JP2004535810A - Plant ion channels and methods - Google Patents
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Abstract
組換え植物受容体蛋白質およびこれらの蛋白質をコードするヌクレオチド配列が提供される。本発明はまた、蛋白質をコードするヌクレオチド配列を含む組換えベクターを提供する。さらに組換えベクターを含む植物宿主細胞、植物を処理する方法を含む、トランスジェニック植物および本明細書に記載されたヌクレオチド配列およびアミノ酸配列を使用する方法、本明細書に記載された蛋白質を発現する方法、植物の受容体活性を改変する方法および植物代謝を調節する方法が提供される。本発明の植物受容体蛋白質はGABAの作用の効果的な調節物質として機能すると考えられる。Provided are recombinant plant receptor proteins and nucleotide sequences encoding these proteins. The present invention also provides a recombinant vector comprising a nucleotide sequence encoding a protein. Transgenic plants and methods using the nucleotide and amino acid sequences described herein, including plant host cells containing recombinant vectors, methods of treating plants, expressing proteins described herein Methods, methods for altering plant receptor activity and methods for regulating plant metabolism are provided. It is believed that the plant receptor protein of the present invention functions as an effective modulator of the action of GABA.
Description
【技術分野】
【0001】
関連した特許出願についての参考文献
本特許出願は2001年6月20日に出願された米国仮出願第60/306,819号の利益を主張し、それをそのまま参照として本明細書に援用する。
【背景技術】
【0002】
発明の背景
アミノ酸γ‐アミノ酪酸(GABA)は哺乳動物中枢神経系における主要な神経伝達物質である。そのような神経伝達物質は一般に、ニューロンの膜を横切るイオンのコンダクタンス調節、具体的には細胞へのイオン流入の調節を行う。たとえば、GABAは脊椎動物および非脊椎動物両方の神経系においてシナプス伝達を阻害する抑制性神経伝達物質であると考えられる。別の例としては、グルタミン酸はシナプス後膜を脱分極し、シナプス伝達を促進する興奮性神経伝達物質である。GABAおよびグルタミン酸は共に、リガンド開閉イオンチャネルとしても知られるそれぞれの受容体に結合することにより、シナプス伝達に影響を与える。
【0003】
これらのリガンド開閉イオンチャネルは昆虫および動物のニューロンに存在する。動物ニューロンには3種の一般的なGABA受容体のクラス、GABAA、GABABおよびGABACが存在する。GABA受容体は不安、けいれん、認識機能、耽溺性障害、睡眠障害および中枢神経系の他の障害の媒介に関連している。GABA受容体はバルビツール酸類およびベンゾジアゼピン類を含む、中枢神経系に作用する多くの薬物の標的であり、したがって臨床的に重要である。さらに、昆虫GABA受容体の機能に影響を与える化合物は殺虫剤として商業的に有用である。
【0004】
GABA受容体は昆虫および動物界で見出されている。最近、植物界においてGABAの作用を媒介し、GABA受容体として機能すると考えられる蛋白質、または別の分子が発見されている(米国特許出願番号第09/517,438号,2000年3月2日出願)。
【0005】
GABAは植物に確かな有益作用を及ぼすことが示されている。たとえば、GABAはKinnersleyの米国特許第5,439,873号に示されるように、植物の生長および生産性を促進することが示されている。さらに、GABAがコハク酸のような容易に代謝される炭素源と共に適用される場合、そのような有益な作用は促進されている(米国特許第5,604,177号)。さらに、Kinnersley et al.の米国特許第5,840,656号に記載されたように、GABAはグルタミン酸と共に適用される場合、肥料効率を促進することが見出されている。
【0006】
植物における上記のGABAの有益な作用の機序はいまだ確認されていない。GABA媒介植物生長および生産性の機序、ならびにGABAが関与する他の機序をよりよく理解することは植物の生長、生産性および他の有益な作用を改善するための別の方法に役立つと考えられる。
【発明の開示】
【0007】
発明の概要
本発明は動物ミトコンドリアGABA受容体蛋白質に作用することが公知の化合物に植物が反応するという新しい発見、およびこれらの化合物に反応する受容体蛋白質を植物が発現するという関連した発見に関する。この点に関して、本発明は植物において発見されているヌクレオチド配列を提供し、それらはベンゾジアゼピンに有意な感受性を有する、ベンゾジアゼピンまたはベンゾジアゼピン様受容体をコードすると考えられている。本明細書に提示されたデータを基に、そのような蛋白質はGABA作用の調節物質として、とりわけリガンド開閉イオンチャネルのようなイオンチャネルとして機能すると考えられる。さらに、かかる蛋白質は植物のストレスに関連した生理的反応に関与すると考えられ、かかる蛋白質をコードする核酸分子の植物への取込はストレスに耐える植物の能力を促進すると考えられる。したがって、本発明は組換え蛋白質を含む精製した蛋白質、蛋白質をコードするヌクレオチド配列、ならびにヌクレオチド配列および蛋白質を使用する方法を提供する。
【0008】
本発明の一側面において、植物を形質転換する方法が提供される。本発明の一側面において、方法は本明細書に記載された植物蛋白質をコードする核酸分子を植物細胞に導入することを包含する。
【0009】
本発明の第2の側面において、本明細書に記載された植物蛋白質をコードする導入されたヌクレオチド配列を有する植物を提供すること、および有効量のGABAで植物を処理することを包含する、植物を処理する方法が提供される。代わりの態様では、植物はGABAおよびGABAアゴニストを含む組成物で処理されるか、またはGABAアンタゴニストもしくはGABAアゴニストでだけ処理される。別の態様では、植物は動物の末梢ベンゾジアゼピン受容体のアゴニストまたはアンタゴニストを含む、動物ベンゾジアゼピン受容体のアゴニストまたはアンタゴニストにより処理される。
【0010】
本発明の第3の側面において、アンチセンスDNAまたはRNAを利用して植物蛋白質またはRNA転写物、たとえばmRNAの形成を減少させることを含む、植物代謝を調節する方法が提供される。一態様において、かかる方法は本明細書に記載のコーディングヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列、またはその一部を有するアンチセンス核酸分子を植物細胞に導入することを包含する。あるいは、アンチセンス核酸分子は本明細書に記載の配列から転写されたRNA配列、好ましくはmRNA配列に相補的なヌクレオチド配列を包含する。アンチセンスヌクレオチド配列は、植物の鋳型鎖またはRNA転写物のいずれかを含む核酸にハイブリダイズし、本明細書に記載の植物蛋白質の形成を減少させる。
【0011】
本発明の第4の側面では、潜在的植物受容体を同定する方法が提供され、それらは本明細書に記載の蛋白質をコードするヌクレオチド配列、またはその一部を有するプローブを植物核酸にハイブリダイズすることを含む。
【0012】
本発明の第5の側面において、本明細書に記載の植物蛋白質を発現する方法が提供される。一態様において、方法は本明細書に記載の植物受容体蛋白質をコードするヌクレオチド配列を宿主細胞に導入し、受容体蛋白質を発現させることができる条件下で培養することを包含する。
【0013】
別の態様では、組換え核酸分子を含む単離核酸分子が提供され、かかる分子は本明細書に記載の植物蛋白質をコードするヌクレオチド配列を包含する。本明細書に記載の植物蛋白質をコードするヌクレオチド配列を包含する植物宿主細胞およびトランスジェニック植物も提供される。かかる分子、植物細胞およびトランスジェニック植物はさらに本明細書に記載の植物ヌクレオチド配列の5′末端に操作可能に結合した外来プロモータ配列を含んでいてもよい。
【0014】
好ましい態様の説明
本発明の原理の理解を深めるために、ここで好ましい態様について述べ、具体的な用語を使用してそれらを説明する。しかし、それによって本発明の範囲を限定することを意図せず、本発明のそのような修正およびそれ以上の改変、ならびに本明細書に記載された本発明の原理のそのような別の適用は、当業者がふつうに考えつくものとして企図される。
【0015】
本発明は、動物ミトコンドリアGABA受容体蛋白質に作用することが公知の化合物に植物が反応するという発見、およびこれらの化合物に反応する受容体蛋白質を植物が発現するという関連した発見に関する。本発明はさらに、シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)における植物ベンゾジアゼピン、および/またはベンゾジアゼピン様受容体蛋白質(以後まとめて“受容体蛋白質”と呼ぶ)をコードすると考えられるヌクレオチド配列の発見に関する。本発明はまた他の種における類似した受容体蛋白質をコードし、そして本明細書に示された代表的なシロイヌナズナ配列に類似した機能を示し、配列同一性を有するヌクレオチド配列に関する。したがって、本発明は精製された受容体蛋白質、および植物受容体蛋白質をコードするヌクレオチド配列を含む、単離核酸分子を提供する。さらに、植物受容体蛋白質をコードするヌクレオチド配列を含む、組換え核酸分子、植物宿主細胞およびトランスジェニック植物が提供される。本発明の他の側面では、さらに本明細書に記載の受容体蛋白質を発現する方法、ならびにヌクレオチドおよびアミノ酸配列を使用する方法が提供される。
【0016】
本発明の一側面では、精製されたベンゾジアゼピンまたはベンゾジアゼピン様受容体蛋白質が提供される。本発明がその好都合な結果を獲得するようなどのような理論によっても本発明が限定されることを意図しないが、本明細書に記載の植物受容体蛋白質は植物におけるリガンド開閉イオンチャネル蛋白質として機能し、したがって細胞のイオン流入および/または細胞内のイオン輸送を調節する能力を有すると考えられる。流入を調節することができる候補イオンには、クロリドのようなアニオン、ならびにカルシウム、ナトリウムおよびカリウムのようなカチオンが挙げられる。たとえば、受容体は細胞内ストアからサイトゾルへカルシウムイオンを放出することができる。本発明のこの側面にしたがって、実質的に純粋な受容体蛋白質が提供される。本明細書で使用する“実質的に純粋”とは、受容体蛋白質が天然でそれらと共に存在する他の蛋白質を少なくとも約95%含まないことを意味する。
【0017】
一態様では、本発明に記載のシロイヌナズナ受容体蛋白質はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列を有する。本発明はシロイヌナズナアミノ酸配列に関して記載されるが、本発明はSEQ ID NO:2に示された具体的なアミノ酸配列に限定されないと理解すべきである。当業者は、突然変異および/または進化の過程を通じて、異なる長さおよび異なる構成成分を有する、たとえばアミノ酸挿入、置換、欠失などがあるポリペプチドが生じてもよいことを認識し、かかるポリペプチドはアミノ酸配列相同性に基づいて本明細書に記載の配列および本明細書に記載の好都合な機能に関連するか、または十分に類似する。“ベンゾジアゼピン受容体蛋白質”および“ベンゾジアゼピン様受容体蛋白質”という用語は、一般に本明細書に記載の特徴を有する蛋白質を表すために本明細書で使用され、それらの一例はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列を有するポリペプチドである。さらに、本明細書に記載の構造の特徴を有し、機能を示すポリペプチドの変異体はこの定義内、および本発明の範囲内に包含される。
【0018】
広範な種の植物が一般的に相同性蛋白質を発現し、利用することは公知であり、それらには先に説明した挿入体、置換体および/または欠失体が挙げられ、さらにそれらは事実上類似した機能を提供する。たとえば、別の種から単離されたアミノ酸配列はSEQ ID NO:2に示された配列とある程度異なっていてもよいが、当業者はそれを類似した機能を有すると考えられる類似した蛋白質として、容易に認識することができる。そのような変異を含み、類似した機能を持ち、一定の同一性を有するアミノ酸配列は本発明の範囲内に包含される。本発明は、理論によってその好都合な結果を得るような、どんな理論にも限定されることを意図しないが、適切な機能を維持するために必要なアミノ酸配列間の同一性がポリペプチドの三次元構造の維持に関連し、その結果具体的な相互作用性配列が適切に配置され、所望する活性を持つことになると考えられる。適切な空間環境においてこれらの相互作用性配列を含むポリペプチドは、それの他の部分が改変されていても、十分な活性を持つことになると企図される。この点に関して、本明細書に記載の蛋白質の変異体は、たとえばそれが各種植物種間で保存されたアミノ酸を含むか、またはそれが本明細書に記載の蛋白質を発現する別の植物種の一定の位置に存在する保存されないアミノ酸を含む場合、SEQ ID NO:2に示された蛋白質に機能的に類似すると考えられる。
【0019】
2つのアミノ酸配列間に類似性が存在してもよい別の様式は、1群(たとえば、非極性アミノ酸、非荷電極性アミノ酸、荷電極性アミノ酸または荷電極性塩基性アミノ酸)の一定のアミノ酸が、同じアミノ酸群由来の別のアミノ酸により置換される場合である。たとえば、非荷電極性アミノ酸セリンは一般に、実質的にポリペプチドの機能を変化させずにポリペプチドの非荷電極性アミノ酸トレオニンと置換することができる。一定の置換が酵素の機能に影響するかどうかは、不適切な実験をせずに、以下の実施例で示された方法を使用したスクリーニングを含む、当技術分野で公知の合成技術およびスクリーニングアッセイを使用して確認することができる。
【0020】
一態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約60%同一性を有し、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示すアミノ酸配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%同一性を有し、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示すアミノ酸配列を有する受容体蛋白質を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約80%同一性を有し、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示すアミノ酸配列を有する受容体蛋白質を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約90%同一性を有し、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示すアミノ酸配列を有する受容体蛋白質を提供する。
【0021】
同一性の割合は、たとえば、Oxford Molecular Group,Inc.(Beaverton,OR)のMacVectorコンピュータプログラム、6.0.1版を使用して配列情報を比較することにより決定することができる。手短に述べると、MacVectorプログラムは、2つの配列の短いほうの配列の記号の総数で同一の配列記号(すなわち、ヌクレオチドまたはアミノ酸)の数を割ったものとして同一性を定義する。プログラムは比較される蛋白質の全長にわたる同一性の割合を決定するために使用することができる。MacVectorプログラムの好ましいデフォルトパラメータには以下のものが挙げられる:1対のアラインメントでは:(1)マトリクス=BLOSUM30;(2)アラインメントスピード‐速;(3)Ktuple=1;(4)ギャップペナルティー=1;トップダイアゴナル=5;ウィンドウサイズ=5;多重アラインメントでは:マトリクス=BLOSUMシリーズ、オープンギャップペナルティー=10;拡大ギャップペナルティー=0.1、遅延発散=40%;蛋白質ギャップパラメータ:ギャップ隔離距離=8;残基特異的ペナルティー=イエスまたはオン;親水性残基=GPSNDQEKR。
【0022】
