JP2009291204A - Modification of fatty acid metabolism in plant - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に、ポリヒドロキシアルカノエート物質の産生のためのトランスジェニック植物系、トリグリセリドおよび脂肪酸の改変、ならびに植物での種子生産を変更するための方法の分野に関する。 The present invention relates generally to the field of transgenic plant systems for the production of polyhydroxyalkanoate materials, modification of triglycerides and fatty acids, and methods for altering seed production in plants.
作物栽培学的な作物についての安定なトランスジェニック植物を産生するための方法が、ここ最近15年にわたって開発されてきた。作物は、投入量および産出量の両方の形質を改良するために遺伝的に改変された。前者の形質において、特定の農薬に対する耐性が作物中で操作され、そして特定の天然の殺虫剤(例えば、Bacillus thuringenesisの毒素)が、植物中で直接発現された。ハイブリッド植物を産生するための、雄性不稔系の開発における有意な進歩もまた存在する。産出量の形質に関して、作物は、生産物、一般的には、植物の種子、穀粒または繊維の価値を増すために改変される。重要な代謝標的としては、デンプン、脂肪酸および油の生合成経路の改変が挙げられる。 Methods for producing stable transgenic plants for crop agronomic crops have been developed over the last 15 years. The crop was genetically modified to improve both input and output traits. In the former trait, resistance to specific pesticides was manipulated in crops, and specific natural insecticides (eg Bacillus thuringensis toxin) were expressed directly in plants. There are also significant advances in the development of male sterile lines to produce hybrid plants. With respect to yield traits, crops are modified to increase the value of the product, generally plant seeds, kernels or fibers. Important metabolic targets include modification of starch, fatty acid and oil biosynthetic pathways.
植物作物における微生物のポリヒドロキシアルカノエート(PHA)バイオポリマーの産生においてかなりの商業的な興味が存在する。例えば、PeoplesおよびSinskeyに対する米国特許第5,245,023号および同第5,250,430号;Brightらに対する米国特許第5,502,273号;PeoplesおよびSinskeyに対する米国特許第5,534,432号;Johnに対する米国特許第5,602,321号;Somervilleらに対する米国特許第5,610,041号;PCT WO91/00917;PCT WO92/19747;PCT WO93/02187;PCT WO93/02194;PCT WO94/12014;Poirierら、Science 256:520−23(1992);van der LeijおよびWitholt、Can.J.Microbiol.41(補遺):222−38(1995);NawrathおよびPoirier、The International Symposium on Bacterial Polyhydroxyalkanoate(Egginkら編)Davos Switzerland(1996年8月18〜23日);ならびにWilliamsおよびPeoples、CHEMTECH 26:38−44(1996)を参照のこと。PHAは、天然の、熱可塑性ポリエステルであり、そして非常に多くの適用(消費者包装、使い捨てダイアパーの裏地およびごみ袋、食物、ならびに医療製品を含む)に使用するための伝統的なポリマー技術により加工され得る。 There is considerable commercial interest in the production of microbial polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers in plant crops. For example, US Pat. Nos. 5,245,023 and 5,250,430 to Peoples and Sinskey; US Pat. No. 5,502,273 to Bright et al .; US Pat. No. 5,534,432 to Peoples and Sinsky. US Pat. No. 5,602,321 to John; US Pat. No. 5,610,041 to Somerville et al .; PCT WO 91/00917; PCT WO 92/19747; PCT WO 93/02187; PCT WO 93/02194; PCT WO 94 / 12012; Poirier et al., Science 256: 520-23 (1992); van der Leij and Withholt, Can. J. et al. Microbiol. 41 (Addendum): 222-38 (1995); Nawrath and Poirier, The International Symposium on Bacterial Polyhydroxyalkanoate (Eggink et al.) Davo Switzerland (August 18-23, 1996) 44 (1996). PHA is a natural, thermoplastic polyester and by traditional polymer technology for use in numerous applications (including consumer packaging, disposable diaper lining and garbage bags, food, and medical products) Can be processed.
