Die Erfindung betrifft ein T7 Expressionssystem, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung zur antibiotikafreien Herstellung von rekombinanten Proteinen.

T7-Expressionsysteme werden für die Expression rekombinanter Proteine verwendet. In der Regel befindet sich auf einem Vektor die T7-Promotorsequenz und downstream davon nach einer Riboso- men-Bindungsstelle die kodierende Region für ein rekombinates Protein. Da vom Expressionsorganismus keine T7 -Polymerase produziert wird, ist ein solches Expressionssystem nur funktionsfähig, wenn die T7-Polymerase künstlich in das System einge- bracht wurde. Die häufigste Methode hierzu ist die genomische Verankerung einer T7 -Expressionskassette im Produktionsorganis- mus . Seit langem ist ein T7 -Polymerase basiertes prokaryonti- sches System für die Expression von Proteinen in BL21 (DE3) E- scherichia coli Zellen bekannt. In diesem System erfolgt die Integration der T7-Polymerase in das E. coli Genom mit Hilfe des DE3 Lambda Phagens in die Lambda-Attachment site von E. coli. In dem System erkennt die T7-Phagen-Polymerase den T7- Phagen-Promoter . Dieses System hat jedoch den Nachteil, dass die Plasmidstabilität bei Zielgen-Expression gering ist. Zahl- reiche Studien haben versucht, die Expressionslevel des T7-

Expressionssystems zu stabilisieren, jedoch bislang ohne nennenswerten Erfolg. Zudem enthält E. coli ca. 40 kb Lambda- Phagen-DNA. Diese Phagen-DNA ist zumindest in Systemen für die Expression von Pharmaproteinen unerwünscht. In T7 -Expressions- Systemen werden bisher zudem immer Expressionsvektoren eingesetzt, die ein Antibiotika-Resistenzgen als Selektxvmarker für die Klonierung und Selektion während der Expression enthalten.

Der Einsatz von Antibiotika zur Selektion von Plasmiden ist je- doch ein entscheidender Nachteil bei der Herstellung insbeson- dere therapeutischer Proteine. Ein antibiotikafreies Verfahren findet eine größere Akzeptanz seitens der Regulierungsbehörden, da das Produkt sicherer für den Patienten sein wird und man aufgrund der geringen Endproduktanalytik (Abreicherung des An- tibiotikums im Produkt) einen deutlich preiswerteren Prozess konstruieren kann. Ein Expressionsvektor, der ein Verfahren zur antibiotikafreien Herstellung von Proteinen ermöglicht, ist beispielsweise aus EP1697523B1 bekannt. Dieser Expressionsvektor ist allerdings nicht für ein T7 -Expressionssystem geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein T7 -Expressions- System für die antibiotikafreie Produktion eines rekombinanten Proteins bestehend aus einer prokaryontischen Zelle und einem Expressionsvektor zur Verfügung zu stellen, welches eine im Vergleich zu bekannten T7 -Expressionssystemen erhöhte Stabilität des Expressionsvektors aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Expressionssystem umfassend eine prokaryontische Zelle enthaltend ein Nukleotidkonstrukt kodierend für eine T7 -RNA-Polymerase unter Kontrolle eines T7- Promotors und unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors, sowie einen Expressionsvektor, der ein Gen kodierend ein zu ex- primierendes rekombinantes Protein unter der Kontrolle eines T7-Promotors enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Expres- sionsvektor ein Plasmidstabilisierungssystem aufweist.

Plasmidstabilisierungssysteme sind beispielsweise aus Sengupta and Austin, Infection and Immunity, July 2011, p. 2502-2509 bekannt. Vorzugsweise handelt es sich um ein Plasmidstabilisie- rungssystem aus der Gruppe multimer resolution Systeme (mrs) , partitioning Systeme (par) und postsegregational killing Systeme (PSK) . Besonders bevorzugt weist das Plasmidstabilisierungssystem eine Sequenz aus der Gruppe der multimer resolution Systeme auf, insbesondere bevorzugt handelt es sich um die cer- Sequenz. Bei dem induzierbaren Promotor handelt es sich vorzugsweise um einen Promotor aus der Gruppe tac, lac, trp, phoA. Besonders bevorzugt handelt es sich um den induzierbaren Promotor lacUV5.

Bei dem Nukleotidkonstrukt handelt es sich bevorzugt um ein Nukleotidkonstrukt bestehend aus der Nukleotidsequenz kodierend für die T7-RNA- olymerase, der Nukleotidsequenz des lacUV5- Promotors inklusive des 5 '-Endes des lacZ-Gens aus E. coli und der T7-Promotor Sequenz. Ein derartiges Nukleotidkonstrukt ist in SEQ ID NO:l wiedergegeben. Das Nukleotidkonstrukt ist insbesondere bevorzugt ins Genom der prokaryontischen Zelle des erfindungsgemäßen Expressionssystems integriert. Bei der prokaryontischen Zelle handelt es sich vorzugsweise um eine Zelle eines E. coli-Stammes mit dem T7 -RNA-Polymerasegen im Genom. Derartige Stämme lassen sich in an sich bekannter Weise aus Wildtyp-Stämmen wie sie in Stammsammlungen erhältlich sind, herstellen. Beispiele für derartige Stämme sind die

E. coH-Stämme BL21 (käuflich erhältlich bei Stratagene, La

Jolla USA) HMS174 (DSM5932) , oder C600 (DSM426) (erhältlich unter den genannten DSM Nummern bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ) , 38124 Brauschweig, Inhoffenstraße 7B) .

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße T7-Expressionssystem hergestellt, indem in diese Stämme ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelter T7 -Expressionsvektor eingebracht wird .

