JP2001509012A - アデニル酸シクラーゼ遺伝子及びその使用 - Google Patents

アデニル酸シクラーゼ遺伝子及びその使用

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JP2001509012A JP52961698A JP52961698A JP2001509012A JP 2001509012 A JP2001509012 A JP 2001509012A JP 52961698 A JP52961698 A JP 52961698A JP 52961698 A JP52961698 A JP 52961698A JP 2001509012 A JP2001509012 A JP 2001509012A
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Abstract

(57)【要約】 配列番号1のヌクレオチド671からヌクレオチド6295までに記載されたヌクレオチド配列又はこのヌクレオチド配列からヌクレオチドの30%まで、有利に20%まで、特に10%まで、特に有利に5%までの置換、挿入又は欠失により得られ、かつこの遺伝子産物がアデニル酸シクラーゼの酵素的活性を有するヌクレオチド配列を有する遺伝子及びその使用。

Description

【発明の詳細な説明】 アデニル酸シクラーゼ遺伝子及びその使用 本発明は、中心的細胞代謝における変更を引き起こし、かつ発酵プロセスにお けるファインケミカルのための産生率を増大させるために活用される、細胞cA MPシグナル変換経路の活性の変更に関する。 酵素アデニル酸シクラーゼは、ATPからのcAMPの産生を触媒し、真核生 物においては、cAMPを用いて酵素プロテインキナーゼAによってシグナル変 換が制御される。cAMPはプロテインキナーゼAの調節サブユニットと結合し 、これがプロテインキナーゼAを活性化させる(Taylor et al.,1990,Annual Rev Biochem:971-1005)。このキナーゼは、標的タンパク質の特定のセリンのヒ ドロキシル基をホスフェート基でエステル化することにより標的タンパク質の活 性を変更する。プロテインキナーゼAは多様な細胞調節プロセスに関与している 。一方で、このキナーゼは若干の転写因子、例えば代謝酵素の合成速度の変更を 引き起こすCREB(Brindle and Montminy,1992,Curr Opin Genet & Dev,2 ,199-204)の活性を調節する。さらに、アデニル酸シクラーゼの産物(cAMP )は解糖経路、糖新生経路及びグリオキシル酸経路の酵素の合成及び活性の両方 を制御するこ とにより中心的細胞代謝に関与する。このように、cAMPは糖新生経路及びグ リオキサル酸経路の重要な酵素、例えばフルクトースビスホスファターゼ、ホス ホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ及びイソクエン酸リアーゼの合成を阻 害する(Boy-Marcotte et al.,1996,Microbiology,142:459-467)。他方で、 解糖経路の酵素、例えばホスホフルクトキナーゼの活性はcAMPにより媒介さ れるプロテインキナーゼA活性を高める(Kessler and Eschrich,1996,FEBS L ett.,395:225-227)。さらに、cAMPにより活性化されたプロテインキナーゼ Aは酵母中の炭水化物貯蔵の形成を失活させ、菌類(fungi)中の炭水化物貯蔵 の低下を刺激する(Pall and Robertson,1988,Biochem Biophys Res Commun, 150:365-370;Toda et al.,1985,Cell,40:27-36)。このように、アデニル酸 シクラーゼ活性により開始されるシグナルカスケードは細胞中での物質流動の調 節において決定的に関与している。特に、cAMPシグナル変換は中心代謝にお ける物質流動の方向を変更し、cAMPシグナル変換連鎖が二次代謝産物の合成 のための基質の提供においてさらに重要な役割を演じる。