実験的な植物系であるArabidopsis thalianaの葉緑体でのポリヒドロキシ酪酸の産生における初期研究により、PHBとして、葉の乾燥重量で14%までの蓄積を生じた(Nawrathら、1993)。しかし、Arabidopsisは、作物栽培学的価値を有さない。さらに、作物栽培学的作物において経済的にPHAを産生するために、種子におけるPHAの産生が所望され、その結果、種子の収穫および加工のための現在の基幹施設が利用され得る。植物の種子からのPHAの回収(PCT WO97/15681)および最終用途の適用(WilliamsおよびPeoples、CHEMTECH 26:38−44(1996))の選択肢は、ポリマーの組成によって有意に影響を受ける。それゆえ、きちんと規定された組成を有するPHAポリマーを産生するトランスジェニック植物系を開発することは有利である。 Initial studies in the production of polyhydroxybutyrate in the chloroplasts of the experimental plant system Arabidopsis thaliana resulted in accumulation of up to 14% by dry weight of leaves as PHB (Nawrath et al., 1993). However, Arabidopsis has no crop agronomic value. Furthermore, in order to economically produce PHA in crop agronomics, production of PHA in seeds is desired, so that current infrastructure for seed harvesting and processing can be utilized. The choice of PHA recovery from plant seeds (PCT WO 97/15681) and end-use applications (Williams and Peoples, CHEMTECH 26: 38-44 (1996)) is significantly influenced by the composition of the polymer. It is therefore advantageous to develop a transgenic plant line that produces a PHA polymer with a well-defined composition.
それらの基質特異性に基づいたPHA生合成酵素の慎重な選択は、トランスジェニック系において規定された組成のPHAポリマーの産生を可能にする(米国特許第5,229,279号;同第5,245,023号;同第5,250,430号;同第5,480,794号;同第5,512,669号;同第5,534,432号;同第5,661,026号;および同第5,663,063号)。 Careful selection of PHA biosynthetic enzymes based on their substrate specificity allows the production of PHA polymers of defined composition in transgenic systems (US Pat. No. 5,229,279; No. 5,250,430; No. 5,480,794; No. 5,512,669; No. 5,534,432; No. 5,661,026; And No. 5,663,063).
細菌において、各PHA基は、特異的な経路により産生される。短いペンダント基PHAの場合では、以下の3つの酵素が関与する:β−ケトチオラーゼ、アセトアセチル−CoAレダクターゼ、およびPHAシンターゼ。例えば、ホモポリマーPHBは、アセチル補酵素Aの2つの分子の縮合により産生され、アセトアセチル補酵素Aを生じる。次いで、後者は、レダクターゼによりキラル中間体R−3−ヒドロキシブチリル補酵素Aに還元され、続いて、PHAシンターゼ酵素により重合される。PHAシンターゼは、4−ヒドロキシ酸ユニットおよび5−ヒドロキシ酸ユニットを両方とも含むC3〜C5ヒドロキシ酸モノマーの重合化を可能にする比較的広範な基質特異性を特に有する。この生合成経路は、多くの細菌(例えば、Alcaligenes eutrophus、A.latus、Azotobacter vinlandiiおよびZoogloea ramigera)において見出される。長いペンダント基PHAは、例えば、多くの異なるPseudomonas細菌により産生される。これらの生合成は、ヒドロキシアシル補酵素Aモノマー単位への経路として脂肪酸のβ−酸化および脂肪酸合成を含む。次いで、後者は、より大きなC6〜C14モノマー単位に有利な基質特異性を有するPHAシンターゼにより変換される(PeoplesおよびSinskey、1990)。 In bacteria, each PHA group is produced by a specific pathway. In the case of the short pendant group PHA, three enzymes are involved: β-ketothiolase, acetoacetyl-CoA reductase, and PHA synthase. For example, the homopolymer PHB is produced by the condensation of two molecules of acetyl coenzyme A to yield acetoacetyl coenzyme A. The latter is then reduced to the chiral intermediate R-3-hydroxybutyryl coenzyme A by reductase and subsequently polymerized by the PHA synthase enzyme. PHA synthase has in particular a relatively broad substrate specificity that allows the polymerization of C3-C5 hydroxy acid monomers containing both 4-hydroxy acid units and 5-hydroxy acid units. This biosynthetic pathway is found in many bacteria (eg, Alcaligenes eutrophus, A. latus, Azotobacter vinlandii and Zoogloea ramigera). The long pendant group PHA is produced, for example, by many different Pseudomonas bacteria. Their biosynthesis involves fatty acid β-oxidation and fatty acid synthesis as a pathway to hydroxyacyl coenzyme A monomer units. The latter is then converted by PHA synthase with a substrate specificity favoring larger C6-C14 monomer units (Peoples and Sinsky, 1990).
