Publikation: Entwicklung einer neuen funktionellen Proteintechnologie in E. coli
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Zusammenfassung
The aim of this Ph.D thesis was the establishment of a novel Functional Protein Technology (FunProTec). It is based upon the combined application of a pro- or eukaryotic expression and secretion system, that allows a quick and easy high yield synthesis of native protein solutions or protein arrays consisting of functionally active proteins, and a compartment system, which preserves the respective proteins from the producing cells and separates them from background proteins. FunProTec is an invention of ALTANA Pharma and was patented with the international publication number WO 02/50260 A2, international publication date 27.06.2002.
In this study, FunProTec was established by utilization of a modified version of the E. coli alpha-hemolysin secretion system. The hemolysin secretion apparatus consists of the proteins HlyB, HlyD and TolC and can be utilized for the secretion of heterologous proteins by generating gene fusions between heterologous genes and the C-terminal signal sequence HlyAs of hemolysin (Gentschev et al., 1994).
In this thesis, a system for synthesis and secretion of functional active proteins was validated by generating different E. coli strains suitable for the secretion of heterologous proteins by the hemolysin secretion system. The genes encoding the transport proteins HlyB and HlyD and the genes encoding hemolysin (HlyA) and its activator protein (HlyC) were cloned either onto the same (case A) or onto two different plasmids (case B) in these E. coli strains, while the tolC gene was located on the bacterial chromosome. These E. coli strains were compared in regard to their hemolysin secretion efficiencies.
It was demonstrated, that in both cases (A and B) a DNA sequence located upstream of the hly genes is essential for the hemolytic activity of the respective E. coli strain and can not be displaced by a heterologous promoter. This sequence is also located upstream of the wild-type hemolysin gene cluster in the chromosome of uropathogenic E. coli. It contains the hemolysin promoter and a JUMPstart activator sequence (Hobbs and Reeves, 1994).
It was also demonstrated in this study that a defined stoichiometry between the transcripts of the genes encoding hemolysin (hlyA) and the transcripts encoding the transport channel hlyB and hlyD is responsible for efficient secretion of hemolysin and is regulated by the above mentioned activator sequence. This indicates that the hemolysin operon is regulated in a complex manner and that every genetic manipulation may influence the transcription of the hly genes and possibly the secretion efficiency of the respective E. coli strain.
In the above described E. coli strains A and B, the secretion efficacies of alkaline phosphatase by E. coli K-12 strains, the E. coli outer membrane protein A (OmpA), the human phosphodiesterase 1B1 and the human cytokine receptor ligand Ccl-21 were examined. None of these proteins was secreted. The secretion of heterologous proteins by the hemolysin secretion system has been described, however, with the exception of protein toxins or very small proteins or peptides, only two full-length proteins were secreted. It remains to be investigated that the loss of protein folding may facilitate the secretion. It has to be further investigated whether the application of chaperons that change the protein folding will improve protein secretion.
The present study suggest, that the hemolysin secretion system is not a universal secretion system, but it might be suitable for secretion of small, unfolded proteins as shown by the secretion of protein subunits and antibody chains (Tzatschel et al., 1996, Fernandez et al., 2000).
Moreover, the compartment systems were validated in this thesis by showing that the hemolysin protein was separated from the secreting E. coli strains by suitable filter systems without loosing its activity.
In conclusion, FunProTec may be used for different pro- or eukaryotic secretion systems. Its applicability depends on the properties of the protein to be secreted.
Thus, in combination with the corresponding compartment systems, FunProTec might be a suitable technology for production of recombinant proteins.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer neuen Funktionellen Proteintechnologie (FunProTec). FunProTec basiert auf der Kombination eines pro- oder eukaryontischen Expressions- und Sekretionssystems, welches die Sezernierung heterologer Proteine mit hoher Ausbeute in ihrer nativen Form ermöglicht, mit einem Kompartimentierungssystem, das eine einfache Abtrennung der sezernierten Proteine von der produzierenden Zelle erlaubt. FunProTec ist eine Erfindung von ALTANA Pharma und wurde mit der internationalen Publikationsnummer WO 02/50260 A2 und dem Publikationsdatum 27.06. 2002 patentiert.
FunProTec wurde in dieser Arbeit auf Basis des E. coli-Hämolysin-Sekretionssystems entwickelt. Dieses Typ I-Sekretionssystem uropathogener E. coli besteht aus den Proteinen HlyB, HlyD und TolC und ist zum Transport heterologer Proteine befähigt, insofern diese die C-terminale Signalsequenz des Hämolysin-Strukturproteins (HlyAs) tragen (Gentschev et al., 1994).
