Síntesis de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga por células recombinantes.

Una célula vegetal recombinante que sintetiza EPA, que comprende más de un polinucleótido heterólogo,

en donde dichos polinucleótidos codifican:

a) una Δ6 desaturasa, una Δ6 elongasa y una Δ5 desaturasa; o

b) una Δ5/Δ6 desaturasa bifuncional 5 y una Δ6 elongasa;

en donde los más de un polinucleótidos están unidos de manera operativa a uno o más promotores que son capaces de dirigir la expresión de dichos polinucleótidos en la célula, en donde las enzimas codificadas por dichos polinucleótidos comprenden al menos una desaturasa que es capaz de actuar sobre un sustrato acil-CoA, y en donde la síntesis de EPA requiere la acción secuencial de dichas enzimas.

Síntesis de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga por células recombinantes Campo de la invención La presente invención se refiere a métodos para sintetizar ácidos poliinsaturados de cadena larga, especialmente ácido eicosapentaenoico, ácido docosapentaenoico y ácido docosahexaenoico, en células de planta recombinantes. También se proporcionan células de planta o plantas recombinantes que producen ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga. Además, la presente invención se refiere a un grupo de nuevas enzimas que posee actividad desaturasa o elongasa que puede usarse en métodos de síntesis de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga.

Antecedentes de la invención El o los ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga (LC-PUFA) omega-3 son hoy ampliamente conocidos como compuestos importantes para la salud humana y animal. Estos ácidos grasos pueden obtenerse de fuentes de la dieta o por conversión de ácidos grasos linoleico (LA, omega-6) o α-linolénico (ALA, omega-3) , considerándose ambos como ácidos grasos esenciales en la dieta humana. Aunque los seres humanos y muchos otros animales vertebrados son capaces de convertir LA o ALA, obtenidos de fuentes de planta, en LC-PUFA, llevan a cabo esta conversión a una velocidad muy baja. Además, las sociedades más modernas tienen dietas desequilibradas en las que al menos 90 % de los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) consisten en ácidos grasos omega-6, en lugar de la proporción 4:1 o menor para ácidos grasos omega-6:omega-3 que se considera ideal (Trautwein, 2001) . La fuente de la dieta inmediata de LC-PUFA tal como ácido eicosapentaenoico (EPA, 20:5) y ácido docosahexaenoico (DHA, 22:6) para los seres humanos es mayoritariamente de pescado o aceite de pescado. Los profesionales sanitarios han recomendado por lo tanto la inclusión regular de pescado que contiene niveles significativos de LC-PUFA en la dieta humana. De forma creciente, los aceites LC-PUFA derivados de pescado se están incorporando en productos alimenticios y en fórmulas infantiles. Sin embargo, debido a una disminución en los sectores pesqueros globales y nacionales, se necesitan fuentes alternativas de estos aceites beneficiosos que potencian la salud.

La inclusión de LC-PUFA omega-3 tal como EPA y DHA en la dieta humana se ha ligado a numerosos beneficios relacionados con la salud. Éstos incluyen la prevención o reducción de enfermedad cardiaca coronaria, hipertensión, diabetes de tipo 2, enfermedad renal, artritis reumatoide, colitis ulcerosa y enfermedad pulmonar obstructiva crónica, y la ayuda en el desarrollo cerebral y el crecimiento (Simopoulos, 2000) . Más recientemente, varios estudios también han indicado que PUFA omega-3 puede ser beneficioso en la nutrición y desarrollo infantil y frente a varios trastornos mentales tales como esquizofrenia, trastorno hiperactivo con déficit de atención y enfermedad de Alzheimer.

Las plantas superiores, a diferencia de los animales, carecen de la capacidad de sintetizar ácidos grasos poliinsaturados con longitudes de cadena mayores de 18 carbonos. En particular, las plantas cultivadas y hortícolas junto con otras angiospermas no tienen las enzimas necesarias para sintetizar los ácidos grasos omega-3 con cadenas más largas tales como EPA, DPA y DHA que derivan de ALA. Un objetivo importante en la biotecnología de plantas es por lo tanto la preparación por ingeniería de plantas cultivadas, particularmente cultivos oleaginosos, que producen cantidades sustanciales de LC-PUFA, proporcionando así una fuente alternativa de estos compuestos.