本発明の別の側面では、本明細書に記載の蛋白質をコードする単離核酸分子が提供される。一態様では、本発明は本来シロイヌナズナから単離された、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列を提供する。さらに、その中に示された具体的な配列に相補的な配列も本発明に包含されると理解すべきである。本発明の一態様では、SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約60%同一性を有するアミノ酸配列を持つ蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持ち、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示す単離核酸分子が提供される。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%同一性を有するアミノ酸配列を持つ蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持ち、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示す、単離核酸分子を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約80%同一性を有するアミノ酸配列を持つ蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持ち、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示す、単離核酸分子を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約90%同一性を有するアミノ酸配列を有する蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持ち、そしてSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に類似した機能を示す単離核酸分子を提供する。
【0023】
本発明は、これらの代表的なヌクレオチド配列に限定されないが、それに実質的に類似性を有する配列および先に説明し、そして以下でさらに説明する本明細書に記載の植物受容体蛋白質の変異体をコードする配列を包含することを意図する。
【0024】
本明細書で使用する“単離核酸”という用語は、その本来の環境にない核酸を表すことを意図する。たとえば、この用語は本来それに付随する他の混在物、たとえば蛋白質、脂質および他の核酸配列から分離された核酸を表す。かかる用語はその本来存在する環境またはクローンライブラリーから除去されるか、または精製されている核酸を包含し、そしてさらに組換えまたはクロー化核酸単離物および化学的に合成された核酸を包含する。
【0025】
本明細書で使用する“ヌクレオチド配列”という用語は、ヌクレオチドおよび/またはヌクレオシドの天然または合成の線状および連続アレイを表し、デオキシリボ核酸、リボ核酸、およびそれらの誘導体を包含することを意図する。“エンコーディング”および“コーディング”という用語は、ヌクレオチド配列が転写および翻訳の機序により細胞に情報を提供する過程を表し、それによって一連のアミノ酸は具体的なアミノ酸配列に会合し、機能的ポリペプチド、たとえば具体的な機能を有する活性酵素または他の蛋白質を産生することができる。具体的なアミノ酸配列をコードする過程は、コードされたアミノ酸に変化を引き起こさない1以上の塩基変化(すなわち、挿入、欠失、置換)を有するDNA配列を含んでいてもよく、またはそれは1以上のアミノ酸を変化させることができるが、DNA配列によりコードされたポリペプチドの機能的性質を失わない塩基変化を含んでいてもよい。
【0026】
したがって、本発明はSEQ ID NO:1に示された具体的な代表的ヌクレオチド配列以上を包含すると理解すべきである。たとえば、先に説明した変異体アミノ酸配列をコードする核酸配列は本発明の範囲内である。得られたポリペプチド分子の機能的性質に実質的に影響を与えない、“サイレント”な変化を生じる欠失、挿入、または置換のような配列の改変は明白に本発明により企図される。たとえば、遺伝コードの縮退を反映するか、または一定の部位に化学的に等価のアミノ酸を産生させるヌクレオチド配列の改変が企図されると理解すべきである。したがって、疎水性アミノ酸である、アミノ酸アラニンのコドンは別の疎水性がより低い残基、たとえばグリシン、または疎水性がより高い残基、たとえばバリン、ロイシン、もしくはイソロイシンをコードするコドンによって置換することができる。同様に、そのように変化したヌクレオチド配列が生物学的に等価な産物を産生すると考えられる場合、グルタミン酸からアスパラギン酸への置換のような、他の残基から負に荷電した1残基への置換、またはアルギニンからリジンへの置換のような、他の残基から正に荷電した1残基への置換のような改変も本発明により企図される。
【0027】
また、コードされたポリペプチド分子のN末端およびC末端部分が変化するようなヌクレオチド変化は、通例ポリペプチドの活性を変化させないと考えられる。そのような場合には、配列を変異させて、実際上ポリペプチドの生物学的活性に対する改変の作用を調べることが望ましい。提案された改変はそれぞれ十分に当技術分野の日常業務の範囲内である。
【0028】
好ましい一態様において、本発明はSEQ ID NO:1に示された全配列に実質的な類似性を有するヌクレオチド配列、および本明細書に記載の変異体を提供する。“実質的な類似性”という用語はヌクレオチド配列に関して本明細書で使用し、かかるヌクレオチド配列が、適度にストリンジェントな条件下でそれとハイブリダイズすることになる参照ヌクレオチド配列に十分に類似した配列を有することを示す。類似性を確認するためのこの方法は、本発明が属する技術分野で公知である。手短に述べると、適度にストリンジェントな条件は、Sambrook et al.,Molecular Cloning:A Laboratory Manual、2版、1巻、pp.101〜104、Cold Spring Harbor Laboratory Press(1989)で説明され、5X SSC(塩化ナトリウム/クエン酸ナトリウム溶液)、0.5% ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、1.0mM エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)(pH8.0)の予洗溶液およびハイブリダイゼーションならびに55℃、5X SSCの洗浄条件の使用が挙げられる。本発明のポリヌクレオチドの別の必要要件は、本明細書に記載の植物蛋白質に類似した機能を有するポリペプチドをコードしなければならないことである。
【0029】
さらに別の態様では、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列の具体的な領域に選択された同一性の割合を有するヌクレオチド配列が提供される。本発明の一態様では、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド内の実質的な長さのヌクレオチド配列に少なくとも約50%同一性を有するヌクレオチド配列が提供される。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド内の実質的な長さのヌクレオチド配列に少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド内の実質的な長さのヌクレオチド配列に少なくとも約70%同一性を有するヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド内の実質的な長さのヌクレオチド配列に少なくとも約80%同一性を有するヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド内の実質的な長さのヌクレオチド配列に少なくとも約90%同一性を有するヌクレオチド配列を提供する。
【0030】
一態様では、“実質的な長さ”は少なくとも約50ヌクレオチドの長さを表す。別の態様では、実質的な長さは少なくとも約100ヌクレオチドの長さである。別の態様では、実質的な長さは少なくとも約200ヌクレオチドの長さである。別の態様では、実質的な長さは少なくとも約300ヌクレオチドの長さである。別の態様では、実質的な長さは少なくとも約400ヌクレオチドの長さである。別の態様では、実質的な長さは少なくとも約500ヌクレオチドの長さである。別の態様では、実質的な長さはSEQ ID NO:1に示された全配列である。
【0031】
同一性の割合は、たとえばアミノ酸同一性に関して先に記載の、MacVectorプログラムを使用して配列情報を比較することにより決定することができる。好ましいデフォルトパラメータには以下のものが挙げられる:(1)1対のアラインメントパラメータ:(a)Ktuple=1;(b)ギャップペナルティー=1;(c)ウィンドウサイズ=4;および(2)多重アラインメントパラメータ:(a)オープンギャップペナルティー=10;(b)拡大ギャップペナルティー=5、(c)遅延発散=40%;および(d)遷移=重み付き。本発明に記載のヌクレオチド配列の別の必要要件は、本明細書に記載のように機能する蛋白質をコードすることである。
【0032】
本発明に記載の適切なDNA配列は、シロイヌナズナまたは他の種のcDNAまたはゲノムライブラリーを使用してクローニング技術により得ることができ、それらは市販品を入手できるか、または当技術分野で公知の標準法を使用して構築することができる。適切なヌクレオチド配列は、プローブまたはプライマーとして本発明に従って選択されたヌクレオチド配列、たとえばSEQ ID NO:1に示されたもの;それに実質的な類似性を有するヌクレオチド配列、またはその一部を使用して、核酸ハイブリダイゼーションまたはポリメラーゼ連鎖反応(PCR)法により、多様な種から得られたDNAライブラリーから単離することができる。本発明の好ましい態様において、本明細書に提供されたヌクレオチド配列はcDNA配列である。
【0033】
あるいは、適切な配列は当技術分野で公知の技術により作製することができる。たとえば、本明細書に記載の植物蛋白質をコードする核酸配列は、制限酵素およびDNAリガーゼを使用して、組換えDNA技術、たとえば核酸の切断またはスプライシングにより構築することができる。さらに、核酸配列は化学合成、たとえば固相ホスホロアミダイト技術、またはPCRを使用して構築することができる。PCRはまた、産生された核酸の量を増やすために使用することができる。さらに、具体的な核酸配列が全長の化学合成を不可能にさせる長さのものである場合、配列を小部分に分割して、当技術分野で公知の方法により合成し、一緒に連結して所望する完全な配列を形成することができる。
【0034】
本発明の別の態様では、組換え核酸分子、または組換えベクターが提供される。一態様では、本明細書に記載のヌクレオチド配列を含む核酸分子が提供される。ヌクレオチド配列によりコードされる蛋白質はSEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列、または先に記載のその変異体を有する。
【0035】
本発明において使用される多様なベクターは公知である。たとえば、本発明の用途に理想的に適した各種プラスミドおよびファージは公知であり、それらにはλZapおよびpBluescriptが挙げられる。好ましい態様では、ベクターはT−DNAベクターであってもよい。代表的なT−DNAベクター系は以下の刊行物で説明される:An et al.,(1986)EMBO J.4:277;Herrera−Estrella et al.,(1983)EMBO J.2:987;Herrera−Estrella et al.,(1985)in Plant Genetic Engineering,New York:Cambridge University Press,p.63。
【0036】
一態様では、望ましい組換えベクターは、当技術分野で公知のように望ましいヌクレオチド挿入物の5′および3′末端にDNAリンカー配列を連結し、リンカー配列および望ましいベクターに存在する配列を明確に認識する制限酵素で挿入物を開裂し、同じ制限酵素でベクターを開裂し、開裂したベクターと開裂した挿入物を混合し、そしてDNAリガーゼを使用してベクターに挿入物を取り込ませることにより構築することができる。
【0037】
ベクターは他のヌクレオチド配列、たとえば抗生物質耐性または色選択のためのマーカーを含む、選択マーカーをコードする配列を含むことができる。ベクターはまた、好ましくはプロモータヌクレオチド配列を含む。望ましい核酸挿入物は好ましくはプロモータに操作可能に結合する。核酸は他の核酸配列と具体的に機能的に関連して配置される場合、プロモータ配列のような別の核酸配列に“操作可能に結合”する。プロモータと望ましい核酸挿入物間の機能的関連には一般に、核酸配列の転写が促進されるように核酸とプロモータ配列が隣接することが挙げられる。2つの核酸配列間の結合の性質が:(1)フレームシフト突然変異を導入させる;(2)所望するヌクレオチド配列を転写させるプロモータ領域配列の能力を妨害する、または(3)プロモータ配列領域により転写される所望するヌクレオチド配列の能力を妨害するような性質でない場合、2つの核酸配列はさらに操作可能に結合すると言われている。典型的には、プロモータエレメントは一般に核酸挿入物コーディング配列の上流(すなわち5′末端)にある。
【0038】
当技術分野では多様なプロモータが公知であり、それらには細胞特異的プロモータ、誘導性プロモータ、および構成的プロモータが挙げられる。植物細胞では転写に関するプロモータを使用することができる。プロモータはウイルス、細菌または真核細胞起源のものであってもよく、植物および植物ウイルス起源のものを含む。たとえば、ある好ましい態様では、プロモータはウイルス起源のものであってもよく、それらにはカリフラワーモザイクウイルスプロモータ(CaMV)、たとえばCaMV35Sまたは19S、ゴマノハグサモザイクウイルスプロモータ(FMV35S)、またはタバコモザイクウイルス(TMV)のコート蛋白質プロモータが挙げられる。さらに、プロモータはたとえば、リブロース‐1,3‐ビスりん酸カルボキシラーゼの小サブユニットのプロモータであってもよい。細菌起源のプロモータにはHerrera−Estrella et al.,Nature、303:209−213(1983)に記載された天然のTiプラスミド由来のオクトパインシンターゼプロモータ、ノパリンシンターゼプロモータおよび他のプロモータが挙げられる。
【0039】
さらにプロモータは、各種形状の環境ストレス、または他の刺激に反応するものであってもよい。たとえば、プロモータは非生物的ストレス、たとえば外傷、寒冷、乾燥、紫外線‐B[van Der Krol et al.(1999)Plant Physiol.121:1153−1162]、熱ショック[Shinmyo et al.(1998)Biotechnol.Bioeng.58:329−332]もしくは他の熱ストレス、乾燥ストレス、または水ストレスにより誘発されるものであってもよい。
【0040】
さらに、プロモータは生物的ストレスにより誘発されるものであってもよく、それらには、病原体ストレス、たとえばウイルス[Sohal et al.(1999)Plant Mol.Biol.41:75−87]もしくは真菌[Eulgerm(1999)EMBO.J.18:4689−4699]により誘導されるストレス、植物防御経路の一部として[Lebel(1998)Plant J.16:223−233]、もしくは他の環境シグナル、たとえば光[Ngai et al.(1997)Plant J.12:1021−1034;Sohal et al.(1999)Plant Mol.Bio.41:75−87]、二酸化炭素[Kucho et al.(1999)Plant Physiol 121:1329−1338]、ホルモンまたは他のシグナル伝達分子、たとえばオーキシン、過酸化水素およびサリチル酸[Chen and Singh(1999)Plant J.19:667−677]、糖およびジベレリン[Lu et al.(1998)J.Biol.Chem.273:10120−10131]またはアブシジン酸およびエチレン[Leubner−Metzger et al.(1998)Plant Mol.Biol.38:785−795]により誘発されるストレスが挙げられる。
【0041】
さらに、プロモータが当技術分野で公知の他のエレメントによる活性化を必要とするようにそれらを選択してもよく、その結果核酸配列挿入物によりコードされた蛋白質の産生を望み通りに調節することができる。一態様において、プロモータは外来プロモータである。本明細書では、“外来プロモータ”は1本のDNAの転写を促進する、固有、または天然のプロモータ以外のプロモータを意味すると説明される。
【0042】
さらに、ベクターはエンハンサー配列のような他の調節エレメントを含んでいてもよく、それらはプロモータと協力して核酸挿入物コーディング配列の転写を行う。“エンハンサー”という用語により、植物宿主細胞のような細胞におけるプロモータ活性を刺激することができるヌクレオチド配列エレメントを意味する。ベクターはさらに、たとえば転写されたRNAの安定性を増大させるような、当技術分野で公知の3′調節配列エレメントを含んでいてもよい。
【0043】