特定の二次代謝産物は 商業的に重要なファインケミカルである。これらのファインケミカルは例えばビ タミン、カロチノイド、アミノ酸、香料及び抗生物質である。 ファインケミカルは動物及びヒトの栄養素、化粧品工業及び医薬晶において広 範囲な工業的用途がある。さらに、カロチノイドは天然着色剤として使用される 。ファインケミカルは化学合成によるか、又はさらに発酵により工業的に製造さ れている。 酵母及び菌類中のアデニル酸シクラーゼの活性はRAS Gタンパク質により 制御される。RAS Gタンパク質は例えば培地中のグルコース濃度のためのセ ンサーとして作用する(Field et al.,1990,Science,247;464-467)。培地中 のグルコースは、結合したGDPとGTPとの交換によりRASを活性化させる 。このプロセスはRASに対して特異的な交換因子により可能となる。GTP結 合により活性化されたRASが結合し、アデニル酸シクラーゼを活性化し、次い でcAMPを形成する。このシグナル経路はcAMPに対して特異的なホスホジ エステラーゼにより遮断され、このホスホジエステラーゼはcAMPをAMPへ 変換する(Ishikawa et al.,1988,Methods Enzymol.,159,27-42)。このよ うにアデニル酸シクラーゼは細胞の栄養摂取環境における変化に適応するための 中心的スイッチポイントである。より高度な真核生物において、アデニル酸シク ラーゼはヘテロトリマー(heterotrimeric)のGタンパク質により調節される( Federmann et al.,1992,Nature,356:159-161)。 また、原核生物においても、アデニル酸シクラーゼは代謝プロセスの調節に関 与している。ここでは、cAMPは転写因子(CRP)と結合することによりい くつかのカタボリックオペロンの発現を調節する(Tagami et al.,1995 Mol Mi crobiol,17,251-258)。 ファインケミカルの発酵による製造方法を最適化するために、所望の生成物を 製造する物質流動を増大させなければならない。 このことは多様な手段において達成することができる: − 所望の生成物を生じる代謝経路の負の調節機構の遮断、 − 所望の生成物を生じる代謝経路の酵素と競合する酵素の失活化、 - 所望の生成物を生じる代謝経路の酵素の量又は活性度の細胞中での増大。 細胞プロセスがより高度な調節機構に基づいて強調して進行しているため、こ のような調節機構が細胞中の物質流動を変更するための標的である。 従って、所望の生成物を生じる物質流動を増大させるように細胞中の調節メカ ニズムを変更することが課題である。 前記の課題は本発明により、細胞中の大多数の代謝経路の中心的レギュレータ ーを構成するcAMP依存 性シグナル変換経路の活性を変更することで、物質流動を所望の生成物を生じる ような方向に向かわせることにより解決される。cAMP依存性シグナル変換経 路の活性を変更するように微生物を操作する多様な可能性が生じる。しかしなが ら、微生物中でのファインケミカルの産生を向上させるためにcAMPシグナル 変換経路の活性を変更することは、記載されていなかった。 cAMPシグナル変換経路の活性を変更することにより微生物中でファインケ ミカルの産生率を高めるという一つの可能性は、実施すべき合成に依存して、ア デニル酸シクラーゼの酵素活性を細胞中で増大させるか又は低下させることにあ る。 酵素の量を増大させ、ひいては酵素活性を増大させることは、アデニル酸シク ラーゼをコードする遺伝子を高い反復頻度で変更すべき微生物中に導入するする か、又は酵素の合成を抑制する因子を取り除くことにより達成することができる 。また、アデニル酸シクラーゼの発現を制御する配列を、遺伝子の発現を増加さ せる配列と交換することもできる。さらに、酵素活性を増大することは、例えば 基質の転換を増大させるように酵素を突然変異させるか又は酵素インヒビターの 作用を破壊することにより達成することもできる。 また、プロテインキナーゼAの活性化を行うcAMP又は化学的cAMP誘導 体を培地中に添加すること もできる。 