Ein derartiger erfindungsgemäßer Expressionsvektor weist vorzugsweise folgende Bestandteile in funktioneller Verbindung auf :

einen Replikationsursprung (ori) ,

einen T7-Promotor als regulatorische Sequenz, eine Sequenz, die für ein zu exprimierendes rekombinantes Protein kodiert

ein Antibiotika-Resistenzgen als Selektivmarker für die Klonie- rung,

einen Terminator,

ein Repressorgen,

eine für das Repressorgen geeignete Operatorsequenz,

ein Plasmidstabilisierungsystem. Vorzugsweise handelt es sich um eines der bereits genannten Plasmidstabilisierungsysteme . Besonders bevorzugt weist das Plasmidstabilisierungsystem die cer-Sequenz auf.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Replikationsursprung um den pBR322-ori, den pUC19-ori oder den pl5A-ori, besonders bevorzugt um den pBR322-ori.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Terminator um t ₀ , rrnB oder den T7-Terminator .

Ein Repressorgen, ist jedes Gen, das ein Protein kodiert, das bei Bindung im Promotorbereich die Transkription von Genen verhindert . Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Repressorgen um das 2acJ-Gen.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Antibiotika-Resistenzgen um kan, tet, bla, cm ^R , tetA besonders bevorzugt um kan.

Das erfindungsgemäße T7 -Expressionssystems lässt sich herstel- len wie bereits bekannte T7 -Expressionssysteme , mit dem Unterschied, dass man einen erfindungsgemäßen Expressionsvektor in eine prokaryontischen Zelle mit einem T7-RNA-Polymerasegen im Genom einbringt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer prokaryon- tischen Zelle als Teil des erfindungsgemäßen T7- Expressionssystems zur Verfügung zu stellen, welches die In- tegration der T7 -RNA-Polymerase inklusive der Kontrollregionen in die prokaryontische Zelle bewerkstelligt, ohne dass es dabei zur Integration von Phagen-DNA in die Zelle kommt.

Dies Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die kodierende Sequenz der T7-RNA-Polymerase inklusive der Kontrollregionen mittels einer „site specific" Rekombination in das Genom der prokaryontischen Zelle integriert wird.

Eine derartige „site specific" Rekombination ermöglichen bei- spielsweise das Cre- lox-System aus dem Bakteriophagen PI und das FLP-FRT-System aus Hefe. Die Verwendung der „site specific" Rekombination zur Veränderungen von chromosomaler Bakterien-DNA ist beispielsweise bei Datsenko und Wanner, PNAS, June 6, 2000 no. 12, p. 6640-6645, beschrieben.

Vorzugsweise erfolgt die gezielte Integration der T7-RNA- Polymerase unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors in eine definierte Position im E. coli-Genom, bevorzugt die proBA- Sequenz von E. coli. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus Datsenko und Wanner, PNAS, June 6, 2000 no. 12, p. 6640- 6645 bekannt.

Eine mittels dieses Verfahrens hergestellte prokaryontische Zelle enthaltend ein in das Genom integriertes Nukleotidkon- strukt kodierend für eine T7 -RNA-Polymerase unter Kontrolle eines T7 -Promotors und unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors, unterscheidet sich von bekannten prokaryontischen Zellen die ein derartiges Konstrukt enthalten dadurch, dass sie keine Lambda- Phagen-DNA enthält. Es zeigte sich völlig überraschend, dass in derartigen Zellen auch herkömmliche Expressionsvektoren eine erhöhte Stabilität aufweisen, wenn auch mit den erfindungsgemäßen Expressionsvektoren eine nochmals erhöhte Stabilität zu erzielen ist. Die Erfindung betrifft somit auch eine prokaryontische Zelle, bevorzugt eine E. coli Zelle, enthaltend ein ins Genom integriertes Nukleotidkonstrukt kodierend für eine T7-RNA- Polymerase unter Kontrolle eines T7-Promotors und unter Kontrolle eines induzierbaren Promotors dadurch gekennzeichent , dass sie keine Lambda-Phagen-DNA enthält.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Nutzung in antibiotikafreien Fermentationen in Komplexmedium, wodurch in der Regel eine höhere Expressionsleistung des herzustellen- den Proteins erzielt werden kann, als bei der Verwendung von

Mineralsalzmedium, wie bei dem in EP1697523B1 beschriebenen Expressionssystem. Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Produktion eines rekombinanten Proteins mittels eines erfindungsgemäßen Expressionssystems .

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Expressionsvektor, in die prokaryontische Zelle enthaltend ein Nukleotidkonstrukt kodierend für eine T7-RNA- Polymerase unter Kontrolle eines T7 -Promotors und unter Kon- trolle eines induzierbaren Promotors eingebracht wird, diese Zellen unter Antibiotika- freien Bedingungen, die für die Expression der T7 -RNA-Polymerase und die Expression des rekombinanten Proteins ausgehend von einer Polynukleotidsequenz geeignet sind, fermentiert werden, wobei das rekombinante Polypeptid exprimiert wird und das rekombinante Polypeptid isoliert wird.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt der Fermentations- prozess, d.h. der eigentliche Verfahrensabschnitt zur Expression der Proteine, in einer vollkommen antibiotikafreien ümge- bung. Dadurch können die eingangs genannten Probleme, die mit dem Einsatz von Antibiotika zur Selektion von Plasmiden verbunden sind, beispielsweise Vorbehalte der Regulierungsbehörden, ProduktSicherheit, Endproduktanalytik (Abreicherung des Antibiotikums im Produkt) und die damit verbundenen Risiken und Kos- ten, umgangen werden.

Unter Proteinen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Peptide und Polypeptide zu verstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einem Bioreaktor durchgeführt .

