JP2003047490A - 宿主微生物 - Google Patents
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Abstract
成に関与する遺伝子群から選ばれた1以上の遺伝子を削
除又は不活性化した微生物及び当該微生物を用いた目的
生産物(タンパク質)の製造方法。 【効果】 本発明の微生物を用いれば、胞子が形成され
ないことから、目的生産物(タンパク質)を生産する場
合において、エネルギーロス、副産物の生産や比生産速
度の低下等、培地の浪費が大幅に減少でき、また、生産
期間の長期化などによって効率よく目的生産物(タンパ
ク質)を生産することができる。
Description
又はポリペプチドの生産に用いる宿主微生物、及び組換
え微生物に関する。
による有用物質の工業的生産は、アルコール飲料や味
噌、醤油等の食品類をはじめとし、アミノ酸、有機酸、
核酸関連物質、抗生物質、糖質、脂質、タンパク質等、
その種類は多岐に渡っており、またその用途についても
食品、医薬や、洗剤、化粧品等の日用品、或いは各種化
成品原料に至るまで幅広い分野に広がっている。
においては、その生産性の向上が重要な課題の一つであ
り、その手法として、突然変異等の遺伝学的手法による
生産菌の育種が行われてきた。特に最近では、微生物遺
伝学、バイオテクノロジーの発展により、遺伝子組換え
技術等を用いたより効率的な生産菌の育種が行われるよ
うになっており、遺伝子組換えのための宿主微生物の開
発が進められている。例えば、枯草菌Marburg No.168
系統株の様に宿主微生物として安全かつ優良と認められ
た微生物菌株に更に改良を加えた菌株が開発されてい
る。
ける環境変化に対応するための多種多様な遺伝子群を有
しており、限定された生産培地が使用されるタンパク質
等の工業的生産においては、必ずしも生産性が効率的で
あるとは言えない状況であった。
成初期に関わる遺伝子を単独に削除又は不活性化した菌
株が構築されているが、生産性向上の効果が十分とはい
えものではない。
チドの生産に不要或いは有害な遺伝子をゲノム上から削
除又は不活性化することにより、タンパク質又はポリペ
プチドの生産性向上を可能とする宿主微生物を提供する
ことを目的とする。また、本発明は当該宿主微生物に転
写開始制御領域、翻訳開始制御領域又は分泌用シグナル
領域の下流に結合したタンパク質又はポリペプチドをコ
ードする遺伝子を導入して得られる組換え微生物、更
に、当該組換え微生物を用いるタンパク質又はポリペプ
チドの製造法を提供することを目的とする。
ノム上にコードされる各種遺伝子において、有用なタン
パク質又はポリペプチドの生産にとって不要或いは有害
な働きをする遺伝子群を鋭意探索したところ、胞子形成
に関与する特定の遺伝子をゲノム上から削除又は不活性
化した後、目的のタンパク質又はポリペプチドをコード
する遺伝子を適当な転写開始制御領域、翻訳開始制御領
域又は分泌シグナル領域を結合して導入することによ
り、目的のタンパク質又はポリペプチドの生産性が、削
除又は不活性化前と比較して向上することを見出した。
において胞子の形成に関与する遺伝子群から選ばれた1
以上の遺伝子を削除又は不活性化した微生物、当該微生
物に転写開始制御領域、翻訳開始制御領域又は分泌用シ
グナル領域の下流に結合したタンパク質又はポリペプチ
ドをコードする遺伝子を導入して得られる組換え微生
物、並びに当該組換え微生物を用いたタンパク質又はポ
リペプチドの製造方法を提供するものである。
親微生物としては、胞子形成に関与する遺伝子を有する
ものであればよく、胞子を形成する微生物がより好まし
い。これらは、野生型のものでも変異を施したものでも
のよい。具体的には、枯草菌などのバチルス(Bacillus)
属細菌や、クロストリジウム(Clostridium)属細菌、或
いは酵母等が挙げられ、中でもバチルス(Bacillus)属細
菌が好ましい。更に、全ゲノム情報が明らかにされ、遺
伝子工学、ゲノム工学技術が確立されている点、またタ
ンパク質と菌体外に分泌生産させる能力を有する点から
特に枯草菌が好ましい。
パク質又はポリペプチドとしては、例えば食品用、医薬
品用、化粧品用、洗浄剤用、繊維処理用、医療検査薬用
等として有用な酵素や生理活性因子等のタンパク質やポ
リペプチドが挙げられる。
遺伝子以上が関与することが知られているが、本発明に
おいて削除又は不活性の対象となる遺伝子群は、胞子形
成期特異的σ因子をコードする遺伝子群や当該σ因子遺
伝子群の発現、及びσ因子の活性化に関わる遺伝子群
等、胞子の形成を促進する遺伝子群が好ましい。また、
当該σ因子によって転写され、胞子形成の促進に関与す
る遺伝子群も包含されるが、胞子形成期の初期(胞子形
成第0期〜第I期)は、対数増殖期に比較してプロテア
ーゼやアミラーゼなどの各種菌体外酵素の生産が高まる
ことが知られているため、削除又は不活性化する遺伝子
としては、胞子形成期の中期から後期にかけて特異的に
発現し、胞子形成に関与するものが望ましい。具体的に
は、胞子形成第II期、第III期、第IV期、或いは第V期
に関与する遺伝子群が好ましく、特に、胞子形成第II期
又は第III期、最適には胞子形成期第II期に関与する遺
伝子群が好ましい。斯かる遺伝子群は、目的タンパク質
の生産には直接関与しておらず、また、通常の工業的生
産培地における微生物の生育にも不要であることが本発
明者らによって見出された。枯草菌における当該遺伝子
の一例を下記表1及び表2に示す。尚、本明細書の各遺
伝子の名称、位置、塩基番号及び機能は、Nature, 390,
249-256, (1997) で報告され、JAFAN: Japan Function
al Analysis Network for Bacillus subtilis (BSORF D
B)でインターネット公開(http://bacillus.genome.ad.