In dieser Arbeit wurde ein System zur Synthese und Sekretion funktionell aktiver Proteine evaluiert. Zu diesem Zweck wurden E. coli-Stämme hergestellt, die für die Sekretion heterologer Proteine durch das Hämolysin-Sekretionssystem geeignet sind. In diesen E. coli-Stämmen waren die Gene für die Transportproteine HlyB und HlyD und die Gene für Hämolysin (HlyA) einschließlich seines Aktivatorproteins HlyC entweder auf demselben (A) oder auf zwei unterschiedlichen Plasmiden (B) lokalisiert. Das tol C-Gen war jeweils integraler Bestandteil des bakteriellen Chromosoms. Diese Stämme wurden hinsichtlich ihrer Effizienz der Hämolysin-Sekretion verglichen.
Es konnte gezeigt werden, dass in beiden Fällen A und B eine bestimmte Gensequenz, die sich stromaufwärts der hly Gene befindet, essentiell für die hämolytische Aktivität des entsprechenden E. coli-Stammes ist und nicht durch einen heterologen Promotor ersetzt werden kann. Diese Gensequenz liegt im wild-typischen Hämolysin-Gencluster ebenfalls stromaufwärts des Hämolysinoperons auf dem Chromosom uropathogener E. coli und enthält den Hämolysinpromotor und eine JUMPstart Aktivatorsequenz (Hobbs und Reeves, 1994).
Weiterhin wurde in dieser Arbeit erstmals gezeigt, dass eine definierte Stöchiometrie zwischen den Transkripten des Hämolysingens (hlyA) und den Transkripten der Transportkanalgene hlyB und hlyD für die effiziente Sekretion von Hämolysin erforderlich ist, die vermutlich von der oben genannten Aktivatorsequenz reguliert wird. Dies weist darauf hin, dass das Hämolysin-Operon komplex reguliert ist und jede genetische Manipulation Einfluss auf die Transkription der hly Gene und im weiteren Sinne auf die Sekretionseffizienz des entsprechenden E. coli-Stammes haben kann.
In den oben beschriebenen E. coli-Stämmen A und B wurde die Sekretion der alkalischen Phosphatase aus E. coli, des Außenmembran-Proteins A (OmpA) aus E. coli, der humanen Phosphodiesterase 1B1 und des humanen Cytokinrezeporliganden Ccl-21 untersucht. Jedoch wurde keines dieser Proteine sezerniert. Es gibt eine Reihe an Publikationen, in welchen die Sekretion heterologer Proteine durch das Hämolysin-Sekretionssystem beschrieben ist. Mit der Ausnahme von Toxinen oder sehr kleinen Proteinen bzw. Peptiden, besitzen allerdings nur zwei Proteine ihre intakte Aminosäuresequenz. Dies deutet darauf hin, dass die Aufhebung der Proteinfaltung die Sekretion erleichtern würde. Es ist zu prüfen, ob der Einsatz von Chaperonen, welche die Faltungseigenschaften der Proteine verändern, die Proteinsekretion verbessern wird.
Die Sekretionsstudien, die in dieser Arbeit durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass das Hämolysin-Sekretionssystem kein universelles Sekretionssystem ist. Das Hämolysin-Sekretionssystem könnte jedoch für die Sekretion kleinerer Proteine, bei denen die Faltung weitgehend aufgehoben ist, geeignet sein, wie bereits bei der Sekretion von Proteinuntereinheiten oder Antikörperketten gezeigt wurde (Tzatschel et al.,1996, Fernandez et al., 2000).
Desweiteren wurden die Kompartimentierungssysteme am Beispiel des Hämolysin Proteins validiert. Durch den Einsatz geeigneter Filtersysteme wurde die Trennung des Hämolysin-Proteins von den sezernierenden E. coli Stämmen erreicht, wobei die Aktivität des Proteins erhalten blieb.
FunProTec könnte sich zur Sekretion heterologer Proteine neben dem Hämolysin-Sekretionssystem unterschiedlicher pro- oder eukaryontischer Sekretionssystemen bedienen, deren Wahl von den Eigenschaften des Proteins, welches sezerniert werden soll, abhängt. Auf diese Weise könnte es in Kombination mit den entsprechenden Kompartimentierungssystemen, eine geeignete Technologie zur Herstellung rekombinanter Proteine sein.