細胞中のアデニル酸シクラーゼの酵素活性を減少させるために、コード化され た遺伝子を撹乱させるか、又はアデニル酸シクラーゼ合成アクティヴェータの活 性を減少させることもできる。活性が減少したアデニル酸シクラーゼ突然変異誘 発を適用することもできる。このような突然変異誘発は、慣用の方法、例えばU V照射又は突然変異誘発性薬品により達成されるか、又は遺伝子工学による方法 、例えば欠失、挿入又は置換により行うことができる。 アデニル酸シクラーゼの遺伝子活性を変更することができるだけでなく、前記 したようなプロテインキナーゼA(触媒及び調節ドメイン)のホスホジエステラ ーゼ及びRASタンパク質(RAS活性に影響を及ぼすタンパク質を含める)の 酵素活性を変更することも同様に可能である。 アデニル酸シクラーゼの酵素活性を変更するのが有利である。酵素活性を低下 させるために、アデニル酸シクラーゼ遺伝子を撹乱する。アデニル酸シクラーゼ 遺伝子を撹乱するために、アデニル酸シクラーゼをコードするDNA配列中に選 択マーカーを挿入する。次に、DNA構造物を細胞中へ形質転換し、その際、ア デニル酸シクラーゼ遺伝子座は相同組換えによって撹乱される。こうして、この 細胞は官能性のアデニル酸シクラーゼ及びcAMPを合成不能となる。 本発明の対象は、配列番号1中のヌクレオチド671からヌクレオチド629 5までに示されたヌクレオチド配列を有する遺伝子、又は前記のヌクレオチド配 列からヌクレオチドの30%まで、有利に20%まで、特に有利に10%まで、 さらに得に有利に5%までが置換、挿入又は欠失されることにより得られたヌク レオチド配列(その際前記の遺伝子産物はアデニル酸シクラーゼの酵素活性を有 する)を有する遺伝子である。 本発明は、さらに、出発生物と比較してファインケミカルの増大された産生を 行うことができる微生物を遺伝子工学により構築するための前記の1種以上の核 酸配列の使用に関する。出発生物とは、以後の記載において、所望のファインケ ミカルを産生することができるがしかし本発明により核酸配列に関して遺伝学的 変性は行われていない微生物の意味と解釈される。 本発明は、有利にリボフラビンの製造に適用される。 使用される有利な核酸配列は、アデニル酸シクラーゼ遺伝子である。アデニル 酸シクラーゼ遺伝子は有利に当該ファインケミカルを合成する微生物から単離さ れる。本発明による方法において使用される有利な微生物は、菌類及び酵母であ る。 しかしながら、他の微生物、例えば細菌を使用することもできる。リボフラビ ンを製造するために特に適 当な微生物はBacillus属の細菌及びCorynebacteria属又はBrevibacteria属のコ リネ型細菌、Candida属及びSaccharomyces属の酵母及びAshbya属及びEremotheci um属の菌類である。リボフラビンの製造のために得に適しているのは、Bacillus subtilis、Corynebacterium ammoniagenes、Candida flareri、Candida famata 及びAshbya gossypiiである。 アデニル酸シクラーゼ遺伝子は、プラスミド遺伝子ライブラリーをシークエン ジングにより、アデニル酸シクラーゼ遺伝子中での欠失を有する突然変異体の相 同又は非相同的補完により、又は非相同的プロービング又は非相同的プライマー を用いたPCRにより単離することができる。サブクローニングのために、相補 的プラスミドの挿入は引き続き制限酵素を用いて適切に切断することによりサイ ズを最小にすることができる。推定遺伝子のシークエンジング及び同定の後に、 これを分子生物学的技術により選択マーカーのDNA配列に融合させる。アデニ ル酸シクラーゼ遺伝子の配列を有するこのプラスミドをアデニル酸シクラーゼ遺 伝子に切断し、この選択マーカーをその切断部位中へクローニングする。選択マ ーカーDNAを組み立てるアデニル酸シクラーゼDNAは、引き続き細胞内へ導 入される。 Ashbya gossypiiの遺伝子プラスミドライブラリーからのプラスミドの単離及 びシークエンジングは、 配列番号1で示されたヌクレオチド配列を有しかつヌクレオチド671からヌク レオチド6295までは配列番号2に示されたアミノ酸配列又はその対立遺伝子 変異体をコード化するアデニル酸シクラーゼ遺伝子を提供する。