Fig. 1 zeigt schematisch das T7-Nukleotidkonstrukt im Genom von BL21 (DE3) (Stand der Technik) und BL21 AproBA-T71acZ (erfin- dungsgemäß) im Vergleich;

a) DE3 : Integration in lambda-attachment-site mit Hilfe eines veränderten lambda-Phagens (Stand der Technik)

b) Scil-T7: gezielte Integration durch gleichzeitige Deletion von proBA (erfindungsgemäß)

Fig. 2 zeigt schematisch das T7 -Nukleotidkonstrukt bestehend aus lad, lacüV5- romotor, 5 * -Region von lacZ, T7-Promotor und gene 1 des T7-Phagens (T7 -Polymerase) sowie des von zwei FRT sites flankierten Kanamycinresistenzgens kan

Fig. 3 zeigt schematisch den Expressionsvektors pSCIL006c bestehend aus T7-Promotor, tO-Terminator, pBR322-ori, proBA, kan und lacJ. Fig. 4 zeigt schematisch die Expressionsvektoren pSCIL122 und pSCIL123 bestehend aus T7 -Promotor, tO-Terminator, pBR322-ori, proBA, kan, lad und cer. Fig. 5 zeigt schematisch die Expressionsvektoren pSCIL124 und pSCIL125 bestehend aus T7-Promotor, tO-Terminator , pBR322-ori, proBA, tetA, lad und cer. Fig 6. zeigt schematisch den Expressionsvektor pSCIL129 bestehend aus T7-Promotor, tO-Terminator, pBR322-ori, kan, lad und cer

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Er- findung.

Beispiel 1: Herstellung von erfindungsgemäßen Expressionsvektoren und -plasmiden Herstellung des Expressionsplamids pSCIL006c

Die Herstellung des Expressionsvektors pSCIL006c (Fig. 3) wird im Folgenden genauer beschrieben.

1. Insertion des tO-Terminators in pUC19 = pSCILOOl

Der kommerziell erhältliche Vektor pUC19 (SD0061, MBI Fermen- tas) wurde als Grundlage für die Herstellung der Expressions- vektoren benutzt. pUC19 wurde mit den Endonukleasen Hindlll und Afllll geschnitten, was zur Deletion von 359 bp der Vektorsequenz führte. Der tö-Transkriptionsterminator wurde von DNA des Phagens Lambda (SD0011, MBI Fermentas) mit Hilfe der Primer tO- OD-MCS-HindIII (SEQ ID NO: 2) und tO-UU-MCS-AfIUI (SEQ ID NO: 3) amplifiziert . Das entstandene Fragment wurde anschließend mit den Endonukleasen Hindlll und Afllll geschnitten und nach Aufreinigung (Minielute Kit, Qiagen) in das _pU ci9 ^HindIII / ^Af1111 - Fragment kloniert . Das resultierende Plasmid pSCILlOl wurde mittels Restriktionsanalysen und Sequenzierung überprüft.

2. Austausch der Antibiotikaresistenzkassette in pSCILOOl =

pSCIL002

Die Kanamycinresistenzkassette wurde aus pACYC177 (E4151 S, NEB) mittels PCR mit den Primern Km-OD-Apal (SEQ ID NO: 4) und Km-UU-Nhel (SEQ ID NO: 5) amplifiziert . Das Fragment wurde mit- tels Gel Extraction Kit (Qiagen) gereinigt und in pGEM-T easy (A1360, Promega) kloniert . Das Plasmid pSCILlOl wurde ohne die Ampicillinresistenzkassette mit Hilfe der Primer pUC2541-OD- Nhel (SEQ ID NO: 6) und pUC1496-UU-ApaI (SEQ ID NO: 7) amplifi- ziert und mit den Endonukleasen Apal und Nhel geschnitten. Die Kanamycinresistenzkassette wurde aus pGEMT-T easy mit den Endonukleasen Apal und Nhel herausgeschnitten und in pSCILOOl (AAmp) ^ApaI/itt,eI kloniert. Das resultierende Plasmid pSCIL002 wurde mittels Restriktionsanalysen überprüft.

3. Änderung der Orientierung der Kanamycinresistenzkassette = pSCIL002b

Die Orientierung der Kanamycinresitenzkassette in pSCL-Vektoren spielt eine entscheidende Rolle bei der Hintergrundexpression des Kanamycinresistenzgens , deshalb wurde die Orientierung der Resistenzkassette in der zweiten Vektor-Generation im Vergleich zu z.B. pSCIL008 (EP1697523B1) geändert. Dafür wurde der Back- bone von pSCIL002 zunächst ohne Kanamycinresitenzkassette mit Hilfe der Primer Munl-Km term (SEQ ID NO: 8) und ApaI-pSCIL002 (SEQ ID NO: 9) amplifiziert und anschließend mit den Nukleasen Muni (Miel) und Apal geschnitten. Die Kanamycinresistenzkassette wurde mit den Primern Km 5 ^v -Muni (SEQ ID NO: 10) und Km 3" Apal (SEQ ID NO: 11) aus pSCIL002 amplifiziert und ebenfalls mit den Endonukleasen Muni (Mfel) und Apal geschnitten. Beide Fragmente wurden anschließend ligiert, was zum Plasmid

pSCIL002b führte. Die korrekte Integration wurde durch Sequenzierung überprüft.

4. Insertion eines zweiten Selektionsmarkers in pSCIL002b =

pSCIL003b

Die Gene für den Prolinsyntheseweg von E. coli, proBA, wurden anschließend als zweiter Selektionsmarker in pSCIL002b integriert. Dazu wurde zunächst das proBA-Operon mit Hilfe der Primer proBA-OD-Apal (SEQ ID NO: 12) und proBA-UU-Apal (SEQ ID NO: 13) aus zuvor präparierter genomischer DNA von E. coli K12 (DSM 9037, Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH; DNeasy Tissue Kit, Qiagen) amplifiziert. Das PCR-Produkt wurde mit der Endonuklease Apal geschnitten und in den ebenfalls mit Apal geschnittenen Vektor pSCIL002b kloniert . Das resultierende Plasmid pSCIL003b wurde durch Sequenzierung überprüft .

