JP2005245336A - Screening method for functional change of mutant protein and use thereof - Google Patents

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譲 戸澤
Takuya Sugano
拓也 菅野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a screening method for functional modification of protein capable of screening the functional change of protein in an more shortened time than the conventional and more comprehensively and provide a kit for carrying out the screening. <P>SOLUTION: For the protein synthesis on the basis of gene mutation-introduced gene, wheat germ cell-free protein system is used. The PCR technique is used for introducing the mutation into a gene and for preparing a transcription template gene. In addition, increased throughput can be actualized by carrying out the mutation introduction and the preparation of transcription template DNA as one series process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、変異タンパク質の機能変化のスクリーニング方法およびその利用に関するものであり、具体的には新規機能獲得タンパク質創出のためコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いてハイスループットに変異タンパク質の機能変化をスクリーニングする方法および当該スクリーニング方法を実施するためのキットに関するものである。   The present invention relates to a screening method for the functional change of a mutant protein and its use. Specifically, in order to create a new function-acquisition protein, the functional change of the mutant protein can be performed at high throughput using a wheat germ cell-free protein synthesis system. The present invention relates to a screening method and a kit for performing the screening method.

近年、遺伝子工学のめざましい進歩から、機能性タンパク質の機能改変が実現可能になり、利用価値の高い数多くの有用タンパク質が誕生してきている。また、タンパク質の機能改変は、新しい機能性材料の開発だけでなく、生命機能の改良やタンパク質を原因とする疾病の克服にもつながる。   In recent years, due to remarkable progress in genetic engineering, functional modification of functional proteins has become possible, and many useful proteins with high utility value have been born. In addition, protein functional modification leads not only to the development of new functional materials, but also to improvement of vital functions and overcoming diseases caused by proteins.

従来、タンパク質の機能改変をスクリーニングする方法としては、目的のタンパク質をコードする遺伝子に変異を導入し、当該変異遺伝子を組み込んだ発現ベクターを構築し、大腸菌や培養細胞等の宿主に当該発現ベクターを導入して変異タンパク質を発現させ、変異タンパク質を精製した後に機能をスクリーニングする方法が用いられている。   Conventionally, as a method of screening for functional modification of a protein, a mutation is introduced into a gene encoding a target protein, an expression vector incorporating the mutant gene is constructed, and the expression vector is then introduced into a host such as E. coli or cultured cells. A method of screening a function after introducing a mutant protein to express the mutant protein and purifying the mutant protein is used.

例えば、非特許文献1には、PCRによるランダム変異導入法(進化分子工学)を用いてピロリン酸−ヌクレオシドリン酸基転移酵素のリン酸転移反応の効率を上げ、逆にヌクレオチドの分解活性を抑える機能を付加したタンパク質の改変例について記載されている。   For example, Non-Patent Document 1 uses a random mutagenesis method (evolutionary molecular engineering) by PCR to increase the efficiency of the phosphorylation reaction of pyrophosphate-nucleoside phosphotransferase, and conversely suppress the nucleotide degradation activity. An example of modification of a protein with a function added is described.

例えば、非特許文献2には、20μM Mn2+イオン存在下でPCRを行いランダムな変異を導入し、酵母での生物学的スクリーニングを組み合わせる手法を用いて酵母 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate-7-phosphate synthaseのフェニルアラニンによるフィードバック阻害活性をチロシンによるフィードバック阻害を受けるように改変した実験例について記載されている。
Y. Mihara, T. Utagawa, H. Yamada, and Y. Asano、Phosphorylation of nucleosides by the mutated acid phosphatase from Morganella morganii、Applied and Environmental Microbiology、2000、Vol. 66 (7)、2811-2816 Hartmann M, Schneider TR, Pfeil A, Heinrich G, Lipscomb WN, Braus GH.、Evolution of feedback-inhibited beta /alpha barrel isoenzymes by gene duplication and a single mutation.、Proc Natl Acad Sci U S A.、 2003、Vol.100(3)、862-7
For example, Non-Patent Document 2 discloses yeast 3-deoxy-D-arabino-heptulosonate using a technique in which random mutations are introduced by PCR in the presence of 20 μM Mn 2+ ions and biological screening in yeast is combined. It describes an experimental example in which the feedback inhibitory activity of -7-phosphate synthase by phenylalanine is modified to receive feedback inhibition by tyrosine.
Y. Mihara, T. Utagawa, H. Yamada, and Y. Asano, Phosphorylation of nucleosides by the mutated acid phosphatase from Morganella morganii, Applied and Environmental Microbiology, 2000, Vol. 66 (7), 2811-2816 Hartmann M, Schneider TR, Pfeil A, Heinrich G, Lipscomb WN, Braus GH., Evolution of feedback-inhibited beta / alpha barrel isoenzymes by gene duplication and a single mutation., Proc Natl Acad Sci US A., 2003, Vol. 100 (3), 862-7

しかしながら、上記従来のスクリーニング方法では、変異導入に数日〜1週間程度、発現ベクター構築に数日〜1週間程度、大腸菌等の宿主によるタンパク質発現に2〜3日程度、タンパク質精製に数日〜1週間程度を要するため、短期間でタンパク質の機能改変を評価することは困難であり、また、同時に扱うことができるサンプル数も限られている。したがって、変異タンパク質の機能変化を短時間かつ網羅的にスクリーニングできる、いわゆるハイスループットスクリーニング方法の開発が期待されている。タンパク質の機能改変スクリーニングのハイスループット化の実現により、今まで以上に多様な機能を有する産業上、医療的にも有用なタンパク質の創出が可能となる。   However, in the above conventional screening method, mutation introduction is several days to one week, expression vector construction is several days to one week, protein expression by a host such as Escherichia coli is about two to three days, and protein purification is several days to Since it takes about one week, it is difficult to evaluate protein functional modification in a short period of time, and the number of samples that can be handled simultaneously is limited. Therefore, development of a so-called high-throughput screening method capable of comprehensively screening for functional changes of mutant proteins in a short time is expected. By realizing high-throughput screening of protein functional modification, it is possible to create industrially and medically useful proteins having various functions than ever before.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、タンパク質の機能変化を短時間かつ網羅的にスクリーニングすることが可能なタンパク質の機能改変スクリーニング方法および当該スクリーニング方法を実施するためのキットを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to carry out a protein functional modification screening method and a screening method capable of comprehensively screening protein functional changes in a short time. It is to provide a kit for doing this.

本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、変異タンパク質の合成に多数のタンパク質合成を短時間に合成可能なコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いること、および目的遺伝子への変異導入とコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系により合成する変異タンパク質のmRNAを合成するための転写鋳型DNAの作製を、PCR法を用いて一連の工程として行うことにより、タンパク質の機能改変スクリーニングをハイスループット化できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have used a wheat germ cell-free protein synthesis system capable of synthesizing a large number of proteins in a short time for the synthesis of mutant proteins, and introducing mutations into target genes. The ability to achieve high-throughput screening of protein functional modification by creating a transcription template DNA to synthesize mutant protein mRNA synthesized by the wheat germ cell-free protein synthesis system as a series of steps using the PCR method The headline and the present invention have been completed.

すなわち、本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法は、機能を改変するために人為的に導入した変異を有するタンパク質のスクリーニング方法であって、目的のタンパク質をコードする遺伝子に少なくとも1以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入および/または付加されるように変異を導入する変異導入工程と、得られた変異遺伝子に基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて変異タンパク質を合成するタンパク質合成工程と、得られたタンパク質の機能をスクリーニングするスクリーニング工程とからなることを特徴としている。   That is, the protein functional modification screening method according to the present invention is a screening method for a protein having a mutation artificially introduced to modify the function, wherein at least one amino acid is present in the gene encoding the target protein. A mutagenesis step for introducing a mutation to be substituted, deleted, inserted and / or added, and a protein synthesis step for synthesizing the mutant protein using a wheat germ cell-free protein synthesis system based on the obtained mutant gene And a screening step for screening the function of the obtained protein.

また、上記タンパク質合成工程は、in vitro 転写によりmRNAを合成するための鋳型DNAを作製する転写鋳型DNA作製工程と、得られた転写鋳型DNAに基づいてin vitro 転写によりmRNAを合成するmRNA合成工程と、得られたmRNAに基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いてタンパク質に翻訳する翻訳工程とからなるものであってもよい。   The protein synthesis process includes a transcription template DNA production process for producing a template DNA for synthesizing mRNA by in vitro transcription, and an mRNA synthesis process for synthesizing mRNA by in vitro transcription based on the obtained transcription template DNA. And a translation step of translating into protein using a wheat germ cell-free protein synthesis system based on the obtained mRNA.

上記変異導入工程においてはPCR法を用いることが好ましく、また、上記タンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程においてもPCR法を用いることが好ましい。さらに、上記変異導入工程およびタンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程のいずれの工程においてもPCR法を用い、両工程を一連の工程として行うことが特に好ましい。   The PCR method is preferably used in the mutation introducing step, and the PCR method is also preferably used in the transcription template DNA preparation step of the protein synthesis step. Furthermore, it is particularly preferable to use the PCR method in both the mutation introduction step and the transcription template DNA production step of the protein synthesis step, and to perform both steps as a series of steps.

上記のように変異導入工程およびタンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程のいずれの工程においてもPCR法を用い、両工程を一連の工程として行う場合には、上記変異導入工程およびタンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程において、目的のタンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクターを鋳型とし、目的のタンパク質をコードする遺伝子の変異を導入しようとする部分の配列に基づくセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとその相補配列からなるアンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドをプライマーとして用い、目的のタンパク質をコードする遺伝子の翻訳を開始する部分の塩基配列の5’末端にリンカー配列を結合したセンスプライマーと上記アンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとの組み合わせによるPCRと、上記センス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドと目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行い、上記2組のPCR産物を混合してDNA合成酵素による伸長反応により、上記リンカー配列から目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列までのDNA断片を作製し、上記DNA断片を鋳型として、in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーと、上記鋳型DNA断片に含まれるベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行うことにより、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系で変異タンパク質を合成するために用いるmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製する方法を好適に用いることができる。   When the PCR method is used in both of the mutation introduction step and the transcription template DNA preparation step of the protein synthesis step as described above and both steps are performed as a series of steps, the transcription of the mutation introduction step and the protein synthesis step is performed. In the template DNA production step, using a vector into which a gene encoding the target protein is inserted as a template, a sense strand mutation-introducing oligonucleotide based on the sequence of the portion into which the mutation of the gene encoding the target protein is to be introduced; The antisense primer comprising the antisense strand consisting of its complementary sequence is used as a primer, and the above-mentioned antisense primer and the above-mentioned anti-sense primer having a linker sequence bound to the 5 ′ end of the base sequence of the gene coding for the target protein. Combination with sense strand mutagenesis oligonucleotide PCR using a combination of the above-mentioned oligonucleotide for introducing a mutation in the sense strand and an antisense primer based on a vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest, and mixing the above two sets of PCR products Then, a DNA fragment from the linker sequence to a vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest is prepared by an extension reaction with a DNA synthase, and using the DNA fragment as a template, an in vitro transcription promoter sequence and MRNA used for synthesizing a mutant protein in a wheat germ cell-free protein synthesis system by performing PCR using a combination of a sense primer containing the linker sequence and an antisense primer based on the vector sequence contained in the template DNA fragment Together Methods for making transcription template DNA for can be suitably used.

上記in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーには、さらに上記両配列の中間の位置に翻訳増強配列を含むことが好ましく、さらに当該in vitro 転写用プロモーター配列、翻訳増強配列、およびリンカー配列を含むセンスプライマーは、上流側プライマーと下流側プライマーとに分割したプライマーであり、上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複するプライマーであることが特に好ましい。   The sense primer containing the promoter sequence for in vitro transcription and the linker sequence preferably further contains a translation enhancing sequence at a position intermediate between the two sequences. Further, the promoter sequence for in vitro transcription, the translation enhancing sequence, and The sense primer including the linker sequence is a primer divided into an upstream primer and a downstream primer, and the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlaps with the 5 ′ end sequence of the downstream primer. Particularly preferred.

ここで、「センスプライマー」とはPCRにより増幅しようとする断片の5’末端の塩基配列を規定するオリゴヌクレオチドを意味し、「アンチセンスプライマー」とはPCRにより増幅しようとする断片の3’末端の塩基配列を規定するオリゴヌクレオチドを意味する。   Here, “sense primer” means an oligonucleotide that defines the base sequence of the 5 ′ end of the fragment to be amplified by PCR, and “antisense primer” means the 3 ′ end of the fragment to be amplified by PCR. An oligonucleotide that defines the base sequence of

本発明に係る転写鋳型DNAの作製方法は、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系で変異タンパク質を合成するために用いるmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製する方法であって、目的のタンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクターを鋳型とし、目的のタンパク質をコードする遺伝子の変異を導入しようとする部分の配列に基づくセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとその相補配列からなるアンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドをプライマーとして用い、目的のタンパク質をコードする遺伝子の翻訳を開始する部分の塩基配列の5’末端にリンカー配列を結合したセンスプライマーと上記アンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとの組み合わせによるPCRと、上記センス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドと目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行い、上記2組のPCR産物を混合してDNA合成酵素による伸長反応により、上記リンカー配列から目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列までのDNA断片を作製し、上記DNA断片を鋳型として、in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーと、上記鋳型DNA断片に含まれるベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行うことを特徴とするものである。   The transcription template DNA production method according to the present invention is a method for producing a transcription template DNA for synthesizing mRNA used for synthesizing a mutant protein in a wheat germ cell-free protein synthesis system, which encodes a target protein. Mutation of an antisense strand consisting of an oligonucleotide for introduction of a sense strand and its complementary sequence based on the sequence of the portion into which the mutation of the gene encoding the target protein is to be introduced using a vector into which the gene to be inserted is used as a template A combination of a sense primer in which a linker sequence is linked to the 5 ′ end of the base sequence of the portion that starts translation of a gene encoding the target protein and the above-mentioned oligonucleotide for introducing a mutation in the antisense strand PCR and oligo for introduction of mutation in the sense strand PCR is performed with a combination of a nucleotide and an antisense primer based on a vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest, the above two sets of PCR products are mixed and subjected to an extension reaction with a DNA synthase, and the linker sequence To a vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest, using the DNA fragment as a template, a sense primer comprising an in vitro transcription promoter sequence and the linker sequence, and the template DNA fragment PCR is carried out by a combination with an antisense primer based on the vector sequence contained in.