この対立遺伝子 変異体は特に、配列番号1中に示された配列から、ヌクレオチドの30%までの 、有利に20%までの、特に10%までの、さらに有利に5%までの欠失、挿入 又は置換により得られた誘導体を包含する。 アデニル酸シクラーゼ遺伝子の上流に配置された配列は、特に配列番号1に示 されたようなヌクレオチド1〜670のヌクレオチド配列のプロモータ又はほぼ 同じ作用を有する配列である。このように、例えば、1個以上のヌクレオチドの 置換、挿入及び/又は欠失によって前記したヌクレオチド配列のプロモータとは 異なるが、プロモータの機能又は効果が損なわれていないプロモータを遺伝子の 上流に配置することができる。さらに、このプロモータはその配列を変更するこ とでその効果に関して変更することができるか、又は他のプロモータに完全に置 き換えることができる。 1種以上のDNA配列を、上流に配置されたプロモータを有しているか又は有 していないか又はターミネータ配列を有しているか又は有していないアデニル酸 シクラーゼ遺伝子の上流及び/又は下流に配置することができ、この遺伝子はそ の遺伝子構造体中に保持さ れる。 cAMPシグナル変換経路を変更することによりファインケミカルのリボフラ ビン(ビタミンB2)の製造を増大させるのが有利である。しかしながら、他の ファインケミカルを製造するための他の発酵方法をこのような変更によって最適 化することもできる。リボフラビンは菌類、酵母又は細菌中で、有利に菌類のAs hbya gossypii中で製造される。 Ashbya gossypiiのリボフラビンを製造する微生物系統中でアデニル酸シクラ ーゼ遺伝子が撹乱されている場合、意外にも、グルコース含有培地上でのインキ ュベーションがリボフラビン形成を増大させることになることが明らかとなった 。特に、これは培養プレート上でリボフラビンにより生じる強い黄色を示す培養 を視覚的外観により確認され、この強い黄色は培地にcAMPを添加することに より弱められる。 図面の説明 図1は、Ashbya gossypiiのアデニル酸シクラーゼ遺伝子座を記載しており、 ベクターのpAG 1080、1697及び1612によりカバーされたこのサ ブシークエンスが確認される。ベクターpAG 1080及びベクターpAG 1612は、アデニル酸シクラーゼ遺伝子座の全配列(ヌクレオチド671〜6 295の配列をコードする)を含む。 図2は、プラスミドpAG 1080のアデニル酸 シクラーゼ遺伝子断片中の重要な制限酵素用の切断部位を示す。例3中にも記載 されたBgIII切断部位も示されている。 図3は、ベクターpAG−333bのNotI−EcoRI断片を示す。この 断片はアデニル酸シクラーゼ遺伝子座を撹乱するために用いることができる。 実施例 例1 Ashbya gossypiiのゲノム遺伝子ライブラリーの製造 Ashbya gossypiiのゲノムDNAライブラリーを製造するために、染色体DN AをWright及びPhilippsen(1991,Gene 109:99-105)及びMohr(1995,PhD thesis ,Center for Biolgical Studies,Basle University,Switzerland)の方法によ り単離した。このゲノムDNAを部分的にSau3Aで消化し、ショ糖濃度勾配 中で分画した。最も長い断片を、BamHIを用いて切断したベクターpRS4 16と連結させた(Sikorski and Hieter,1988,Genetics,122;19-27)。E. coli実験系統XL−1ブルーをこの連結したバッチを用いて形質転換し、生 じたクローンをアデニル酸シクラーゼ遺伝子を同定するために使用した。 例2 アデニル酸シクラーゼ遺伝子をコード化する断片の 選択 プラスミドを例1に記載されたいくつかのクローンから精製し、挿入物のDN Aを配列決定した。Wisconsin大学のGCGプログラムに基づくコンピュータに よる相同検索により、DNA配列がSaccharomyces cerevisiae及びSaccharomyce s kluyveriのアデニル酸シクラーゼと相同性を示すと確認された。