jp/)された枯草菌ゲノムデーターに基づいて記載してい
る。
遺伝子と同じ機能を有するか又は表1の各遺伝子と70
%以上、好ましくは80%以上、より好ましくは90%
以上の相同性を有する、他の微生物由来、好ましくはバ
チルス属細菌の由来の遺伝子は、表1に記載の遺伝子に
相当する遺伝子と考えられ、本発明において削除又は不
活性化すべき遺伝子に含まれる。尚、アミノ酸配列の相
同性はLipman-Pearson法 (Science, 227, 1435, (198
5))によって計算される。
数の遺伝子を削除又は不活性化することにより胞子形成
に関与する化学エネルギーの消費が減ること、また、タ
ンパク質又はポリペプチドの生産期間が長期化すること
に等により、当該タンパク質又はポリペプチドの生産に
おいて、その生産性の向上が達成される。尚、削除又は
不活性化する遺伝子は1以上であればよく、3以上でも
5以上でもよいが、2又は3が好ましく、特に2が好ま
しい。
の遺伝子群の削除又は不活性化を組み合わせることも可
能であり、生産性向上に対してより大きな効果が期待さ
れる。
知の方法、例えば標的遺伝子を順次削除又は不活性化す
る方法や、ランダムな遺伝子の削除又は不活性化変異を
与えた後、適当な方法によりタンパク質生産性の評価及
び遺伝子解析を行うことによって遺伝子群の削除又は不
活性化する方法等を用いることができる。
には、例えば相同組換えによる方法を用いればよい。す
なわち、標的遺伝子を含むDNA断片を適当なプラスミ
ドベクターにクローニングした後、通常の遺伝子工学技
術を用いて遺伝子の全領域又は一部領域を両側のDNA
断片を残した形で削除する、塩基置換やフレームシフト
等によって構造遺伝子中にナンセンス変異を与える、或
いはクローニングやPCRなどにより単離した目的遺伝
子断片中に他のDNA断片を挿入する等の改変を行った
後、改変遺伝子を含むDNA断片を、親微生物に取り込
ませて、親微生物ゲノムとの間で目的遺伝子の外側の両
領域で相同組換えを起こさせることにより、ゲノム上の
標的遺伝子を削除或いは不活性化した遺伝子断片と置換
することが可能である。
生物として枯草菌を用いる場合、相同組換えにより標的
遺伝子を削除又は不活性化する方法については、既にい
くつかの報告例があり(Mol. Gen. Genet., 223, 268
(1990)等)、こうした方法を繰り返すことによって、本
発明の宿主微生物を得ることができる。また、ランダム
な遺伝子の削除又は不活性化についてもランダムにクロ
ーニングしたDNA断片を用いて上述の方法と同様な相
同組換えを起こさせる方法や、親微生物にγ線等を照射
すること等によっても実施可能である。
おいて胞子の形成に関与する遺伝子群から選ばれた1以
上の遺伝子を削除又は不活性化した微生物(宿主微生
物)に、目的とするタンパク質又はポリペプチドをコー
ドする遺伝子を導入することによって、本発明の組換え
微生物を得ることができる。
特に限定されず、洗剤、食品、繊維、飼料、化学品、医
療、診断など各種産業用酵素や、生理活性ペプチドなど
が含まれる。また、産業用酵素の機能別には、酸化還元
酵素(Oxidoreductase)、転移酵素(Transferase)、加水
分解酵素(Hydrolase)、脱離酵素(Lyase)、異性化酵素(I
somerase)、合成酵素(Ligase/Synthetase)等が含まれる
が、好適にはセルラーゼ、α-アミラーゼ、プロテアー
ゼ等の加水分解酵素の遺伝子が挙げられる。具体的に
は、多糖加水分解酵素の分類(Biochem. J., 280, 309
(1991))中でファミリー5に属するセルラーゼが挙げら
れ、中でも微生物由来、特にバチルス属細菌由来のセル
ラーゼが挙げられる。より具体的な例として、配列番号
1又は2に示される配列を有するバチルス属細菌由来の
アルカリセルラーゼや、配列番号1又は2に示される配
列と70%、好ましくは80%、より好ましくは90%以上の相
同性を有する配列のセルラーゼが挙げられる。尚、アミ
ノ酸配列の相同性はLipman-Pearson法 (Science, 227,
1435, (1985))によって計算される。また、α−アミラ
ーゼの具体例としては、微生物由来のα−アミラーゼが