さらに、ベクターは別のヌクレオチド配列挿入物を含んでいてもよく、かかる挿入物は所望するヌクレオチド配列によりコードされた所望する蛋白質の精製を補助するためのタグとして使用されるペプチドまたはポリペプチドをコードするか、または別の機能的蛋白質をコードする。タグの包含に関しては、付加的なヌクレオチド配列をベクターに配置して、融合、またはキメラ蛋白質を得ることができる。たとえば、C末端にリンカーアミノ酸を有し、タグとして作用する別の蛋白質に結合した、本明細書に記載の蛋白質は、当技術分野で公知のように製造することができる。当業者に公知の精製手順の後、付加的なアミノ酸配列は適切な酵素により開裂される。その後、蛋白質は当技術分野で公知の方法により他の蛋白質、またはそのフラグメントから単離することができる。
【0044】
別の態様において、ベクターは第2のヌクレオチド配列を含み、かかる配列は別の機能的蛋白質、たとえば本発明者らの同時係属中の米国特許出願番号、第10/006,852号に記載の植物GAD酵素をコードする。あるいは、植物は2種のベクター、例としてはGAD酵素発現のためのDNA構築物を含むもの、および本明細書に記載の植物受容体蛋白質の発現のためのものにより、本発明に従って形質転換することができる。ある植物中におけるGAD酵素と受容体蛋白質の過剰発現は、たとえば強いストレス抵抗性のような、優れた特徴を持つ植物を生むことになると考えられる。
【0045】
本発明の組換えベクターは、宿主細胞を形質転換するために使用することができる。したがって、本発明のヌクレオチド配列を有する核酸分子を植物細胞に導入することを含む、細胞または植物を形質転換する方法が提供される。細胞または植物を形質転換する多様な方法が当技術分野で公知であり、たとえば、Maniatis et al.,Molecular Cloning:A Laboratory Manual,Cold Springs Laboratory,Cold Springs Harbor,New York(1982)およびCurrent Protocols in Molecular Biology,John Wiley and Sons,Ausubel et al.編(1998)を含む参考文献中に見出すことができる。植物遺伝子導入技術はまた、以下のものを含む参考文献中に見出すことができる:Fromm et al.,(1985)Proc.Natl.Acad.Sci.USA,82:5824−5828(リポフェクション);Crossway et al.,(1986)Mol.Gen.Genet.202:179(マイクロインジェクション);Hooykaas−Van Slogtern et al.,(1984)Nature 311:763−764)(単子葉植物のT−DNA媒介形質転換);Rogers et al.,(1986)Methods Enzymol.118:627−641(双子葉植物のT−DNA媒介形質転換);Bevan et al.,(1982)Ann.Rev.Genet.16:357−384)(双子葉植物のT−DNA媒介形質転換);Klein et al.,(1988)Proc.Natl.Acad.Sci USA 85:4305−4309(パーティクルガン法);およびFromm et al.,Nature(1986)319:791−793(エレクトロポレーション)。適切なベクターにおいて、導入されたポリヌクレオチドは都合よく植物ゲノムに統合されるが、本発明の他の態様ではエピゾームのままであることも可能である。いったん所望する核酸が宿主細胞または宿主植物に導入されれば、宿主細胞は蛋白質を発現する。したがって、本発明のさらに別の態様では、先に記載の本発明の組換えベクターを含む宿主細胞が提供される。
【0046】
本発明では、原核および真核宿主細胞を含む多様な宿主細胞を使用することができる。好ましい宿主細胞は真核細胞であり、そしてさらに好ましくは、たとえば以下のような植物に由来する植物細胞である:単子葉植物、たとえばウキクサ、トウモロコシ、シバ(たとえばライグラス、ギョウギシバ、イチゴツナギ、ウシノケグサ)、双子葉植物、たとえばレタス、コムギのような穀類、十字花植物(たとえばナタネ、ダイコンおよびキャベツ)、ナス科植物(たとえばピーマン、ジャガイモおよびトマト)、およびマメ科植物(たとえばダイズおよびインゲンマメ)。本発明の別の側面では、宿主細胞を当技術分野で公知のように培養してトランスジェニック植物を作製することができる。形質転換植物は、たとえば本発明の核酸分子により宿主植物由来の細胞、組織または器官を形質転換し;核酸分子を含む、形質転換細胞、細胞カルス、体細胞胚、または種子を選択し;選択された形質転換細胞、細胞カルス、体細胞胚、または種子から全草を再生し;そして核酸配列を発現する再生全草を選択することにより作製することができる。
【0047】
本発明の別の側面では、植物蛋白質、たとえばベンゾジアゼピンまたはベンゾジアゼピン様受容体であると考えられる蛋白質を同定する方法が提供される。これらの方法では、別のベンゾジアゼピンまたはベンゾジアゼピン様受容体をコードすることができる別の類似したヌクレオチド配列を発見するためのプローブとして、先に記載のヌクレオチド配列、またはその一部が使用される。DNAまたはRNA試料における選択されたヌクレオチド配列をスクリーニングするための一般的方法は、当技術分野で公知である。たとえば、DNAは選択された植物から単離し、各種制限酵素で処理し、そして放射または蛍光標識された興味のあるプローブを使用して、サザンブロット法により分析することができる。RNAフラグメントはノーザンブロット法により同様に分析することができる。あるいは、市販のcDNAまたはゲノムライブラリーをスクリーニングすることができる。
【0048】
一態様では、プローブとして使用される核酸分子は、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の長さ約25から約100ヌクレオチドのヌクレオチド配列に少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブとして使用される核酸分子は、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の長さ約25から約400ヌクレオチドのヌクレオチド配列に少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブとして使用される核酸分子は、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の長さ約25から約500ヌクレオチドのヌクレオチド配列に少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブとして使用される核酸分子は、SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチドの全長に少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブは、すぐ上に示した長さのヌクレオチドに少なくとも約70%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブは、すぐ上に示した長さのヌクレオチドに少なくとも約80%同一性を有するヌクレオチド配列を持つ。別の態様では、プローブは、すぐ上に示した長さのヌクレオチドに少なくとも約90%同一性を有するヌクレオチド配列を有する。プローブは、たとえばポリヌクレオチドキナーゼおよび32Pでその5′末端を放射標識し、単離核酸フラグメントにハイブリダイズすることができる。
【0049】
本発明の別の側面では、植物を処理する方法が提供される。一態様では、方法は本明細書に記載の導入された核酸分子を持ち、コードされた受容体蛋白質を発現する植物を提供すること、および有効量のGABAで植物を処理することを包含する。そのように植物を処理することは、好都合には植物の生長を刺激し、植物ストレスの作用を軽減することを含む他の有益な結果を提供すると考えられる。
【0050】
一態様では、トランスジェニック植物を上記のように作製し、そして有効量のGABAで処理する。本明細書で使用する“有効量”は、たとえば植物の生長の刺激および/または植物ストレスの軽減のような、植物に1以上の利益を提供するGABAの量を表す。量は、たとえば植物に提供される具体的な利益、導入されたヌクレオチド配列の発現量、植物の型、処理される植物の数および環境状態を含む多様な因子に依存して変化してもよい。一態様では、植物は約1ppmから約24,000ppm[約0.013oz/エーカー(oz/A)から約20lbs/A][約0.93g/ヘクタール(g/ha)から約22kg/ha]GABAで処理される。別の態様では、植物は約1ppmから約12,000ppm[約0.013oz/Aから約10lbs/A][約0.93g/haから約11kg/ha]GABAで処理される。別の態様では、植物は約1ppmから約7,500ppm[約0.013oz/Aから約6.3lbs/A][約0.93g/haから約7.1kg/ha]GABAで処理される。別の態様では、植物は約1ppmから約5.000ppm[約0.013oz/Aから約4.2lbs/A][約0.93g/haから約4.8kg/ha]GABAで処理される。植物生長刺激に関しては、Kinnersleyの米国特許第5,439,873号に記載のように、約1ppmから約5,000ppmの濃度を好都合に使用することができる。植物ストレスの軽減を所望する場合、約1ppmから約2,500ppm[約0.013oz/Aから約2.1lbs/A][約0.93g/haから約2.4kg/ha]のGABA濃度を好都合に使用することができる。本発明の一態様では、約150〜600ppm[約1/8lb/Aから約1/2lb/A][約0.14kg/haから約0.56kg/ha]が使用される。ppmで表すすべての量は、重量/容量(g/ml)である。さらに、上記の括弧中の適用の割合は、1エーカーにわたり散布される具体的な溶液の標準量100ガロンを使用する処理に関して求められている。
【0051】
さらに別の態様では、植物はGABAにより処理されることに加え、GABAおよびGABAアゴニストを含む組成物により処理されてもよい。たとえば、植物はバクロフェンおよび当技術分野で公知のGABAアゴニスト、たとえばcis‐4‐アミノペント‐2‐エン酸(CACA)、イミダゾール‐4‐酢酸(IAA)および4,5,6,7,‐テトラヒドロイソキサゾロ[5,4‐c]ピリジン‐3‐オール(THIP)により処理してもよい。また、植物をGABAアンタゴニスト、たとえばピクロトキシンまたはビククリンだけ、またはGABAアゴニストだけで処理し、所望したとおりに植物代謝を調節することができる。植物は、動物末梢ベンゾジアゼピン受容体のようなベンゾジアゼピン受容体のアゴニストまたはアンタゴニストでだけ処理することもできる。そのような化合物には、キニーネおよびスペルミン、ならびに本明細書に記載の他のベンゾジアゼピン受容体アンタゴニストおよびアゴニストが挙げられる。
【0052】
GABA、GABAアゴニストまたはアンタゴニストならびに本明細書に記載の他のアゴニストおよびアンタゴニストは一般に植物の葉に適用するが、土壌ドレンチとして適用してもよい。さらに、植物を水耕栽培する場合、化合物および組成物は植物が栽培される水溶液に適用することができる。組成物はさらに、好ましくは噴霧により適用される。さらに、化合物および組成物は種子処理剤として適用することもできる。
【0053】
GABA、GABAアゴニストまたはアンタゴニストならびに本明細書に記載の他のアゴニストおよびアンタゴニストは、好ましくは当技術分野で公知のキャリア媒体と組み合わせる。化合物および組成物はたとえば、水道水のような水または選択された無機物が添加されている蒸留水と組み合わせることができる。あるいは、本発明の組成物は固体として適用することができる。そのような形状では、固体は好ましくは土壌に適用される。さらに、組成物は当業者に公知の農業添加剤または製剤補助物を含むことができる。そのような添加剤または補助物は組成物が噴霧器中で十分に分散し、植物表面(とりわけ葉または他の葉状表面)に付着または浸透することを確実にし、そして植物に他の利益を提供するために使用することができる。たとえば、界面活性剤、分散剤、湿潤剤、および結合剤を使用して、本明細書に記載の噴霧器中の化合物または組成物を分散させ、化合物または組成物を植物表面に付着および/または浸透させることができる。
【0054】
さらに、植物代謝を調節する方法が本発明により提供される。植物代謝の調節には、窒素同化のような栄養利用、植物生長、植物生産性および植物ストレスの作用への植物の抵抗性に正、または負の影響を与えることが挙げられる。たとえば、一態様では、植物生産性に負の影響を与えることができる本発明の方法としては、本明細書に記載のコーディングヌクレオチド配列に相補的な配列を有するアンチセンスヌクレオチド配列を植物細胞に導入することが挙げられる。
【0055】
したがって、本発明はまた、植物受容体蛋白質産生に関与する遺伝子を操作するための方法を提供し、したがって細胞ストレスおよび/または生長過程のさらなる研究のために非常に貴重な手段である。たとえば植物受容体蛋白質遺伝子の操作は、代謝フラックス、栄養素利用および貯蔵、細胞分化、生長、老化、ならびにシグナル伝達に対するGABA関連過程の役割に関する定量的な情報を提供することができる。さらに、そのような操作は生物的および非生物的ストレスに対する作物の抵抗性を高めることにより作物生産性を向上させる方法を提供する。作物の質および収量は、作物植物の光合成および窒素効率を低下させ、収量を減少させるような、病気を含む各種環境ストレスに対する抵抗性を高めることにより改善される。
【0056】
一態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の特定のヌクレオチドに少なくとも約50%同一性を有するヌクレオチド配列に相補的なアンチセンスヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の特定のヌクレオチドに少なくとも約60%同一性を有するヌクレオチド配列に相補的な、アンチセンスヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の特定のヌクレオチドに少なくとも約70%同一性を有するヌクレオチド配列に相補的なアンチセンスヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の特定のヌクレオチドに少なくとも約80%同一性を有するヌクレオチド配列に相補的なアンチセンスヌクレオチド配列を提供する。別の態様では、本発明はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列内の特定のヌクレオチドに少なくとも約90%同一性を有するヌクレオチド配列に相補的なアンチセンスヌクレオチド配列を提供する。
【0057】
一態様では、アンチセンスヌクレオチドは長さ約30から約100ヌクレオチドである。別の態様では、アンチセンスヌクレオチドは長さ約30から約200ヌクレオチドである。別の態様では、アンチセンスヌクレオチドは長さ約30から約300ヌクレオチドである。別の態様では、アンチセンスヌクレオチドは長さ約30から約400ヌクレオチドである。別の態様では、アンチセンスヌクレオチド配列はSEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列の全長と同じ長さである。アンチセンスヌクレオチド配列はRNAが産生される鎖としての役割を果たす鋳型鎖にハイブリダイズ可能であり、その結果転写が阻害される。あるいは、アンチセンスヌクレオチド配列は、本明細書に記載のヌクレオチド配列から転写されたmRNA配列のようなRNA配列に相補的で、したがってハイブリダイズ可能であるため、コードされた蛋白質を発現するためのmRNA配列の転写が阻害されることになる。アンチセンスヌクレオチド配列はDNAまたはRNAのいずれであってもよい。好ましいアンチセンスオリゴヌクレオチドは、具体的なポリヌクレオチドのコーディング領域に相補的であるが、さらに配列は非コーディング領域の選択された配列に結合することができる。本発明のさらに好ましい態様では、アンチセンスオリゴヌクレオチドはATG開始コドンに隣接したヌクレオチドに結合する。
【0058】
本発明の別の態様では、本明細書に記載の植物受容体蛋白質の活性を変化させるために、それをコードする植物ゲノムに存在する遺伝子のin vivo変異誘発により植物代謝を調節する方法を提供し、先に記載の所望する正または負の結果を提供する。植物は当業者に公知の方法、たとえば化学的方法およびDNA挿入物活性化標識変異誘発により変異させることができる。
【0059】
本発明の別の側面では、植物の受容体活性を改変する方法が提供される。本発明の一態様では、方法は本明細書に記載の植物蛋白質をコードするヌクレオチド配列を有する核酸分子を植物細胞に導入することを含む。
【0060】
本発明のさらに別の側面では、上記のベンゾジアゼピン受容体として機能すると考えられる植物蛋白質を発現させる方法が提供される。一態様では、方法は本明細書に記載の蛋白質をコードする、先に記載のヌクレオチド配列またはその変異体を提供し、そして先に記載のように宿主細胞にヌクレオチド配列を導入することを包含する。所望するヌクレオチド配列は都合よくベクターに導入され、組換えベクターを形成することができる。その後当技術分野で公知の手順に従って、組換えベクターを宿主細胞に導入することができる。そのような宿主細胞はその後当業者に公知の、植物蛋白質の発現に有効な条件下で培養する。次に蛋白質は、慣用の技術を使用して精製することができる。