プラスミドp AG1080(図1に示した挿入物)は、例えばアデニル酸シクラーゼの大部分 を含有し、これを配列決定した。プラスミドpAG1080と相補的なハイブリ ダイジングプローブを用いた他のプラスミドライブラリーのスクリーニングによ り、プラスミドpAG1080と一緒にAshbya gossypiiからのアデニル酸シク ラーゼ遺伝子(図1)の全DNAを含有するプラスミドpAG1687及びpA G1612が検出された。この配列を配列番号1で示した。アデニル酸シクラー ゼをコードする部分はヌクレオチド671で始まり、ヌクレオチド6295で終 わる。ヌクレオチドレベルでAshbya gossypiiからのこのコード化された核酸配 列は、Saccharomyces kluyveriのアデニル酸シクラーゼと66%の相同性を示し た。コード化領域から誘導されたAshbya gossypiiのアデニル酸シクラーゼのこ のアミノ酸配列は、Klyveromyces lactisのアデニル酸シクラーゼアミノ酸配列 と63.5%の相同性を示した。 例3 Ashbya gossypii中のアデニル酸シクラーゼ遺伝子の撹乱のための構造体の製 造 ベクターpAG 1080中に得られたアデニル酸シクラーゼ遺伝子断片を、 Bgl III(図2)で切断した。得られた末端を次にクレノウポリメラーゼ で補 r et al.,1996,Nucleic Acids Research,24:2519-2524)の1.6kbのEc oRV−PvuII DNA断片と連結させた。pAG 1080のアデニル酸 シクラーゼ断片はカナマイシン耐性遺伝子のDNA配列を含有し、かつTEF遺 伝子のプロモータ及びターミネータの配列(wach et al.,1994,Yeast,10:179 3-1808)はプラスミドpUG6からのloxPを隣接している。このベクター構 造体から、特にアデニル酸シクラーゼサブシークエンスを含有するNotI−E coRI断片を、NotI及びEcoRIで切断されたベクターpBSII−S K(以後ベクターpAG−333bと呼ぶ、図3)内へクローニングした。 例5 アデニル酸シクラーゼ遺伝子撹乱構造体のAshbya gossypii内への形質転換 6.2kbのNotI−EcoRI断片をpAG−333bから切断し、発芽 したての芽胞の電気穿孔に より野生型Ashbya gossypii菌株内へ形質転換した。この野生型菌株はATCC 菌株10895を意味すると解釈される。この形質転換体はアミノグリコシドG 418(200μg/ml)を成長培地(カゼイン ペプトン1%、酵母抽出物 1%、グルコース2%及びミオイノシトール0.1%)に添加することにより選 択することができる。この形質転換体を次にマイクロマニピユレーシヨンにより クローン的に精製し(steiner and Philipsen,1995,Genetics,140:973-987) 及びサザン分析によるアデニル酸シクラーゼ遺伝子の撹乱を試験した。例えば、 アデニル酸シクラーゼ遺伝子において所望の撹乱を示す菌株(AGΔ1−T33 3b)が見出された。 例6 Ashbya gossypiiのリボフラビン形成に関するアデニル酸シクラーゼ遺伝子の 撹乱作用 cAMP量によるリボフラビン産生に関する作用の意外な兆候が菌株AGΔ1 −T333bにおいて得られた。菌類Ashbya gossypiiのアデニル酸シクラーゼ 撹乱物質において、36mg/lのリボフラビン濃度が達成された。しかしなが ら、cAMP 1mMを培地(例5参照)に添加するとリボフラビン濃度は23 mg/lに低下する。この値を測定するために、選択された形質転換体(例5) の液体培地を遠心分離し、上澄液のOD445が測定された(ε(リボフラビン) =12500リットルmol-1cm-1)。 固体培地(寒天を添加した例5の培地を参照)上に成長したときの菌株AGΔ 1−T333bの視覚的外観を観察した場合、cAMPをこの培地に添加するこ とがAshbya gossypiiコロニーの黄色の呈色(つまりリボフラビン形成)を減少 させる。