上記in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーには、さらに上記両配列の中間の位置に翻訳増強配列を含むことが好ましく、さらに当該in vitro 転写用プロモーター配列、翻訳増強配列、およびリンカー配列を含むセンスプライマーは、上流側プライマーと下流側プライマーとに分割したプライマーであり、上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複するプライマーであることが特に好ましい。   The sense primer containing the promoter sequence for in vitro transcription and the linker sequence preferably further contains a translation enhancing sequence at a position intermediate between the two sequences. Further, the promoter sequence for in vitro transcription, the translation enhancing sequence, and The sense primer including the linker sequence is a primer divided into an upstream primer and a downstream primer, and the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlaps with the 5 ′ end sequence of the downstream primer. Particularly preferred.

本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニングキットは、上記本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法を実施するためのキットであって、少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素、in vitro 転写用緩衝液、RNA合成酵素、リボヌクレオシド三リン酸混合液、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成液、エネルギー/アミノ酸混合液、in vitro 翻訳用緩衝液、RNA分解酵素阻害剤を含むことを特徴とするものである。   A protein functional modification screening kit according to the present invention is a kit for carrying out the protein functional modification screening method according to the present invention, wherein at least a vector for inserting a target gene, a promoter sequence for in vitro transcription, and Antisense based on two types of sense primers, including a translation enhancing sequence, divided into an upstream primer and a downstream primer, the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlapping the 5 ′ end sequence of the downstream primer, and a vector sequence Primer, PCR reaction buffer, deoxyribonucleoside triphosphate mixed solution, thermostable DNA synthase, in vitro transcription buffer, RNA synthase, ribonucleoside triphosphate mixed solution, wheat germ cell-free protein synthetic solution, energy / Amino acid mixture, in vitro translation buffer, R It is characterized in that containing A protease inhibitor.

本発明に係る転写鋳型DNA作製キットは、上記本発明に係る転写鋳型DNAの作製方法を実施するためのキットであって、少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素を含むことを特徴とするものである。   A transcription template DNA production kit according to the present invention is a kit for carrying out the above-described method for producing a transcription template DNA according to the present invention, and includes at least a vector for inserting a target gene, a promoter sequence for in vitro transcription, and translation. Antisense primer based on two types of sense primers, including an enhancement sequence, divided into an upstream primer and a downstream primer, the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlapping the 5 ′ end sequence of the downstream primer, and a vector sequence A buffer solution for PCR reaction, a deoxyribonucleoside triphosphate mixed solution, and a thermostable DNA synthase.

本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法は、短時間で多数の変異タンパク質を網羅的にスクリーニングすることを可能とする。すなわち、タンパク質の機能改変スクリーニングのハイスループット化を実現できる。これにより、今まで以上に多様な機能を有する産業上有用なタンパク質を創出できるという効果を奏する。   The protein functional modification screening method according to the present invention makes it possible to exhaustively screen a large number of mutant proteins in a short time. That is, high throughput of functional modification screening of proteins can be realized. This produces an effect that an industrially useful protein having various functions than ever can be created.

具体的には、本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法は、目的のタンパク質をコードする遺伝子に変異を導入した変異遺伝子に基づくタンパク質の合成を、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて行うものであるので、タンパク質合成を短時間で行うことができる。また、多数の変異タンパク質の合成を同時に行うことができる。さらに合成するタンパク質の種類によっては、合成後のタンパク質を精製することなく合成反応後の合成液をそのままスクリーニングに供することができる。したがって、タンパク質の機能改変スクリーニングのハイスループット化を実現でき、多様な機能を有する産業上有用なタンパク質を創出できるという効果を奏する。   Specifically, the protein functional modification screening method according to the present invention uses a wheat germ cell-free protein synthesis system to synthesize a protein based on a mutant gene in which a mutation is introduced into a gene encoding the target protein. Therefore, protein synthesis can be performed in a short time. In addition, a large number of mutant proteins can be synthesized simultaneously. Further, depending on the type of protein to be synthesized, the synthesized solution after the synthesis reaction can be directly used for screening without purifying the synthesized protein. Therefore, it is possible to realize high throughput of protein functional modification screening, and to produce industrially useful proteins having various functions.

また、目的のタンパク質コードする遺伝子への変異導入およびコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系により合成する変異タンパク質のmRNAを合成するための転写鋳型DNAの作製においてPCR法を用いることにより要する時間を短縮することができる。さらに遺伝子への変異導入から転写鋳型DNAまでをPCR法を用いて一連の工程として行うことにより、多数の転写鋳型DNAを同時に短時間で作製することが可能となる。したがって、タンパク質の機能改変スクリーニングをさらにハイスループット化でき、多様な機能を有する産業上有用なタンパク質を創出できるという効果を奏する。   In addition, shortening the time required by introducing PCR into the gene encoding the target protein and using the PCR method in the production of transcription template DNA for synthesizing the mRNA of the mutant protein synthesized by the wheat germ cell-free protein synthesis system Can do. Furthermore, by performing a series of steps from the introduction of mutations into genes to the transcription template DNA using the PCR method, a large number of transcription template DNAs can be prepared simultaneously in a short time. Therefore, protein functional modification screening can be further increased in throughput, and industrially useful proteins having various functions can be created.

本発明の実施の一形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本発明は、これに限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described as follows. Note that the present invention is not limited to this.

本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法(以下、適宜「本スクリーニング方法」と略記する。)は、機能を改変するために人為的に導入した変異を有するタンパク質のスクリーニング方法であって、目的のタンパク質をコードする遺伝子にアミノ酸が置換されるように変異を導入する変異導入工程と、得られたDNAを鋳型としてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて変異タンパク質を合成するタンパク質合成工程と、得られたタンパク質の機能をスクリーニングするスクリーニング工程とからなるものである。ここで、タンパク質の機能改変スクリーニングとは、新規機能獲得タンパク質創出のため、人為的に変異を導入した変異タンパク質の機能変化を評価し、目的の機能に改変された変異タンパク質を見出すことを意味する。以下に本スクリーニング方法および当該スクリーニング方法を実施するためのキットについて、その特徴を詳細に説明する。   The protein functional modification screening method according to the present invention (hereinafter abbreviated as “the screening method” where appropriate) is a screening method for a protein having a mutation artificially introduced to modify the function. A mutagenesis step for introducing a mutation so that an amino acid is substituted into a protein-encoding gene; a protein synthesis step for synthesizing a mutant protein using the obtained DNA as a template and a wheat germ cell-free protein synthesis system; Screening step for screening the function of the obtained protein. Here, protein functional modification screening means to evaluate a functional change of a mutant protein into which a mutation has been artificially introduced in order to create a protein having a new function, and to find a mutant protein modified to the target function. . The features of the screening method and kit for carrying out the screening method will be described in detail below.

1.タンパク質の機能改変スクリーニング方法
(1)変異導入工程
本スクリーニング方法における変異導入工程は、目的のタンパク質をコードする遺伝子に少なくとも1以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入および/または付加されるように変異を導入する工程である。ここで、遺伝子は目的のタンパク質をコードするものであればよく、cDNAであることが好ましい。また、目的のタンパク質の全長をコードするものに限定されず、目的のタンパク質の一部のみをコードするものであってもよい。また、目的のタンパク質としては、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて合成可能なタンパク質であれば特に限定されるものではない。
1. Protein Function Modification Screening Method (1) Mutation Introduction Step The mutation introduction step in this screening method involves mutation so that at least one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added to the gene encoding the target protein. Is a step of introducing. Here, the gene may be any gene that encodes the protein of interest, and is preferably cDNA. Moreover, it is not limited to what encodes the full length of the target protein, You may code only a part of target protein. The target protein is not particularly limited as long as it is a protein that can be synthesized using a wheat germ cell-free protein synthesis system.

本スクリーニング方法における変異導入工程において用いる方法は、遺伝子(DNA)レベルで部位特異的に変異を導入できる方法であれば特に限定されるものではなく、公知の方法を好適に用いることができる。当該方法の1例として、Kunkel法を挙げることができる。Kunkel法では、大腸菌CJ236株を宿主菌として、変異導入の目的タンパク質をコードする遺伝子をクローニングしたM13 ファージの一本鎖DNAを調製する。CJ236株は、F’、dut-、ung-の大腸菌で、dUTPase(Dut)とUracil-DNA glycosylase(Ung)を欠損している。そのため、DNA中のチミン(T)の一部がデオキシウラシル(dU)に置き換わったDNAを合成する。続いて、これに変異導入用の合成オリゴヌクレオチドをハイブリダイズさせ、ポリメラーゼ反応とリガーゼ反応により相補鎖を合成する。このDNAをung+のmutS株にトランスフェクションすると、DNAのミスマッチを抑えながら、もとのdUの含まれている側のDNAはUng によって分解を受けるが、in vitroで合成された相補鎖の側は分解されずに複製される。このようにしてDNAが選択を受け、変異の導入されたファージが得られる(参考文献:Kunkel, T. A. (1985) Rapid and efficient site-specific mutagenesis without phenotypic selection. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 82: 488-492. 、Kunkel, T. A., Bebenek, K. and McClary, J. (1991) Efficient site-directed mutagenesis using uracil-containing DNA. Methods in Enzymology, 204: 125-139. 参照)。   The method used in the mutagenesis step in this screening method is not particularly limited as long as it can introduce a site-specific mutation at the gene (DNA) level, and a known method can be suitably used. One example of the method is the Kunkel method. In the Kunkel method, Escherichia coli CJ236 strain is used as a host strain to prepare single-stranded DNA of M13 phage into which a gene encoding a target protein for mutagenesis is cloned. CJ236 strain is F ', dut-, ung- E. coli and lacks dUTPase (Dut) and Uracil-DNA glycosylase (Ung). Therefore, DNA in which part of thymine (T) in the DNA is replaced with deoxyuracil (dU) is synthesized. Subsequently, this is hybridized with a synthetic oligonucleotide for introducing mutation, and a complementary strand is synthesized by polymerase reaction and ligase reaction. When this DNA is transfected into the ung + mutS strain, the DNA containing the original dU is degraded by Ung while suppressing the mismatch of the DNA, but the side of the complementary strand synthesized in vitro is Replicated without being disassembled. In this manner, DNA is selected and a mutation-introduced phage is obtained (Reference: Kunkel, TA (1985) Rapid and efficient site-specific mutagenesis without phenotypic selection. Proceedings of the National Academy of Science of the USA , 82: 488-492., Kunkel, TA, Bebenek, K. and McClary, J. (1991) Efficient site-directed mutagenesis using uracil-containing DNA. Methods in Enzymology, 204: 125-139.).

ここで、上記変異導入用の合成オリゴヌクレオチドとは、例えば1つのアミノ酸を置換しようとする場合に、目的アミノ酸に対応する配列を含む20〜50塩基のオリゴヌクレオチドであって目的のアミノ酸の塩基配列を置換しようとするアミノ酸の塩基配列に変更したオリゴヌクレオチドを意味する。なお、当該オリゴヌクレオチドに遺伝子がコードするアミノ酸が変化しない適当な位置に制限酵素サイトを導入することで変異導入の有無の確認作業ができる。制限酵素サイトを導入することにより、上記変異の導入されたファージを鋳型として、挿入された遺伝子部分をPCRで増幅し、合成オリゴヌクレオチドに導入された制限酵素で切断して電気泳動で切断パターンを確認することにより、変異が導入されたクローンであるか否かを確認することができる。   Here, the synthetic oligonucleotide for mutagenesis is, for example, a 20 to 50 base oligonucleotide containing a sequence corresponding to the target amino acid when one amino acid is to be substituted, and the base sequence of the target amino acid. Is an oligonucleotide that has been changed to the base sequence of the amino acid to be substituted. The introduction of a restriction enzyme site at an appropriate position where the amino acid encoded by the gene does not change can be confirmed by the presence or absence of mutation introduction. By introducing a restriction enzyme site, the inserted gene part is amplified by PCR using the above-mentioned mutation-introduced phage as a template, cleaved with the restriction enzyme introduced into the synthetic oligonucleotide, and a cleavage pattern is obtained by electrophoresis. By confirming, it is possible to confirm whether or not the clone has a mutation introduced.

上記Kunkel法以外の遺伝子(DNA)レベルの部位特異的変異導入方法としては、PCRを用いる方法を挙げることができる。例えば、変異導入の目的タンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクターを鋳型とし、上記Kunkel法で用いた変異導入用の合成オリゴヌクレオチドと同様のオリゴヌクレオチドをプライマーとして用いてPCRを行うことにより変異を導入することができる。この場合も変異導入用プライマーに、遺伝子がコードするアミノ酸が変化しない適当な位置に制限酵素サイトを導入することなどで変異導入の有無を確認することも可能である。ただし、この工程は必ずしも必要とはされない。   As a method for site-directed mutagenesis at the gene (DNA) level other than the Kunkel method, a method using PCR can be mentioned. For example, using a vector in which a gene encoding the target protein for mutagenesis is inserted as a template and performing PCR using the same oligonucleotide as the synthetic oligonucleotide for mutagenesis used in the Kunkel method as a primer, mutation is performed. Can be introduced. In this case, it is also possible to confirm the presence or absence of mutagenesis by introducing a restriction enzyme site into the mutagenesis primer at an appropriate position where the amino acid encoded by the gene does not change. However, this step is not necessarily required.