脂肪酸での細胞増殖から通常産生されるPHB−コ−HXコポリマーの場合、これらの経路の組み合わせは、異なるモノマー単位の形成を担い得る。実際に、Aeromonas caviae(これは、コポリマーであるPHB−コ−3−ヒドロキシヘキサノエートを産生する)におけるPHAシンターゼ遺伝子をコードするDNA遺伝子座の分析を使用して、D−β−ヒドロキシブチリル−CoAおよびD−β−ヒドロキシヘキサノイル−CoA単位の産生を担うD特異的エノイル−CoAヒドラターゼをコードする遺伝子を同定した(FukuiおよびDoi、J.Bacteriol.179:4821−30(1997);Fukuiら、J.Bacteriol.180:667−73(1998))。このようなヒドラターゼ遺伝子および酵素の他の供給源としては、Alcaligenes、PseudomonasおよびRhodospirillumが挙げられる。 In the case of PHB-co-HX copolymers normally produced from cell growth with fatty acids, the combination of these pathways may be responsible for the formation of different monomer units. In fact, using analysis of the DNA locus encoding the PHA synthase gene in Aeromonas caviae, which produces the copolymer PHB-co-3-hydroxyhexanoate, D-β-hydroxybutyryl -A gene encoding a D-specific enoyl-CoA hydratase responsible for the production of CoA and D-β-hydroxyhexanoyl-CoA units has been identified (Fukui and Doi, J. Bacteriol. 179: 4821-30 (1997); Fukui Et al., J. Bacteriol. 180: 667-73 (1998)). Other sources of such hydratase genes and enzymes include Alcaligenes, Pseudomonas, and Rhodospirillum.
A.eutrophusにおいて短いペンダント基PHAを産生する酵素である、PHAシンターゼ、アセトアセチル−CoAレダクターゼ、およびβ−ケトチオラーゼは、phbC−phbA−phbB遺伝子を含むオペロンによってコードされる(Peoplesら、1987;PeoplesおよびSinskey、1989)。Pseudomonas生物において、長いペンダント基PHAの産生を担うPHAシンターゼは、pha遺伝子座上に、特にphaA遺伝子およびphaC遺伝子によりコードされることが見出されている(米国特許第5,245,023号および同第5,250,430号;Huismanら、J.Biol.Chem.266:2191−98(1991))。これらの初期研究により、ある範囲のPHA生合成遺伝子が、単離および特徴づけされるか、またはゲノム配列決定プロジェクトから同定された。公知のPHA生合成遺伝子の例は、以下の参考文献に開示される:Aeronomas caviae(FukuiおよびDoi、1997、J.Bacteriol.179:4821−30);Alcaligenes eutrophus(米国特許第5,245,023号;同第5,250,430号;同第5,512,669号;および同第5,661,026号;PeoplesおよびSinsky、J.Biol.Chem.264:15298−03(1989));Acinetobacter(Schembriら、FEMS Microbiol.Lett.118:145−52(1994);Chromatium vinosum(LiebergesellおよびSteinbuchel、Eur.J.Biochem.209:135−50(1992)));Methylobacterium extorquens(ValentinおよびSteinbuchel、Appl.Microbiol.Biotechnol.39:309−17(1993));Nocardia corallina(GENBANK 受託番号AF019964;Hallら、1998、Can.J.Microbiol.44:687−69);Paracoccus denitrificans(Uedaら、J.Bacteriol.178:774−79(1996);Yabutaniら、FEMS Microbiol.Lett.133:85−90(1995));Pseudomonas acidophila(Umedaら、1998、Applied Biochemistry and Biotechnology、70−72:341−52);Pseudomonas sp.61−3(Matsusakiら、1998、J.Bacteriol.180:6459−67);Nocardia corallina;Pseudomonas aeruginosa(TimmおよびSteinbuchel、Eur.J.Biochem.209:15−30(1992));P.oleovorans(米国特許第5,245,023号および同第5,250,430号;Huismanら、J.Biol.Chem.266(4):2191−98(1991);Rhizobium etli(Cevallosら、J.Bacteriol.178:1646−54(1996));R meliloti(Tomboliniら、Microbiology 141:2553−59(1995));Rhodococcus ruber(Pieper−FurstおよびSteinbuchel、FEMS Microbiol.Lett.75:73−79(1992));Rhodospirillum rubrum(Hustedeら、FEMS Microbiol.Lett.93:285−90(1992));Rhodobacter sphaeroides(Hustedeら、FEMS Microbiol.Rev.9:217−30(1992));Biotechnol.Lett.15:709−14(1993);Synechocystis sp.