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ISO 690
BUTTKEWITZ, Anja, 2005. Entwicklung einer neuen funktionellen Proteintechnologie in E. coli [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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It is based upon the combined application of a pro- or eukaryotic expression and secretion system, that allows a quick and easy high yield synthesis of native protein solutions or protein arrays consisting of functionally active proteins, and a compartment system, which preserves the respective proteins from the producing cells and separates them from background proteins. FunProTec is an invention of ALTANA Pharma and was patented with the international publication number WO 02/50260 A2, international publication date 27.06.2002.<br />In this study, FunProTec was established by utilization of a modified version of the E. coli alpha-hemolysin secretion system. The hemolysin secretion apparatus consists of the proteins HlyB, HlyD and TolC and can be utilized for the secretion of heterologous proteins by generating gene fusions between heterologous genes and the C-terminal signal sequence HlyAs of hemolysin (Gentschev et al., 1994).<br />In this thesis, a system for synthesis and secretion of functional active proteins was validated by generating different E. coli strains suitable for the secretion of heterologous proteins by the hemolysin secretion system. The genes encoding the transport proteins HlyB and HlyD and the genes encoding hemolysin (HlyA) and its activator protein (HlyC) were cloned either onto the same (case A) or onto two different plasmids (case B) in these E. coli strains, while the tolC gene was located on the bacterial chromosome. These E. coli strains were compared in regard to their hemolysin secretion efficiencies.<br />It was demonstrated, that in both cases (A and B) a DNA sequence located upstream of the hly genes is essential for the hemolytic activity of the respective E. coli strain and can not be displaced by a heterologous promoter. This sequence is also located upstream of the wild-type hemolysin gene cluster in the chromosome of uropathogenic E. coli. It contains the hemolysin promoter and a JUMPstart activator sequence (Hobbs and Reeves, 1994).<br />It was also demonstrated in this study that a defined stoichiometry between the transcripts of the genes encoding hemolysin (hlyA) and the transcripts encoding the transport channel hlyB and hlyD is responsible for efficient secretion of hemolysin and is regulated by the above mentioned activator sequence. This indicates that the hemolysin operon is regulated in a complex manner and that every genetic manipulation may influence the transcription of the hly genes and possibly the secretion efficiency of the respective E. coli strain.<br />In the above described E. coli strains A and B, the secretion efficacies of alkaline phosphatase by E. coli K-12 strains, the E. coli outer membrane protein A (OmpA), the human phosphodiesterase 1B1 and the human cytokine receptor ligand Ccl-21 were examined. None of these proteins was secreted. The secretion of heterologous proteins by the hemolysin secretion system has been described, however, with the exception of protein toxins or very small proteins or peptides, only two full-length proteins were secreted. It remains to be investigated that the loss of protein folding may facilitate the secretion. It has to be further investigated whether the application of chaperons that change the protein folding will improve protein secretion.<br />The present study suggest, that the hemolysin secretion system is not a universal secretion system, but it might be suitable for secretion of small, unfolded proteins as shown by the secretion of protein subunits and antibody chains (Tzatschel et al., 1996, Fernandez et al., 2000).<br />Moreover, the compartment systems were validated in this thesis by showing that the hemolysin protein was separated from the secreting E. coli strains by suitable filter systems without loosing its activity.<br />In conclusion, FunProTec may be used for different pro- or eukaryotic secretion systems. Its applicability depends on the properties of the protein to be secreted.<br />Thus, in combination with the corresponding compartment systems, FunProTec might be a suitable technology for production of recombinant proteins.</dcterms:abstract> <dcterms:alternative>Entwicklung einer neuen funktionellen Proteintechnologie in E. coli</dcterms:alternative> <dc:language>eng</dc:language> <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/> <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/7925/1/Dissertation_Anja_Buttkewitz.pdf"/> <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/7925"/> <dc:creator>Buttkewitz, Anja</dc:creator> <dcterms:title>Entwicklung einer neuen funktionellen Proteintechnologie in E. coli</dcterms:title> <dc:format>application/pdf</dc:format> <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/7925/1/Dissertation_Anja_Buttkewitz.pdf"/> <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/> <dcterms:issued>2005</dcterms:issued> <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/> <dc:contributor>Buttkewitz, Anja</dc:contributor> </rdf:Description> </rdf:RDF>