Rutas de síntesis de LC-PUFA

La biosíntesis de LC-PUFA a partir de ácidos grasos linoleico y α-linolénico en organismos tales como microalgas, musgos y hongos puede ocurrir por una serie de desaturaciones y reacciones de elongación alternantes dependientes de oxígeno como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. En una ruta (Figura 1, II) , las reacciones de desaturación están catalizadas por º6, º5, y º4 desaturasas, cada una de las cuales añade un enlace doble adicional a la cadena de carbono del ácido graso, mientras cada una de las reacciones de º6y º5 elongasa añade una unidad de dos carbonos para aumentar la longitud de la cadena. La conversión de ALA a DHA en estos organismos requiere por lo tanto tres desaturaciones y dos elongaciones. Los genes que codifican las enzimas requeridas para la producción de DHA en esta ruta aeróbica se han clonado de varios microorganismos y plantas inferiores incluyendo microalgas, musgos, hongos. Los genes que codifican algunas de las enzimas incluyendo una que cataliza la quinta etapa, la º5 elongasa, se han aislado de animales vertebrados incluyendo mamíferos (revisado en Sayanova y Napier, 2004) . Sin embargo, la º5 elongasa aislada de células humanas no es específica para la reacción EPA a DPA, teniendo una especificidad amplia para los sustratos ácido graso (Leonard et al., 2002) .

Se ha mostrado que existen rutas alternativas para dos secciones de la ruta ALA a DHA en algunos grupos de organismos. La conversión de ALA a ETA puede llevarse a cabo por una combinación de una º9 elongasa y una º8 desaturasa (la denominada ruta º8 desaturación, véase la Figura 1, IV) en determinados protistas y traustoquitridos, como se pone de manifiesto por los genes aislados que codifican dichas enzimas (Wallis y Browse, 1999; Qi et al., 2002) . En mamíferos, la ruta denominada "Sprecher" convierte DPA en DHA por tres reacciones, independiente de una º4 desaturasa (Sprecher et al., 1995) .

Además de estos sistemas desaturasa/elongasa, EPA y DHA también pueden sintetizarse mediante una ruta anaeróbica en varios organismos tales como Shewanella, Mortiella y Schizhochytrium (Abbadi et al., 2001) . Los operones que codifican estos complejos de enzima poliquétido sintasa (PKS) se han clonado de algunas bacterias (Morita et al., 2000; Metz et al., 2001; Tanaka et al., 1999; Yazawa, 1996; Yu et al., 2000; WO 00/42195) . El operón EPA PKS aislado de Shewanella spp se ha expresado en Synechococcus permitiéndole sintetizar EPA (Takeyama et al., 1997) . Los genes que codifican estas enzimas se organizan en operones relativamente grandes, y no se ha informado de su expresión en plantas transgénicas. Por lo tanto, está por ver si el sistema anaeróbico semejante a PKS es una alternativa posible a la desaturasa/elongasa aeróbica más clásica para la síntesis transgénica de LC-PUFA.

Desaturasas Las enzimas desaturasas que se ha mostrado que participan en la biosíntesis de LC-PUFA pertenecen todas al grupo denominado desaturasas "front-end" (“extremo-frontal”) que se caracterizan por la presencia de un dominio citocromo b5 en el extremo N de cada proteína. El dominio cyt b5 actúa presumiblemente como un receptor de electrones requerido para la desaturación (Napier et al., 1999; Sperling y Heinz, 2001) .

La enzima º5 desaturasa cataliza la desaturación adicional de C20 LC-PUFA dando lugar a ácido araquidónico (ARA, 20:4ω6) y EPA (20:5ω3) . Los genes que codifican esta enzima se han aislado de varios organismos, incluyendo algas (Thraustochytrium sp. Qiu et al., 2001) , hongos (M. alpine, Pythium irregulare, Michaelson et al., 1998; Hong et al., 2002) , Caenorhabditis elegans y mamíferos. Un gen que codifica una º5-/º6-desaturasa bifuncional también se ha identificado en el pez cebra (Hasting et al., 2001) . El gen que codifica esta enzima podría representar una forma ancestral de la "desaturasa de extremo frontal " ("front-end") que posteriormente se duplicó y desarrolló distintas funciones. La última etapa de desaturación para producir DHA está catalizada por una º4 desaturasa y se ha aislado un gen que codifica esta enzima de la especie de protista de agua dulce Euglena gracilis y la especie marina Thraustochytrium sp. (Qiu et al., 2001; Meyer et al., 2003) .