上記Kunkel法を用いて変異導入を行う場合、通常約3日〜1週間を要するが、PCRを用いる場合は半日〜1日程度で変異導入を行うことができる。したがって、本スクリーニング方法に用いる変異導入方法としては、PCRを用いる方法がより好ましい。   When mutagenesis is carried out using the Kunkel method, it usually takes about 3 days to 1 week, but when PCR is used, mutagenesis can be carried out in about half a day to 1 day. Therefore, a method using PCR is more preferable as the mutagenesis method used in the present screening method.

(2)タンパク質合成工程
本スクリーニング方法におけるタンパク質合成工程は、上記変異導入工程で得られた変異遺伝子に基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系(以下、適宜「コムギ胚芽無細胞システム」とも称する。)を用いて変異タンパク質を合成する工程である。本タンパク質合成工程は、原則としてin vitro 転写によりmRNAを合成するための鋳型DNAを作製する転写鋳型DNA作製工程と、得られた転写鋳型DNAに基づいてin vitro 転写によりmRNAを合成するmRNA合成工程と、得られたmRNAに基づいてタンパク質に翻訳する翻訳工程とからなる。ただし、上記変異導入工程において、目的のタンパク質をコードする遺伝子がin vitro 転写に利用可能なRNAポリメラーゼのプロモーター配列を有するベクターに挿入されている場合等であれば、転写鋳型DNA作製工程は必要でない場合があり、また、in vitro 転写の鋳型となる転写鋳型DNAを添加すれば合成反応液中でmRNAに転写されそのままタンパク質が翻訳されるコムギ胚芽無細胞システムを用いる場合等であれば、mRNA合成工程は必要でない場合がある。
(2) Protein synthesis step The protein synthesis step in this screening method is a wheat germ cell-free protein synthesis system (hereinafter also referred to as “wheat germ cell-free system” as appropriate) based on the mutant gene obtained in the mutation introduction step. Is a step of synthesizing a mutant protein using In principle, this protein synthesis process consists of a transcription template DNA production process for producing a template DNA for synthesizing mRNA by in vitro transcription, and an mRNA synthesis process for synthesizing mRNA by in vitro transcription based on the obtained transcription template DNA. And a translation step of translating into protein based on the obtained mRNA. However, if the gene encoding the target protein is inserted into a vector having an RNA polymerase promoter sequence that can be used for in vitro transcription, the transcription template DNA preparation step is not necessary. In some cases, such as when using a wheat germ cell-free system where transcription template DNA, which serves as a template for in vitro transcription, is transcribed into mRNA in the reaction mixture and the protein is translated as is, etc. A process may not be necessary.

〔転写鋳型DNA作製工程〕
コムギ胚芽無細胞システムに添加するmRNAを合成する方法としては、特に限定されるものではなく、公知のin vitro転写系を好適に使用することができる。したがって、転写鋳型DNAは公知のin vitro転写系によりmRNAを合成できるものであれば特に限定されるものではない。例えば、上記変異導入工程で得られた変異遺伝子をin vitro 転写に利用可能なRNAポリメラーゼのプロモーター配列(例えば、SP6プロモーター、T7プロモーター、T3プロモーター等)を有するベクターに挿入することにより、転写鋳型DNAを作製することができる。また、上記変異導入工程で得られた変異遺伝子のうちタンパク質合成に必要な部分を増幅するようにプライマーをデザインし、センスプライマーの5’側にin vitro 転写に利用可能なRNAポリメラーゼのプロモーター配列および開始コドン(ATG)を付加すれば、当該プライマーを用いてPCRを行うことにより転写鋳型DNAを作製することができる。ただし、転写鋳型DNAの作製方法はこれらに限定されるものではない。
[Transcription template DNA preparation process]
The method for synthesizing mRNA added to the wheat germ cell-free system is not particularly limited, and a known in vitro transcription system can be suitably used. Therefore, the transcription template DNA is not particularly limited as long as mRNA can be synthesized by a known in vitro transcription system. For example, by inserting the mutant gene obtained in the above mutagenesis step into a vector having an RNA polymerase promoter sequence (eg, SP6 promoter, T7 promoter, T3 promoter, etc.) that can be used for in vitro transcription, transcription template DNA Can be produced. In addition, a primer is designed so as to amplify a part necessary for protein synthesis among the mutant genes obtained in the mutation introducing step, and a promoter sequence of RNA polymerase which can be used for in vitro transcription on the 5 ′ side of the sense primer and If an initiation codon (ATG) is added, transcription template DNA can be prepared by performing PCR using the primer. However, the production method of transcription template DNA is not limited to these.

また、コムギ胚芽無細胞システムにおいて、目的のタンパク質をコードするmRNAの上流に翻訳増強配列を付加することにより、タンパク質合成効率が向上することが知られている(参考文献:Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci U S A 99, 14652-14657)このような翻訳増強配列としてはタバコモザイクウイルス由来のオメガ配列またはオメガ配列の類似配列を挙げることができるが、これに限定されるものではない。したがって、転写鋳型DNAを作製する際に、プロモーター配列と変異遺伝子の間に翻訳増強配列を付加することが好ましい。上記翻訳増強配列を付加することにより、mRNAの5’末端のキャップ構造および3’末端のポリA構造が不要となる。また、コムギ胚芽無細胞システム添加するmRNAの指摘濃度の幅がキャップ構造およびポリA構造を有するmRNAの指摘濃度より広くなり、扱いが容易となる。例えば、プロモーターおよび翻訳増強配列をあらかじめ組み込んだベクターを構築しておき、これに上記変異導入工程で得られた変異遺伝子を挿入すれば、容易に翻訳増強配列を有するmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製することができる。また、上記変異導入工程で得られた変異遺伝子のうちタンパク質合成に必要な部分を増幅するようにプライマーをデザインし、センスプライマーの5’側にin vitro 転写に利用可能なRNAポリメラーゼのプロモーター配列、翻訳増強配列および開始コドン(ATG)を付加すれば、当該プライマーを用いてPCRを行うことにより翻訳増強配列を有するmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製することができる。ただし、翻訳増強配列を有する転写鋳型DNAの作製方法はこれらに限定されるものではない。   In addition, it has been known that protein synthesis efficiency is improved by adding a translation enhancing sequence upstream of mRNA encoding the target protein in a wheat germ cell-free system (reference: Sawasaki et al. (2002). Proc Natl Acad Sci USA 99, 14652-14657) Such translation enhancing sequences may include, but are not limited to, omega sequences derived from tobacco mosaic virus or sequences similar to omega sequences. Therefore, it is preferable to add a translation enhancing sequence between the promoter sequence and the mutated gene when preparing the transcription template DNA. By adding the translation enhancing sequence, the cap structure at the 5 'end and the poly A structure at the 3' end of the mRNA become unnecessary. In addition, the range of the indicated concentration of mRNA added to the wheat germ cell-free system is wider than the indicated concentration of mRNA having a cap structure and a poly A structure, and the handling becomes easy. For example, a transcription template for easily synthesizing an mRNA having a translation enhancing sequence can be obtained by constructing a vector in which a promoter and a translation enhancing sequence have been incorporated in advance and inserting the mutant gene obtained in the above mutagenesis step. DNA can be made. In addition, a primer is designed so as to amplify a part necessary for protein synthesis among the mutant genes obtained in the mutation introducing step, and a RNA polymerase promoter sequence that can be used for in vitro transcription on the 5 ′ side of the sense primer, If a translation enhancing sequence and an initiation codon (ATG) are added, a transcription template DNA for synthesizing mRNA having a translation enhancing sequence can be prepared by performing PCR using the primer. However, the method for producing a transcription template DNA having a translation enhancing sequence is not limited thereto.

PCR法を用いてより簡便に転写鋳型DNAを作製する方法として、Sawasakiらの方法(Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci U S A 99, 14652-14657)を応用することができる。図1にその手順を示した。図1に基づいてSawasakiらの方法について説明する。   The method of Sawasaki et al. (Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci USA 99, 14652-14657) can be applied as a method for more easily preparing transcription template DNA using the PCR method. FIG. 1 shows the procedure. The method of Sawasaki et al. Will be described based on FIG.

まず、目的のタンパク質をコードする遺伝子がクローニングされたベクターをPCRの鋳型とし、目的のタンパク質をコードする遺伝子の5’末端の配列(約13〜約30塩基)とその5’末端側にリンカー配列付加したセンスプライマー(図中1で示す)と、ベクター上の適当な位置に設定したアンチセンスプライマー(図中2で示す)との組み合わせで1回目のPCRを行う。ここで、合成(翻訳)するタンパク質がN末端を欠失したタンパク質である場合等、遺伝子の5’末端に開始コドン(ATG)がない場合は、リンカー配列の直後に開始コドン(ATG)を付加したセンスプライマーを用いる。なお、鋳型に用いるベクターとしては、精製したベクターDNAが使用可能であることはいうまでもないが、当該ベクターで形質転換した宿主大腸菌等の培養液を直接使用することも可能である。   First, a vector in which the gene encoding the target protein has been cloned is used as a template for PCR. The 5 ′ end sequence (about 13 to about 30 bases) of the gene encoding the target protein and the linker sequence on the 5 ′ end side thereof. The first PCR is carried out with a combination of the added sense primer (indicated by 1 in the figure) and an antisense primer (indicated by 2 in the figure) set at an appropriate position on the vector. Here, when there is no start codon (ATG) at the 5 'end of the gene, such as when the protein to be synthesized (translated) is a protein lacking the N-terminus, the start codon (ATG) is added immediately after the linker sequence. Sense primer is used. Needless to say, a purified vector DNA can be used as a vector for the template, but it is also possible to directly use a culture solution such as host Escherichia coli transformed with the vector.

次に、1回目のPCR産物を鋳型とし、2種類のセンスプライマー(図中3および4で示す)と上記1回目のPCRで用いたアンチセンスプライマー(図中2で示す)との組み合わせで2回目のPCRを行う。2種類のセンスプライマーは、一方は最終増幅産物の5’末端(上流側)の配列を有するものであり、プロモーター配列の5’側の配列を有するように設計する(図中3で示す)。他方のプライマーは5’側から順にプロモーター配列の3’側、翻訳増強配列および上記1回目のPCRで用いたプライマーに含まれるリンカー配列を含むプライマーを設計する(図中4で示す)。なお、上流側プライマーの3’末端と下流側プライマーの5’末端とは配列が一部重複(約10塩基程度)するように設計する(このようなプライマーを「Split primer」と称する。)。この2回目のPCRによりプロモーター、翻訳増強配列、目的タンパク質をコードする遺伝子およびベクター配列の一部からなるDNA断片が増幅され、これを転写鋳型DNAとして好適に用いることができる。なお、本明細書においては、上記2回目のPCR、すなわちプロモーターおよび翻訳増強配列を付加するためのSplit primerを用いたPCRを「Split-PCR」と称する。   Next, using the first PCR product as a template, 2 kinds of sense primers (indicated by 3 and 4 in the figure) and the antisense primer used in the first PCR (indicated by 2 in the figure) were combined to give 2 Perform the second round of PCR. One of the two types of sense primers has a sequence at the 5 'end (upstream side) of the final amplification product, and is designed to have a sequence at the 5' side of the promoter sequence (indicated by 3 in the figure). The other primer is designed in order from the 5 'side, including the 3' side of the promoter sequence, a translation enhancing sequence, and a linker sequence included in the primer used in the first PCR (indicated by 4 in the figure). The 3 ′ end of the upstream primer and the 5 ′ end of the downstream primer are designed so that the sequences partially overlap (about 10 bases) (such a primer is referred to as “Split primer”). By this second round of PCR, a DNA fragment consisting of a promoter, a translation enhancing sequence, a gene encoding the target protein, and a part of the vector sequence is amplified and can be suitably used as a transcription template DNA. In the present specification, the second PCR, that is, PCR using a split primer for adding a promoter and a translation enhancing sequence is referred to as “Split-PCR”.

上記2種類のセンスプライマー(Split primer)の切断部位は特に限定されるものではないが、上述のようにプロモーター配列を切断するように設計することが特に好ましい。このように設計することにより、2種類のセンスプライマーの両方を用いて増幅されたDNA断片のみが完全長のプロモーター配列を有する転写鋳型DNAとなり得るが、いずれか一方のセンスプライマーのみで増幅されたDNA断片および非特異的に増幅されたDNA断片は完全長のプロモーター配列を持たないため転写鋳型DNAとなり得ず、翻訳におけるバックグラウンドノイズを低く抑えることができる点が挙げられる。   The cleavage sites of the two types of sense primers (Split primers) are not particularly limited, but it is particularly preferable to design so as to cleave the promoter sequence as described above. By designing in this way, only a DNA fragment amplified using both of the two types of sense primers can be a transcription template DNA having a full-length promoter sequence, but amplified only with either one of the sense primers. Since DNA fragments and nonspecifically amplified DNA fragments do not have a full-length promoter sequence, they cannot serve as transcription template DNA, and background noise during translation can be kept low.

〔mRNA合成工程〕
上述したように、コムギ胚芽無細胞システムに添加するmRNAを合成する方法としては、特に限定されるものではなく、公知のin vitro転写系を好適に使用することができる。したがって、例えば、上記転写鋳型DNA作製工程で作製されたin vitro 転写に利用可能なRNAポリメラーゼのプロモーター配列を有する転写鋳型DNAを、適当な基質とプロモーターに特異的なRNAポリメラーゼ含む合成反応液に添加することにより、目的の変異タンパク質をコードするmRNAを合成することができる。
[MRNA synthesis process]
As described above, the method for synthesizing mRNA added to the wheat germ cell-free system is not particularly limited, and a known in vitro transcription system can be suitably used. Therefore, for example, a transcription template DNA having an RNA polymerase promoter sequence that can be used for in vitro transcription prepared in the above transcription template DNA preparation step is added to a synthesis reaction solution containing an appropriate substrate and a promoter-specific RNA polymerase. By doing so, mRNA encoding the target mutant protein can be synthesized.

in vitro転写反応終了後、反応液の一部をアガロースゲル電気泳動に供することにより転写効率を検定することができる。また、エタノール沈殿によりmRNAを精製し、適当量の滅菌水(RNase free)に溶解した後、260nmの吸光度を測定してRNA量を算出することができる。   After completion of the in vitro transcription reaction, transcription efficiency can be assayed by subjecting a part of the reaction solution to agarose gel electrophoresis. Alternatively, the amount of RNA can be calculated by purifying mRNA by ethanol precipitation and dissolving it in an appropriate amount of sterilized water (RNase free) and then measuring the absorbance at 260 nm.