つまり、野生型菌株と比較した場合、菌株AGΔ1−T333bは、固 体培地上に成長したときに、黄色の呈色の増大が観察された。 これらの試験は、選択された試験条件下でリボフラビン産生に関するcAMP の効果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) (C12P 25/00 C12R 1:645) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),EA(AM,AZ,BY ,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AU ,BG,BR,BY,CA,CN,CZ,GE,HU, ID,IL,JP,KR,KZ,LT,LV,MX,N O,NZ,PL,RO,RU,SG,SI,SK,TR ,UA,US (72)発明者 ヘニング アルトヘーファー ドイツ連邦共和国 D―67117 リンブル ガーホーフ マインシュトラーセ 12 (72)発明者 ハラルト ゾイルベルガー ドイツ連邦共和国 D―69221 ドーセン ハイム アダルベルト―シュティフター― シュトラーセ 4

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. cAMP依存性シグナル変換経路の少なくとも1種の遺伝子に遺伝子的変 更を加えた微生物を培養することによる、ビタミン、カロチノイド、アミノ酸、 香料又は抗生物質の中から選択されたファインケミカルの製造方法。 2. cAMP依存性シグナル変換経路の少なくとも1種の遺伝子に遺伝子的変 更を加えた微生物を培養することによるリボフラビンの製造方法。 3. 配列番号1のヌクレオチド671からヌクレオチド6295までに示され たヌクレオチド配列又は前記のヌクレオチド配列からヌクレオチドの30%まで 、有利に20%まで、特に10%まで、特に有利に5%までの置換、挿入又は欠 失により得ることができ、かつその遺伝子産物がアデニル酸シクラーゼの酵素活 性を有するヌクレオチド配列を含む遺伝子。 4. 出発生物と比較して、ビタミン、カロチノイド、アミノ酸、香料又は抗生 物質の中から選択されたファインケミカルの産生を向上することができる微生物 を遺伝子工学により構築するための請求項1記載の1種以上の核酸配列の使用。 5. 出発生物と比較して、リボフラビン(ビタミンB2)の産生を向上するこ とができる微生物を遺伝 子工学により構築するための請求項1記載の1種以上の核酸配列の使用。 6. cAMP依存性シグナル変換経路の遺伝子がアデニル酸シクラーゼである 、請求項1又は2記載の方法。 7. cAMP依存性シグナル変換経路の遺伝子が相応する微生物に対して相同 性のアデニル酸シクラーゼである、請求項1又は2記載の方法。 8. 微生物が細菌である、請求項1から2及び6から7のいずれか1項記載の 方法。 9. 微生物がBacillus属又はcorynebacterium属の細菌である、請求項1から 2及び6から7のいずれか1項記載の方法。 10. 微生物が真核徴生物である、請求項1から2及び6から7のいずれか1 項記載の方法。 11. 微生物が糸状菌である、請求項1から2及び6から7のいずれか1項記 載の方法。 12. 微生物がAshbya属又はEremothecium属の糸状菌である、請求項1から2 及び6から7のいずれか1項記載の方法。 13. 微生物がAshbya gossypiiである、請求項1から2及び6から7のいず れか1項記載の方法。 14. 微生物が酵母である、請求項1から2及び6から7のいずれか1項記載 の方法。 15. 微生物が、Candida属、Pichia属又はSacch aromyces属の酵母である、請求項1から2及び6から7のいずれか1項記載の方 法。
JP52961698A 1996-12-31 1997-12-29 アデニル酸シクラーゼ遺伝子及びその使用 Pending JP2001509012A (ja)

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