【0061】
多様な標的植物が本発明に従って企図される。一態様では、標的植物は以下の植物からなる群から選択される:ウキクサ、イネ、コムギ、オオムギ、ライムギ、トウモロコシ、ギョウギシバ、イチゴツナギ、ウシノケグサ、ナタネ、ジャガイモ、ニンジン、サツマイモ、ソラ豆、エンドウ豆、チコリー、レタス、キャベツ、カリフラワー、ブロッコリー、カブ、ダイコン、ホウレンソウ、アスパラガス、タマネギ、ニンニク、ナス、トウガラシ、セロリ、スクワッシュ、カボチャ、ズッキーニ、キュウリ、リンゴ、洋ナシ、マルメロ、メロン、プラム、サクランボ、モモ、ネクタリン、アンズ、イチゴ、ブドウ、ラズベリー、ブラックベリー、パイナップル、アボカド、パパイヤ、マンゴー、バナナ、ダイズ、インゲンマメ、タバコ、トマト、ピーマン、モロコシおよびサトウキビ。
【0062】
本明細書に提供されるどんな実験、実施例、または実験結果も本発明を説明するものであって、本発明の範囲を限定または制限するものであると見なすべきではない。さらに、本発明に記載されたどんな理論、作用機序、または発見も本発明の理解をさらに深めるためのものであって、そのような理論、機序または発見へのどんな道筋においても本発明を限定することを意図しない。本明細書に引用されたすべての刊行物、特許、および特許出願は、それぞれの刊行物、特許、または特許出願が明確に、そして個々にまるで参照として援用されることを必要とされていたかのように、参照として本明細書に援用し、そのまま本明細書に示す。本発明は図面および先の説明で詳細に説明され、記載されているが、同じものは特徴を説明するものであって、制限するものではないと見なすべきであり、選択された態様だけが示され、そして記載されていること、および本明細書に記載されるか、または以下の特許請求の範囲により説明される、本発明の意図に含まれるすべての変更、等価物、および改変は保護されることが望ましいと理解すべきである。
【0063】
ここで、先に記載の本発明を説明する具体的な実施例を参照する。実施例は好ましい態様を説明するために提供され、それによって本発明の範囲の限定を意図しないことを理解すべきである。
【実施例1】
【0064】
ウキクサのGABA媒介生長促進に対する動物ミトコンドリアベンゾジアゼピン受容体のアゴニストおよびアンタゴニストの作用
ベンゾジアゼピン受容体はアゴニストジアゼパムおよびアンタゴニストPK11195(イソキノリンカルボキサミド)、スペルミン、キニーネおよびシクロスポリンAに感受性がある。
【0065】
Kinnersleyの米国特許第5,439,873号で説明したように培地は水道水に1g/lで溶かしたSolu−Spray 20−20−20肥料であり、pHは5.5に調整したこと以外は、ウキクサ(コウキクサLemna Minor L)はKinnersleyにより記載された一般的手順(米国特許第4,813,997号)に従って育てた。ウキクサはGABAおよびシクロスポリンA、スペルミン、キニーネ、ジアゼパムまたはPK11195のいずれかの示された濃度で、別々に処理した。
【0066】
図2、3および4で見られるように、培地中GABA存在下で別々にシクロスポリンA、スペルミン、またはキニーネで処理した場合、生長に対する阻害作用が見られた。シクロスポリンAは免疫抑制剤であり、動物ミトコンドリアPTPの最も強力な薬理学的阻害剤であることが示されている。シクロスポリンの阻害活性は、ミトコンドリア内膜のミトコンドリアシクロフィリンへの結合に起因している。ウキクサの実験では、3μM シクロスポリンAは10mM GABAを含む培養物中の植物生長を有意に阻害した。それぞれの対照に比べ、シクロスポリンA(図2)、スペルミン(図3)およびキニーネ(図4)によるGABA媒介生長の阻害は、逆説的に最高レベルのGABAにおいて最も強かった。このことは図3において最も明確に見られ、そこでは10mM GABAおよび150μM スペルミンによる培養物の乾燥重量が、GABAを含まずに150μM スペルミンを含む培養物より有意に少なかった。培養物にベンゾジアゼピン類のジアゼパムを3μM添加するとGABA媒介生長を促進した(図5)。生長の促進はP<0.05で有意であった。また、植物におけるGABA活性に対するジアゼパムの作用は、動物および植物におけるGABA受容体構造の類似性のさらなる証拠である。
【0067】
さらに、GABAの非存在下でPK11195によりウキクサを処理した場合、以下の表1に示すように、生長に対する阻害作用が見られた。PK11195は末梢ベンゾジアゼピン受容体の特徴的なリガンドであり、動物ミトコンドリアにおいてPTPに関連する。PK11195はGABA媒介生長反応を50μMで阻害した(図5)。
【0068】
【表1】
【0069】
表1のデータは内因性GABAレベルのような、低レベルのGABAが植物中に存在する場合、作用を確認するためには高濃度のPK11195が必要であることを示唆する。
図5に示すように、上記のように生長したウキクサをジアゼパムで独立して処理した場合、培地中のGABAの存在下で生長促進作用が見られた。ウキクサをPK11195で独立して処理した場合、培地中のGABAの存在下で生長阻害作用が見られた。
【0070】
初期の研究は、ウキクサ生長に対する動物GABA受容体アンタゴニストの作用を報告した;しかし、以下の表2で報告されたGABA生理活性の阻害剤は、初期の研究で使用されたGABA受容体アンタゴニストより最高で1000倍まで活性が高かった。このことは、異なるクラスのGABA受容体に作用していること、および動物と同様に、植物も多様なGABA受容体を有することを示唆する。
【0071】
【表2】
【0072】
動物のベンゾジアゼピン受容体の活性を促進または阻害する薬剤を用いた実験が、植物でも類似した結果であったことから、上記の結果と合わせて、植物におけるベンゾジアゼピン、またはベンゾジアゼピン様受容体の証拠を提供する。
【実施例2】
【0073】
全長cDNAおよびゲノムDNAの単離
プロトコール
シロイヌナズナArabidopsis thaliana(L.)Heynh.エコタイプColumbia(Col−0)の種子はArabidopsis Biological Resource Center(Ohio State University,Columbus,OH)から得ることができる。シロイヌナズナの苗は回転振とう機(150rpm)上のMS培地[Murashige and Skook,Physiol.Plant 15:485(1962)]を含むフラスコ中で無菌的に育てる。2日目の苗を総RNA単離のために回収する。総RNAはTurano,F.J.et al.(1992)Plant Physiol.100:374に記載のように単離する。合成されたプライマー
【0074】
【化1】
【0075】
および
【0076】
【化2】
【0077】
(それぞれSEQ ID NO:3および4)(GenBank,未知蛋白質、遺伝子#At2g47770,蛋白質 id=AAC63632.1,db xref=GI:3738290)は市販(Biosynthesis,Inc.Lewisville,TX)され、RT‐PCR反応に使用される。RT‐PCRでは、5′RACE系(Life Technologies,Rockville,MD)を使用して、全長cDNAクローンを同定する。プライマー3′EcoPBRを使用して、取り扱い説明書に従い、2日目の植物から単離したポリ(A+)RNA1μg由来の第1鎖cDNAを合成する。第1鎖cDNA合成物の1/5を、両プライマー、5′EcoPBRおよび3′EcoPBRによる遺伝子増幅反応における鋳型として使用する。増幅の前に、成分を95℃で4分間インキュベートする。遺伝子増幅反応は、94℃で1分間、68℃で1分間および72℃で2分間を30サイクル行い、その後72℃で5分間延長して行う。
【0078】
ゲノムDNAはTurano,F.J.et al.(1992)Plant Physilo.100:374に記載のように、24日目のシロイヌナズナの葉から単離する。PCR反応では、それぞれのプライマー(5′EcoPBRおよび3′EcoPBR) 250ngとゲノムDNA 500ngを使用する。増幅反応の前に、成分を95℃で10分間インキュベートする。遺伝子増幅反応は、94℃で1分間、70℃で1分間および72℃で3分間を30サイクル行い、その後72℃で5分間延長して行う。
【0079】
ゲノムDNAおよびcDNAフラグメントは別々にPCR2.1(Invitrogen Corp.Carlsbad,CA,USA)にクローニングし、Taq Dideoxy terminator cycle sequence(Applied Biosystems)法により配列決定する。データはPower Macintosh 6500/250上でMacVectorソフトウェアにより解析する。
【実施例3】
【0080】
トランスジェニック植物の構築
植物受容体蛋白質を過剰発現するトランスジェニック植物、またはアンチセンス受容体蛋白質を過剰発現するものは以下のように作製する。PCR、RT‐PCRまたはアンチセンス構築物を作製するための慣用のクローニング法を使用して、受容体蛋白質のセンス(過剰発現)またはアンチセンス(不十分な発現)の全(591塩基対)オープンリーディングフレーム、または約25塩基対の大きさのその一部(アンチセンスまたはRNAiだけのための)をpBI121(Clonetech,Palo Alto,CA)のようなベクターにクローニングする。合成された遺伝子特異的プライマー、
【0081】
【化3】
【0082】
および
【0083】
【化4】
【0084】
(GenBank,未知蛋白質、遺伝子#At2g47770,蛋白質 id=AAC63632.1,db xref=GI:3738290に対応する)は市販(Biosynthesis,Inc.Lewisville,TX)され、RT‐PCR反応に使用される。たとえば、PCR反応はそれぞれのプライマー 250ngとゲノムDNA 約500ngを使用する。増幅反応の前に、成分を95℃で2分間インキュベートする。遺伝子増幅反応は、94℃で1分間、65℃で1分間および72℃で2分間を30サイクル行い、その後72℃で4分間延長して行う。
【0085】
RT‐PCRでは、5′RACE系(Life Technologies,Rockville,MD)またはより簡単な逆転写酵素(RT)を使用して全長cDNAクローンを同定する。プライマー3′EcoPBRを使用して、取り扱い説明書に従い、2日目の植物から単離したポリ(A+)RNA1μg由来の第1鎖cDNAを合成する。第1鎖cDNA合成物の1/5を、両プライマー、5′EcoPBRおよび3′EcoPBRによる遺伝子増幅反応における鋳型として使用する。増幅の前に成分を95℃で2分間インキュベートする。遺伝子増幅反応は、94℃で1分間、58℃で1分間および72℃で2分間を30サイクル行い、その後72℃で5分間を延長して行う。
【0086】
ゲノムDNAまたはcDNAフラグメントは、所望する結果に合わせて、センス(順方向)またはアンチセンス(逆方向)方向で植物形質転換ベクターにクローニングする。ベクターは構成的プロモータ、たとえばCaMV35Sプロモータおよびノパリンシンターゼターミネータ、または本明細書に記載され、そして当技術分野で公知の他のプロモータを含むことができる。ベクターは改変されて生物的[Sohal et al.、(1999)Plant Mol.Biol.41:75−87]または非生物的ストレス[Ngai et al.(1997)Plant J.12:1021−1034;van Der Krol et al.,(1999)Plant Physiol.121:1153−1162;Kucho et al.(1999)Plant Physiol 121:1329−1338]、および/またはホルモンまたは他のシグナル伝達分子[Chen and Singh(1999)Plant J.19:667−677;Lu et al.(1998)J.Biol.Chem.273:10120−10131];Leubner−Metzger et al.(1998)Plant Mol.Biol.38:785−795]により誘導することができるプロモータを含んでいてもよい。クローニングされた構築物の配向は、制限エンドヌクレアーゼおよびPCR解析により確認する。
【0087】
クローニングが完了すると、バイナリーベクターは、一部改変(すなわち、浸潤液への0.02%(v/v)Silwetの添加)した減圧浸潤法[Bechtold,N.and Bouchez,D.(1995)In planta Agrobacterium−mediated transformation of adult Arabidopsis thaliana plants by vacuum infiltration.In Gene transfer to Plants.I.Potrykus and G.Spangenberg編.Springer−Verlag,Heidelberg,pp19−23]を使用して、アグロバクテリウム‐ツメファシエンスの無害化系統、たとえばEHA105、続いてシロイヌナズナ(Wsエコタイプ)に導入した。形質転換された植物から集めた種子を発芽させて、カナマイシン耐性に対して選択する。
【0088】
本発明は図面および先の説明で詳細に説明され、記載されているが、同じものは特徴を説明するものであって、制限するものではないと見なすべきであり、好ましい態様だけが示され、そして記載されていること、および本発明の意図に含まれるすべての変更、および改変は保護されることが望ましいことを理解すべきである。さらに、本明細書に引用されたすべての参考文献は、当技術分野のレベルを表すものであって、参照としそのまま本明細書に援用する。
【0089】
本発明の具体的な態様は特許請求の範囲においてとりわけ指摘されることになるが、発明自体、およびそれが作製され、使用される様式は本発明の一部を形成する添付の図面についての以下の説明を参照することにさらによく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0090】
【図1】植物ストレス反応において提案されたGABAの役割を示した図である(GABAが環境ストレスシグナルの細胞バロメータおよびトランスジューサとして機能する仮説経路)。
【図2】ウキクサにおけるGABA‐媒介成長促進に対するシクロスポリンAの作用を示すグラフであり、実施例1でより詳しく説明される。
【図3】ウキクサにおけるGABA‐媒介成長促進に対するスペルミンの作用を示すグラフであり、実施例1でより詳しく説明される。
【図4】ウキクサにおけるGABA‐媒介成長促進に対するキニーネの作用を示すグラフであり、実施例1でより詳しく説明される。
【図5】ウキクサにおけるGABA‐媒介成長促進に対するジアゼパムおよびPK11195(イソキノリンカルボキサミド)の作用を示すグラフであり、実施例1でより詳しく説明される。【Technical field】
[0001]
References for related patent applications
This patent application claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 306,819, filed June 20, 2001, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[Background Art]
[0002]
Background of the Invention
The amino acid gamma-aminobutyric acid (GABA) is the major neurotransmitter in the mammalian central nervous system. Such neurotransmitters generally regulate the conductance of ions across the membrane of neurons, specifically the regulation of ion flux into cells. For example, GABA is believed to be an inhibitory neurotransmitter that inhibits synaptic transmission in both vertebrate and invertebrate nervous systems. As another example, glutamate is an excitatory neurotransmitter that depolarizes the postsynaptic membrane and promotes synaptic transmission. Both GABA and glutamate affect synaptic transmission by binding to their respective receptors, also known as ligand-gated ion channels.