5. Insertion des Repressorgens lad in pSCIL003b = pSCIL004b Das lacJ Gen inklusive der nativen Promotorregion wurde von chromosomaler DNA des E. coli-Stammes K12 (DSM 9037, Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH; DNeasy Tissue Kit, Qiagen) mit Hilfe der Primer lad OD Nhel (SEQ ID NO: 14) und lad UU Nhel (SEQ ID NO: 15) amplifiziert . Das PCR- Produkt wurde in pGEM-T easy (A1360, Promega) kloniert und durch Sequenzierung überprüft. Nach Restriktion mit der Endonuklease Miel wurde lacJ in pSCIL003b ligiert.

6. Insertion des T7-Promotors in pSCIL004b = pSCIL006b

Der T7- Promotor inklusive der lac-Operatorsequenz wurde vom

Plasmid pSCIL006 (original aus pTYB2, #6710, NEB) mit Hilfe der Primer PrT7-MunI5 ⁴ (SEQ ID NO: 16) und PrT7-EcoRI3 ^x (SEQ ID NO: 17) amplifiziert . Durch den Primer PrT7-EcoRI3 ^x wurde außerdem die spätere Ribosomenbindesteile (AGGAGA) in das PCR-Produkt integriert. Das PCR-Produkt wurde mit den Endonukleasen EcoRl und Muni (Mfel) geschnitten und in den mit EcoRI-geschnittenen Vektor pSCIL004b kloniert. Das resultierende Plasmid pSCIL006b wurde durch Sequenzierung überprüft.

7. Änderung des Replikationsursprungs (origin of replication) durch Austausch eines Nukleotids in pSCIL006b = pSCIL006c

Das Expressionsplasmid pSCIL006b zeigt als Abkömmling von pUC19 bei 37 °C eine sehr viel höhere Kopienzahl als bei 30 °C. Der Grund dafür ist eine Punktmutation (G- A) im origin of replica ^¬ tion des Originalplasmids pBR322. Um diese Mutation in

pSCIL006b rückgängig zu machen, wurde der Phusion Site Directed Mutagenesis Kit (F-541, Finnzymes) genutzt. Dazu wurde das gesamte Plasmid mit den Primern ori_mut_fwd (SEQ ID NO: 18) und ori_rev (SEQ ID NO: 19) amplifiziert und religiert. Das resultierende Plasmid mit einer Kopienzahl, die unabhängig von der Temperatur bei ca. 60 Kopien/Zelle liegt, wurde mittels Sequen- zierung überprüft und als pSCIL006c bezeichnet (siehe Fig.3, SEQ ID NO: 20) .

Herstellung der Expressionsvektoren pSCIL122 und pSCIL123 1. Insertion von cer in pSCIL006c = pSCIL122 bzw. pSCIL123 Das cer-Element wurde mittels PCR mit den Primern 5'cer_NdeI (SEQ ID NO: 21) und 3'cer_NdeI (SEQ ID No: 22) aus dem Plasmid ColEl (isoliert aus E. coli JC411 (DSM3877) , DSMZ, mittels QIAprep Spin Miniprep, Qiagen) amplifiziert und in eine unique Ndel-Schnittstelle in pSCIL006c integriert. Dabei sind beide

Orientierungen (forward und reverse) möglich. Das resultierende Plasmid mit cer in forward Orientierung wurde als pSCIL122, das Plasmid mit cer in reverse Orientierung wurde als pSCIL123 bezeichnet und mittels Sequenzierung überprüft (siehe Fig. , SEQ ID NO: 23) .

Herstellung der Expressionsvektoren pSCIL124 und pSCIL125

1. Deletion von kan in pSCIL006c = pSCIL112

Für die Deletion der Kanamycinresistenzkassette wurde der Phu- sion Site Directed Mutagenesis Kit (F-541, Finnzymes) benutzt. Dazu wurde der Backbone von pSCIL006c mit den Primern

pSCIL_Nco_P (SEQ ID No : 24) und pSCIL_Spe_P (SEQ ID No : 25) amplifiziert und relegiert, was zu Deletion der Kanamycinresistenzkassette führte. Das resultierende Plasmid wurde durch Se- quenzierung überprüft und als pSCIL112 bezeichnet.

2. Insertion von tetA in pSCIL112 = pSCIL105

Die Tetracyclinresistenzkassette wurde mit den Primern te- tA_5'promo_NcoI (SEQ ID No: 26) und tetA_3 ^x _SpeI (SEQ ID No: 27) von pBR322 (D1511, Promega) amplifiziert. Das PCR-Produkt wurde mit den Endonukleasen iVcoI und Spei geschnitten und in den ebenfalls mit JVcoI und Spei geschnittenen Vektor pSCIL112 kloniert. Da das resultierende Plasmid zwei Kopien statt einer Kopie der Tetracyclinresistenzkassette aufwies, wurde eine Kopie mittels Phusion Site Directed Mutagenesis Kit (F-541, Finn- zymes) entfernt. Dazu wurde das Plasmid mit den Primern 105_fwd_P (SEQ ID No: 28) und 105_rev_P (SEQ ID No : 29) ampli- fiziert und religiert. Das resultierende Plasmid wurde mittels Sequenzierung überprüft und als pSCIL105 bezeichnet.

