 3 oxygenase (Zukowski et al. (1983) PNAS USA, 80, 1101-1105), which can be used as a chromogenic marker (yellow) and which is expressed under the control of the inducible promoter of the levan sucrase gene from Bacillus subtilis. This plasmid also contains a CAT gene conferring resistance to chloramphenicol; the CAT and XylE genes are inserted into pBR322.
Ce plasmide est intégré dans le chromosome des souches suivantes de Bacillus subtilis : . souche bioA : JKB 3173 (bioA 173, aro G932 ; CH Pai (1975)
J. Bacteriol. 121, 1-8), souche bioB : BGSC1A92 (bioB 141, aro G932 Sac A 321, Arg A2
CH Pai (197S) J. Bacteriol. 121, 1-8, .souche bioll2 :JKB 3112 (bio 112;CH Pai (1975) J. Bacteriol. 121, 1-8), par la technique de transformation des cellules compétentes de R.J. This plasmid is integrated into the chromosome of the following strains of Bacillus subtilis:. bioA strain: JKB 3173 (bioA 173, aro G932; CH Pai (1975)
J. Bacteriol. 121, 1-8), bioB strain: BGSC1A92 (bioB 141, aro G932 Sac A 321, Arg A2
CH Pai (197S) J. Bacteriol. 121, 1-8, .soul bioll2: JKB 3112 (bio 112; CH Pai (1975) J. Bacteriol. 121, 1-8), by the technique of transformation of competent cells of RJ
Boyland (1972) J. Bacteriol. 110, 281-290, la sélection étant effectuée sur
TBAB (DIFCO Blood tryptose agar base)) plus chloramphénicol 3 pg/ml. Boyland (1972) J. Bacteriol. 110, 281-290, the selection being made on
TBAB (DIFCO Blood tryptose agar base)) plus chloramphenicol 3 pg / ml.
Différents contrôles sont effectués sur les clones transformés
ils virent au jaune lorsqu'on induit avec le sucrose, et en outre un contrôle par hybridation Southern pour les souches bioA, bioB et bioll2 montre que l'intégration de pTG475 par recombinaison simple dans le promoteur du gène de la levane sucrase a eu lieu. Ces souches transformées de Bacillus subtilis sont appelées bioA TG1, bioB TG2 et biol 12 TG3. Le plasmide pTG475 ayant apporté des séquences de pBR322 dans le génome de Bacillus subtilis, il devient possible d'intégrer, par recombinaison homologue, tout plasmide étranger comportant ces mêmes séquences.Different checks are carried out on the transformed clones
they turn yellow when induced with sucrose, and further a Southern hybridization control for the bioA, bioB and bioll2 strains shows that the integration of pTG475 by simple recombination in the promoter of the levan sucrase gene has taken place. . These transformed strains of Bacillus subtilis are called bioA TG1, bioB TG2 and biol 12 TG3. The plasmid pTG475 having brought sequences of pBR322 into the genome of Bacillus subtilis, it becomes possible to integrate, by homologous recombination, any foreign plasmid comprising these same sequences.
Dans une deuxième étape, le plasmide pTG1400, préalablement cloné par complémentation dans E. coli, a été utilisé pour transformer les souches de Bacillus subtilis bioA TGl, bioB TC2 et bioll2 TG3. La sélection est effectuée sur milieu LB + avidine 0,2 U/ml + chloramphénicol 10 pg/ml. In a second step, the plasmid pTG1400, previously cloned by complementation in E. coli, was used to transform the strains of Bacillus subtilis bioA TG1, bioB TC2 and bioll2 TG3. The selection is carried out on LB medium + avidin 0.2 U / ml + chloramphenicol 10 pg / ml.
On observe qu'il est possible de sélectionner, à une très haute fréquence, des transformants prototrophes pour la biotine à partir de souches bioA TGl et bioB TG2 mais pas avec la souche bioll2 TC3. It is observed that it is possible to select, at a very high frequency, prototrophic transformants for biotin from bioA TG1 and bioB TG2 strains but not with the bioll2 TC3 strain.
pTG1400 ne complémente donc pas la mutation bioll2.pTG1400 therefore does not complement the bioll2 mutation.
c) Caractérisation finale de l'insert Hindlil de pTG1400
Des expériences d'hybridation Southern ont été effectuées de façon à détecter le même fragment Hindlil dans 1'ADN génomique de
Bacillus sphaericus IFO 3525, correspondant à l'insert de pTG1400.c) Final characterization of the Hindlil insert of pTG1400
Southern hybridization experiments were carried out in order to detect the same HindIII fragment in the genomic DNA of
Bacillus sphaericus IFO 3525, corresponding to the insert of pTG1400.