[0003]
These ligand-gated ion channels are present in insect and animal neurons. Animal neurons have three general classes of GABA receptors, GABAA, GABABAnd GABACExists. GABA receptors have been implicated in mediating anxiety, convulsions, cognitive function, addictive disorders, sleep disorders and other disorders of the central nervous system. GABA receptors are targets for many drugs acting on the central nervous system, including barbiturates and benzodiazepines, and are therefore of clinical importance. In addition, compounds that affect the function of insect GABA receptors are commercially useful as insecticides.
[0004]
GABA receptors have been found in the insect and animal kingdoms. Recently, proteins or other molecules that mediate the action of GABA and function as GABA receptors have been discovered in the plant kingdom (US patent application Ser. No. 09 / 517,438, Mar. 2, 2000). application).
[0005]
GABA has been shown to have positive beneficial effects on plants. For example, GABA has been shown to promote plant growth and productivity, as shown in Kinnersley US Pat. No. 5,439,873. In addition, such beneficial effects are promoted when GABA is applied with readily metabolized carbon sources such as succinic acid (US Pat. No. 5,604,177). Further, Kinnersley et al. As described in U.S. Patent No. 5,840,656, GABA has been found to enhance fertilizer efficiency when applied with glutamic acid.
[0006]
The mechanism of the beneficial effects of the above GABA in plants has not yet been identified. A better understanding of the mechanisms of GABA-mediated plant growth and productivity, and other mechanisms in which GABA is involved, could help another way to improve plant growth, productivity, and other beneficial effects Conceivable.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[0007]
Summary of the Invention
The present invention relates to the new discovery that plants respond to compounds known to act on animal mitochondrial GABA receptor proteins, and the related discovery that plants express receptor proteins responsive to these compounds. In this regard, the present invention provides nucleotide sequences that have been found in plants, which are believed to encode benzodiazepine or benzodiazepine-like receptors that have significant sensitivity to benzodiazepines. Based on the data presented herein, it is believed that such proteins function as modulators of GABA action, especially as ion channels, such as ligand-gated ion channels. In addition, such proteins are thought to be involved in plant stress-related physiological responses, and uptake of nucleic acid molecules encoding such proteins into plants is thought to promote the plant's ability to withstand stress. Accordingly, the present invention provides purified proteins, including recombinant proteins, nucleotide sequences encoding the proteins, and methods of using the nucleotide sequences and proteins.
[0008]
In one aspect of the invention, a method for transforming a plant is provided. In one aspect of the invention, a method includes introducing a nucleic acid molecule encoding a plant protein described herein into a plant cell.
[0009]
In a second aspect of the invention, a plant comprising providing a plant having an introduced nucleotide sequence encoding a plant protein described herein, and treating the plant with an effective amount of GABA. Is provided. In an alternative embodiment, the plants are treated with a composition comprising GABA and a GABA agonist, or are treated only with a GABA antagonist or GABA agonist. In another embodiment, the plant is treated with an animal benzodiazepine receptor agonist or antagonist, including an animal peripheral benzodiazepine receptor agonist or antagonist.
[0010]
In a third aspect of the invention, there is provided a method of regulating plant metabolism, comprising reducing the formation of a plant protein or RNA transcript, eg, mRNA, using antisense DNA or RNA. In one aspect, such a method involves introducing into a plant cell an antisense nucleic acid molecule having a nucleotide sequence complementary to the coding nucleotide sequence described herein, or a portion thereof. Alternatively, an antisense nucleic acid molecule includes a nucleotide sequence transcribed from a sequence described herein, preferably a nucleotide sequence that is complementary to an mRNA sequence. The antisense nucleotide sequence hybridizes to a nucleic acid containing either the plant template strand or the RNA transcript, and reduces the formation of the plant proteins described herein.
[0011]
In a fourth aspect of the present invention there is provided a method for identifying potential plant receptors, which comprises hybridizing a probe having a nucleotide sequence encoding a protein described herein, or a portion thereof, to a plant nucleic acid. Including doing.
[0012]
In a fifth aspect of the present invention there is provided a method for expressing a plant protein as described herein. In one embodiment, the method comprises introducing a nucleotide sequence encoding a plant receptor protein described herein into a host cell and culturing under conditions capable of expressing the receptor protein.
[0013]
In another aspect, there is provided an isolated nucleic acid molecule comprising a recombinant nucleic acid molecule, wherein such molecule comprises a nucleotide sequence encoding a plant protein described herein. Also provided are plant host cells and transgenic plants that include a nucleotide sequence encoding a plant protein described herein. Such molecules, plant cells and transgenic plants may further comprise a foreign promoter sequence operably linked to the 5 'end of the plant nucleotide sequences described herein.
[0014]
Description of the preferred embodiment
For a better understanding of the principles of the invention, preferred embodiments will now be described and specific terms will be used to describe them. However, without intending to thereby limit the scope of the invention, such modifications and further modifications of the invention, and such other applications of the principles of the invention described herein, are , Are contemplated as those of ordinary skill in the art.
[0015]
The present invention relates to the discovery that plants respond to compounds known to act on animal mitochondrial GABA receptor proteins, and the related discovery that plants express receptor proteins responsive to these compounds. The present invention further relates to the discovery of nucleotide sequences believed to encode plant benzodiazepine and / or benzodiazepine-like receptor proteins (hereinafter collectively referred to as "receptor proteins") in Arabidopsis thaliana. The invention also relates to nucleotide sequences that encode similar receptor proteins in other species and that exhibit similar function and sequence identity to the representative Arabidopsis sequences shown herein. Accordingly, the present invention provides an isolated nucleic acid molecule comprising a purified receptor protein and a nucleotide sequence encoding a plant receptor protein. Further provided are recombinant nucleic acid molecules, plant host cells and transgenic plants comprising a nucleotide sequence encoding a plant receptor protein. In other aspects of the invention, there are further provided methods of expressing the receptor proteins described herein, and methods of using nucleotide and amino acid sequences.
[0016]
In one aspect of the invention, a purified benzodiazepine or benzodiazepine-like receptor protein is provided. While not intending to limit the invention by any theory that the invention achieves its advantageous results, the plant receptor proteins described herein function as ligand-gated ion channel proteins in plants. Thus, it is thought to have the ability to regulate cellular ion influx and / or intracellular ion transport. Candidate ions whose influx can be regulated include anions such as chloride and cations such as calcium, sodium and potassium. For example, the receptor can release calcium ions from the intracellular store into the cytosol. According to this aspect of the invention, there is provided a substantially pure receptor protein. As used herein, “substantially pure” means that the receptor proteins are at least about 95% free of other proteins with which they are naturally present.
[0017]
In one aspect, the Arabidopsis receptor protein according to the present invention has the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. Although the invention is described with reference to the Arabidopsis thaliana amino acid sequence, it is to be understood that the invention is not limited to the specific amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. One skilled in the art will recognize that throughout the course of mutation and / or evolution, polypeptides having different lengths and different components, eg, amino acid insertions, substitutions, deletions, etc., may occur, and such polypeptides may be produced. Is related or sufficiently similar to the sequences described herein and the advantageous functions described herein based on amino acid sequence homology. The terms "benzodiazepine receptor protein" and "benzodiazepine-like receptor protein" are generally used herein to describe proteins having the features described herein, one example of which is found in SEQ ID NO: 2. A polypeptide having the indicated amino acid sequence. In addition, variants of the polypeptides having structural features described herein and exhibiting function are included within this definition and within the scope of the invention.
[0018]
It is known that a wide variety of plants generally express and utilize homologous proteins, including the inserts, substitutions and / or deletions described above, and furthermore, Provides similar functionality. For example, an amino acid sequence isolated from another species may differ to some extent from the sequence set forth in SEQ ID NO: 2, although one of skill in the art would recognize it as a similar protein thought to have a similar function. It can be easily recognized. Amino acid sequences containing such mutations, having similar functions, and having a certain identity are included within the scope of the present invention. The present invention is not intended to be limited to any theory, such that the theory gives its favorable results, but the identity between the amino acid sequences required to maintain proper functioning is not a matter of three-dimensionality of the polypeptide. It is believed that in connection with maintaining the structure, the specific interactive sequence will be properly positioned and have the desired activity. It is contemplated that polypeptides containing these interacting sequences in an appropriate spatial environment will have sufficient activity even if other portions thereof are modified. In this regard, a variant of a protein described herein may include, for example, an amino acid that is conserved between various plant species, or a plant species that expresses a protein described herein. It may be considered functionally similar to the protein shown in SEQ ID NO: 2 if it contains unconserved amino acids present at certain positions.
[0019]
Another manner in which similarities can exist between two amino acid sequences is that certain amino acids of a group (eg, non-polar, uncharged, charged or basic) are the same. This is the case when it is replaced by another amino acid from the amino acid group. For example, the uncharged polar amino acid serine can generally be replaced with the uncharged polar amino acid threonine of the polypeptide without substantially altering the function of the polypeptide. Whether certain substitutions affect the function of the enzyme can be determined without undue experimentation by synthetic techniques and screening assays known in the art, including screening using the methods set forth in the Examples below. Can be checked using
[0020]
In one aspect, the present invention relates to amino acid sequences having at least about 60% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and exhibiting a function similar to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. provide. In another aspect, the present invention provides an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and exhibiting a function similar to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. A receptor protein having the formula: In another aspect, the present invention provides an amino acid sequence having at least about 80% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and exhibiting a function similar to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. A receptor protein having the formula: In another aspect, the present invention provides an amino acid sequence having at least about 90% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 and exhibiting a function similar to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2. A receptor protein having the formula:
[0021]
The percentage of identity can be determined, for example, from Oxford Molecular Group, Inc. (Beaverton, OR) MacVector computer program, version 6.0.1, and can be determined by comparing sequence information. Briefly, the MacVector program defines identity as the number of identical sequence symbols (ie, nucleotides or amino acids) divided by the total number of symbols in the shorter sequence of the two sequences. The program can be used to determine the percent identity over the entire length of the compared proteins. Preferred default parameters of the MacVector program include the following: For one pair of alignments: (1) matrix = BLOSUM30; (2) alignment speed-speed; (3) Ktuple = 1; (4) gap penalty = 1. Top diagonal = 5; window size = 5; for multiple alignments: matrix = BLOSUM series, open gap penalty = 10; enlarged gap penalty = 0.1, delayed divergence = 40%; protein gap parameter: gap isolation distance = 8; Residue specific penalty = yes or on; hydrophilic residue = GPSNDQEKR.