3. Insertion von cer in pSCIL105 = pSCIL124 bzw. pSCIL125

Das cer-Element wurde mittels PCR mit den Primern 5'cer_NdeI (SEQ ID NO: 21) und 3 ' cer_NdeI (SEQ ID No : 22) aus dem Plasmid ColEl (isoliert aus E. coli JC411 (DSM3877) , DSMZ, mittels QIAprep Spin Miniprep, Qiagen) amplifiziert und in eine unique Ndel-Schnittstelle in pSCIL105 integriert. Dabei sind beide Orientierungen (forward und reverse) möglich. Das resultierende Plasmid mit cer in forward Orientierung wurde als pSCIL124, das Plasmid mit cer in reverse Orientierung wurde als pSCIL125 bezeichnet und mittels Sequenzierung überprüft (siehe Fig.5, SEQ ID NO: 30) .

Herstellung des Expressionvektors pSCIL129

1. Deletion von proBA in pSCIL123 = pSCIL129

Um die Plasmidgröße des Expressionsvektors zu verringern, wurde die proBA-Kassette wieder entfernt. Dazu wurde der Phusion Site Directed Mutagenesis Kit (F-541, Finnzymes) benutzt. Das Plasmid pSCIL123 wurde mit Hilfe der Primer pSCIL-proBA_rev-P (SEQ ID NO: 31) und pSCIL-proBA_fwd-P (SEQ ID NO: 32) so amplifiziert, dass nach anschließender Religation das proBA-Operon de- letiert wurde. Der resultierende Expressionsvektor wurde pSCIL129 genannt und durch Sequenzierung überprüft (siehe

Fig.6, SEQ ID NO: 33) .

Beispiel 2 Herstellung eines erfindungsgemäßen Expressionssys - tems

Die E. coli Stämme BL21 (Stratagene) , HMS174 (DSM5932) und C600 ^x (DSM426) wurden von Stratagene bzw. der DSMZ (Deutsche Stammsammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braun- schweig) bezogen. Die Stämme BL21, HMS174 und C600 wurden je- weils mit dem Plasmid pKD46 (CGSC, E. coli Genetic Stock Center, Yale Univerity, New Häven, USA) , das für die Red- Rekombinase des Lambda-Phagens kodiert, transformiert. Dadurch ist eine zielgerichtete Integration des T7-Konstruktes ins E. coli-Genom möglich. Von den resultierenden Stämmen BL21 pKD46, H S174 pKD46 und C600 ^v pKD46 wurden wiederum kompetente Zellen hergestellt. Die Selektion von pKD46 erfolgte mit Ampicillin auf Agarplatten bzw. Carbenicillin in Flüssiganzuchten.

Das in Fig. 2 dargestellte DNA-Konstrukt bestehend aus lad, lacUV5-Promotor, 5 ' -Region von lacZ, T7-Promotor und gene 1 des T7-Phagens (T7-Polymerase) sowie des von zwei FRT sites flankierten Kanamycinresistenzgens kan wurde wie folgt hergestellt. Zunächst wurden die Komponenten einzeln amplifiziert und in pGEM-T easy (A1360, Promega) zusammen kloniert . Das Gen für die T7 -RNA-Polymerase (gene 1) wurde mit den Primern

T7 S^BamHIJCho (SEQ ID NO : 34) und T7 3 *_Hind (SEQ ID NO : 35) von DNA des T7-Phagens (310005, Bioron GmbH) amplifiziert. Das PCR-Produkt wurde mittels Qiaquick PCR Purification (Qiagen) gereinigt und durch überhängende Adeninreste in den Vektor pGEM-T easy (A1360, Promega) kloniert. Das entstandene Plasmid pGEM::T7 wurde durch Sequenzierung überprüft. Das lacI-Gen wurde aus genomischer DNA des E. coli-Stammes K12 (DSM 9037, Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH;

DNeasy Tissue Kit, Qiagen) mit Hilfe der Primer la- cl 5 ^v _BamHI_coli (SEQ ID NO: 36) und lad 3 ^, __UV5_Xho (SEQ ID NO: 37) amplifiziert. Die Sequenz des 2acUV5 -Promotors wurde dabei mit Hilfe des Primers lad 3 ^, _UV5_Xho (SEQ ID NO: 37) in das PCR-Produkt integriert. Das PCR-Produkt wurde mittels

Qiaquick PCR Purification (Qiagen) gereinigt und durch überhän- gende Adeninreste in den Vektor pGEM-T easy (A1360, Promega) kloniert. Das entstandene Plasmid pGEM : : lad- lacUV5 wurde durch Sequenzierung überprüft und anschließend mit den Endonukleasen BamHI und Xhol geschnitten. Das entstandene Fragment wurde mittels QIAquick Gel Extraction Kit (Qiagen) gereinigt und in das ebenso geschnittene und gereinigte Plasmid pGEM::T7 kloniert. Das entstandene Plasmid pGEM: : lacI-lacUV5-T7 wurde durch Sequenzierung überprüft. Das von FRT sites flankierte Kanamycin- resistenzgen wurde mit den Primern Hind_pKD4 5 ^λ (SEQ ID NO: 38) und pKD4 3 ^Λ _Ηίηά_αο1ί (SEQ ID NO: 39) aus dem Plasmid pKD4 (CGSC, E. coli Genetic Stock Center, Yale Univerity, New Häven, USA) amplifiziert . Das PCR-Produkt wurde mit der Endonuklease HindiII geschnitten und in das ebenfalls mit HindiII geschnittene Plasmid pGEM : : lacI-lacUV5-T7 kloniert . Das finale Plasmid pGEM-T easy : : lacI-lacUV5-T7-kan-FRT wurde mittels Restriktions- verdau mit den Endonukleasen EcoRI bzw. HindiII überprüft.