Dans des conditions d'hybridation drastiques (50 % de formamide, 0,6 % de solution de Denhardt, 0,1 % SDS, 3xSSC à 420C) et en utilisant un plasmide pTG1400 marqué au 32p par incorporation de nucléotides radioactifs par polymérisation in vitro ( "nick translation") (2,5.1 07 cpm/ug d'ADN), une seule bande Hindlil de 4,3 kb a pu être visualisée dans ltADN génomique de Bacillus sphaericus IFO 3525 après 6 heures d'autoradiographie à -800C. Il a été vérifié que dans ces conditions d'hybridation
pBR322 ne donnait pas de réaction croisée avec l'ADN génomique de
Bacillus sphaericus IFO 3525.Dans les mêmes conditions, aucune réaction positive, avec pTG1400 comme sonde, n'a pu être détectée dans l'ADN génomique de Bacillus subtilis BGSC1A289 traité par Hindili ou dans l'ADN génomique de E. coli C600 traité avec Hindlil. Under drastic hybridization conditions (50% formamide, 0.6% Denhardt solution, 0.1% SDS, 3xSSC at 420C) and using a plasmid pTG1400 labeled with 32p by incorporation of radioactive nucleotides by in vitro polymerization ("nick translation") (2.5.1 07 cpm / ug of DNA), a single Hindlil band of 4.3 kb could be visualized in the genomic DNA of Bacillus sphaericus IFO 3525 after 6 hours of autoradiography at -800C. It has been verified that under these hybridization conditions
pBR322 did not cross-react with genomic DNA from
Bacillus sphaericus IFO 3525. Under the same conditions, no positive reaction, with pTG1400 as probe, could be detected in the genomic DNA of Bacillus subtilis BGSC1A289 treated with Hindili or in the genomic DNA of E. coli C600 treated with Hindlil.
La séquence d'ADN totale du fragment Hindlil de 4,3 kb a été analysée en utilisant la méthode "Shotgun", c'est-à-dire le clonage systématique des fragments obtenus par sonication, les "délétions cyclones" ou les élongations avec oligonucléotides-primers. The total DNA sequence of the 4.3 kb HindIII fragment was analyzed using the "Shotgun" method, that is to say the systematic cloning of the fragments obtained by sonication, the "cyclone deletions" or the elongations with oligonucleotide-primers.
Pour la méthode "Shotgun", le plasmide pTG1400 a été découpé par traitement aux ultrasons. Après traitement des segments d'ADN avec l'ADN polymérase du phage T4, les fragments aux extrémités franches sont mis à migrer sur un gel d'agarose à bas point de fusion et des fragments d'environ 300 pb sont isolés. For the "Shotgun" method, the plasmid pTG1400 was cut by treatment with ultrasound. After treatment of the DNA segments with the DNA polymerase of phage T4, the blunt-ended fragments are allowed to migrate on a low-melting agarose gel and fragments of approximately 300 bp are isolated.
Le clonage de ces fragments a été réalisé dans des vecteurs M13 digérés par 5mai et traités à la phosphatase,
Les plages blanches qui ne donnent pas d'hybridation croisée avec pBR322 sont triées et i00 clones sont séquences. Les résultats ont été analysés par ordinateur.The cloning of these fragments was carried out in M13 vectors digested with 5 May and treated with phosphatase,
The white areas which do not give cross hybridization with pBR322 are sorted and 100 clones are sequenced. The results were analyzed by computer.
Un procédé récent pour l'obtention d'une série de clones se chevauchant (le système cyclone) a été utilisé pour le séquençage de 1'ADN (R.M.K. Dale, B.A. Mc Clure, J.P. Houchins (1985) Plasmid 13, 31-40). Cette méthode a été poursuivie en parallèle avec la méthode "Shotgun", de façon à confirmer les résultats. En outre, cette méthode produit des plasmides délétés définis contenant des groupes de gènes bio ou des gènes bio isolés. A recent method for obtaining a series of overlapping clones (the cyclone system) was used for DNA sequencing (RMK Dale, BA Mc Clure, JP Houchins (1985) Plasmid 13, 31-40) . This method was continued in parallel with the "Shotgun" method, in order to confirm the results. In addition, this method produces defined deleted plasmids containing groups of bio genes or isolated bio genes.