[0022]
In another aspect of the invention, there is provided an isolated nucleic acid molecule encoding a protein described herein. In one aspect, the invention provides the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, originally isolated from Arabidopsis thaliana. In addition, it is to be understood that sequences complementary to the specific sequences set forth therein are also encompassed by the present invention. In one aspect of the invention, the nucleic acid comprises a nucleotide sequence encoding a protein having an amino acid sequence having at least about 60% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and set forth in SEQ ID NO: 2. An isolated nucleic acid molecule that exhibits a function similar to an amino acid sequence is provided. In another aspect, the invention has a nucleotide sequence that encodes a protein having an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and is set forth in SEQ ID NO: 2. The present invention provides an isolated nucleic acid molecule exhibiting a function similar to the amino acid sequence of the present invention. In another aspect, the invention has a nucleotide sequence that encodes a protein having an amino acid sequence having at least about 80% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and the sequence set forth in SEQ ID NO: 2. The present invention provides an isolated nucleic acid molecule exhibiting a function similar to the amino acid sequence of the present invention. In another aspect, the invention has a nucleotide sequence that encodes a protein having an amino acid sequence having at least about 90% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, and is set forth in SEQ ID NO: 2. The present invention provides an isolated nucleic acid molecule exhibiting a function similar to the amino acid sequence.
[0023]
The present invention is not limited to these representative nucleotide sequences, but includes sequences having substantial similarity thereto and variants of the plant receptor proteins described hereinbefore and further described below. It is intended to encompass sequences encoding
[0024]
The term "isolated nucleic acid" as used herein is intended to describe a nucleic acid that is not in its natural environment. For example, the term refers to nucleic acids separated from other contaminants that naturally accompany it, such as proteins, lipids, and other nucleic acid sequences. Such terms include nucleic acids that have been removed or purified from their naturally occurring environment or from a clonal library, and further include recombinant or cloned nucleic acid isolates and chemically synthesized nucleic acids. .
[0025]
The term "nucleotide sequence" as used herein refers to a natural or synthetic linear and continuous array of nucleotides and / or nucleosides and is intended to include deoxyribonucleic acids, ribonucleic acids, and derivatives thereof. The terms "encoding" and "coding" refer to the process by which a nucleotide sequence provides information to a cell by mechanisms of transcription and translation, whereby a series of amino acids is associated with a specific amino acid sequence, and the functional polypeptide For example, an active enzyme or other protein having a specific function can be produced. The process of encoding a particular amino acid sequence may include a DNA sequence having one or more base changes (ie, insertions, deletions, substitutions) that do not cause a change in the encoded amino acid, or Can change, but may include base changes that do not destroy the functional properties of the polypeptide encoded by the DNA sequence.
[0026]
Accordingly, it is to be understood that the present invention includes more than the specific exemplary nucleotide sequences set forth in SEQ ID NO: 1. For example, nucleic acid sequences encoding the variant amino acid sequences described above are within the scope of the invention. Sequence alterations such as deletions, insertions, or substitutions that result in "silent" changes that do not substantially affect the functional properties of the resulting polypeptide molecule are clearly contemplated by the present invention. For example, it should be understood that modifications of the nucleotide sequence that reflect the degeneracy of the genetic code or that result in the production of chemically equivalent amino acids at certain sites are contemplated. Thus, the codon of the amino acid alanine, a hydrophobic amino acid, is replaced by another less hydrophobic residue, such as glycine, or a more hydrophobic residue, such as a codon encoding valine, leucine, or isoleucine. Can be. Similarly, if such altered nucleotide sequence is expected to produce a bioequivalent product, the conversion of other residues to one negatively charged residue, such as a substitution of glutamic acid for aspartic acid, is considered. Modifications, such as substitutions or substitutions of other residues with one positively charged residue, such as substitution of arginine for lysine, are also contemplated by the present invention.
[0027]
Also, nucleotide changes that alter the N-terminal and C-terminal portions of the encoded polypeptide molecule typically do not appear to alter the activity of the polypeptide. In such cases, it is desirable to mutate the sequence and, in effect, examine the effect of the alteration on the biological activity of the polypeptide. Each proposed modification is well within the routine routine of the art.
[0028]
In one preferred aspect, the present invention provides nucleotide sequences having substantial similarity to the entire sequence set forth in SEQ ID NO: 1, and variants described herein. The term "substantial similarity" is used herein with reference to nucleotide sequences, in which such a nucleotide sequence is sufficiently similar to a reference nucleotide sequence that it will hybridize under moderately stringent conditions. To have This method for determining similarity is known in the art to which the present invention belongs. Briefly, moderately stringent conditions are described in Sambrook et al. , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd ed., 1 vol. 101-104, described in Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989), 5X SSC (sodium chloride / sodium citrate solution), 0.5% sodium dodecyl sulfate (SDS), 1.0 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) (pH 8) 0.0) pre-wash solution and hybridization and the use of wash conditions of 55 ° C, 5X SSC. Another requirement of the polynucleotide of the present invention is that it must encode a polypeptide having a function similar to the plant proteins described herein.
[0029]
In yet another aspect, there is provided a nucleotide sequence having a selected percentage of identity to a particular region of the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In one aspect of the invention, there is provided a nucleotide sequence having at least about 50% identity to a nucleotide sequence of substantial length within the nucleotides set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides a nucleotide sequence having at least about 60% identity to a nucleotide sequence of substantial length within the nucleotides set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides a nucleotide sequence having at least about 70% identity to a nucleotide sequence of substantial length within the nucleotides set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides a nucleotide sequence having at least about 80% identity to a nucleotide sequence of substantial length within the nucleotides set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides a nucleotide sequence having at least about 90% identity to a nucleotide sequence of substantial length within the nucleotides set forth in SEQ ID NO: 1.
[0030]
In one aspect, "substantial length" refers to a length of at least about 50 nucleotides. In another aspect, the substantial length is at least about 100 nucleotides in length. In another aspect, the substantial length is at least about 200 nucleotides in length. In another aspect, the substantial length is at least about 300 nucleotides in length. In another aspect, the substantial length is at least about 400 nucleotides in length. In another aspect, the substantial length is at least about 500 nucleotides in length. In another embodiment, the substantial length is the entire sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
[0031]
Percent identity can be determined, for example, by comparing sequence information using the MacVector program, described above for amino acid identity. Preferred default parameters include: (1) a pair of alignment parameters: (a) Ktuple = 1; (b) gap penalty = 1; (c) window size = 4; and (2) multiple alignment. Parameters: (a) open gap penalty = 10; (b) enlarged gap penalty = 5, (c) delay divergence = 40%; and (d) transition = weighted. Another requirement for a nucleotide sequence according to the present invention is that it encodes a protein that functions as described herein.
[0032]
Suitable DNA sequences according to the present invention can be obtained by cloning techniques using Arabidopsis or other species of cDNA or genomic libraries, which are either commercially available or known in the art. Can be constructed using standard methods. Suitable nucleotide sequences include those selected according to the present invention as probes or primers, such as those set forth in SEQ ID NO: 1; nucleotide sequences having substantial similarity thereto, or portions thereof. Can be isolated from DNA libraries obtained from various species by nucleic acid hybridization or polymerase chain reaction (PCR) methods. In a preferred embodiment of the present invention, the nucleotide sequence provided herein is a cDNA sequence.
[0033]
Alternatively, appropriate sequences can be made by techniques known in the art. For example, a nucleic acid sequence encoding a plant protein described herein can be constructed using recombinant enzymes, such as nucleic acid cleavage or splicing, using restriction enzymes and DNA ligase. In addition, nucleic acid sequences can be constructed using chemical synthesis, eg, solid phase phosphoramidite technology, or PCR. PCR can also be used to increase the amount of nucleic acid produced. Furthermore, if the particular nucleic acid sequence is of a length that renders full-length chemical synthesis impossible, the sequence may be divided into small portions, synthesized by methods known in the art, and ligated together. The desired complete arrangement can be formed.
[0034]
In another aspect of the present invention, there is provided a recombinant nucleic acid molecule, or a recombinant vector. In one aspect, there is provided a nucleic acid molecule comprising a nucleotide sequence described herein. The protein encoded by the nucleotide sequence has the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2, or a variant thereof as described above.
[0035]
The various vectors used in the present invention are known. For example, various plasmids and phages that are ideally suited for use in the present invention are known and include λZap and pBluescript. In a preferred embodiment, the vector may be a T-DNA vector. Representative T-DNA vector systems are described in the following publications: An et al. , (1986) EMBO J .; 4: 277; Herrera-Estrella et al. , (1983) EMBO J .; 2: 987; Herrera-Estrella et al. , (1985) in Plant Genetic Engineering, New York: Cambridge University Press, p. 63.
[0036]
In one aspect, the desired recombinant vector has a DNA linker sequence linked to the 5 'and 3' ends of the desired nucleotide insert, as is known in the art, to unambiguously recognize the linker sequence and the sequences present in the desired vector. By cleaving the insert with a restriction enzyme, cleaving the vector with the same restriction enzyme, mixing the cleaved vector with the cleaved insert, and incorporating the insert into the vector using DNA ligase. Can be.
[0037]
The vector can include other nucleotide sequences, eg, sequences encoding a selectable marker, including markers for antibiotic resistance or color selection. The vector also preferably contains a promoter nucleotide sequence. The desired nucleic acid insert is preferably operably linked to a promoter. A nucleic acid is “operably linked” to another nucleic acid sequence, such as a promoter sequence, when it is placed into a specific functional relationship with another nucleic acid sequence. A functional association between a promoter and a desired nucleic acid insert generally includes the flanking nucleic acid and promoter sequence such that transcription of the nucleic acid sequence is promoted. The nature of the linkage between the two nucleic acid sequences may result in: (1) introducing a frameshift mutation; (2) interfering with the ability of the promoter region sequence to transcribe the desired nucleotide sequence; or (3) transcription by the promoter sequence region. The two nucleic acid sequences are said to be further operably linked if they do not interfere with the ability of the desired nucleotide sequence to be performed. Typically, the promoter element is generally upstream (ie, at the 5 'end) of the nucleic acid insert coding sequence.
[0038]
A variety of promoters are known in the art, including cell-specific promoters, inducible promoters, and constitutive promoters. In plant cells, promoters for transcription can be used. Promoters may be of viral, bacterial or eukaryotic origin, including those of plant and plant virus origin. For example, in certain preferred embodiments, the promoter may be of viral origin, including a cauliflower mosaic virus promoter (CaMV), such as CaMV35S or 19S, a sesame clover mosaic virus promoter (FMV35S), or a tobacco mosaic virus (TMV). Coat protein promoter. Further, the promoter may be, for example, the promoter of the small subunit of ribulose-1,3-bisphosphate carboxylase. Promoters of bacterial origin include Herrera-Estrella et al. Octopain synthase promoter, nopaline synthase promoter and other promoters from natural Ti plasmids as described in J., Nature, 303: 209-213 (1983).
[0039]
In addition, the promoter may be responsive to various forms of environmental stress or other stimuli. For example, promoters may be abiotic stresses such as trauma, cold, dry, UV-B [van Der Krol et al. (1999) Plant Physiol. 121: 1153-1162], heat shock [Shinmyo et al. (1998) Biotechnol. Bioeng. 58: 329-332] or other heat, drought, or water stress.
[0040]
In addition, promoters may be those induced by biological stress, including pathogen stress, such as viruses [Sohal et al. (1999) Plant Mol. Biol. 41: 75-87] or a fungus [Eulgerm (1999) EMBO. J. 18: 4689-4699], as part of the plant defense pathway [Lebel (1998) Plant J. et al. 16: 223-233], or other environmental signals such as light [Ngai et al. (1997) Plant J. et al. 12: 1021-1034; Sohal et al. (1999) Plant Mol. Bio. 41: 75-87], carbon dioxide [Kucho et al. (1999) Plant Physiol 121: 1329-1338], hormones or other signaling molecules such as auxin, hydrogen peroxide and salicylic acid [Chen and Singh (1999) Plant J. et al. 19: 667-677], sugars and gibberellins [Lu et al. (1998) J. Am. Biol. Chem. 273: 10120-10131] or abscisic acid and ethylene [Leubner-Metzger et al. (1998) Plant Mol. Biol. 38: 785-795].
[0041]
In addition, they may be selected such that the promoter requires activation by other elements known in the art, such that the production of the protein encoded by the nucleic acid sequence insert is regulated as desired. Can be. In one aspect, the promoter is a foreign promoter. As used herein, an "exogenous promoter" is described to mean a promoter other than the native or natural promoter that promotes the transcription of a piece of DNA.
[0042]
In addition, the vector may include other regulatory elements, such as enhancer sequences, which cooperate with a promoter to effect transcription of the nucleic acid insert coding sequence. By the term "enhancer" is meant a nucleotide sequence element capable of stimulating promoter activity in a cell, such as a plant host cell. The vector may further include 3 'regulatory sequence elements known in the art, for example, to increase the stability of the transcribed RNA.
[0043]
In addition, the vector may include another nucleotide sequence insert, which insert encodes a peptide or polypeptide used as a tag to assist in purifying the desired protein encoded by the desired nucleotide sequence. Or encode another functional protein. With respect to inclusion of a tag, additional nucleotide sequences can be placed in the vector to obtain a fusion, or chimeric protein. For example, a protein described herein having a linker amino acid at the C-terminus and attached to another protein that acts as a tag can be produced as is known in the art. After purification procedures known to those skilled in the art, the additional amino acid sequence is cleaved by a suitable enzyme. Thereafter, the protein can be isolated from other proteins, or fragments thereof, by methods known in the art.
[0044]
In another embodiment, the vector comprises a second nucleotide sequence, wherein said sequence is another functional protein, such as the plant described in our co-pending US patent application Ser. No. 10 / 006,852. Encodes GAD enzyme. Alternatively, the plant is transformed according to the present invention with two vectors, for example, one containing a DNA construct for expression of the GAD enzyme, and one for expression of the plant receptor protein described herein. Can be. It is believed that overexpression of GAD enzymes and receptor proteins in certain plants will result in plants with superior characteristics, for example, strong stress resistance.