Um ein T7-Nukleotidkonstrukt analog zu DE3 herzustellen, wurde zunächst die Region bestehend aus lad, lacUVB-Promoter, 5 ^X - Region von lacZ und der ersten 2574 bp des gene 1 des T7- Phagens (bis zu einer internen Mfel-Schnittstelle) mit Hilfe der Primer T7_neu_BamHI_forOl (SEQ ID NO: 40) und

T7_neu_Mfel_rev02 (SEQ ID NO: 41) aus zuvor isolierter genomischer DNA (Genomic DNA Purification Kit, Fermentas) von BL21 (DE3) [Novagen 69387-3] amplifiziert . Diese PCR-Produkt wurde nach Reinigung (Wizard ^® SV Gel and PCR, Promega) mit den Endo- nukleasen BamHI und Miel geschnitten und nach Aufreinigung

(Wizard ^® SV Gel and PCR, Promega) in das 4647 bp-Fragment des Plasmids pGEM-T easy: : lacI-lacUV5-T7-kan-FRT ^BamHI/MfeI kloniert. Nach Transformation in TOPIOF ¹ (Life Technologies) und Selektion auf LB-Platten mit 100 g/ml Ampicillin wurde das resultie- rende Plasmid pGEM-T easy :: lad-lacUV5_lacZ_T7-kan (SEQ ID NO: 42) präpariert.

Anschließend wurde das gesamte Konstrukt aus dem Plasmid pGEM-T easy: : lacI-lacüV5_lacZ_T7-kan (SEQ ID NO: 42) mittels der Endonuklease £"coRI herausgeschnitten. Das so entstandene 6026 bp- Fragment wurde mittel Wizard ^® SV Gel and PCR-Kit (Promega) auf- gereinigt. Die Stämme BL21 pKD46, HMS174 pKD46 und C600 ^v pKD46 wurden anschließend mit diesem DNA-Fragment transformiert und über Nacht bei Raumtemperatur inkubiert, um eine Integration ins E, coli-Genom zu ermöglichen. Durch die Wahl der flankierenden Regionen (SEQ ID NO: 43: rec Site 1, SEQ ID NO: 44: rec site 2) des DNA- onstruktes passend zu den flankierenden Regionen des proBA-Operon, wird bei der Integration gleichzeitig das proBA-Operon deletiert. Die Selek- tion auf das in Fig. 2 dargestellte T7-RNA-Polymerase-Konstrukt erfolgte mittels Kanamycin im Medium. Der Verlust des Helfer- plasmids pKD46 wurde durch den Verlust der Fähigkeit auf Ampicillin- bzw. Carbenicillin-haltigen Medien zu wachsen nachgewiesen .

Von den resultierenden Stämmen BL21 AproBA-T7lacZ :: kan, HMS174 AproBA-ΤΊlacZ : :kan bzw. C600 "AproBA-T71acZ :: kan wurden kompetente Zellen hergestellt und mit dem Helferplasmid pCP20 (CGSC, E. coli Genetic Stock Center, Yale Univerity, New Häven, USA) transformiert. Dieser Schritt dient der Deletion der Kanamycin- Resistenz, die im ersten Schritt mit ins Genom integriert wurde, durch die auf pCP20 kodierte FLP-Rekombinase . Die Selektion auf Stämme mit pCP20 erfolgte auf Ampicillin-haltigen Platten. Durch eine Inkubation der Zellen über Nacht bei 43 °C geht das Helferplasmid pCP20 verloren. Die resultierenden Stämme BL21 AproBA-T7lacZ, HMS174 AproBA-T71acZ bzw. C600 ¹ AproBA-T7lacZ besitzen keine Antibiotika-Resistenzen und enthalten das T7- Konstrukt wie in Fig. 1 dargestellt anstelle des proBA-Operons im Genom. Die eine FRT site, die als „Narbe" der Methode im Genom zurückbleibt, entsteht durch die Deletion der Kanamycin- Resistenzkassette durch die FLP-Rekombinase. Die Stämme wurden mittels Southern-Hybridisierung verifiziert. Dabei wurde die Integration der kodierenden Sequenz für die T7-RNA-Polymerase und die Deletion von proBA nachgewiesen. In die so erhaltenen Stämme BL21 AproBÄ-T71acZ und HMS174 Apro- BA-T71acZ wurde das Expressionsplasmid aus Beispiel 1 über Elektroporation eingebracht. Beispiel 3. Vergleich der Plasmidstabilität eines erfindungsgemäßen T7 -Expressionssystems und eines T7 -Expressionssystems gemäß Stand der Technik. Um die Stabilität von T7 -Expressionsplasmiden gemäß Stand der Technik und erfindungsgemäßen T7 -Expressionsplasmiden in BL21 (DE3) (Stamm aus dem Stand der Technk) und BL21 AproßA-T71acZ (erfindungsgemäßer Stamm) zu untersuchen, wurden Experimente in Schüttelkolben und Fed-batch- Fermentationen durchgeführt. Dazu wurde das Gen für den humanen Wachstumsfaktor proNGF ausgehend von einer Gensynthese (Geneart, Regensburg) mit Hilfe der Endo- nukleasen EcoRI und Pstl in die Expressionsvektoren kloniert . Für die Untersuchung der Plasmidstabilität im Schüttelkolben wurde wie folgt vorgegangen. Zunächst wurden Vorkulturen der zu untersuchenden ExpressionsStämme BL21 (DE3) mit Standardexpres- sionsplasmid pSCILOO6cAproBA : proNGF (Stand der Technik) , BL21 (DE3) mit stabilem Expressionsplasmid pSCIL129 :: proNGF (erfindungsgemäßes Expressionsplasmid) , BL21 AproBA-T71acZ mit Stan- dardexpressionsplasmid pSCILOQ6cAproBA : proNGF (erfindunggemä- ßer Expressionsstamm mit Expressionsplasmid ohne Plasmidstabi- lisierungssystem) und BL21 AproBA-T7lacZ mit stabilem Expressionsplasmid pSCIL129 :: proNGF (erfindungsgemäßes Expressionssystem) in Komplexmedium [34,5 g/1 Hefeextrakt (Merck