〔翻訳工程〕
翻訳工程は、上記mRNA合成工程で得られたmRNAに基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系(特開2000−236896号公報参照)を用いてタンパク質に翻訳する工程である。
[Translation process]
The translation step is a step of translating into a protein using a wheat germ cell-free protein synthesis system (see JP 2000-236896 A) based on the mRNA obtained in the mRNA synthesis step.

コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系には、透析膜を介して基質を供給する透析膜法、翻訳液の上に基質溶液を重層して反応を進める重層法を用途により使い分けている。コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系は活性が高いため、全てを混合して閉じた反応系で反応を進めると、基質を消費し尽くして数時間内に反応が終結してしまう。そこで、ここに緩やかに新たな基質を添加することにより、反応時間を延長するのが重層法である。粘性の高い小麦胚芽抽出液を下層に、そして粘性の低い基質混合液を上層に置くことで、両液は拡散により徐々に混合され、その間に必要な物質が反応液に供給され不要な物質が希釈されることで連続的にタンパク質合成が進行する。この反応は16〜24時間持続し、高収量が期待できる(Sawasaki, T., Hasegawa, Y., Tsuchimochi, M., Kamura, N., Ogasawara, T., Kuroita, T., Endo, Y.、FEBS Lett.、2002、Vol. 514、102-105)。重層法は多検体の試料をハイスループットにスクリーニングする場合に適しており、分注ロボットを活用した自動化システムに特に有効である。   The wheat germ cell-free protein synthesis system uses a dialysis membrane method in which a substrate is supplied through a dialysis membrane, and a multilayer method in which a substrate solution is overlaid on a translation solution to promote the reaction. Since the wheat germ cell-free protein synthesis system has high activity, if the reaction is carried out in a closed reaction system in which all are mixed, the substrate is consumed and the reaction is completed within a few hours. Therefore, the multilayer method is to extend the reaction time by slowly adding a new substrate here. By placing the highly viscous wheat germ extract on the lower layer and the less viscous substrate mixture on the upper layer, both solutions are gradually mixed by diffusion, during which necessary substances are supplied to the reaction solution and unnecessary substances are removed. By diluting, protein synthesis proceeds continuously. This reaction lasts for 16-24 hours, and high yields can be expected (Sawasaki, T., Hasegawa, Y., Tsuchimochi, M., Kamura, N., Ogasawara, T., Kuroita, T., Endo, Y. , FEBS Lett., 2002, Vol. 514, 102-105). The multi-layer method is suitable for screening a large number of samples with high throughput, and is particularly effective for an automation system using a dispensing robot.

透析法は、透析膜を介した拡散により、タンパク質合成に必要なアミノ酸、ATP、GTP等の基質が供給され不要な物質が希釈されることで連続的にタンパク質合成が進行する方法である(Spirin, A. S., Baranov, V. I., Ryabova, L. A., Ovodov, S. Y. & Alakhov, Y. B.、Science、1988、Vol. 242、1162-1164.)。大量のタンパク質を合成する目的のためには透析法が適している。   The dialysis method is a method in which protein synthesis proceeds continuously by supplying a substrate such as amino acids necessary for protein synthesis, ATP, GTP, etc. and diluting unnecessary substances by diffusion through the dialysis membrane (Spirin AS, Baranov, VI, Ryabova, LA, Ovodov, SY & Alakhov, YB, Science, 1988, Vol. 242, 1162-1164.). Dialysis is suitable for the purpose of synthesizing a large amount of protein.

(3)変異導入および転写鋳型DNA作製を一連に行う方法
本発明者らは、タンパク質の機能改変スクリーニングをよりハイスループットに行うために、目的タンパク質をコードする遺伝子にPCRを用いて変異を導入する場合に、上記Sawasakiらの方法を応用することにより簡便かつ迅速に転写鋳型DNAを作製する方法を考案した。図2にその手順を示した。図2(a)〜(e)にしたがってその手順を説明する。
(3) Method for performing a series of mutation introduction and transcription template DNA preparation The present inventors introduce a mutation into a gene encoding a target protein using PCR in order to perform a functional modification screening of the protein with higher throughput. In some cases, a method for producing transcription template DNA simply and quickly was devised by applying the method of Sawasaki et al. FIG. 2 shows the procedure. The procedure will be described with reference to FIGS.

(a)変異を導入しようとするタンパク質をコードする遺伝子(DNA)を適当なクローニングベクター、例えばpBluescript SK+ (ストラタジーン社)等に挿入する。挿入する遺伝子はcDNAであることが好ましい。ただし、完全長のcDNAでなくてもよく、オープンリーディングフレームの全長またはオープンリーディングフレームの一部でもよい。   (A) A gene (DNA) encoding a protein to be introduced with a mutation is inserted into an appropriate cloning vector such as pBluescript SK + (Stratagene). The gene to be inserted is preferably cDNA. However, it may not be a full-length cDNA, but may be the full length of the open reading frame or a part of the open reading frame.

目的のタンパク質をコードする遺伝子の5’末端の配列(約13〜約30塩基)とその5’末端側にリンカー配列(例えば、CCTCTTCCAGGGCCCA、配列番号1)付加したセンスプライマー(図中1で示す)を設計し、合成する。ここで、合成(翻訳)するタンパク質がN末端を欠失したタンパク質である場合等、遺伝子の5’末端に開始コドン(ATG)がない場合は、リンカー配列の直後に開始コドン(ATG)を付加したセンスプライマーを設計する。なお、リンカー配列は上記の配列(配列番号1)に限定されるものではない。また、目的のタンパク質をコードする遺伝子が挿入されているベクター上の異なる位置に2種類のアンチセンスプライマー(図中4および5で示す)を設計し、合成する。アンチセンスプライマーは、mRNAの安定性向上の理由から3’非翻訳領域の長さが1.0〜1.5kbp程度になるようなベクター上の位置に設計することが好ましい。ただし、これに限定されるものではない。   Sense primer (indicated by 1 in the figure) to which a 5 'end sequence (about 13 to about 30 bases) of a gene encoding the target protein and a linker sequence (eg, CCTCTTCCAGGGCCCA, SEQ ID NO: 1) are added to the 5' end side Is designed and synthesized. Here, when there is no start codon (ATG) at the 5 'end of the gene, such as when the protein to be synthesized (translated) is a protein lacking the N-terminus, the start codon (ATG) is added immediately after the linker sequence. Design the sense primer. The linker sequence is not limited to the above sequence (SEQ ID NO: 1). In addition, two types of antisense primers (indicated by 4 and 5 in the figure) are designed and synthesized at different positions on the vector into which the gene encoding the target protein has been inserted. The antisense primer is preferably designed at a position on the vector such that the length of the 3 'untranslated region is about 1.0 to 1.5 kbp for the purpose of improving the stability of mRNA. However, it is not limited to this.

変異を導入したい位置にセンスおよびアンチセンスのオリゴヌクレオチド(図中2(アンチセンス)および3(センス)で示す。以下、「変異導入用プライマー」と称する。)を合成する。変異導入用プライマーについては、上記Kunkel法の説明中に記載したように、例えば1つのアミノ酸を置換しようとする場合に、目的アミノ酸に対応する配列を含む20〜50塩基のオリゴヌクレオチドであって目的のアミノ酸の塩基配列を置換しようとするアミノ酸の塩基配列に変更したオリゴヌクレオチドであればよい。したがって、当該変異導入用プライマーの一方は、上記Kunkel法に用いた変異導入用オリゴヌクレオチドと同一のものを使用することができる。この際、遺伝子がコードするアミノ酸が変化しない適当な位置に制限酵素サイトを導入することで変異導入の有無の確認作業ができる。   Sense and antisense oligonucleotides (indicated by 2 (antisense) and 3 (sense) in the figure, hereinafter referred to as “mutation-introducing primers”) are synthesized at the positions where mutations are to be introduced. As described in the explanation of the Kunkel method, the mutagenesis primer is an oligonucleotide having 20 to 50 bases containing a sequence corresponding to a target amino acid, for example, when one amino acid is to be substituted. Any oligonucleotide may be used as long as the nucleotide sequence of the amino acid is changed to the amino acid sequence to be substituted. Therefore, one of the mutation-introducing primers can be the same as the mutation-introducing oligonucleotide used in the Kunkel method. At this time, it is possible to confirm the presence or absence of mutation introduction by introducing a restriction enzyme site at an appropriate position where the amino acid encoded by the gene does not change.

(b)目的の遺伝子が変異導入用プライマー領域でオーバーラップするように5’側領域と3’側領域に分けてPCRを行う。すなわち、5’側領域はプライマー1およびプライマー2の組み合わせ、3’側領域はプライマー3およびプライマー4の組み合わせによりPCRを行う。これにより、目的の遺伝子が変異導入用プライマー領域でオーバーラップした2種類のDNA断片が得られる。   (B) PCR is performed separately for the 5 'side region and the 3' side region so that the target gene overlaps with the primer region for mutagenesis. That is, PCR is carried out using a combination of primer 1 and primer 2 in the 5 'side region and a combination of primer 3 and primer 4 in the 3' side region. As a result, two types of DNA fragments in which the target gene overlaps with the mutation-introducing primer region can be obtained.

ここで、PCRによる塩基の誤った取り込みや、3’末端へのアデニン(A)の付加を避けるために、PCRのサイクル数を20〜25サイクルに抑え、PCRに用いる耐熱性DNAポリメラーゼは高い増幅効率と高い正確性を持ったものを用いることが好ましい。耐熱性DNAポリメラーゼとしては、例えば、Pyrobest DNAポリメラーゼ(タカラバイオ社製)、KOD DNA polymerase (TOYOBO)、KOD Dash (TOYOBO)、Pfu DNA polymerase (TOYOBO)等を好適に用いることができる。   Here, in order to avoid erroneous incorporation of bases by PCR and addition of adenine (A) to the 3 ′ end, the PCR cycle number is suppressed to 20 to 25 cycles, and the heat-resistant DNA polymerase used for PCR is highly amplified. It is preferable to use one having efficiency and high accuracy. As the thermostable DNA polymerase, for example, Pyrobest DNA polymerase (manufactured by Takara Bio Inc.), KOD DNA polymerase (TOYOBO), KOD Dash (TOYOBO), Pfu DNA polymerase (TOYOBO) and the like can be suitably used.

(c)上記(b)のPCRにより得られた2種類のPCR反応液を適当な濃度に希釈(例えば20倍希釈)し、両者を混合して、プライマー非存在下でDNAポリメラーゼによる伸長反応を行う。これにより、プライマー1からプライマー4まで連結された断片が合成される。   (C) The two types of PCR reaction solutions obtained by PCR in (b) above are diluted to appropriate concentrations (for example, 20-fold dilution), mixed together, and subjected to an extension reaction with DNA polymerase in the absence of primers. Do. Thereby, the fragment | piece connected from the primer 1 to the primer 4 is synthesize | combined.

(d)上記(c)で得られたDNA断片を鋳型とし、センスプライマーに2種類のSplit primer(図中、SP6およびΩ)を用い、アンチセンスプライマーに上記プライマー5を用いてSplit-PCRを行う。図2ではプロモーターとしてSP6プロモーターを用いているがこれに限定されるものではなく、他のプロモーター、例えばT7プロモーター、T3プロモーター等を用いることができる。また、センスプライマーとしてはSplit primerに限定されるものではなく、in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含む1種類のセンスプライマーまたはin vitro 転写用プロモーター配列、翻訳増強配列、およびリンカー配列を含む1種類のセンスプライマーを用いてもよい。ただし、Split primerを用いることが特に好ましい。   (D) Split-PCR using the DNA fragment obtained in (c) above as a template, two types of split primers (SP6 and Ω in the figure) as sense primers, and the primer 5 as an antisense primer. Do. Although the SP6 promoter is used as the promoter in FIG. 2, the present invention is not limited to this, and other promoters such as a T7 promoter and a T3 promoter can be used. In addition, the sense primer is not limited to the split primer, and includes one kind of sense primer including in vitro transcription promoter sequence and the above linker sequence, or in vitro transcription promoter sequence, translation enhancing sequence, and linker sequence. One type of sense primer may be used. However, it is particularly preferable to use a split primer.

(e)以上の手順により、転写鋳型DNAとして用いることが可能な変異遺伝子を含むDNA断片が合成され、当該DNA断片を転写鋳型としてin vitro転写系を用いてmRNAを合成し、コムギ胚芽無細胞システムを用いて目的の変異タンパク質を合成することができる。   (E) Through the above procedure, a DNA fragment containing a mutated gene that can be used as a transcription template DNA is synthesized, mRNA is synthesized using the DNA fragment as a transcription template using an in vitro transcription system, and wheat germ cell-free The target mutant protein can be synthesized using the system.