[0045]
The recombinant vector of the present invention can be used to transform a host cell. Accordingly, there is provided a method of transforming a cell or plant, comprising introducing a nucleic acid molecule having the nucleotide sequence of the present invention into a plant cell. Various methods for transforming cells or plants are known in the art and are described, for example, in Maniatis et al. , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Springs Laboratory, Cold Springs Harbor, New York (1982) and Current Protocols in Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology, Molecular Biology. Ed. (1998). Plant gene transfer techniques can also be found in references, including: Fromm et al. , (1985) Proc. Natl. Acad. Sci. ScL USA, 82: 5824-5828 (lipofection); Crossway et al. , (1986) Mol. Gen. Genet. 202: 179 (microinjection); Hoykaas-Van Slogtern et al. , (1984) Nature 311: 763-764) (T-DNA mediated transformation of monocotyledonous plants); Rogers et al. , (1986) Methods Enzymol. 118: 627-641 (T-DNA mediated transformation of dicotyledonous plants); Bevan et al. , (1982) Ann. Rev .. Genet. 16: 357-384) (T-DNA mediated transformation of dicotyledonous plants); Klein et al. , (1988) Proc. Natl. Acad. Sci USA 85: 4305-4309 (particle gun method); and Fromm et al. , Nature (1986) 319: 791-793 (electroporation). In a suitable vector, the introduced polynucleotide is advantageously integrated into the plant genome, but can remain episomal in other aspects of the invention. Once the desired nucleic acid has been introduced into the host cell or host plant, the host cell will express the protein. Thus, in a further aspect of the present invention there is provided a host cell comprising a recombinant vector of the invention as described above.
[0046]
A variety of host cells can be used in the present invention, including prokaryotic and eukaryotic host cells. Preferred host cells are eukaryotic cells, and more preferably are plant cells derived from, for example, plants such as the following: monocotyledonous plants, such as duckweed, corn, turf (eg, ryegrass, arthrush, strawberry rush, oxwort). Dicotyledonous plants, such as cereals such as lettuce and wheat, cross plants (eg, rape, radish and cabbage), solanaceous plants (eg, peppers, potatoes and tomatoes), and legumes (eg, soybeans and kidney beans). In another aspect of the invention, the host cells can be cultured to produce transgenic plants as known in the art. A transformed plant is transformed, for example, from a host plant-derived cell, tissue or organ with a nucleic acid molecule of the invention; selecting a transformed cell, cell callus, somatic embryo, or seed containing the nucleic acid molecule; Can be produced by regenerating whole plants from transformed cells, cell calli, somatic embryos, or seeds; and selecting regenerated whole plants that express nucleic acid sequences.
[0047]
In another aspect of the invention, a method is provided for identifying a plant protein, for example, a protein that is considered to be a benzodiazepine or benzodiazepine-like receptor. In these methods, the nucleotide sequences described above, or portions thereof, are used as probes to discover another similar nucleotide sequence that can encode another benzodiazepine or benzodiazepine-like receptor. General methods for screening selected nucleotide sequences in DNA or RNA samples are known in the art. For example, DNA can be isolated from selected plants, treated with various restriction enzymes, and analyzed by Southern blotting using a radioactive or fluorescently labeled probe of interest. RNA fragments can be similarly analyzed by Northern blotting. Alternatively, commercially available cDNA or genomic libraries can be screened.
[0048]
In one aspect, the nucleic acid molecule used as a probe has a nucleotide sequence having at least about 60% identity to a nucleotide sequence of about 25 to about 100 nucleotides in length within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. . In another aspect, the nucleic acid molecule used as a probe comprises a nucleotide sequence having at least about 60% identity to a nucleotide sequence from about 25 to about 400 nucleotides in length within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. Have. In another aspect, the nucleic acid molecule used as a probe comprises a nucleotide sequence having at least about 60% identity to a nucleotide sequence of about 25 to about 500 nucleotides in length within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. Have. In another aspect, the nucleic acid molecule used as a probe has a nucleotide sequence that has at least about 60% identity to the entire length of the nucleotide set forth in SEQ ID NO: 1. In another embodiment, the probe has a nucleotide sequence that is at least about 70% identical to a nucleotide of the length indicated immediately above. In another embodiment, the probe has a nucleotide sequence that is at least about 80% identical to a nucleotide of the length indicated immediately above. In another aspect, the probe has a nucleotide sequence that is at least about 90% identical to nucleotides of the length indicated immediately above. Probes include, for example, polynucleotide kinase and32The 5 'end can be radiolabeled with P and hybridized to the isolated nucleic acid fragment.
[0049]
In another aspect of the present invention, there is provided a method of treating a plant. In one aspect, the method includes providing a plant having the introduced nucleic acid molecule described herein and expressing the encoded receptor protein, and treating the plant with an effective amount of GABA. It is believed that treating such plants advantageously provides other beneficial results, including stimulating plant growth and reducing the effects of plant stress.
[0050]
In one aspect, the transgenic plants are made as described above and treated with an effective amount of GABA. As used herein, “effective amount” refers to an amount of GABA that provides one or more benefits to a plant, such as, for example, stimulating plant growth and / or reducing plant stress. The amount may vary depending on a variety of factors including, for example, the specific benefits provided to the plant, the amount of expression of the introduced nucleotide sequence, the type of plant, the number of plants to be treated and the environmental conditions. . In one aspect, the plant is about 1 ppm to about 24,000 ppm [about 0.013 oz / acre (oz / A) to about 20 lbs / A] [about 0.93 g / ha (g / ha) to about 22 kg / ha] GABA Is processed. In another embodiment, the plants are treated with about 1 ppm to about 12,000 ppm [about 0.013 oz / A to about 10 lbs / A] [about 0.93 g / ha to about 11 kg / ha] GABA. In another embodiment, the plant is treated with about 1 ppm to about 7,500 ppm [about 0.013 oz / A to about 6.3 lbs / A] [about 0.93 g / ha to about 7.1 kg / ha] GABA. In another aspect, the plant is treated with about 1 ppm to about 5.000 ppm [about 0.013 oz / A to about 4.2 lbs / A] [about 0.93 g / ha to about 4.8 kg / ha] GABA. For plant growth stimulation, concentrations from about 1 ppm to about 5,000 ppm can be conveniently used, as described in Kinnersley US Pat. No. 5,439,873. If a reduction in plant stress is desired, a GABA concentration of about 1 ppm to about 2500 ppm [about 0.013 oz / A to about 2.1 lbs / A] [about 0.93 g / ha to about 2.4 kg / ha] may be used. Can be used conveniently. In one aspect of the invention, about 150-600 ppm [about 1/8 lb / A to about 1/2 lb / A] [about 0.14 kg / ha to about 0.56 kg / ha] is used. All amounts in ppm are weight / volume (g / ml). In addition, the percentages of application in parentheses above are sought for processes that use a standard amount of 100 gallons of a particular solution spread over one acre.
[0051]
In yet another aspect, in addition to being treated with GABA, the plant may be treated with a composition comprising GABA and a GABA agonist. For example, plants can be baclofen and GABA agonists known in the art, such as cis-4-aminopent-2-enoic acid (CACA), imidazole-4-acetic acid (IAA) and 4,5,6,7, -tetrahydroiso It may be treated with xazolo [5,4-c] pyridin-3-ol (THIP). Also, plants can be treated with only a GABA antagonist, such as picrotoxin or bicuculline, or only a GABA agonist, to regulate plant metabolism as desired. Plants can also be treated only with benzodiazepine receptor agonists or antagonists, such as animal peripheral benzodiazepine receptors. Such compounds include quinine and spermine, and other benzodiazepine receptor antagonists and agonists described herein.
[0052]
GABA, GABA agonists or antagonists and other agonists and antagonists described herein generally apply to plant leaves, but may also be applied as soil drench. Furthermore, when plants are hydroponically grown, the compounds and compositions can be applied to the aqueous solution in which the plants are grown. The composition is further applied, preferably by spraying. In addition, the compounds and compositions can be applied as a seed treatment.
[0053]
GABA, GABA agonists or antagonists and other agonists and antagonists described herein are preferably combined with a carrier medium known in the art. The compounds and compositions can be combined with, for example, water, such as tap water, or distilled water to which selected minerals have been added. Alternatively, the compositions of the present invention can be applied as a solid. In such a form, the solid is preferably applied to the soil. In addition, the compositions can include agricultural additives or formulation auxiliaries known to those skilled in the art. Such additives or auxiliaries ensure that the composition is well dispersed in the sprayer, adheres or penetrates the plant surface, especially leaves or other foliar surfaces, and provides other benefits to the plant Can be used for For example, surfactants, dispersants, wetting agents, and binders are used to disperse the compound or composition in the sprayers described herein and adhere and / or penetrate the compound or composition to plant surfaces. Can be done.
[0054]
Further, a method for regulating plant metabolism is provided by the present invention. Regulation of plant metabolism includes having a positive or negative impact on nutrient utilization such as nitrogen assimilation, plant growth, plant productivity, and the plant's resistance to the effects of plant stress. For example, in one aspect, a method of the invention that can negatively affect plant productivity includes introducing an antisense nucleotide sequence having a sequence complementary to a coding nucleotide sequence described herein into a plant cell. It is mentioned.
[0055]
Thus, the present invention also provides methods for engineering genes involved in plant receptor protein production, and is therefore a valuable tool for further study of cell stress and / or growth processes. For example, manipulation of plant receptor protein genes can provide quantitative information on the role of GABA-related processes on metabolic flux, nutrient utilization and storage, cell differentiation, growth, senescence, and signal transduction. Further, such operations provide a way to increase crop productivity by increasing the crop's resistance to biological and abiotic stresses. Crop quality and yield are improved by increasing the resistance to various environmental stresses, including diseases, that reduce the photosynthesis and nitrogen efficiency of the crop plant and reduce yield.
[0056]
In one aspect, the invention provides an antisense nucleotide sequence that is complementary to a nucleotide sequence that has at least about 50% identity to a particular nucleotide within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides an antisense nucleotide sequence that is complementary to a nucleotide sequence that has at least about 60% identity to a particular nucleotide within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides an antisense nucleotide sequence that is complementary to a nucleotide sequence that has at least about 70% identity to a particular nucleotide within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides an antisense nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence having at least about 80% identity to a particular nucleotide within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In another aspect, the invention provides an antisense nucleotide sequence that is complementary to a nucleotide sequence that has at least about 90% identity to a particular nucleotide within the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1.
[0057]
In one aspect, the antisense nucleotides are from about 30 to about 100 nucleotides in length. In another aspect, the antisense nucleotides are from about 30 to about 200 nucleotides in length. In another aspect, the antisense nucleotides are from about 30 to about 300 nucleotides in length. In another aspect, the antisense nucleotides are from about 30 to about 400 nucleotides in length. In another aspect, the antisense nucleotide sequence is the same length as the entire nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1. The antisense nucleotide sequence is capable of hybridizing to a template strand that serves as the strand from which RNA is produced, thereby inhibiting transcription. Alternatively, the antisense nucleotide sequence is complementary to, and thus hybridizable to, an RNA sequence, such as an mRNA sequence transcribed from a nucleotide sequence described herein, so that the mRNA to express the encoded protein is Sequence transcription will be inhibited. The antisense nucleotide sequence can be either DNA or RNA. Preferred antisense oligonucleotides are complementary to the coding region of a particular polynucleotide, but moreover sequences can bind to selected sequences in non-coding regions. In a further preferred embodiment of the invention, the antisense oligonucleotide binds to a nucleotide adjacent to the ATG start codon.
[0058]
In another aspect of the present invention, there is provided a method of modulating plant metabolism by in vivo mutagenesis of a gene present in a plant genome encoding the same, in order to alter the activity of a plant receptor protein described herein. And provide the desired positive or negative results described above. Plants can be mutated by methods known to those skilled in the art, for example, chemical methods and DNA insert activation tag mutagenesis.
[0059]
In another aspect of the present invention, there is provided a method of modifying a receptor activity of a plant. In one aspect of the invention, a method comprises introducing a nucleic acid molecule having a nucleotide sequence encoding a plant protein described herein into a plant cell.
[0060]
In still another aspect of the present invention, there is provided a method for expressing a plant protein which is thought to function as the benzodiazepine receptor. In one aspect, the method comprises providing a nucleotide sequence as described above, or a variant thereof, encoding a protein described herein, and introducing the nucleotide sequence into a host cell as described above. . The desired nucleotide sequence can be conveniently introduced into the vector to form a recombinant vector. The recombinant vector can then be introduced into a host cell according to procedures known in the art. Such host cells are then cultured under conditions known to those skilled in the art and effective for expression of the plant protein. The protein can then be purified using conventional techniques.
[0061]
A variety of target plants are contemplated according to the present invention. In one aspect, the target plant is selected from the group consisting of the following plants: duckweed, rice, wheat, barley, rye, corn, sycamore, strawberry, grasshopper, bollwort, rapeseed, potato, carrot, sweet potato, soy beans, peas. , Chicory, lettuce, cabbage, cauliflower, broccoli, turnip, radish, spinach, asparagus, onion, garlic, eggplant, capsicum, celery, squash, pumpkin, zucchini, cucumber, apple, pear, quince, melon, plum, cherry Peaches, nectarines, apricots, strawberries, grapes, raspberries, blackberries, pineapples, avocados, papayas, mangos, bananas, soybeans, kidney beans, tobacco, tomatoes, peppers, sorghum and sugarcane.
[0062]
Any experiments, examples, or experimental results provided herein are illustrative of the present invention and should not be deemed to limit or limit the scope of the present invention. In addition, any theory, mechanism of action, or discovery described in the present invention is for further understanding of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way to such theory, mechanism or discovery. Not intended to be limiting. All publications, patents, and patent applications cited herein are each and every publication, patent, or patent application specifically and individually as if it were required by reference to be incorporated by reference. And is hereby incorporated by reference and as it is herein. While the invention has been described and described in detail in the drawings and foregoing description, the same should be considered as describing features and not as limiting, and only selected embodiments are illustrated. All changes, equivalents, and modifications that come within the spirit of the invention as described and described herein and as described herein or as set forth in the following claims are protected. Should be understood to be desirable.
[0063]
Reference will now be made to specific examples illustrating the invention described above. It should be understood that the examples are provided to illustrate preferred embodiments and are not intended to limit the scope of the invention.