1.03753.0500), 2,475 mM MgS0 ₄ , 9,347 mM NH ₄ C1, 62 mM K ₂ HP0 ₄ , 15 g/1 Glucose] mit 50 g/ml Kanamycin über Nacht bei 37 °C schüttelnd angezogen. Am nächsten Morgen wurden die Zellen, die notwendig sind, um eine Hauptkultur auf eine Optische Dichte OD ₆₀₀ = 0,2-0,3 zu inokulieren, mittels Zentrifugation mit 6500 rpm (5 min) steril geerntet. Die damit inokulierte Hauptkultur (20 ml Komplexmedium ohne Antibiotikum in 100 ml Ehrlenmeyerkolben) wurde bei 37 °C mit 210 rpm schüttelnd inkubiert bis eine OD ₆₀ o = 0,8 erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Zielgenexpression durch Zugabe von 1 mM IPTG induziert. Drei Stunden (3 h pi (post induction) ) und 24 h nach Zugabe des Induktors (24 h pi) wurden sterile Verdünnung der Kulturen hergestellt und auf LB-Medium [5 g/1 Hefextrakt (Merck 1.03753.0500), 10 g/1 Soja- Peptone (Merck 1.07212.0500), 85,56 mM NaCl] ausplattiert. Diese Platten wurden über Nacht bei 37 °C inkubiert. Von den gewachsenen Kolonien wurden jeweils 100 Kolonien parallel auf LB und LB + 50 pg/ml Kanamycin gepickt. Eine Plasmidstabilität von z.B. 10 % bedeutet also, dass nur 10 % der auf LB gewachsenen Kolonien auch auf LB + Kanamycin gewachsen sind. Die Kolonien, die auf LB + Kanamycin wachsen können, besitzen noch die Expressionsplasmide. Kolonien, die nur auf LB wachsen können, ha- ben die Expressionsplasmide verloren. Es wurden jeweils vier unabhängige Experimente durchgeführt, um Aussagen zu den Plas- midstabilitäten zu treffen. Die Ergebnisse sind als Mittelwerte mit Standardabweichungen in Tab. 1 dargestellt.

Tab. 1: Plasmidstabilität eines Standardexpressionsplasmids ge maß Stand der Technik (pSCIL006cAproBA: .-proNGF) und eines erfindungsgemäßen Expressionsplasmids (pSCIL129 :: proNGF) in BL21 (DE3) (Stamm gemäß Stand der Technik) und BL21 AproBA-T71acZ (erfindungsgemäßer Stamm) im Schüttelkolben

Es zeigte sich, dass das Expressionssystem nach Stand der Tech nik sehr geringe Plasmidstabilitäten von 86 % 3 h nach Indukti on und nur 5 % 24 h nach Induktion aufweist. Durch die Stabiii sierung des Expressionsplasmides mittels cer gemäß Erfindung ist in BL21 (DE3) eine Steigerung der Plasmidstabilät auf 100 3 h nach Induktion und 88 % 24 h nach Induktion möglich. Eine Steigerung der Plasmidstabilität auf ca. 100 % 24 h nach Induk tion konnte nur durch die Nutzung eines T7 -Expressionssystems gemäß Erfindung, bestehend aus BL21 AproBA-T71acZ mit stabilem Expressionsplasmid pSCIL129 : :proNGF, erreicht werden. Überraschenderweise zeigte aber auch ein Standardexpressionsplasmid in BL21 AproBA-T71acZ eine hohe Plasmidstabiliät von 90 % 3 h nach Induktion bzw. 84 % 24 h nach Induktion, wohingegen das gleiche Plasmid in BL21 (DE3) zum gleichen Zeitpunkt bereits weitgehend verloren gegangen war (5% 24 h pi) . Als Zielgen wurde in diesen Versuchen der humane Wachstumsfaktor proNGF expri- miert. Die Expression von proNGF wurde mittels SDS-PAGE über- prüft.

Das erfindungsgemäße Expressionssystem wurde außerdem in Fed- batch-Fermentationen mit dem Stand der Technik verglichen. Zunächst wurden Vorkulturen der zu untersuchenden Expressions- Stämme BL21 (DE3) mit Standardexpressionsplasmid

pSCIL006cAproBA: : proNGF (Stand der Technik) , BL21 (DE3) mit stabilem Expressionsplasmid pSCIL129 :: proNGF (erfindungsgemäßes Expressionsplasmid) , BL21 AproBÄ-T7lacZ mit Standardexpressionsplasmid pSCIL006cAproBA: :proNGF (erfindunggemäßer Expressi- onsstamm mit Expressionsplasmid ohne Plasmidstabilisierungssys- tem) und BL21 AproBA-T7lacZ mit stabilem Expressionsplasmid pSCIL129 :: proNGF (erfindungsgemäßes Expressionssystem) in Komplexmedium [34,5 g/1 Hefeextrakt (Merck 1.03753.0500), 2,475 mM MgS0 ₄ , 9,347 mM NH ₄ C1, 62 mM K ₂ HP0 ₄ , 15 g/1 Glucose] mit