(DNA Res.3:109−36(1996));Thiocapsiae violacea(Appl.Microbiol.Biotechnol.38:493−501(1993))およびZoogloea ramigera(Peoplesら、J.Biol.Chem.262:97−102(1987));PeoplesおよびSinskey、Molecular Microbiology3:349−57(1989))。これらの遺伝子または公開されたDNA配列の利用可能性は、PHA産生のためのある範囲の選択肢を提供するはずである。 A. Enzymes that produce the short pendant group PHA in eutrophus, PHA synthase, acetoacetyl-CoA reductase, and β-ketothiolase are encoded by operons containing the phbC-phbA-phbB gene (Peoples et al., 1987; Peoples and Siskey 1989). In Pseudomonas organisms, the PHA synthase responsible for the production of the long pendant group PHA has been found to be encoded on the pha locus, in particular by the phaA and phaC genes (US Pat. No. 5,245,023 and No. 5,250,430; Huisman et al., J. Biol. Chem. 266: 2191-98 (1991)). With these initial studies, a range of PHA biosynthetic genes have been isolated and characterized or identified from genomic sequencing projects. Examples of known PHA biosynthetic genes are disclosed in the following references: Aeromass caviae (Fukui and Doi, 1997, J. Bacteriol. 179: 4821-30); Alcaligenes eutrophus (US Pat. No. 5,245,023) No. 5,250,430; 5,512,669; and 5,661,026; Peoples and Sinsky, J. Biol. Chem. 264: 15298-03 (1989)); Acinetobacter (Schembri et al., FEMS Microbiol. Lett. 118: 145-52 (1994); Chromatium vinosum (Liebergesell and Steinbuchel, Eur. J. Bio). hem. 209: 135-50 (1992))); Methylobacterium extorquens (Valentin and Steinbuchel, Appl. Microbiol. Biotechnol. 39: 309-17 (1993)); Nocardia corallina (1998) Paracoccus denitrificans (Ueda et al., J. Bacteriol. 178: 774-79 (1996); Yabutani et al., FEMS Microbiol. Lett. 133: 85-90 (1995)); acidophila (Umeda et al., 199 8, Applied Biochemistry and Biotechnology, 70-72: 341-52); Pseudomonas sp. 61-3 (Matsusaki et al., 1998, J. Bacteriol. 180: 6459-67); Nocardia corallina; Pseudomonas aeruginosa (Timm and Steinbuchel, Eur. J. Biochem. 209: 15-30 (1992)); oleovarans (US Pat. Nos. 5,245,023 and 5,250,430; Huisman et al., J. Biol. Chem. 266 (4): 2191-98 (1991); Rhizobium etli (Cevalos et al., J. Biol. Bacteriol.178: 1646-54 (1996)); R meliloti (Tombolini et al., Microbiology 141: 2553-59 (1995)); Rhodococcus ruber (Pieper-Furst and Steinbuchel, Fet. )); Rhodospirillum rubrum (Hustede et al., FEMS Microbiol. Lett. 93: 285-90). 1992)); Rhodobacter sphaeroides (Hustede et al., FEMS Microbiol. Rev. 9: 217-30 (1992)); Biotechnol. Lett. 15: 709-14 (1993); Synechocystis sp. (DNA Res. 3: 109-36) (1996)); Thiocapsiae violacea (Appl. Microbiol. Biotechnol. 38: 493-501 (1993)) and Zoogloea ramigera (Peoples et al., J. Biol. Chem. 262: 97p (e)); Molecular Microbiology 3: 349-57 (1989)). The availability of these genes or published DNA sequences should provide a range of options for PHA production.