上記(a)〜(e)の手順により、変異導入および転写鋳型DNA作製を一連に行うことにより、転写鋳型DNAを短時間で作製することが可能となる。具体的には、変異を導入しようとするタンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクター、変異導入用プライマーおよびその他の必要なプライマーがあらかじめ準備されていれば、1日程度で転写鋳型DNAを作製することが可能となり、従来変異導入後に大腸菌等の宿主への形質転換等に3〜5日程度要していたことと比較して、要する時間を顕著に短縮することができる。また、目的タンパク質の変異体を多数作製し、それらの機能改変をスクリーニングする場合、それぞれの変異導入用プライマーを設計すればその後のPCRはすべて同一のプライマーを用いて行うことができるため、例えば96サンプル用のPCRチューブを用いれば、96種類の変異タンパク質についての転写鋳型DNAを一度に作製することができる。   By carrying out a series of mutation introduction and transcription template DNA production by the above procedures (a) to (e), transcription template DNA can be produced in a short time. Specifically, if a vector into which a gene encoding the protein to be mutated is inserted, a mutagenesis primer, and other necessary primers are prepared in advance, a transcription template DNA is produced in about one day. Compared to the conventional transformation of a host such as Escherichia coli that requires about 3 to 5 days after the introduction of mutation, the time required can be significantly shortened. In addition, when a large number of mutants of the target protein are prepared and their functional alterations are screened, if each of the primers for mutagenesis is designed, subsequent PCR can be performed using the same primer. If a PCR tube for a sample is used, transcription template DNAs for 96 types of mutant proteins can be prepared at one time.

上記(a)〜(e)の手順による転写鋳型DNAの作製方法を本スクリーニング方法に適用し、コムギ胚芽無細胞システムと組み合わることにより、多数の変異タンパク質を短時間で合成し、スクリーニングすることが可能となる。すなわち、タンパク質の機能改変スクリーニング方法の画期的なハイスループット化を実現することが可能となる。   Applying the method for preparing transcription template DNA according to the above procedures (a) to (e) to this screening method, and combining and screening a large number of mutant proteins in a short time by combining with a wheat germ cell-free system. Is possible. That is, it is possible to realize a revolutionary high throughput of the protein functional modification screening method.

なお、上記転写鋳型DNAの作製方法も本発明に含まれる。   In addition, the preparation method of the said transcription | transfer template DNA is also contained in this invention.

(4)スクリーニング工程
本スクリーニング方法におけるスクリーニング工程は、上記タンパク質合成工程で得られたタンパク質の機能をスクリーニングする工程である。本スクリーニング方法はコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いるものであるので、当該タンパク質合成系を用いて合成可能なタンパク質であればどのようなものでも本スクリーニング方法の対象とすることが可能である。例えば、リパーゼ、グリコシダーゼ、アミノ酸合成系酵素、制限酵素等の各種酵素を好適に本スクリーニング方法の対象とすることができる。
(4) Screening step The screening step in this screening method is a step of screening the function of the protein obtained in the protein synthesis step. Since this screening method uses a wheat germ cell-free protein synthesis system, any protein that can be synthesized using the protein synthesis system can be used as the target of this screening method. For example, various enzymes such as lipases, glycosidases, amino acid synthesizing enzymes, restriction enzymes and the like can be suitably targeted for this screening method.

さらに、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて合成されたタンパク質の種類によっては、反応液中のタンパク質を精製することなく、スクリーニングに供することが可能である。すなわち合成されたタンパク質を含む反応液をそのまま、または用いるスクリーニング方法に適した緩衝液に交換するのみで各種酵素アッセイ等のスクリーニングを行うことができる。   Furthermore, depending on the type of protein synthesized using the wheat germ cell-free protein synthesis system, it is possible to use for screening without purifying the protein in the reaction solution. That is, it is possible to carry out screening for various enzyme assays and the like simply by exchanging the reaction solution containing the synthesized protein as it is or with a buffer suitable for the screening method to be used.

一方、コムギ胚芽抽出液の混在により機能解析が困難なため精製を要するタンパク質の場合は、スクリーニング工程の前段に精製工程を設ければよい。精製方法としては、特に限定されるものではなく、合成されたタンパク質の精製に適した公知の方法を適宜選択して用いることができるが、ハイスループット化を妨げないよう簡易かつ迅速に行うことができるものであることが好ましい。簡易精製法の一例として、予め目的のタンパク質のアミノ末端またはカルボキシル末端に、ヒスチジン6残基からなるヒスタグや、グルタチオン−S−トランスフェラーゼ(GST)タンパク質等が付加された目的タンパク質が合成されるように転写鋳型DNAを作製しておき、合成後のタンパク質をアフィニティー担体を用いて精製する方法を挙げることができる。   On the other hand, in the case of a protein that requires purification because functional analysis is difficult due to the mixture of wheat germ extract, a purification step may be provided before the screening step. The purification method is not particularly limited, and a known method suitable for purification of the synthesized protein can be appropriately selected and used. However, the purification method can be simply and quickly performed without hindering high throughput. It is preferable that it is possible. As an example of a simple purification method, a target protein in which a histag consisting of 6 histidine residues, glutathione-S-transferase (GST) protein or the like is previously synthesized at the amino terminal or carboxyl terminal of the target protein is synthesized. An example is a method in which a transcription template DNA is prepared and the synthesized protein is purified using an affinity carrier.

本スクリーニング方法におけるスクリーニング工程に用いる方法は特に限定されるものではなく、目的の機能を評価することができる公知の方法を選択して用いればよい。例えば、ブタインターロイキン2(rpoIL-2)の生物活性を評価する場合は合成後の反応液を精製せずに培養液で希釈してIL-2依存性CTLL2細胞の培地に添加し、細胞の増殖性を測定する方法を用いることができる。また、Calf Rhodaneseの機能を評価する場合は合成後の反応液をそのまま常法(Methods Enzymol,77:285-91, 1981)に従って酵素活性を測定することができる。ただし、これに限定されるものではない。   The method used for the screening step in this screening method is not particularly limited, and a known method that can evaluate the target function may be selected and used. For example, when evaluating the biological activity of porcine interleukin 2 (rpoIL-2), the reaction solution after synthesis is diluted with the culture solution without being purified, and added to the culture medium of IL-2-dependent CTLL2 cells. A method for measuring proliferation can be used. Moreover, when evaluating the function of Calf Rhodanese, the enzymatic activity can be measured as it is according to a conventional method (Methods Enzymol, 77: 285-91, 1981) as it is after the synthesis. However, it is not limited to this.

2.本発明に係るキット
(1)タンパク質の機能改変スクリーニングキット
本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニングキット(以下、適宜「本スクリーニングキット」と略記する。)は本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法を実施するためのキットである。本スクリーニングキットには少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素、in vitro 転写用緩衝液、RNA合成酵素、リボヌクレオシド三リン酸混合液、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成液、エネルギー/アミノ酸混合液、in vitro 翻訳用緩衝液、RNA分解酵素阻害剤を含むことが好ましい。キットの構成としてはこれらに限定されるものではなく、使用者の便宜を考慮して種々の試薬や器具を加えればよい。例えば、PCR用のチューブやプレート、mRNA合成用のチューブやプレート、タンパク質合成用のプレート等を挙げることができる。さらに、評価対象とする機能を特定することにより、本スクリーニング方法におけるスクリーニング工程に用いる試薬や器具をキットの構成として含ませることも可能である。このような構成とすることにより、評価する機能を特定した多数のキットとして、本発明に係るキットを実施することが可能となる。
2. Kit according to the present invention (1) Protein functional modification screening kit The protein functional modification screening kit according to the present invention (hereinafter abbreviated as “the present screening kit” as appropriate) is a protein functional modification screening method according to the present invention. It is a kit for carrying out. This screening kit contains at least a vector for inserting a target gene, an in vitro transcription promoter sequence and a translation enhancing sequence, and is divided into an upstream primer and a downstream primer, and the 3 ′ end sequence of the upstream primer is downstream. Two types of sense primers that overlap with the 5 'end sequence of the primer, antisense primers based on vector sequences, PCR reaction buffer, deoxyribonucleoside triphosphate mixture, heat-resistant DNA synthase, in vitro transcription buffer It preferably contains an RNA synthetase, a ribonucleoside triphosphate mixture, a wheat germ cell-free protein synthesis solution, an energy / amino acid mixture, an in vitro translation buffer, and an RNase inhibitor. The configuration of the kit is not limited to these, and various reagents and instruments may be added in consideration of user convenience. For example, tubes and plates for PCR, tubes and plates for mRNA synthesis, plates for protein synthesis, and the like can be mentioned. Furthermore, by specifying the function to be evaluated, it is possible to include reagents and instruments used in the screening step in the present screening method as a configuration of the kit. With such a configuration, the kit according to the present invention can be implemented as a large number of kits that specify the function to be evaluated.

本スクリーニングキットを用いることにより、本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法を簡便かつ迅速に実施することが可能となり、ハイスループットなタンパク質の機能改変スクリーニングをより容易に行うことを実現できる。   By using this screening kit, the protein functional modification screening method according to the present invention can be carried out simply and rapidly, and high-throughput protein functional modification screening can be more easily performed.

(2)転写鋳型DNA作製キット
本発明に係る転写鋳型DNA作製キットは本発明に係る転写鋳型DNAの作製方法を実施するためのキットである。本転写鋳型DNA作製キットには少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素を含むことが好ましい。キットの構成としてはこれらに限定されるものではなく、使用者の便宜を考慮して種々の試薬や器具を加えればよい。例えば、PCR用のチューブやプレート等を挙げることができる。
(2) Transcription template DNA preparation kit The transcription template DNA preparation kit according to the present invention is a kit for carrying out the method for preparing a transcription template DNA according to the present invention. This transcription template DNA preparation kit contains at least a vector for inserting a target gene, an in vitro transcription promoter sequence and a translation enhancing sequence, and is divided into an upstream primer and a downstream primer, and a sequence at the 3 ′ end of the upstream primer Contains two types of sense primers that overlap with the 5 ′ terminal sequence of the downstream primer, an antisense primer based on the vector sequence, a PCR reaction buffer, a deoxyribonucleoside triphosphate mixture, and a thermostable DNA synthase. preferable. The configuration of the kit is not limited to these, and various reagents and instruments may be added in consideration of user convenience. For example, PCR tubes and plates can be used.

本転写鋳型DNA作製キットを用いることにより、本発明に係る転写鋳型DNA作製方法を簡便かつ迅速に実施することが可能となる。   By using this transcription template DNA production kit, the transcription template DNA production method according to the present invention can be carried out simply and rapidly.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

以下、本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法を、イネアントラニル酸シンターゼ第2アイソザイムαサブユニットの機能改変に適用した実施例を示す。   Hereinafter, examples in which the protein functional modification screening method according to the present invention is applied to functional modification of the rice anthranilate synthase second isozyme α subunit will be described.

(1)PCR法による変異導入
<標的遺伝子のクローニングベクターへの挿入>
イネアントラニル酸シンターゼ第2アイソザイムαサブユニット(以下「OASA2」と略記する)をコードする遺伝子(ACCESSION NO. AB022603)をクローニングベクターpBluescript SK+(Stratagene社製)のマルチクローニングサイトのEcoRIサイトに挿入し、pBS-OASA2を構築した。なお、挿入した遺伝子は、マルチクローニングサイトの制限酵素サイトKpnIからSacIの向きに挿入されている。
(1) Mutation introduction by PCR <Insertion of target gene into cloning vector>
Insert a gene (ACCESSION NO. AB022603) encoding rice anthranilate synthase second isozyme α subunit (hereinafter abbreviated as “OASA2”) into the EcoRI site of the cloning vector pBluescript SK + (Stratagene), pBS-OASA2 was constructed. The inserted gene is inserted in the direction from the restriction enzyme site KpnI of the multicloning site to SacI.

<変異導入用プライマー>
i)367番目のチロシンをアラニンに置換
OASA2の367番目のチロシン残基をアラニン残基にアミノ酸置換し、かつ、コードするアミノ酸が変化しない位置に制限酵素サイト(SnaBI:TACGTA)を導入するように変異導入プライマーをデザインした。変異導入用プライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線は制限酵素サイトを示し、小文字は変異導入コドンを示す。
Y367A-F:5'-GTGAACCCAAGTCCAgccATGGCATACGTACAGGCAAGAGGC-3'(配列番号2)
Y367A-R:5'-GCCTCTTGCCTGTACGTATGCCATggcTGGACTTGGGTTCAC-3'(配列番号3)
プライマーY367A-Fの16番目から18番目のgcc(アラニン、A)および25番目から30番目のTACGTA(SnaBIサイト)は、それぞれ野生型OASA2のTAC(チロシン、Y)およびTATGTAの塩基配列よりデザインした。TACをGCCとすることにより野生型OASA2の367番目のチロシン残基がアラニン残基へ置換される。また、TATGTAをTACGTAとすることによりアミノ酸置換を伴わずに(TAT、TACは共にチロシン)制限酵素サイト(SnaBI:TACGTA)が導入され、変異導入後の選抜が容易となる。プライマーY367A-RはプライマーY367A-Fの相補鎖である。
<Primer for mutagenesis>
i) Substitution of 367th tyrosine with alanine
A mutation introducing primer was designed so that the 367th tyrosine residue of OASA2 was substituted with an alanine residue and a restriction enzyme site (SnaBI: TACGTA) was introduced at a position where the encoded amino acid did not change. The base sequence of the mutation-introducing primer is as follows. The underline indicates the restriction enzyme site, and the lower case letter indicates the mutation introduction codon.
Y367A-F: 5'-GTGAACCCAAGTCCAgccATGGCA TACGTA CAGGCAAGAGGC-3 '(SEQ ID NO: 2)
Y367A-R: 5'-GCCTCTTGCCTG TACGTA TGCCATggcTGGACTTGGGTTCAC-3 '(SEQ ID NO: 3)
The 16th to 18th gcc (alanine, A) and 25th to 30th TACGTA (SnaBI site) of primer Y367A-F were designed from the TAC (tyrosine, Y) and TATGTA sequences of wild type OASA2, respectively. . By using TAC as GCC, the 367th tyrosine residue of wild-type OASA2 is replaced with an alanine residue. In addition, when TATGTA is changed to TACGTA, a restriction enzyme site (SnaBI: TACGTA) is introduced without amino acid substitution (both TAT and TAC are tyrosine), thereby facilitating selection after mutagenesis. Primer Y367A-R is the complementary strand of primer Y367A-F.