La séquence complète du fragment HindIII de pTC1400 est représentée aux figures 4, 5, 6, 7 et 8. The complete sequence of the HindIII fragment of pTC1400 is shown in Figures 4, 5, 6, 7 and 8.
L'analyse par ordinateur de cette séquence révèle que le fragment a la capacité de coder pour quatre longs cadres de lecture ouverts (LORF). Les sites possibles d'initiation de la traduction et les régions Shine et Dalgarno sont soulignées. Une région palindromique est soulignée à l'extrémité 3' de la séquence qui pourrait représenter un site de terminaison de transcription. Computer analysis of this sequence reveals that the fragment has the capacity to code for four long open reading frames (LORF). The possible translation initiation sites and the Shine and Dalgarno regions are underlined. A palindromic region is underlined at the 3 'end of the sequence which could represent a transcription termination site.
L'analyse de complémentation détaillée montre que la première région LORF (figure 9) (avec 3 sites d'initiation de traduction possibles) correspond au gène bioD. The detailed complementation analysis shows that the first LORF region (FIG. 9) (with 3 possible translation initiation sites) corresponds to the bioD gene.
Des expériences connues sous le nom de " maxicellules" ont été réalisées avec la souche de E. coli CSR 603 (recAl, phr-l, uvrA6, thr-l, leu-6, thi-l, argE3, lacs1, galK2, aral4, xyll5, mtll, proA2, str-31, tsx-33, supE44, F-, lambda ) ; elles montrent que cette région code pour un polypeptide avec d'un poids moléculaire apparent d'environ 25 kd. Experiments known as "maxicells" were carried out with the strain of E. coli CSR 603 (recAl, phr-l, uvrA6, thr-l, leu-6, thi-l, argE3, lakes1, galK2, aral4 , xyll5, mtll, proA2, str-31, tsx-33, supE44, F-, lambda); they show that this region codes for a polypeptide with an apparent molecular weight of approximately 25 kd.
La seconde région LORF (figure 6) (avec 4 sites d'initiation de traduction possibles) correspond au gène bioA. Une expérience en "maxicellules" de E. coli CSR603 révèle un polypeptide d'un poids moléculaire apparent d'environ 40 kd qui correspond au produit du gène bioA. The second LORF region (Figure 6) (with 4 possible translation initiation sites) corresponds to the bioA gene. An experiment in "maxicells" of E. coli CSR603 reveals a polypeptide with an apparent molecular weight of approximately 40 kd which corresponds to the product of the bioA gene.
Il n'a pas été possible de déterminer la fonction de la troisième séquence LORF, appelée gène Y (figure 7). Une très grande hydrophobicité et la présence d'une séquence signal probable dans la région codante suggèrent que ce LORF, si il est transcrit et traduit, code pour une protéine ayant une interaction avec la membrane. Le fait que ce gène Y soit en "cluster" avec les autres gènes bio (A, D et B) suggère qu'il code pour une autre fonction impliquée dans le métabolisme de la biotine. It was not possible to determine the function of the third LORF sequence, called the Y gene (Figure 7). A very high hydrophobicity and the presence of a probable signal sequence in the coding region suggest that this LORF, if it is transcribed and translated, codes for a protein having an interaction with the membrane. The fact that this Y gene is in a "cluster" with the other bio genes (A, D and B) suggests that it codes for another function involved in the metabolism of biotin.
La quatrième région LORF (figure 8) (avec 3 sites d'initiation de la traduction possibles) a déjà été identifiée, il s'agit d'une région codant pour le gène bioB. Il est démontré ici que ce gène est lié en "cluster" avec les gènes bioA et bioD. The fourth LORF region (FIG. 8) (with 3 possible translation initiation sites) has already been identified, it is a region coding for the bioB gene. It is demonstrated here that this gene is linked in a "cluster" with the bioA and bioD genes.
