Functional expression of the C. elegans fat-1 gene in wild-type yeast

Abstract

Dietary habits adapted by Western societies over the past 100 to 150 years have led to a diet deficient in omega-3, but containing too much omega-6 PUFA. These dietary changes are implicated in the increased incidence of many chronic diseases and some types of cancer. Beneficial effects of omega-3 PUFA have been shown for numerous major diseases in many human studies. The demand for omega-3 fatty acids is therefore increasing, but their natural sources are limited. Many current practices of supplying humans with omega-3 PUFA are cost-ineffective and unsustainable. Although omega-6 PUFA are highly abundant in the typical Western diet, these cannot be converted into omega-3 fatty acids in the human body, because mammalian cells lack an omega-3 fatty acid desaturase. This study demonstrates the functional expression of such an omega-3 fatty acid desaturase encoded by the Caenorhabditis elegans fat-1 gene in a wild-type Saccharomyces cerevisiae strain used in baking industry. Different yeast expression plasmids containing the fat-1 gene were constructed and then introduced into the yeast cells. Successful transformation was verified by growth on selective medium and PCR analysis of the yeast cells. After exogenous fatty acid incubation, gas chromatographic analysis of fatty acids from the yeast cells showed conversion of linoleic acid (18:2 n-6) to alpha-linolenic acid (18:3 n-3) in the transformed yeast samples, verifying functionality of the protein expressed. The results presented here thus provide a basis for the development of transgenic omega-3 producing yeasts as dietary supplement or for industrial utilization and suggest an alternative approach of supplying humans with omega-3 PUFA in the future, leading to an increased omega-3 while decreased omega-6 fatty acid intake without the need for changes in habitual diet.

In den letzten 100 bis 150 Jahren haben sich die Ernährungsgewohnheiten der westlichen Gesellschaft verändert. Dies führte zu einer Ernährung, die reich an Omega-6-Fettsäuren ist, dafür jedoch einen Mangel an Omega-3-Fettsäuren aufweist. Diese Ernährungsumstellung hat ein erhöhtes Auftreten von vielen chronischen Erkrankungen sowie einigen Arten von Malignomen zur Folge. Die günstigen Auswirkungen von Omega-3-Fettsäuren konnten in zahlreichen Studien für viele bedeutende Krankheiten nachgewiesen werden. Folglich steigt die Nachfrage für Omega-3-Fettsäuren, deren Quellen sind jedoch beschränkt. Viele der heutigen Praktiken, die angewandt werden um die Menschen mit Omega-3-Fettsäuren zu versorgen, sind kostenineffektiv und in dieser Form nicht aufrecht zu erhalten. Obwohl die typische westliche Ernährungsweise einen Überfluss an Omega-6- Fettsäuren aufzeigt, können diese im menschlichen Organismus nicht in Omega-3- Fettsäuren umgewandelt werden, da Säugetierzellen keine Omega-3-Fettsäuredesaturaseaktivität besitzen. Diese Arbeit beschreibt die funktionelle Expression einer solchen Omega-3- Fettsäuredesaturase kodiert durch das Caenorhabditis elegans fat-1 Gen in einem Wildtypstamm von Saccharomyces cerevisiae, der in der Backindustrie eingesetzt wird. Verschiedene Hefeexpressionsplasmide mit dem fat-1 Gen wurden konstruiert und dann in die Hefezellen eingebracht. Eine erfolgreiche Transformation konnte durch Hefewachstum auf Selektivmedium sowie PCR-Analyse der Hefezellen nachgewiesen werden. Nach Inkubation mit exogenen Fettsäuren zeigte sich in der gaschromatographischen Analyse der Fettsäuren aus den Hefezellen eine Umwandlung von Linolsäure (18:2 n-6) in alpha-Linolensäure (18:3 n-3) in den transformierten Hefeproben, welche die Funktionalität des exprimierten Proteins bestätigte. Die hier präsentierten Ergebnisse bilden somit eine Grundlage für die Entwicklung transgener, Omega-3-Fettsäure-produzierender Hefen als Nahrungsergänzungsmittel oder für deren industrielle Nutzung. Sie stellen daher einen alternativen Ansatz für die zukünftige Versorgung der Menschen mit Omega-3-Fettsäuren dar, welcher ohne eine Änderung der Ernährungsgewohnheiten zu einer erhöhten Omega-3-, bei zugleich verminderter Omega-6-Fettsäureaufnahme beitragen könnte.