Elongasas También se han aislado varios genes que codifican enzimas de elongación de PUFA (Sayanova y Napier, 2004) . Los miembros de esta familia de genes no estaban relacionados con los genes de elongasa presentes en plantas superiores, tales como FAE1 de Arabidopsis, que están implicados en la extensión de ácidos grasos saturados y monoinsaturados. Un ejemplo del último es ácido erúcico (22:1) en Brassicas. En algunas especies de protistas, LC-PUFA se sintetizan por elongación de ácido linoleico o ácido α-linolénico con una unidad C2, antes de la desaturación con º8 desaturasa (Figura 1 parte IV; ruta "desaturación º8") . Las actividades º6 desaturasa y º6 elongasa no se detectaron en estas especies. En lugar de esto, se esperaría una actividad A9-elongasa en dichos organismos, y apoyando esto, se ha aislado recientemente un gen C18 º9-elongasa de Isochr y sis galbana (Qi et... [Seguir leyendo]

1. Una célula vegetal recombinante que sintetiza EPA, que comprende más de un polinucleótido heterólogo, en donde dichos polinucleótidos codifican:

a) una º6 desaturasa, una º6 elongasa y una º5 desaturasa; o b) una º5/º6 desaturasa bifuncional y una º6 elongasa;

en donde los más de un polinucleótidos están unidos de manera operativa a uno o más promotores que son capaces de dirigir la expresión de dichos polinucleótidos en la célula, en donde las enzimas codificadas por dichos polinucleótidos comprenden al menos una desaturasa que es capaz de actuar sobre un sustrato acil-CoA, y en donde la síntesis de EPA requiere la acción secuencial de dichas enzimas.

2. La célula de la reivindicación 1, en la que las enzimas codificadas por los polinucleótidos comprenden al menos una º5 elongasa que cataliza la conversión de EPA en DPA en la célula.

3. La célula de las reivindicaciones 1 ó 2, en la que las enzimas codificadas por los polinucleótidos comprenden al menos una desaturasa de un vertebrado o una variante desaturasa de ésta.

4. La célula de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 que es una célula vegetal de una angiosperma, una célula vegetal oleaginosa o una célula de una semilla.

5. La célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en la que al menos un promotor es un promotor específico de semilla.

6. La célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que los ácidos grasos totales de dicha célula comprenden al menos el 1, 5 % de EPA.

7. La célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde dicha célula es capaz de sintetizar DPA.

8. La célula de la reivindicación 7, en la que los ácidos grasos totales de dicha célula comprenden al menos el 0, 13 %, al menos el 0, 15 %, al menos el 0, 5 % o al menos el 1, 0 % de DPA.

9. La célula de las reivindicaciones 7 u 8, en la que dicha célula es capaz de sintetizar DHA.

10. La célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde dicha célula

i) es capaz de producir EPA a partir de un ácido graso que es ALA, LA, GLA, SDA, ETA, o cualquier combinación o mezcla de éstos.

ii) es capaz de producir DHA a partir de un ácido graso que es ALA, LA, GLA, ARA, SDA, ETA, EPA, o cualquier combinación o mezcla de éstos, y/o iii) es capaz de producir DPA a partir de un ácido graso que es ALA, LA, GLA, ARA, SDA, ETA, EPA, o cualquier combinación o mezcla de éstos.