ii)367番目のチロシンをイソロイシンに置換
上記i)と同様に、OASA2の367番目のチロシン残基をアラニン残基にアミノ酸置換し、かつ、コードするアミノ酸が変化しない位置に制限酵素サイト(SnaBI:TACGTA)を導入するように変異導入プライマーをデザインした。変異導入用プライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線は制限酵素サイトを示し、小文字は変異導入コドンを示す。
Y367I-F:5'-GTGAACCCAAGTCCAatcATGGCATACGTACAGGCAAGAGGC-3'(配列番号4)
Y367I-R:5'-GCCTCTTGCCTGTACGTATGCCATgatTGGACTTGGGTTCAC-3'(配列番号5)
iii)367番目のチロシンをフェニルアラニンに置換
上記i)と同様に、OASA2の367番目のチロシン残基をフェニルアラニン残基にアミノ酸置換し、かつ、コードするアミノ酸が変化しない位置に制限酵素サイト(SnaBI:TACGTA)を導入するように変異導入プライマーをデザインした。変異導入用プライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線は制限酵素サイトを示し、小文字は変異導入コドンを示す。
Y367F-F:5'-GTGAACCCAAGTCCAttcATGGCATACGTACAGGCAAGAGGC-3'(配列番号6)
Y367F-R:5'-GCCTCTTGCCTGTACGTATGCCATgaaTGGACTTGGGTTCAC-3'(配列番号7)
iv)530番目のロイシンをアスパラギン酸に置換
上記i)と同様に、OASA2の530番目のロイシン残基をアスパラギン酸残基にアミノ酸置換し、かつ、コードするアミノ酸が変化しない位置に制限酵素サイト(NheI:GCTAGC)を導入するように変異導入プライマーをデザインした。変異導入用プライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線は制限酵素サイトを示し、小文字は変異導入コドンを示す。
L530D-F:5'-ACGGAGACATGgacATCGCGCTAGCACTCCGCACCATT-3'(配列番号8)
L530D-R:5'-AATGGTGCGGAGTGCTAGCGCGATgtcCATGTCTCCGT-3'(配列番号9)
v)367番目のチロシンをバリンに置換
上記i)と同様に、OASA2の367番目のチロシン残基をバリン残基にアミノ酸置換し、かつ、コードするアミノ酸が変化しない位置に制限酵素サイト(SnaBI:TACGTA)を導入するように変異導入プライマーをデザインした。変異導入用プライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線は制限酵素サイトを示し、小文字は変異導入コドンを示す。
Y367V-F:5'-GTGAACCCAAGTCCAgtcATGGCATACGTACAGGCAAGAGGC-3'(配列番号10)
Y367V-R:5'-GCCTCTTGCCTGTACGTATGCCATgacTGGACTTGGGTTCAC-3'(配列番号11)
<Split-PCR用のプライマー>
OASA2はイネの核ゲノム上にコードされている遺伝子であるが、合成されたタンパク質は葉緑体に移行して葉緑体内で機能していることが判っている。合成されたタンパク質のN末端領域には葉緑体へ移行するためのシグナル配列が存在し、その配列が除去されることで成熟型酵素となり、酵素活性を発揮する。したがって、OASA2を成熟型酵素としてコムギ胚芽無細胞合成系で合成するため、N末端領域に存在する49残基からなるシグナル配列を除去した形で合成されるようにプライマーをデザインした。すなわち、コムギ胚芽無細胞合成システムでSplit-PCRを可能とするリンカー配列の下流にATG開始コドンを配し、OASA2遺伝子の148から164番目の塩基配列からなる全長36merのプライマーをデザインした。また、OASA2が挿入されているベクター(pBluescript SK+)上に上記センスSplit-PCR用プライマーの相補鎖側の位置にSplit-PCR用アンチセンスプライマーを2種類設定した。挿入DNAの位置から遠い順にアンチセンスSplit-PCR用プライマー1およびアンチセンスSplit-PCR用プライマー2とした。Split-PCR用のプライマーの塩基配列は下記の通りである。
センスSplit-PCR用プライマー:5'-CCTCTTCCAGGGCCCAATGTGCTCCGCGGGGAAGCC-3'(配列番号12、下線部分がリンカー配列)
アンチセンスSplit-PCR用プライマー1:5'-GGAGAAAGGCGGACAGGTAT-3'(配列番号13)
アンチセンスSplit-PCR用プライマー2:5'-GGGGAAACGCCTGGTATCTT-3'(配列番号14)
<PCRによる変異導入用DNAの調製>
OASA2遺伝子が変異導入用のプライマー領域でオーバーラップするように5'側領域と3'側領域に分けてPCRを行った。例えば、上記 i)に記載した367番目のチロシンをアラニンに置換するため変異導入用プライマーを用いる場合には、5'側領域はpBS-OASA2ベクターを鋳型とし、センスSplit-PCR用プライマーおよびプライマーY367A-Rの組み合わせでPCRを行い、3'側領域はpBS-OASA2ベクターを鋳型とし、プライマーY367A-FおよびアンチセンスSplit-PCR用プライマー1との組み合わせでPCRを行った。上記 ii)、iii)、iv)に記載の変異導入用プライマーを用いる場合も上記と同一の鋳型を用い、同様のプライマーの組み合わせによりPCRを行った。
ii) Substitution of 367th tyrosine with isoleucine Similar to i) above, the 367th tyrosine residue of OASA2 is amino acid substituted with an alanine residue, and the restriction enzyme site (SnaBI: A mutagenesis primer was designed to introduce TACGTA). The base sequence of the mutation-introducing primer is as follows. The underline indicates the restriction enzyme site, and the lower case letter indicates the mutation introduction codon.
Y367I-F: 5'-GTGAACCCAAGTCCAatcATGGCA TACGTA CAGGCAAGAGGC-3 '(SEQ ID NO: 4)
Y367I-R: 5'-GCCTCTTGCCTG TACGTA TGCCATgatTGGACTTGGGTTCAC-3 '(SEQ ID NO: 5)
iii) Substitution of 367th tyrosine with phenylalanine As in i) above, the 367th tyrosine residue of OASA2 is amino acid substituted with a phenylalanine residue, and the restriction enzyme site (SnaBI: A mutagenesis primer was designed to introduce TACGTA). The base sequence of the mutation-introducing primer is as follows. The underline indicates the restriction enzyme site, and the lower case letter indicates the mutation introduction codon.
Y367F-F: 5'-GTGAACCCAAGTCCAttcATGGCA TACGTA CAGGCAAGAGGC-3 '(SEQ ID NO: 6)
Y367F-R: 5'-GCCTCTTGCCTG TACGTA TGCCATgaaTGGACTTGGGTTCAC-3 '(SEQ ID NO: 7)
iv) Substitution of 530th leucine with aspartic acid In the same manner as in i) above, the 530th leucine residue of OASA2 was substituted with an aspartic acid residue, and the restriction enzyme site ( NheI: GCTAGC) was designed to introduce a mutagenesis primer. The base sequence of the mutation-introducing primer is as follows. The underline indicates the restriction enzyme site, and the lower case letter indicates the mutation introduction codon.
L530D-F: 5'-ACGGAGACATGgacATCGC GCTAGC ACTCCGCACCATT-3 '(SEQ ID NO: 8)
L530D-R: 5'-AATGGTGCGGAGT GCTAGC GCGATgtcCATGTCTCCGT-3 '(SEQ ID NO: 9)
v) Substitution of 367th tyrosine with valine As in i) above, the 367th tyrosine residue of OASA2 is amino acid substituted with a valine residue, and the restriction amino acid site (SnaBI: A mutagenesis primer was designed to introduce TACGTA). The base sequence of the mutation-introducing primer is as follows. The underline indicates the restriction enzyme site, and the lower case letter indicates the mutation introduction codon.
Y367V-F: 5'-GTGAACCCAAGTCCAgtcATGGCA TACGTA CAGGCAAGAGGC-3 '(SEQ ID NO: 10)
Y367V-R: 5'-GCCTCTTGCCTG TACGTA TGCCATgacTGGACTTGGGTTCAC-3 '(SEQ ID NO: 11)
<Primers for Split-PCR>
OASA2 is a gene encoded in the rice nuclear genome, but it has been found that the synthesized protein moves to the chloroplast and functions in the chloroplast. The synthesized protein has a signal sequence for transferring to the chloroplast in the N-terminal region. When the sequence is removed, it becomes a mature enzyme and exhibits enzyme activity. Therefore, in order to synthesize OASA2 as a mature enzyme in a wheat germ cell-free synthesis system, primers were designed so that the 49-residue signal sequence present in the N-terminal region was removed. That is, an ATG initiation codon was placed downstream of a linker sequence enabling Split-PCR in a wheat germ cell-free synthesis system, and a 36-mer primer consisting of the 148th to 164th base sequences of the OASA2 gene was designed. In addition, two types of antisense primers for Split-PCR were set on the complementary strand side of the sense Split-PCR primer on a vector (pBluescript SK +) in which OASA2 was inserted. Antisense Split-PCR primer 1 and antisense Split-PCR primer 2 were used in order from the position of the inserted DNA. The base sequences of the primers for Split-PCR are as follows.
Sense Split-PCR primer: 5'- CCTCTTCCAGGGCCCA ATGTGCTCCGCGGGGAAGCC-3 '(SEQ ID NO: 12, underlined is linker sequence)
Antisense Split-PCR Primer 1: 5'-GGAGAAAGGCGGACAGGTAT-3 '(SEQ ID NO: 13)
Antisense Split-PCR Primer 2: 5'-GGGGAAACGCCTGGTATCTT-3 '(SEQ ID NO: 14)
<Preparation of DNA for mutation introduction by PCR>
PCR was performed separately on the 5 ′ side region and the 3 ′ side region so that the OASA2 gene overlapped with the primer region for mutagenesis. For example, when using a mutagenesis primer for substituting the 367th tyrosine described in i) above with alanine, the 5′-side region uses the pBS-OASA2 vector as a template, the sense Split-PCR primer and the primer Y367A. PCR was performed with a combination of -R, and the 3 'region was pBS-OASA2 vector as a template, and PCR was performed with a combination of primer Y367A-F and antisense Split-PCR primer 1. When using the mutation-introducing primers described in the above ii), iii), and iv), PCR was carried out using the same template and the same primer combination.

上記 v)に記載の変異導入用プライマーを用いる場合は、鋳型としてpBS-OASA2ベクターに後述するKunkel法でOASA2の530番目のロイシン残基をアラニン残基にアミノ酸置換する変異を既に導入したプラスミドDNAを用いた。したがって、上記 v)に記載の変異導入用プライマー(Y367V-FおよびY367V-R)を用いてPCRを行うことにより、OASA2の367番目のチロシン残基をバリン残基にアミノ酸置換し、530番目のロイシン残基をアラニン残基にアミノ酸置換する2つの変異が導入された変異遺伝子が得られることになる。なお、プライマーの組み合わせは上記と同様である。   When using the mutation-introducing primer described in v) above, plasmid DNA in which a mutation for amino acid substitution of the 530th leucine residue of OASA2 to an alanine residue by the Kunkel method described later is used as a template in the pBS-OASA2 vector. Was used. Therefore, by performing PCR using the mutation-introducing primers (Y367V-F and Y367V-R) described in v) above, the 367th tyrosine residue of OASA2 was amino acid-substituted, and the 530th amino acid was substituted. A mutant gene into which two mutations for amino acid substitution of leucine residues to alanine residues are introduced is obtained. The combination of primers is the same as described above.

PCR反応液の組成は、1× Pyrobest buffer II (TaKaRa社)、0.2mM dNTP、0.5μM センス及びアンチセンスプライマー、0.025 units/μl Pyrobest DNA polymerase (TaKaRa社)、10ng 鋳型DNA (pBS-OASA2ベクター)とし、PCR反応装置(宝酒造社製、TaKaRa PCR Thermal Cycler MP TP3000型)を用いて、95℃で2分間保持した後、98℃で20秒間、60℃で35秒間、72℃で3分間の反応を25サイクル繰り返し、72℃で10分保持した後4℃に冷却した。   The composition of the PCR reaction solution was 1 × Pyrobest buffer II (TaKaRa), 0.2 mM dNTP, 0.5 μM sense and antisense primers, 0.025 units / μl Pyrobest DNA polymerase (TaKaRa), 10 ng template DNA (pBS-OASA2 vector) Using a PCR reaction device (TaKaRa PCR Thermal Cycler MP TP3000 type, manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd.), hold at 95 ° C for 2 minutes, then react at 98 ° C for 20 seconds, 60 ° C for 35 seconds, and 72 ° C for 3 minutes. Was repeated for 25 cycles, held at 72 ° C. for 10 minutes, and then cooled to 4 ° C.

増幅したPCR産物(5'領域断片および3'領域断片)を20倍希釈し、PCR反応液[1× EX Taq buffer (TaKaRa社)、0.2mM dNTP、0.025 units/μl TaKaRa EX Taq (TaKaRa社)]に1μlずつ添加し、上記PCR反応装置を用いて、95℃で2分間保持した後、98℃で20秒間、60℃で35秒間、72℃で3分間の反応を5サイクル繰り返し、伸長反応を行った。この反応によりセンスSplit-PCR用プライマーからアンチセンスSplit-PCR用プライマー1まで連結されたDNA断片が合成された。   Amplified PCR product (5 'region fragment and 3' region fragment) is diluted 20 times, and PCR reaction solution (1x EX Taq buffer (TaKaRa), 0.2 mM dNTP, 0.025 units / μl TaKaRa EX Taq (TaKaRa)) 1 μl at a time, using the above PCR reactor, hold at 95 ° C for 2 minutes, then repeat the reaction for 5 cycles of 98 ° C for 20 seconds, 60 ° C for 35 seconds, and 72 ° C for 3 minutes. Went. By this reaction, a DNA fragment ligated from the sense Split-PCR primer to the antisense Split-PCR primer 1 was synthesized.