挙げられ、特にバチルス属細菌由来の液化型アミラーゼ
が好ましい。また、プロテアーゼの具体例としては、微
生物由来、特にバチルス属細菌由来のセリンプロテアー
ゼや金属プロテアーゼ等が挙げられる。
伝子は、その上流に当該遺伝子の転写、翻訳及び分泌に
関わる制御領域、即ち、プロモーター及び転写開始点を
含む転写開始制御領域、リボソーム結合部位及び開始コ
ドンを含む翻訳開始領域、又は分泌用シグナルペプチド
領域が適正な形で結合されていることが望ましい。例え
ば、特開2000-210081号公報や特開平4-190793号公報等
に記載されているバチルス属細菌由来のセルラーゼ遺伝
子、及び当該セルラーゼ遺伝子の上流1kb以内、好ま
しくは0.6kb以内にある領域に由来する上記制御領
域、より具体的には配列番号1又は2に示される配列又
はこれらとある程度の相同性を有し同様の制御機能を有
する塩基配列等が結合されていることが望ましい。
伝子を含むDNA断片と適当なプラスミドベクターを結
合た組換えプラスミドを、一般的な形質転換法によって
宿主微生物細胞に取り込ませることによって、本発明の
組換え微生物を得ることができる。また、当該DNA断
片に宿主微生物ゲノムとの適当な相同領域を結合したD
NA断片を用い、宿主微生物ゲノムに直接組み込むこと
によっても本発明の組換え微生物を得ることができる。
ク質又はポリペプチドの生産は、当該菌株を同化性の炭
素源、窒素源、その他の必須成分を含む培地に接種し、
通常の微生物培養法にて培養し、培養終了後、タンパク
質又はポリペプチドを採取・精製することにより行えば
よい。
子を削除又は不活性化した宿主微生物、及び当該宿主微
生物を用いて組換え微生物を構築することができ、これ
を用いれば有用なタンパク質又はポリペプチドを効率的
に生産することができる。以下に、枯草菌を用いてα−
アミラーゼ又はセルラーゼを生産する場合について具体
的に説明する。
以降にフォアスポア内で発現するRNAポリメラーゼの
サブユニットσF因子をコードするsigF遺伝子(7
68bp)を削除する場合、以下の様に行えばよい。ま
ず、宿主とする枯草菌株から抽出したゲノム遺伝子を鋳
型としてSOE(splicing by overlap extention)−
PCR法(Gene, 77, 61, (1989))等により、sigF
遺伝子の開始コドンより上流側のDNA断片と終止コド
ンより下流側のDNA断片が、その間にクロラムフェニ
コール耐性遺伝子等のマーカー遺伝子を挿入した形で結
合したDNA断片を調製する。
草菌株をコンピテント法により形質転換し、クロラムフ
ェニコール耐性等を指標として形質転換体を分離するこ
とによって、sigF遺伝子の上流側と下流側で相同組
換えが起こり、ゲノム上のsigF遺伝子がクロラムフ
ェニコール耐性遺伝子等のマーカー遺伝子と置換した形
質転換体を取得することができる。
て元の枯草菌株に、α−アミラーゼ又はセルラーゼをコ
ードする遺伝子が含まれるプラスミドを導入して、得ら
れる組換え体を適当な条件、例えば栄養培地における振
とう培養などを行った後、培養液上清液のα−アミラー
ゼ活性又はセルラーゼ活性を測定し元の宿主枯草菌株の
生産性と比較することによって、sigF遺伝子の削除
による目的生産物の高生産化を確認することができる。
また、この培養液から採取・精製することによって、α
−アミラーゼ又はセルラーゼを得ることができる。
増幅した、ゲノム上のsigF遺伝子(塩基番号:2442
658←2443425)の上流に隣接する1.5kb断片
(A)、及び下流に隣接する1.5kb断片(B)と、
プラスミドpC194を鋳型として増幅したクロラムフ
ェニコール耐性遺伝子を含む0.9kb断片(C)を、
(A)(B)(C)の順になる様にSOE−PCR法に
よって結合させ、3.9kbのDNA断片を得た。この
DNA断片を用いて、コンピテント法により枯草菌16
8株の形質転換を行い、クロラムフェニコールを含むL
B寒天培地上に生育したコロニーを形質転換体として分
離した。この結果得られた形質転換体ではゲノム上のs
igF遺伝子を含む領域(2442632-2443318)が削除さ
れ、クロラムフェニコール遺伝子に置換していることを
PCR及びシークエンシングにより確認された。一方、