11. La célula de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que dicha célula comprende un polinucleótido aislado o un vector que comprenden una secuencia de nucleótidos que es:

i) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:5 o SEQ ID NO:6; ii) una secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es al menos un 40 % idéntica a SEQ ID NO:1 y en la que el polipéptido tiene actividad º8 desaturasa;

iii) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:7 o SEQ ID NO:8;

iv) una secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es al menos un 60 % idéntica a SEQ ID NO:2 y en la que el polipéptido tiene actividad º5 elongasa; v) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:9 o SEQ ID NO:10; vi) una secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es

al menos un 40 % idéntica a SEQ ID NO:3, SEQ ID NO:85 o SEQ ID NO:86 y en la que el polipéptido tiene actividad

º9 elongasa; vii) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:11, SEQ ID NO:12 o SEQ ID NO:13; viii) una secuencia que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es al menos un

% idéntica a SEQ ID NO:4 y en la que el polipéptido tiene actividad º4 desaturasa;

ix) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:58 o SEQ ID NO:59;

x) una secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es al menos 55 % idéntica a SEQ ID NO:60 y en la que el polipéptido tiene actividad º5 desaturasa; xi) una secuencia de nucleótidos como se proporciona en SEQ ID NO:63; xii) una secuencia de nucleótidos que codifica un polipéptido que comprende una secuencia de aminoácidos que es

al menos un 90 % idéntica a SEQ ID NO:64 y en la que el polipéptido tiene actividad º6 desaturasa; o xiii) una secuencia que hibrida con una cualquiera de i) a xii) en condiciones de astringencia alta.

12. Un método para producir una célula vegetal recombinante que sintetiza uno o más LC-PUFA (s) , comprendiendo el método introducir en la célula más de un polinucleótido heterólogo, en el que dicho polinucleótido codifica: a) una º6 desaturasa, una º6 elongasa y una º5 desaturasa; o b) una º5/º6 desaturasa bifuncional y una º6 elongasa; en el que los más de un polinucleótidos están unidos de manera operativa a uno o más promotores que son capaces de dirigir la expresión de dichos polinucleótidos en la célula,

en el que dichos uno o más LC-PUFA comprenden EPA, en el que las enzimas codificadas por dichos polinucleótidos comprenden al menos una desaturasa que es capaz de actuar en un sustrato acil-CoA, y en el que la síntesis de EPA requiere la acción secuencial de dichas enzimas.

13. Una planta transgénica y/o parte de planta que comprenden al menos una célula según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

14. La planta o parte de planta de la reivindicación 13 en la que dicha planta es una angiosperma.

15. La planta de las reivindicaciones 13 ó 14 que comprende:

i) al menos una parte de planta que sintetiza EPA, y en donde los ácidos grasos totales de la parte de planta comprenden al menos el 1, 5 %, al menos el 2, 1 % o al menos el 2, 5 % de EPA,

ii) al menos una parte de planta que sintetiza DPA, en donde los ácidos grasos totales de la parte de planta comprenden al menos el 0, 1 %, al menos el 0, 13 % o al menos el 0, 5 % de DPA,

iii) al menos una parte de planta que sintetiza DHA,

iv) al menos una parte de planta que sintetiza al menos un ω3 C20 LC-PUFA, y en donde los ácidos grasos totales de la parte de planta comprenden al menos el 2, 5 %, o al menos el 4, 1 % de ω3 C20 LC-PUFA,

v) al menos una parte de planta que sintetiza EPA, y en donde la eficiencia de la conversión de ALA en EPA en la parte de planta es al menos del 2 % o al menos del 14, 6 %,

vi) al menos una parte de planta que sintetiza ácidos grasos poliinsaturados ω3 que son los productos de º6desaturación de ALA y/o los productos de º9 elongación de ALA, y en el que la eficiencia de la conversión de ALA en dichos productos en la parte de la planta es al menos del 22 % o al menos del 24 %, y/o vii) al menos una parte de planta que sintetiza DPA a partir de EPA, y en donde la eficiencia de la conversión de EPA en DPA en la parte de planta es al menos del 5 % o al menos del 7 %.

16. Una semilla transgénica que comprende una célula según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

17. La semilla de la reivindicación 16 que comprende además i) DPA, o ii) DHA y DPA.

18. La semilla de las reivindicaciones 16 ó 17, derivada de una semilla isogénica no transgénica que produce LA y/o ALA.

19. La semilla de la reivindicación 18, en donde la semilla isogénica no transgénica comprende una mayor concentración de ALA que de LA en sus ácidos grasos.