50 pg/ml Kanamycin über Nacht bei 37 °C schüttelnd angezogen. Für die Fermentation wurden je 2 1 Komplexmedium ohne Antibiotikum [50 g/1 Hefeextrakt (Biospringer 0206), 2,475 mM MgS0 ₄ , 9,347 mM NH ₄ C1, 62 mM K ₂ HP0 ₄ , 10 g/1 Glucose, 0,2 ml/1 Anti- schaum Synperonic (Croda ETK0879)] in 5 1-Laborfermentern vor- gelegt und mit Vorkulturen der Expressionsstämme so inokuliert, dass eine Start-OD ₆₀₀ (Optische Dichte bei 600 nm) von 0,06 erreicht wurde. Nach 6,5 h, nachdem die Glucose aufgebraucht war, wurde die Fed-batch-Phase durch Zugabe von Substrat gestartet. Die Dosierung des Substrats (feed flow) erfolgt dabei nach ei- ner exponentiellen Funktion der Form Feedflow = const*ex ( i*t } . Wobei μ die spezifische Wachstumsrate ist, für die μ _χ = const < μ _Λ&χ gilt, d. h. , dass die momentane zur Verfügung stehende Glucosekonzentration stets unter dem maximalen, momentanen Bedarf der Mikroorganismen liegt, wodurch eine submaximale Wachstumsrate erzielt und eine Akkumulation von Gluco- se verhindert wird. Es wird z. B. μ _χ = 0,25 h ^"1 gesetzt. Bei einer definierten Optischen Dichte, z. B. OD ₆₀₀ = 50 + 5, wird die Proteinexpression durch die Zugabe von IPTG, z. B. 1 mM, induziert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Dosierung des Substrates (feed flow) linear über 6 h um 70% reduziert und anschließend konstant gehalten. Der Prozess endet nach einer definierten Induktionsdauer, z.B. 24 h.

Bei Erreichen einer OD _S00 = 50 ± 5 wurde die Zielgenexpression durch Zugabe von 1 mM IPTG induziert . Zu diesem Zeitpunkt und 6 h, 8 h und 24 h nach Induktion wurden die Plasmidstabilitäten wie oben beschrieben analysiert und die Expression des humanen Wachstumsfaktor proNGP überprüft. Die Daten sind in Tab. 2 dargestellt .

(PS: Plasmidstabilität)

Tab. 2 Plasmidstabilität eines Standardexpressionsplasmids (pSCIL006cAproBA: : roNGF) und eines erfindungsgemäßen Expressi- onsplasmids (pSCIL129: :proNGF) in BL21 (DE3) und BL21 AproBA- T71acZ in Fed-batch- Fermentationen

Es zeigte sich, dass das Expressionssystem nach Stand der Tech- nik in einer Fed-batch- Fermentation bereits 6 h nach Induktion 89 % der Expressionsplasmide verloren hat (PS 11%) , wohingegen das erfindungsgemäße Expressionssystem auch bis 24 h nach Induktion eine Plasmidstabilität von 100 % aufweist. Dabei hat sowohl das erfindungsgemäßige Expressionsplasmid mit Plasmid- Stabilisierungssystem cer (pSCIL129 : :proNGF) als auch der erfindungsgemäße Expressionstamm BL21 AproBA-T7lacZ klare Vorteile gegenüber dem Expressionssystem nach Stand der Technik, da die Plasmidstabilitäten 24 h nach Induktion hierbei mit 100 % bzw. 95 % signifikant höher liegen als im Expressionssystem nach Stand der Technik mit 2 %.

Um die Stabilität von erfindungsgemäßen T7 -Expressionsplasmiden in BL21 (DE3) und BL21 AproBA-T71acZ weiter zu untersuchen, wurden weitere Experimente in Schüttelkolben durchgeführt. Dazu wurde das Gen für humanes preThrombin ausgehend von einer Gensynthese (Geneart, Regensburg} mit Hilfe der Endonukleasen JE?— coRI und Pstl in die Expressionsvektoren pSCIL006c (usual ex- pression plasmid) und pSCIL123 (stable expression plasmid) klo- niert. Für die Untersuchung der Plasmidstabilität im Schüttel- kolben wurde wie oben beschrieben vorgegangen. Die Ergebnisse sind in Tab. 3 dargestellt.

Zeit¬

BL21 (DE3) BL21 AproBA-T71acZ punkt pSCIL006c : pSCIL123 : pSCIL006c: pSCIL123 : : reThrombin : preThrombin : preThrombin : preThrombin

3 h

5 % + 5 100 % 6 % + 3 100 %

Pi

24 h

1 % + 0 41 % + 1 1 % ± 2 78 % + 5 Pi Tab. 3: Plasmidstabilität eines Standardexpressionsplasmids (pSCIL006c : : preThrombin) und eines erfindungsgemäßen Expressionsplasmids (pSCIL123 : : preThrombin) in BL21 (DE3) und BL21 AproBA-T71acZ

Es zeigte sich, dass das Expressionssystem nach Stand der Technik extrem geringe Plasmidstabilitäten aufwies. Bereits 3 h nach Induktion waren nur noch 5 % plasmidtragende Stämme vorhanden und nach 24 h nahezu alle Zellen plasmidfrei .

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Expressionsplasmids pSCIL123 :: preThrombin konnte in beiden Expressionsstämmen BL21 (DE3) und BL21 AproBA-T7 lacZ 3 h nach Induktion eine Plasmidstabilität von 100 % erreicht werden. Zum Zeitpunkt 24 h nach Induktion ist die Plasmidstabilität des erfindungsgemäßen Ex- pressionssystems (BL21 AproBA-T71acZ mit pSCIL123 :: preThrombin) mit 78 % ca. doppelt so hoch wie im Expressionsstamm nach Stand der Technik (BL21 (DE3) pSCIL123 :: reThrombin) mit 41 %. Die Expression des humanen preThrombins wurde mittels SDS-PAGE überprüft .