上記反応終了後すぐに、プライマーの終濃度がそれぞれ0.2μMになるようにセンスSplit-PCR用プライマーおよびアンチセンスSplit-PCR用プライマー1を添加し、上記PCR反応装置を用いて、95℃で2分間保持した後、98℃で20秒間、60℃で35秒間、72℃で3分間の反応を20サイクル繰り返し、72℃で10分保持した後4℃に冷却した。以上の反応により、上記センスSplit-PCR用プライマーからアンチセンスSplit-PCR用プライマー1まで連結されたDNA断片が増幅され、これを次に行うSplit-PCRの鋳型とした。   Immediately after the completion of the reaction, the sense split-PCR primer and the antisense split-PCR primer 1 were added so that the final concentration of each primer was 0.2 μM, and 2 ° C. at 95 ° C. using the PCR reaction apparatus. After holding for 20 minutes, the reaction of 98 ° C. for 20 seconds, 60 ° C. for 35 seconds and 72 ° C. for 3 minutes was repeated 20 cycles, held at 72 ° C. for 10 minutes, and then cooled to 4 ° C. As a result of the above reaction, a DNA fragment linked from the sense Split-PCR primer to the antisense Split-PCR primer 1 was amplified and used as a template for the next Split-PCR.

(2)Kunkel法による変異導入
Kunkel法は、下記の参考文献1−3に記載の方法にしたがって行った。
(2) Mutation introduction by Kunkel method
The Kunkel method was performed according to the method described in Reference Literature 1-3 below.

参考文献1:Kunkel, T. A. (1985) Rapid and efficient site-specific mutagenesis without phenotypic selection. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 82: 488-492.
参考文献2:Kunkel, T. A., Bebenek, K. and McClary, J. (1991) Efficient site-directed mutagenesis using uracil-containing DNA. Methods in Enzymology, 204: 125-139.
参考文献3:「Molecular Cloning (Third Edition)」 (J. Sambrook & D. W. Russell, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001) Chapter 13
なお、用いた変異導入用プライマーは上記PCR法による変異導入において用いたプライマーと同一である。さらに、配列番号2〜11に示していない変異導入法プライマーとして以下のプライマーを使用した。なお、下線は制限酵素サイト(NheI: GCTAGC)を示し、小文字は変異導入コドンを示す。
L530A-F:5'-ACGGAGACATGgctATCGCGCTAGCACTCCGCACCATT-3'(配列番号15)
L530A-R:5'-AATGGTGCGGAGTGCTAGCGCGATagcCATGTCTCCGT-3'(配列番号16)
Kunkel法により変異が導入されたOASA2をコードする遺伝子をpBluescript SK+に挿入し、上記センスSplit-PCR用プライマーおよびアンチセンスSplit-PCR用プライマー1を用いてPCRを行い、増幅されたDNA断片を次に行うSplit-PCRの鋳型とした。
Reference 1: Kunkel, TA (1985) Rapid and efficient site-specific mutagenesis without phenotypic selection. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 82: 488-492.
Reference 2: Kunkel, TA, Bebenek, K. and McClary, J. (1991) Efficient site-directed mutagenesis using uracil-containing DNA. Methods in Enzymology, 204: 125-139.
Reference 3: “Molecular Cloning (Third Edition)” (J. Sambrook & DW Russell, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001) Chapter 13
The mutagenesis primers used are the same as those used in the mutagenesis by the PCR method. Further, the following primers were used as mutation introduction primers not shown in SEQ ID NOs: 2 to 11. The underline indicates a restriction enzyme site (NheI: GCTAGC), and the lower case letter indicates a mutagenesis codon.
L530A-F: 5'-ACGGAGACATGgctATCGC GCTAGC ACTCCGCACCATT-3 '(SEQ ID NO: 15)
L530A-R: 5'-AATGGTGCGGAGT GCTAGC GCGATagcCATGTCTCCGT-3 '(SEQ ID NO: 16)
A gene encoding OASA2 into which mutation has been introduced by the Kunkel method is inserted into pBluescript SK +, PCR is performed using the above-described sense split-PCR primer and antisense split-PCR primer 1, and the amplified DNA fragment is This was used as a template for Split-PCR.

(3)Split-PCR法による転写鋳型DNAの合成
上記(1)PCR法または(2)Kunkel法で得られた断片(Split-PCR用鋳型DNA)を転写鋳型DNAとするためには、断片の5'末端上流にSP6 RNAポリメラーゼのプロモーターとタバコモザイクウイルス(TMV)由来の翻訳増強配列(オメガ配列)を付加する必要がある。そのため、Sawasakiらの方法(Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci U S A 99, 14652-14657)に従い、Split-PCRを行った。すなわち、上記(1)PCR法または(2)Kunkel法で得られたSplit-PCR用鋳型DNAを50倍希釈し、PCR反応液[1× EX Taq buffer (TaKaRa社)、0.2mM dNTP、0.025 units/μl TaKaRa EX Taq (TaKaRa社)、0.2μM SP6 promoterプライマー、1nM TMV-Omegaプライマー、0.2μM アンチセンスSplit-PCR用プライマー2]に1μl添加し、上記PCR反応装置を用いて、95℃で2分間保持した後、98℃で20秒間、60℃で35秒間、72℃で3分間の反応を35サイクル繰り返し、72℃で10分保持した後4℃に冷却した。SP6 promoterプライマーおよびTMV-Omegaプライマーの塩基配列は下記の通りである。なお、下線はSP6プロモーター配列を示し、小文字は両プライマーの重複部分を示す。
SP6 promoterプライマー:5'-GCGTAGCATTTAggtgacact-3'(配列番号17)
TMV-Omegaプライマー:5'-ggtgacactATAGAAGTATTTTTACAACAATTACCAACAACAACAACAAACAACAACAACATTACATTTTACATTCTACAACTACCTCTTCCAGGGCCCAATG-3'(配列番号18)
(4)コムギ胚芽無細胞システム用のmRNAの合成
上記(3)で得られたPCR産物を直接鋳型として用いてmRNAを合成(転写)した。すなわち、上記(3)で得られたPCR産物を、転写反応液[80mM HEPES-KOH (pH7.8)、16mM Mg(OAc)2、10mM spermidine、10mM DTT、3mM NTP、1 unit/μl RNasin RNase inhibitor (Promega社)、1 unit/μl SP6 RNA polymerase (Promega社)]に1/10量添加した。37℃で2時間反応後、エタノール沈殿、70% エタノール洗浄を行い、適当量の滅菌水に溶解した。260 nmの吸光度を測定してRNA量を算出した。
(3) Synthesis of transcription template DNA by Split-PCR method In order to use the fragment (Split-PCR template DNA) obtained by the above (1) PCR method or (2) Kunkel method as a transcription template DNA, It is necessary to add a promoter of SP6 RNA polymerase and a translation enhancement sequence (omega sequence) derived from tobacco mosaic virus (TMV) upstream of the 5 ′ end. Therefore, Split-PCR was performed according to the method of Sawasaki et al. (Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci USA 99, 14652-14657). Specifically, the Split-PCR template DNA obtained by the above (1) PCR method or (2) Kunkel method was diluted 50-fold, and PCR reaction solution [1 × EX Taq buffer (TaKaRa), 0.2 mM dNTP, 0.025 units / μl TaKaRa EX Taq (TaKaRa), 0.2 μM SP6 promoter primer, 1 nM TMV-Omega primer, 0.2 μM antisense Split-PCR primer 2] is added at 1 μl, and 2 times at 95 ° C. using the above PCR reaction apparatus. After holding for 30 minutes, the reaction of 98 ° C. for 20 seconds, 60 ° C. for 35 seconds, and 72 ° C. for 3 minutes was repeated 35 cycles, held at 72 ° C. for 10 minutes, and then cooled to 4 ° C. The base sequences of SP6 promoter primer and TMV-Omega primer are as follows. The underline indicates the SP6 promoter sequence, and the lowercase letter indicates the overlapping part of both primers.
SP6 promoter primer: 5'-GCGTAGC ATTTAggtgacact- 3 '(SEQ ID NO: 17)
TMV-Omega primer: 5'- ggtgacactATAGAA GTATTTTTACAACAATTACCAACAACAACAACAAACAACAACAACATTACATTTTACATTCTACAACTACCTCTTCCAGGGCCCAATG-3 '(SEQ ID NO: 18)
(4) Synthesis of mRNA for wheat germ cell-free system mRNA was synthesized (transcribed) using the PCR product obtained in (3) above directly as a template. That is, the PCR product obtained in (3) above was transcribed into a transcription reaction solution [80 mM HEPES-KOH (pH 7.8), 16 mM Mg (OAc) 2, 10 mM spermidine, 10 mM DTT, 3 mM NTP, 1 unit / μl RNasin RNase. 1/10 amount of inhibitor (Promega), 1 unit / μl SP6 RNA polymerase (Promega)]. After reaction at 37 ° C. for 2 hours, ethanol precipitation and 70% ethanol washing were performed, and the product was dissolved in an appropriate amount of sterile water. The amount of RNA was calculated by measuring the absorbance at 260 nm.

(5)コムギ胚芽無細胞システムによるタンパク質合成
Sawasakiらの方法(Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci U S A 99, 14652-14657)に従って上記(6)で合成したmRNAを鋳型としてタンパク質を合成した。すなわち、50μlのコムギ胚芽無細胞タンパク質合成液を入れた透析カップに上記mRNA(約30-35μg)を添加し、1ウェルあたり1mlの基質液を入れた24穴プレートに上記透析カップを浸漬し、26℃で24時間インキュベートした。
(5) Protein synthesis by wheat germ cell-free system
According to the method of Sawasaki et al. (Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci USA 99, 14652-14657), a protein was synthesized using the mRNA synthesized in the above (6) as a template. That is, the mRNA (about 30-35 μg) was added to a dialysis cup containing 50 μl of wheat germ cell-free protein synthesis solution, and the dialysis cup was immersed in a 24-well plate containing 1 ml of substrate solution per well. Incubated at 26 ° C for 24 hours.

(6)OASA2の活性測定
イネアントラニル酸シンターゼのαサブユニットであるOASA2は、βサブユニットが供給するグルタミンのアミド基由来のアンモニアを利用してコリスミン酸からアントラニル酸を生成する。生体内でOASA2は、βサブユニットが供給するアンモニアを利用してアントラニル酸合成活性(以下、適宜「AS活性」と略記する。)を発揮するが、外部よりアンモニア、例えばNH4Clを添加することでも酵素活性を示す。
(6) Activity measurement of OASA2 OASA2, which is the α subunit of rice anthranilate synthase, produces anthranilic acid from chorismate using ammonia derived from the amide group of glutamine supplied by the β subunit. In vivo, OASA2 exhibits anthranilic acid synthesizing activity (hereinafter abbreviated as “AS activity” where appropriate) using ammonia supplied by the β subunit, but ammonia such as NH 4 Cl is added from the outside. It also shows enzyme activity.

OASA2の活性は、周知の通りトリプトファンによってフィードバック抑制がかかるので、上記(5)のタンパク質合成反応液中からトリプトファンの除去は必須であり、また発現させたタンパク質の環境をAS活性測定用の緩衝液成分に変える必要がある。したがって、タンパク質合成反応液の成分をMicrospin G-25 columns(Amersham Biosciences社製)を用いてbuffer A(50mM Tris-HCl, pH7.6; 0.05mM EDTA; 2mM MgCl2; 0.05mM DTT; 5% グリセロール)に置換した。   Since OASA2 activity is feedback-suppressed by tryptophan as is well known, it is essential to remove tryptophan from the protein synthesis reaction solution described in (5) above, and the environment of the expressed protein is used as a buffer for measuring AS activity. It is necessary to change into ingredients. Therefore, buffer A (50 mM Tris-HCl, pH7.6; 0.05 mM EDTA; 2 mM MgCl2; 0.05 mM DTT; 5% glycerol) using Microspin G-25 columns (manufactured by Amersham Biosciences) Replaced with

酵素活性は、90μlの反応液(20mM Tris-HCl, pH8.3; 100mM NH4Cl, 0.5mM コリスミン酸; 10mM MgCl2)にbuffer 置換した粗抽出液を2.5μl添加して、32℃で1時間反応させた。反応は10μlの1N HClを添加することで停止させ、300μlの酢酸エチルを添加して合成したアントラニル酸を抽出した。アントラニル酸の合成量は、Wallac 1420 ARVOsx-FL(パーキンエルマーライフサイエンスジャパン社製)を用いて励起波長355 nm/蛍光(emmision)460 nmで測定した。トリプトファンに対するフィードバック阻害活性を解析する場合、反応系に終濃度10μMまたは100μMになるようにトリプトファンを添加した。 Enzyme activity was determined by adding 2.5 μl of a crude extract solution substituted with 90 μl of reaction solution (20 mM Tris-HCl, pH 8.3; 100 mM NH 4 Cl, 0.5 mM chorismic acid; 10 mM MgCl 2 ) at 32 ° C. Reacted for hours. The reaction was stopped by adding 10 μl of 1N HCl, and the synthesized anthranilic acid was extracted by adding 300 μl of ethyl acetate. The synthesis amount of anthranilic acid was measured using Wallac 1420 ARVOsx-FL (manufactured by Perkin Elmer Life Science Japan) at an excitation wavelength of 355 nm / fluorescence (emmision) of 460 nm. When analyzing the feedback inhibitory activity against tryptophan, tryptophan was added to the reaction system to a final concentration of 10 μM or 100 μM.