上記と同様にして、ゲノム上のsigE遺伝子(160416
6→1604885)を含む領域(1604136-1604976)、spoI
ISB遺伝子(1347913←1348083)の大部分を含む領域
(1347781-1348081)、spoIIE(70536→73019)遺
伝子の大部分を含む領域(70537-73018)、sigG遺
伝子(1605025→1605807)の大部分を含む領域(160508
3-1605877)、spoIVCB遺伝子(2652262→265273
2)を含む領域(2652156-2652723)、又は、spoIVC
B遺伝子からspoIIIC遺伝子までの領域(2652262→
2701023)を含む領域(2652156-2701031)が削除され、
クロラムフェニコール耐性遺伝子に置換した胞子形成遺
伝子削除株をそれぞれ得た。
菌168株に、バチルス エスピー(Bacillus sp.)K
SM−S237株由来のアルカリセルラーゼ遺伝子(特
開2000-210081号公報)断片(3.1kb)がシャトル
ベクターpHY300PLKのBamHI制限酵素切断
点に挿入された組換えプラスミドpHY−S237を、
プロトプラスト法によって導入した。これによって得ら
れた菌株を10mLのLB培地で一夜37℃で振盪培養
を行い、更にこの培養液0.05mLを50mLの2×
L−マルトース培地(2%トリプトン、1%酵母エキ
ス、1%NaCl、7.5%マルトース、7.5ppm
硫酸マンガン4−5水和物、15ppmテトラサイクリ
ン)に接種し、30℃で3日間、振盪培養を行った。培
養後、遠心分離によって菌体を除いた培養液上清のアル
カリセルラーゼ活性を測定し、培養によって菌体外に分
泌生産されたアルカリセルラーゼの量を求めた。この結
果、表3に示した様に、胞子形成遺伝子削除株を用いた
場合はいずれも、対照の168株(野生型)の場合と比
較して高いアルカリセルラーゼの分泌生産が認められ
た。
されないことから、目的タンパク質又はポリペプチドを
生産する場合において、エネルギーロス、副産物の生産
や比生産速度の低下等、培地の浪費が大幅に減少でき、
また、タンパク質又はポリペプチドの生産期間が長期化
することによって効率よく目的生産物を生産することが
できる。
Claims (9)
- 【請求項1】 胞子形成中期から後期において胞子の形
成に関与する遺伝子群から選ばれた1以上の遺伝子を削
除又は不活性化した微生物。 - 【請求項2】 微生物がバチルス属細菌である請求項1
記載の微生物。 - 【請求項3】 バチルス属細菌が枯草菌である請求項2
記載の微生物。 - 【請求項4】 遺伝子群が、胞子形成第II期、第III
期、第IV期、又は第V期に発現し、胞子形成に関与する
ものである請求項1〜3のいずれか1項記載の微生物。 - 【請求項5】 削除又は不活性化される遺伝子が、枯草
菌のsigE 、sigF 、spoIIE、spoIISB及びsigGのいずれ
か、spoIVCBからspoIIICまでの領域に含まれる遺伝子
群、並びに当該遺伝子又は遺伝子群に相当する遺伝子の
いずれか1以上から選ばれるものである請求項1〜4の
いずれか1項記載の微生物。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項記載の微生
物に転写開始制御領域、翻訳開始制御領域又は分泌用シ
グナル領域の下流に結合したタンパク質又はポリペプチ
ドをコードする遺伝子を導入して得られる組換え微生
物。 - 【請求項7】 転写開始制御領域、翻訳開始制御領域又
は分泌シグナル領域が、バチルス属細菌のセルラーゼ遺
伝子又は該セルラーゼ遺伝子の上流1kb以内にある領
域に由来するものである請求項6記載の組換え微生物。 - 【請求項8】 転写開始制御領域、翻訳開始制御領域又
は分泌シグナル領域が、配列番号1若しくは配列番号2
又はこれらと70%以上の相同性を有するセルラーゼ遺
伝子に由来するものである請求項6又は7記載の組換え
微生物。 - 【請求項9】 請求項6〜8のいずれか1項記載の微生
物を用いるタンパク質又はポリペプチドの製造方法。
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