Une analyse de complémentation avec des plasmides contenant des régions sous-clonées de l'insert Hindlil de 4,3 kb de pTG1400 montre clairement, comme cela est représenté à la figure 9, que la première région
LORF correspond au produit du gèneD et que la seconde région LORF correspond au produit du gène A.Complementation analysis with plasmids containing subcloned regions of the 4.3 kb Hindlil insert of pTG1400 clearly shows, as shown in Figure 9, that the first region
LORF corresponds to the product of gene D and that the second LORF region corresponds to the product of gene A.
EXEMPLE 2
Clonage par complémentation du gène bioF de Bacillus sphaericus IFO 3525
La banque d'ADN génomique Hindlil de Bacillus sphaericus IFO 3525 décrite précédemment a été utilisée pour transformer un mutant de E.EXAMPLE 2
Cloning by complementation of the bioF gene of Bacillus sphaericus IFO 3525
The Hindlil genomic DNA library of Bacillus sphaericus IFO 3525 described previously was used to transform an mutant of E.
coli, bioF 12, en suivant la méthodologie décrite précédemment. coli, bioF 12, following the methodology described above.
Les résultats obtenus sont rassemblés au tableau 2
Tableau 2
Génotype de la souche Sélection Amp. Sélection sur milieu
de E. coli Amp.+ avidine 0,2 U/ml
Transformants/ g d'ADN Transformants/ug d'ADN
R874* bioF 12, his > 104 2 (pool n 1)
(pour chaque pool) 2 (pool n 3)
4 (pool n 4) * Cleary et Campbell (1972) J. Bacteriol. 112, 830
Les plasmides sont isolés à partir des clones sélectionnés sur milieu contenant de l'ampicilline et de l'avidine ':: analysés en utilisant des enzymes de restriction.The results obtained are collated in Table 2
Table 2
Genotype of the Amp Selection strain. Middle selection
of E. coli Amp. + avidin 0.2 U / ml
Transformants / g DNA Transformants / ug DNA
R874 * bioF 12, his> 104 2 (pool n 1)
(for each pool) 2 (pool 3)
4 (pool 4) * Cleary and Campbell (1972) J. Bacteriol. 112, 830
The plasmids are isolated from the clones selected on medium containing ampicillin and avidin ':: analyzed using restriction enzymes.
Deux de ces plasmides contiennent deux inserts Hindili d'environ 4,5 et 0,6 kb avec des sites Sphl, Kpnl, HpaI, NdeI, Aval, Clapi, Bgl, XmnI,
Pvull, Scal, Stul et sans site Bill, Xbal, 5mai, Pstl, Sali, NruI, BamHI, Pvul, EcoRI, HindII, EcoRV, FspI, Apax, Ball, Aatil.. Two of these plasmids contain two Hindili inserts of approximately 4.5 and 0.6 kb with Sphl, Kpnl, HpaI, NdeI, Aval, Clapi, Bgl, XmnI sites,
Pvull, Scal, Stul and without site Bill, Xbal, 5mai, Pstl, Sali, NruI, BamHI, Pvul, EcoRI, HindII, EcoRV, FspI, Apax, Ball, Aatil ..
Avec l'un de ces plasmides, pTG1418, il a été possible de retransformer en sélectionnant pour la résistance à l'ampicilline et la prototrophie pour la biotine, la souche R874 de E. coli (bioF12, his) avec une fréquence moyenne correspondant à celle obtenue pour la sélection des clones sur ampicilline (plus de 104/pg d'ADN). With one of these plasmids, pTG1418, it was possible to retransform by selecting for resistance to ampicillin and prototrophy for biotin, the strain R874 of E. coli (bioF12, his) with an average frequency corresponding to that obtained for the selection of clones on ampicillin (more than 104 μg of DNA).
Des expériences de sous-clonage ont montré que seul le fragment HindIII de 4,5 kb code pour la fonction KAPA synthétase assurant la complémentation de la mutation bioF12 de la souche R874 de E. coli. Subcloning experiments have shown that only the 4.5 kb HindIII fragment codes for the KAPA synthetase function ensuring the complementation of the bioF12 mutation of the E. coli strain R874.