[0064]
Effects of agonists and antagonists of animal mitochondrial benzodiazepine receptor on GABA-mediated growth promotion of duckweed
Benzodiazepine receptors are sensitive to the agonist diazepam and the antagonist PK11195 (isoquinolinecarboxamide), spermine, quinine and cyclosporin A.
[0065]
The medium was Solu-Spray 20-20-20 fertilizer dissolved in tap water at 1 g / l as described in Kinnersley US Patent No. 5,439,873, except that the pH was adjusted to 5.5. Duckweed (Lemna Minor L) were grown according to the general procedure described by Kinnersley (US Pat. No. 4,813,997). Duckweed were separately treated with the indicated concentrations of GABA and cyclosporin A, spermine, quinine, diazepam or PK11195.
[0066]
As seen in FIGS. 2, 3 and 4, when treated separately with cyclosporin A, spermine, or quinine in the presence of GABA in the medium, an inhibitory effect on growth was seen. Cyclosporin A is an immunosuppressant and has been shown to be the most potent pharmacological inhibitor of animal mitochondrial PTP. The inhibitory activity of cyclosporin is due to the binding of the inner mitochondrial membrane to mitochondrial cyclophilin. In duckweed experiments, 3 μM cyclosporin A significantly inhibited plant growth in cultures containing 10 mM GABA. Compared to the respective controls, the inhibition of GABA-mediated growth by cyclosporin A (FIG. 2), spermine (FIG. 3) and quinine (FIG. 4) was paradoxically the strongest at the highest levels of GABA. This is most clearly seen in FIG. 3, where the dry weight of the culture with 10 mM GABA and 150 μM spermine was significantly less than the culture without GABA and with 150 μM spermine. Addition of 3 μM of the benzodiazepine diazepam to the cultures promoted GABA-mediated growth (FIG. 5). Growth promotion was significant at P <0.05. Also, the effect of diazepam on GABA activity in plants is further evidence of similarity of GABA receptor structure in animals and plants.
[0067]
Furthermore, when duckweed was treated with PK11195 in the absence of GABA, an inhibitory effect on growth was observed as shown in Table 1 below. PK11195 is a characteristic ligand of the peripheral benzodiazepine receptor and is associated with PTP in animal mitochondria. PK11195 inhibited GABA-mediated growth reaction at 50 μM (FIG. 5).
[0068]
[Table 1]
[0069]
The data in Table 1 suggest that when low levels of GABA, such as endogenous GABA levels, are present in the plant, high concentrations of PK11195 are required to confirm action.
As shown in FIG. 5, when the duckweed grown as described above was independently treated with diazepam, a growth promoting effect was observed in the presence of GABA in the medium. When duckweed was independently treated with PK11195, growth inhibition was observed in the presence of GABA in the medium.
[0070]
Earlier studies reported the effects of animal GABA receptor antagonists on duckweed growth; however, the inhibitors of GABA bioactivity reported in Table 2 below were higher than the GABA receptor antagonists used in earlier studies. The activity was up to 1000-fold. This suggests that they act on different classes of GABA receptors, and that, like animals, plants also have diverse GABA receptors.
[0071]
[Table 2]
[0072]
Experiments with drugs that promote or inhibit the activity of benzodiazepine receptors in animals have shown similar results in plants, and together with the above results provide evidence for benzodiazepines or benzodiazepine-like receptors in plants I do.
Embodiment 2
[0073]
Isolation of full-length cDNA and genomic DNA
Protocol
Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Seeds of the ecotype Columbia (Col-0) can be obtained from the Arabidopsis Biological Resource Center (Ohio State University, Columbia, OH). Arabidopsis seedlings were grown on a rotary shaker (150 rpm) in an MS medium [Murashige and Skook, Physiol. Plant 15: 485 (1962)]. Day 2 seedlings are harvested for total RNA isolation. Total RNA is from Turano, F.C. J. et al. (1992) Plant Physiol. Isolate as described at 100: 374. Synthesized primer
[0074]
Embedded image
[0075]
and
[0076]
Embedded image
[0077]
(SEQ ID NOs: 3 and 4, respectively) (GenBank, unknown protein, gene # At2g47770, protein id = AAC63632.1, db xref = GI: 3738290) is commercially available (Biosynthesis, Inc. Lewisville, Tex.) and is used in RT-PCR reactions. In RT-PCR, a full length cDNA clone is identified using the 5 'RACE system (Life Technologies, Rockville, MD). Poly (A) isolated from day 2 plants using primer 3'EcoPBR according to the manufacturer's instructions+1) First strand cDNA from 1 μg of RNA is synthesized. One fifth of the first strand cDNA synthesis is used as a template in a gene amplification reaction with both primers, 5'EcoPBR and 3'EcoPBR. Prior to amplification, the components are incubated at 95 ° C for 4 minutes. The gene amplification reaction is performed at 94 ° C. for 1 minute, 68 ° C. for 1 minute and 72 ° C. for 2 minutes for 30 cycles, and then extended at 72 ° C. for 5 minutes.
[0078]
Genomic DNA is available from Turano, F .; J. et al. (1992) Plant Physilo. Isolate from Arabidopsis thaliana leaves at day 24 as described at 100: 374. In the PCR reaction, 250 ng of each primer (5 'EcoPBR and 3' EcoPBR) and 500 ng of genomic DNA are used. The components are incubated at 95 ° C. for 10 minutes before the amplification reaction. The gene amplification reaction is performed at 94 ° C for 1 minute, 70 ° C for 1 minute and 72 ° C for 3 minutes for 30 cycles, and then extended at 72 ° C for 5 minutes.
[0079]
Genomic DNA and cDNA fragments are separately cloned into PCR2.1 (Invitrogen Corp. Carlsbad, CA, USA) and sequenced by the Taq Diodexy terminator cycle sequence (Applied Biosystems) method. Data is analyzed on a Power Macintosh 6500/250 with MacVector software.
[0080]
Construction of transgenic plants
Transgenic plants that overexpress the plant receptor protein or those that overexpress the antisense receptor protein are prepared as follows. Full (591 bp) open reading of the sense (overexpression) or antisense (insufficient expression) of the receptor protein using conventional cloning techniques to generate PCR, RT-PCR or antisense constructs The frame, or a portion thereof about 25 base pairs in size (for antisense or RNAi only), is cloned into a vector such as pBI121 (Clonetech, Palo Alto, CA). Synthesized gene-specific primers,
[0081]
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[0082]
and
[0083]
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[0084]
(GenBank, unknown protein, gene # At2g47770, protein id = AAC63632.1, db xref = GI: corresponds to 3738290) is commercially available (Biosynthesis, Inc. Lewisville, Tex.) and is used in RT-PCR reactions. For example, a PCR reaction uses 250 ng of each primer and about 500 ng of genomic DNA. The components are incubated at 95 ° C. for 2 minutes before the amplification reaction. The gene amplification reaction is performed at 94 ° C for 1 minute, 65 ° C for 1 minute and 72 ° C for 2 minutes for 30 cycles, and then extended at 72 ° C for 4 minutes.
[0085]
RT-PCR uses the 5 'RACE system (Life Technologies, Rockville, MD) or the simpler reverse transcriptase (RT) to identify full-length cDNA clones. Poly (A) isolated from day 2 plants using primer 3'EcoPBR according to the manufacturer's instructions+1) First strand cDNA from 1 μg of RNA is synthesized. One fifth of the first strand cDNA synthesis is used as a template in a gene amplification reaction with both primers, 5'EcoPBR and 3'EcoPBR. The components are incubated at 95 ° C. for 2 minutes before amplification. The gene amplification reaction is performed at 94 ° C. for 1 minute, 58 ° C. for 1 minute and 72 ° C. for 2 minutes for 30 cycles, and then extended at 72 ° C. for 5 minutes.
[0086]
Genomic DNA or cDNA fragments are cloned into the plant transformation vector in a sense (forward) or antisense (reverse) orientation depending on the desired result. Vectors can include constitutive promoters, such as the CaMV 35S promoter and nopaline synthase terminator, or other promoters described herein and known in the art. The vector can be modified biologically [Sohal et al. , (1999) Plant Mol. Biol. 41: 75-87] or abiotic stress [Ngai et al. (1997) Plant J. et al. 12: 1021-1034; van Der Krol et al. , (1999) Plant Physiol. 121: 1153-1162; Kucho et al. (1999) Plant Physiol 121: 1329-1338], and / or hormones or other signaling molecules [Chen and Singh (1999) Plant J. et al. 19: 667-677; Lu et al. (1998) J. Am. Biol. Chem. 273: 10120-10131]; Leubner-Metzger et al. (1998) Plant Mol. Biol. 38: 785-795]. The orientation of the cloned construct is confirmed by restriction endonuclease and PCR analysis.
[0087]
Upon completion of cloning, the binary vector was partially modified (ie, the addition of 0.02% (v / v) Silwet to the infiltrate) under reduced pressure infiltration [Bechtold, N .; and Bouchez, D .; (1995) In plant Agrobacterium-mediated transformation of adult Arabidopsis thaliana plants by vacuum infiltration. In Gene transfer to Plants. I. Potrykus and G. Edited by Spanenberg. Springer-Verlag, Heidelberg, pp 19-23] was used to introduce into Agrobacterium- tumefaciens detoxifying strains, such as EHA105, followed by Arabidopsis thaliana (Ws ecotype). Seeds collected from the transformed plants are germinated and selected for kanamycin resistance.
[0088]
While the invention has been described and described in detail in the drawings and foregoing description, the same should be considered as describing features and not as limiting, only the preferred embodiments are illustrated, It is to be understood that what has been described, and that all changes and modifications within the spirit of the invention, are desired to be protected. Further, all references cited herein represent levels in the art and are hereby incorporated by reference in their entirety.
[0089]
While specific aspects of the invention will be pointed out with particularity in the claims, the invention itself, and the manner in which it is made and used, will be described below with reference to the accompanying drawings, which form a part of the present invention. Can be better understood with reference to the description of
[Brief description of the drawings]
[0090]
FIG. 1 shows the proposed role of GABA in plant stress response (hypothetical pathway in which GABA functions as a cell barometer and transducer of environmental stress signals).
FIG. 2 is a graph showing the effect of cyclosporin A on GABA-mediated growth promotion in duckweed, described in more detail in Example 1.
FIG. 3 is a graph showing the effect of spermine on GABA-mediated growth promotion in duckweed and is described in more detail in Example 1.
FIG. 4 is a graph showing the effect of quinine on GABA-mediated growth promotion in duckweed, described in more detail in Example 1.
FIG. 5 is a graph showing the effect of diazepam and PK11195 (isoquinolinecarboxamide) on GABA-mediated growth promotion in duckweed, and is described in more detail in Example 1.
Claims (35)
(a) SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも70%同一性を有するアミノ酸配列を持つ蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持つ、導入された核酸分子を植物に提供する工程;および
(b)GABAの有効量で植物を処理する工程。A method for treating a plant, comprising the following steps:
(A) providing to a plant an introduced nucleic acid molecule having a nucleotide sequence encoding a protein having an amino acid sequence having at least 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2; and A) treating the plant with an effective amount of GABA;
(a)SEQ ID NO:1に示されたヌクレオチド配列に少なくとも約70%の同一性を有するヌクレオチド配列に相補的なヌクレオチド配列、あるいは前記配列から転写されたRNA配列に相補的なヌクレオチド配列を含むアンチセンス核酸分子を植物細胞に導入する工程
(b)前記植物の核酸への前記アンチセンスヌクレオチド配列のハイブリダイゼーションに効果的な条件下で前記植物細胞を培養する工程。A method for regulating plant metabolism comprising the following steps:
(A) comprising a nucleotide sequence complementary to a nucleotide sequence having at least about 70% identity to the nucleotide sequence set forth in SEQ ID NO: 1, or a nucleotide sequence complementary to an RNA sequence transcribed from said sequence Introducing an antisense nucleic acid molecule into the plant cell (b) culturing the plant cell under conditions effective for hybridization of the antisense nucleotide sequence to the plant nucleic acid.
(a)SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%同一性を有するアミノ酸配列を持つ植物蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持つ、単離核酸分子を植物細胞に導入する工程;および
(b)前記蛋白質を発現させるための条件下で培養する工程。A method for expressing a plant protein, comprising the following steps:
(A) introducing into a plant cell an isolated nucleic acid molecule having a nucleotide sequence encoding a plant protein having an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2; (B) a step of culturing under conditions for expressing the protein.
(a)本質的に蛋白質をコードするヌクレオチド配列からなるヌクレオチド配列であって、SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%の同一性を有するアミノ酸配列を持つ植物蛋白質をコードする前記ヌクレオチド配列;および
(b)前記ヌクレオチド配列の5′末端に操作可能に結合した外来プロモータ。A recombinant nucleic acid molecule that includes:
(A) a nucleotide sequence consisting essentially of a nucleotide sequence encoding a protein, which encodes a plant protein having an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2 And (b) an exogenous promoter operably linked to the 5 'end of the nucleotide sequence.
(a)SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%の同一性を有するアミノ酸配列を持つ植物蛋白質をコードするヌクレオチド配列を持つ、導入された核酸分子;および
(b)前記ヌクレオチド配列の5′末端に操作可能に結合した外来プロモータ。Plant cells, including:
(A) an introduced nucleic acid molecule having a nucleotide sequence encoding a plant protein having an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2; and (b) the nucleotide A foreign promoter operably linked to the 5 'end of the sequence.
(a)SEQ ID NO:2に示されたアミノ酸配列に少なくとも約70%の同一性を有するアミノ酸配列を持つ植物蛋白質をコードする、導入された核酸分子;および
(b)前記ヌクレオチド配列の5′末端に操作可能に結合した外来プロモータ。Transgenic plants, including:
(A) an introduced nucleic acid molecule encoding a plant protein having an amino acid sequence having at least about 70% identity to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 2; and (b) 5 'of the nucleotide sequence A foreign promoter operably linked to a terminus.
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