20. La semilla de las reivindicaciones 18 ó 19, en donde la semilla isogénica no transgénica comprende al menos aproximadamente el 13 % de ALA de los ácidos grasos totales (p/p) .

21. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, en donde los ácidos grasos totales en el aceite de la semilla comprenden al menos el 9 % de ácidos grasos C20 (p/p) .

22. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, en donde la semilla deriva de una planta oleaginosa.

23. La semilla de la reivindicación 22, en donde la planta oleaginosa es canola, maíz, girasol, soja, sorgo, lino, remolacha azucarera, algodón, cacahuete, amapola, mostaza, ricino, sésamo o alazor.

24. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 23, en donde la semilla tiene una velocidad de germinación que es sustancialmente la misma que la de una semilla isogénica no transgénica.

25. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 24 que comprende DPA que se sintetiza en la semilla y en donde los ácidos grasos totales de la semilla comprenden al menos el 0, 1 % de DPA (p/p) .

26. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 25 que comprende DHA que se sintetiza en la semilla.

27. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 26 que comprende al menos un ω3 C20 LC-PUFA que se sintetiza en la semilla y en donde los ácidos grasos totales de la semilla comprenden al menos el 2, 5 % ω3 C20 LC-PUFA (p/p) .

28. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 27 en donde la eficiencia de conversión de ALA en EPA en la semilla es al menos del 14, 6 %.

29. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 28 que comprende ácidos grasos poliinsaturados ω3 que son los productos de la º6-desaturación de ALA y/o los productos de º9 elongación de ALA, productos que se sintetizan en la semilla, y en donde la eficiencia de conversión de ALA en dichos productos en la semilla es al menos el 22 %.

30. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 29 que comprende DPA que se sintetiza a partir de EPA en la semilla y en donde la eficiencia de conversión de EPA en DPA en la semilla es al menos del 5 %.

31. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 30, en donde al menos el 25 % (p/p) del LC-PUFA en la semilla forma parte de triacilgliceroles.

32. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 31 que es homocigota para los polinucleótidos transgénicos.

33. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 32, en donde dicha semilla no comprende un transgén que codifica una enzima que convierte preferentemente un ω6 LC-PUFA en un ω3 LC-PUFA.

34. Un método para producir una semilla transgénica según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33, comprendiendo el método

i) introducir en una célula vegetal uno o más polinucleótidos heterólogos que codifican:

a) una º6 desaturasa, una º6 elongasa y una º5 desaturasa; o b) una º5/º6 desaturasa bifuncional y una º6 elongasa;

, en donde los uno o más polinucleótidos están unidos de manera operativa a uno o más promotores que son capaces de dirigir la expresión de dichos polinucleótidos en la semilla, y en donde las enzimas codificadas por dichos polinucleótidos comprenden al menos una desaturasa que es capaz de actuar sobre un sustrato acil-CoA, produciendo de esta manera una célula recombinante,

ii) cultivar dicha célula recombinante para producir una planta, y

iii) recuperar la semilla de la planta así producida.

35. Una planta transgénica que comprende la semilla transgénica según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33.

36. Un método para producir un LC-PUFA, comprendiendo el método cultivar, en condiciones adecuadas, una célula recombinante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde dicho LC-PUFA comprende al menos EPA.

37. Un método para producir aceite que comprende LC-PUFA, en donde dicho LC-PUFA comprende al menos EPA, que comprende obtener la semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33 y/o la planta transgénica o la parte de planta según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, y extraer aceite de dicha planta, parte de planta o semilla.

38. El método según la reivindicación 37, en el que dicho aceite se purifica adicionalmente.

39. El método según la reivindicación 37, en el que dicho aceite se trata adicionalmente por hidrólisis con una base fuerte para liberar los ácidos grasos libres.

40. Una composición que comprende la semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33, la planta

transgénica o parte de planta según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, la célula recombinante según 10 una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 y un vehículo adecuado.

41. Un producto alimenticio que comprende la semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33, la planta transgénica o parte de planta según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, la célula recombinante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 y/o una composición de la reivindicación 40.

42. La semilla según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 33, la planta transgénica o parte de planta según

una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, la célula recombinante según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 y/o una composición de la reivindicación 40, para tratar o prevenir una afección que se beneficiaría de un LC-PUFA.