Des expériences de "Southern" ont été effèctuées de façon à détecter le fragment Hindi!! de 4,5 kb dans l'ADN génomique de Bacillus sphaericus IFO 3525 en comparaison avec l'insert de 4,S kb de pic1418. En utilisant des conditions d'hybridation très drastiques (50 % de formamide, 3xSSC, 0,1 % SDS, 0,6 % de solution de Denhardt, 429C) et en utilisant
M13TG1425 (phage M13 contenant l'insert Hindi!! de 4,5 kb marqué au 32p par incorporation de nucléotides radioactifs par polymérisation in vitro ("nick translation)" avec 2.106 cpm/pg d'ADN), une bande Hindi!! dtenviron 4,5 kb peut être visualisée dans l'ADN génomique de Bacillus sphaericus
IFO 3525 après 7 heures d'autoradiographie à -80"C. "Southern" experiments were carried out in order to detect the Hindi fragment !! of 4.5 kb in the genomic DNA of Bacillus sphaericus IFO 3525 in comparison with the insert of 4.8 kb of pic1418. Using very drastic hybridization conditions (50% formamide, 3xSSC, 0.1% SDS, 0.6% Denhardt's solution, 429C) and using
M13TG1425 (phage M13 containing the Hindi !! insert of 4.5 kb labeled with 32p by incorporation of radioactive nucleotides by in vitro polymerization ("nick translation)" with 2.106 cpm / pg of DNA), a Hindi band !! about 4.5 kb can be seen in the genomic DNA of Bacillus sphaericus
IFO 3525 after 7 hours of autoradiography at -80 "C.
Dans les mêmes conditions, aucune réaction positive ne peut être détectée, ni sur l'ADN génomique de Bacillus subtilis BGSClA289 traité par Hindi!! ni sur l'ADN génomique de E. coli C600 traité par Hindi!!. Under the same conditions, no positive reaction can be detected, nor on the genomic DNA of Bacillus subtilis BGSClA289 treated with Hindi !! nor on the genomic DNA of E. coli C600 treated by Hindi !!.
Aucune réaction croisée ne peut être détectée entre 1' insert de pTG1400 et les inserts de pTG1418, ni avec un fragment Spahi de 8,3 kb de pTG1406 chevauchant l'extrémité 3' de pTG1400, ni avec un fragment MboI de 8,2 kb de pSBOl chevauchant l'extrémité 5' de pTG1400 (voir figure 10). No cross-reaction can be detected between the insert of pTG1400 and the inserts of pTG1418, neither with an 8.3 kb Spahi fragment of pTG1406 overlapping the 3 'end of pTG1400, nor with an 8.2 kb MboI fragment of pSBOl overlapping the 5 'end of pTG1400 (see Figure 10).
La carte de restriction des inserts de pTG1418 a été analysée et est indiquée à la figure il. The restriction map of the inserts of pTG1418 has been analyzed and is indicated in FIG.
Les études de complémentation et l'analyse "Southern" démontrent que le gène bioF de Bacillus sphaericus IFO 3525 n'est pas lié aux gènes bioA, bioD et bioB du même microorganisme (figure 12). Complementation studies and "Southern" analysis demonstrate that the bioF gene from Bacillus sphaericus IFO 3525 is not linked to the bioA, bioD and bioB genes of the same microorganism (Figure 12).
Dépôt des souches représentatives de l'invention
Les souches de E. coli C600 pTG1400 et R874 pTG1418 ont été déposées à la Collection Nationale de Cultures de Microorganismes de l'institut Pasteur, 28 rue du Docteur-Roux - 75724 Paris Cédex 15, le 26 septembre 1986 sous les nO 1-608 et 1-609. Deposit of strains representative of the invention
The E. coli C600 pTG1400 and R874 pTG1418 strains were deposited at the National Collection of Cultures of Microorganisms of the Institut Pasteur, 28 rue du Docteur-Roux - 75724 Paris Cédex 15, September 26, 1986 under numbers 1-608 and 1-609.
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1987
- 1987-09-30 JP JP62247775A patent/JPS63173591A/en active Pending
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61149091A (en) * | 1984-12-24 | 1986-07-07 | Nippon Soda Co Ltd | Duplex dna to code biotin synthase, bacterium containing same and production of biotin |
WO1987001391A1 (en) * | 1985-08-26 | 1987-03-12 | Amgen | System for biotin synthesis |
Non-Patent Citations (6)
Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR880004093A (en) | 1988-06-01 |
JPS63173591A (en) | 1988-07-18 |
FR2604436B1 (en) | 1989-07-21 |
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