(7)結果
結果を図3に示した。図3から明らかなように、変異導入方法がPCR法であっても、Kunkel法であっても、同一の変異が導入されたOASA2はほぼ同様の活性を示した。また、OASA2の367番目のチロシン残基をアラニン残基、イソロイシン残基、またはフェニルアラニン残基にアミノ酸置換したOASA2変異体は、OASA2野生型と比較して活性は低いがフィードバック阻害を受けない変異体であることが判った。OASA2の367番目の530番目のロイシン残基をアスパラギン酸残基にアミノ酸置換したOASA2変異体は、フィードバック阻害を受けるがOASA2野生型と比較して活性が高い変異体であることが判った。さらに、OASA2の367番目のチロシン残基をバリン残基にアミノ酸置換し、530番目のロイシン残基をアラニン残基にアミノ酸置換したOASA2変異体は、367番目のみに変異を有する変異体より活性が高くフィードバック阻害を受けない変異体であることが判った。
(7) Results The results are shown in FIG. As is apparent from FIG. 3, OASA2 into which the same mutation was introduced showed almost the same activity regardless of whether the mutation introduction method was the PCR method or the Kunkel method. The OASA2 mutant in which the 367th tyrosine residue of OASA2 is substituted with an alanine residue, isoleucine residue or phenylalanine residue is less active than OASA2 wild type but does not undergo feedback inhibition It turned out that. The OASA2 mutant in which the 367th 530th leucine residue of OASA2 was substituted with an aspartic acid residue was found to be a mutant that was subject to feedback inhibition but was more active than the OASA2 wild type. Furthermore, the OASA2 mutant in which the 367th tyrosine residue of OASA2 is amino acid substituted with a valine residue and the 530th leucine residue is amino acid substituted with an alanine residue is more active than a mutant having a mutation only at the 367th position. It was found that the mutant was not highly susceptible to feedback inhibition.

本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法は、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて合成可能な全てのタンパク質に適用できる。したがって、全ての分野の生物学研究および生物関連産業に利用することができる。特に、医療・医薬関連産業、農業、畜産業、食品産業、化学産業等での利用により、利用価値の高い多数の有用タンパク質の誕生に貢献することが期待される。   The protein functional modification screening method according to the present invention can be applied to all proteins that can be synthesized using a wheat germ cell-free protein synthesis system. Therefore, it can be used for biological research and biological related industries in all fields. In particular, it is expected to contribute to the birth of a large number of useful proteins with high utility value through use in medical / pharmaceutical industries, agriculture, livestock industry, food industry, chemical industry, and the like.

Sawasakiら(Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci U S A 99, 14652-14657)のSplit-PCR法の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of Split-PCR method of Sawasaki et al. (Sawasaki et al. (2002) Proc Natl Acad Sci USA 99, 14652-14657). 本発明に係るタンパク質の機能改変スクリーニング方法において、変異導入および転写鋳型DNA作製を一連に行う方法の手順を示す図である。In the protein functional modification screening method according to the present invention, it is a diagram showing a procedure of a method for performing a series of mutation introduction and transcription template DNA production. 本発明に係るスクリーニング方法を用いて、イネアントラニル酸シンターゼ第2アイソザイムαサブユニットの機能改変をスクリーニングした結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having screened the functional modification | change of the rice anthranilate synthase 2nd isozyme alpha subunit using the screening method which concerns on this invention.

Claims (13)

機能を改変するために人為的に導入した変異を有するタンパク質のスクリーニング方法であって、
目的のタンパク質をコードする遺伝子に少なくとも1以上のアミノ酸が置換、欠失、挿入および/または付加されるように変異を導入する変異導入工程と、
得られた変異遺伝子に基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて変異タンパク質を合成するタンパク質合成工程と、
得られたタンパク質の機能をスクリーニングするスクリーニング工程とからなるタンパク質の機能改変スクリーニング方法。
A method for screening a protein having a mutation artificially introduced to modify its function,
A mutagenesis step of introducing a mutation so that at least one or more amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added to a gene encoding the protein of interest;
A protein synthesis step of synthesizing a mutant protein using a wheat germ cell-free protein synthesis system based on the obtained mutant gene;
A protein functional modification screening method comprising a screening step for screening the function of the obtained protein.
上記タンパク質合成工程は、in vitro 転写によりmRNAを合成するための鋳型DNAを作製する転写鋳型DNA作製工程と、
得られた転写鋳型DNAに基づいてin vitro 転写によりmRNAを合成するmRNA合成工程と、
得られたmRNAに基づいてコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いてタンパク質に翻訳する翻訳工程とからなることを特徴とする請求項1に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。
The protein synthesis step includes a transcription template DNA production step for producing a template DNA for synthesizing mRNA by in vitro transcription,
An mRNA synthesis step of synthesizing mRNA by in vitro transcription based on the obtained transcription template DNA;
The protein functional modification screening method according to claim 1, further comprising a translation step of translating into a protein using a wheat germ cell-free protein synthesis system based on the obtained mRNA.
上記変異導入工程において、PCR法を用いることを特徴とする請求項1または2に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。   The protein functional modification screening method according to claim 1 or 2, wherein a PCR method is used in the mutation introducing step. 上記タンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程において、PCR法を用いることを特徴とする請求項2または3に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。   4. The protein functional modification screening method according to claim 2 or 3, wherein a PCR method is used in the transcription template DNA preparation step of the protein synthesis step. 上記変異導入工程およびタンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程のいずれの工程においてもPCR法を用い、両工程を一連の工程として行うことを特徴とする請求項2に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。   3. The protein functional modification screening method according to claim 2, wherein PCR is used in any of the mutation introduction step and the transcription template DNA preparation step of the protein synthesis step, and both steps are performed as a series of steps. . 上記変異導入工程およびタンパク質合成工程の転写鋳型DNA作製工程において、
目的のタンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクターを鋳型とし、
目的のタンパク質をコードする遺伝子の変異を導入しようとする部分の配列に基づくセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとその相補配列からなるアンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドをプライマーとして用い、
目的のタンパク質をコードする遺伝子の翻訳を開始する部分の塩基配列の5’末端にリンカー配列を結合したセンスプライマーと上記アンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとの組み合わせによるPCRと、上記センス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドと目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行い、
上記2組のPCR産物を混合してDNA合成酵素による伸長反応により、上記リンカー配列から目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列までのDNA断片を作製し、
上記DNA断片を鋳型として、in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーと、上記鋳型DNA断片に含まれるベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行うことにより、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系で変異タンパク質を合成するために用いるmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製することを特徴とする請求項5に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。
In the transcription template DNA preparation step of the mutation introduction step and protein synthesis step,
Using a vector into which a gene encoding the target protein is inserted as a template,
Using a sense strand mutagenesis oligonucleotide based on the sequence of the portion of the gene encoding the target protein to be introduced and an antisense strand mutagenesis oligonucleotide consisting of its complementary sequence as primers,
PCR using a combination of a sense primer in which a linker sequence is linked to the 5 ′ end of the base sequence of the portion that initiates translation of the gene encoding the target protein and the antisense strand mutagenesis oligonucleotide; Perform PCR by combining the oligonucleotide for mutagenesis and the antisense primer based on the vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest,
A DNA fragment from the linker sequence to a vector sequence located downstream of the gene encoding the target protein is prepared by mixing the two sets of PCR products and extending with a DNA synthase,
By using the above DNA fragment as a template and performing PCR with a combination of a sense primer containing a promoter sequence for in vitro transcription and the above linker sequence and an antisense primer based on the vector sequence contained in the above template DNA fragment, wheat germ is eliminated. 6. The protein functional modification screening method according to claim 5, wherein a transcription template DNA for synthesizing mRNA used for synthesizing a mutant protein in a cellular protein synthesis system is prepared.
上記in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーには、さらに上記両配列の中間の位置に翻訳増強配列を含むことを特徴とする請求項6に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。   7. The protein functional modification screening method according to claim 6, wherein the sense primer comprising the in vitro transcription promoter sequence and the linker sequence further comprises a translation enhancing sequence at an intermediate position between the two sequences. in vitro 転写用プロモーター配列、翻訳増強配列、およびリンカー配列を含むセンスプライマーは、上流側プライマーと下流側プライマーとに分割したプライマーであり、上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複するプライマーであることを特徴とする請求項7に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法。   The sense primer containing an in vitro transcription promoter sequence, a translation enhancing sequence, and a linker sequence is a primer divided into an upstream primer and a downstream primer, and the sequence at the 3 ′ end of the upstream primer is 5 of the downstream primer. The method for screening for functional modification of a protein according to claim 7, wherein the primer is a primer overlapping with the sequence at the end. コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系で変異タンパク質を合成するために用いるmRNAを合成するための転写鋳型DNAを作製する方法であって、
目的のタンパク質をコードする遺伝子が挿入されたベクターを鋳型とし、
目的のタンパク質をコードする遺伝子の変異を導入しようとする部分の配列に基づくセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとその相補配列からなるアンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドをプライマーとして用い、
目的のタンパク質をコードする遺伝子の翻訳を開始する部分の塩基配列の5’末端にリンカー配列を結合したセンスプライマーと上記アンチセンス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドとの組み合わせによるPCRと、上記センス鎖の変異導入用オリゴヌクレオチドと目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行い、
上記2組のPCR産物を混合してDNA合成酵素による伸長反応により、上記リンカー配列から目的のタンパク質をコードする遺伝子の下流に位置するベクター配列までのDNA断片を作製し、
上記DNA断片を鋳型として、in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーと、上記鋳型DNA断片に含まれるベクター配列に基づくアンチセンスプライマーとの組み合わせによるPCRを行うことを特徴とする転写鋳型DNAの作製方法。
A method for preparing a transcription template DNA for synthesizing mRNA used for synthesizing a mutant protein in a wheat germ cell-free protein synthesis system,
Using a vector into which a gene encoding the target protein is inserted as a template,
Using a sense strand mutagenesis oligonucleotide based on the sequence of the portion of the gene encoding the target protein to be introduced and an antisense strand mutagenesis oligonucleotide consisting of its complementary sequence as primers,
PCR using a combination of a sense primer in which a linker sequence is linked to the 5 ′ end of the base sequence of the portion that initiates translation of the gene encoding the target protein and the antisense strand mutagenesis oligonucleotide; Perform PCR by combining the oligonucleotide for mutagenesis and the antisense primer based on the vector sequence located downstream of the gene encoding the protein of interest,
A DNA fragment from the linker sequence to a vector sequence located downstream of the gene encoding the target protein is prepared by mixing the two sets of PCR products and extending with a DNA synthase,
Transcription using the DNA fragment as a template and performing PCR by a combination of a sense primer containing a promoter sequence for in vitro transcription and the linker sequence and an antisense primer based on a vector sequence contained in the template DNA fragment A method for producing a template DNA.
上記in vitro 転写用プロモーター配列および上記リンカー配列を含むセンスプライマーには、さらに上記両配列の中間の位置に翻訳増強配列を含むことを特徴とする請求項9に記載の転写鋳型DNAの作製方法。   The method for producing a transcription template DNA according to claim 9, wherein the sense primer comprising the in vitro transcription promoter sequence and the linker sequence further comprises a translation enhancing sequence at an intermediate position between the two sequences. in vitro 転写用プロモーター配列、翻訳増強配列、およびリンカー配列を含むセンスプライマーは、上流側プライマーと下流側プライマーとに分割したプライマーであり、上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複するプライマーであることを特徴とする請求項10に記載の転写鋳型DNAの作製方法。   The sense primer containing an in vitro transcription promoter sequence, a translation enhancing sequence, and a linker sequence is a primer divided into an upstream primer and a downstream primer, and the sequence at the 3 ′ end of the upstream primer is 5 of the downstream primer. The method for producing a transcription template DNA according to claim 10, wherein the primer is a primer overlapping with a terminal sequence. 請求項8に記載のタンパク質の機能改変スクリーニング方法を実施するためのキットであって、少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素、in vitro 転写用緩衝液、RNA合成酵素、リボヌクレオシド三リン酸混合液、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成液、エネルギー/アミノ酸混合液、in vitro 翻訳用緩衝液、RNA分解酵素阻害剤を含むことを特徴とするタンパク質の機能改変スクリーニングキット。   A kit for carrying out the protein functional modification screening method according to claim 8, comprising at least a vector for inserting a target gene, an in vitro transcription promoter sequence and a translation enhancing sequence, and an upstream primer and a downstream side 2 types of sense primers which are divided into primers and the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlaps the 5 ′ end sequence of the downstream primer, an antisense primer based on the vector sequence, a PCR reaction buffer, deoxyribonucleoside 3 Phosphate mixed solution, thermostable DNA synthase, in vitro transcription buffer, RNA synthase, ribonucleoside triphosphate mixed solution, wheat germ cell-free protein synthesized solution, energy / amino acid mixed solution, in vitro translation buffer , A protein function characterized by containing an RNase inhibitor Strange screening kit. 請求項11に記載の転写鋳型DNAの作製方法を実施するためのキットであって、少なくとも目的遺伝子を挿入するためのベクター、in vitro 転写用プロモーター配列および翻訳増強配列を含み上流側プライマーと下流側プライマーとに分割され上流側プライマーの3’末端の配列が下流側プライマーの5’末端の配列と重複する2種類のセンスプライマー、ベクター配列に基づくアンチセンスプライマー、PCR反応用緩衝液、デオキシリボヌクレオシド三リン酸混合液、耐熱性DNA合成酵素を含むことを特徴とする転写鋳型DNA作製キット。


A kit for carrying out the method for producing a transcription template DNA according to claim 11, comprising at least a vector for inserting a target gene, an in vitro transcription promoter sequence and a translation enhancing sequence, an upstream primer and a downstream side 2 types of sense primers which are divided into primers and the 3 ′ end sequence of the upstream primer overlaps the 5 ′ end sequence of the downstream primer, an antisense primer based on the vector sequence, a PCR reaction buffer, deoxyribonucleoside 3 A transcription template DNA preparation kit comprising a phosphoric acid mixture and a heat-resistant DNA synthase.


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WO2012128260A1 (en) 2011-03-24 2012-09-27 旭硝子株式会社 TRANSFORMANT OF YEAST OF GENUS SCHIZOSACCHAROMYCES, METHOD FOR PRODUCING SAME, METHOD FOR PRODUCING β-GLUCOSIDASE, AND METHOD FOR DECOMPOSING CELLULOSE

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