1〜99%HHモノマーを含むPHB−コ−HHコポリマーを産生するための適切なPHAシンターゼは、Rhodococcus ruber、Rhodospirillum rubrum、Thiocapsiae violacea、およびAeromonas caviaeのPHAシンターゼ遺伝子によりコードされる。R−3−ヒドロキシブチレートに加えて、6〜12の炭素原子の3−ヒドロキシ酸の取り込みのために有用な(すなわち、化学的に合成されたコポリマー(PCT WO95/20614、PCT WO95/20615およびPCT WO95/20621に記載される)に等価な生物学的ポリマーを産生するための)PHAシンターゼは、多くのPseudomonasおよびほかの細菌において同定されている(SteinbuechelおよびWiese、Appl.Microbiol.Biotechnol.37:691−97(1992);Valentinら、Appl.Microbiol.Biotechnol.36:507−14(1992);Valentinら、Appl.Microbiol.Biotechnol.40:710−16(1994);Leeら、Appl.Microbiol.Biotechnol.42:901−09(1995);Katoら、Appl.Microbiol.Biotechnol.45:363−70(1996);Abeら、Int.J.Biol.Macromol.16:115−19(1994);Valentinら、Appl.Microbiol.Biotechnol.46:261−67(1996))。そして、それらは、米国特許第5,245,023号および同第5,250,430号に記載されるように容易に単離され得る。P.oleovorans由来のPHAシンターゼ(米国特許第5,245,023号および同第5,250,430号;Huismanら、J.Biol.Chem.266(4):2191−98(1991))は、長いペンダント基PHAの産生に適切である。β−ケトチオラーゼをコードする植物遺伝子もまた、同定されている(VollackおよびBach、Plant Physiol.111:1097−107(1996))。 Suitable PHA synthases for producing PHB-co-HH copolymers containing 1-99% HH monomer are the PHA synthases encoded by the genes of Rhodococcus rubber, Rhodospirillum rubrum, Thiocapsiae violacea, and Aeromonas caviae. In addition to R-3-hydroxybutyrate, useful for incorporation of 3-hydroxy acids of 6 to 12 carbon atoms (ie, chemically synthesized copolymers (PCT WO95 / 20614, PCT WO95 / 20615 and PHA synthases (to produce biological polymers equivalent to those described in PCT WO 95/20621) have been identified in many Pseudomonas and other bacteria (Steinbuchel and Wiese, Appl. Microbiol. Biotechnol. 37). : 691-97 (1992); Valentin et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. 36: 507-14 (1992); Valentin et al., Appl. Microbiol. Biotec. No. 40: 710-16 (1994); Lee et al., Appl. Microbiol.Biotechnol.42: 901-09 (1995); Kato et al., Appl.Microbiol.Biotechnol.45: 363-70 (1996); Int. J. Biol. Macromol. 16: 115-19 (1994); Valentin et al., Appl.Microbiol.Biotechnol.46: 261-67 (1996)). They can then be easily isolated as described in US Pat. Nos. 5,245,023 and 5,250,430. P. The PHA synthase from oleovorans (US Pat. Nos. 5,245,023 and 5,250,430; Huisman et al., J. Biol. Chem. 266 (4): 2191-98 (1991)) is a long pendant. Suitable for the production of the base PHA. A plant gene encoding β-ketothiolase has also been identified (Volack and Bach, Plant Physiol. 111: 1097-107 (1996)).
合成および基質の選択によりモノマー組成を改変する能力にもかかわらず、脂肪酸代謝に関する生合成のようなポリマー生合成の他の特徴を改変することが望ましい。 Despite the ability to modify monomer composition through synthesis and substrate selection, it is desirable to modify other characteristics of polymer biosynthesis, such as biosynthesis with respect to fatty acid metabolism.
従って、本発明の目的は、植物の細胞代謝を操作するための脂肪酸酸化酵素系を導入するための方法およびDNA構築物を提供することである。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and DNA construct for introducing a fatty acid oxidase system for manipulating plant cell metabolism.
本発明の別の目的は、植物において、好ましくは、その脂肪種子においてPHAの産生を増強するための方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for enhancing the production of PHA in a plant, preferably its oil seed.
(発明の要旨)
新規なポリマーを作製するための、植物において脂肪酸生合成および酸化を改変するための方法および系が、記載される。2つの酵素が、必須である:D特異的エノイル−CoAヒドラターゼのようなヒドラターゼ(例えば、Aeromonas caviaeから得られたヒドラターゼ)およびβ−酸化酵素系。いくつかの植物は、植物が、ヒドラターゼを発現するように操作される場合、ポリマー合成を改変するのに十分なβ−酸化酵素系を有する。
(Summary of the Invention)
Methods and systems for modifying fatty acid biosynthesis and oxidation in plants to make novel polymers are described. Two enzymes are essential: a hydratase such as D-specific enoyl-CoA hydratase (eg, a hydratase obtained from Aeromonas caviae) and a β-oxidase system. Some plants have a β-oxidase system that is sufficient to modify polymer synthesis when the plant is engineered to express hydratase.
実施例は、トランスジェニック植物において、これらの酵素の発現によりポリマーの産生を実証する。実施例はまた、脂肪酸生合成における改変を使用して植物の表現型を変化させ得、これにより種子産生を減少または排除する、および緑色植物生物体量を増加させる、ならびにPHAを産生することを実証する。 The examples demonstrate the production of polymers in transgenic plants by expression of these enzymes. Examples can also be used to alter plant phenotypes using alterations in fatty acid biosynthesis, thereby reducing or eliminating seed production, increasing green plant biomass, and producing PHA. Demonstrate.
(発明の詳細な説明)
発生中の脂肪種子または緑色組織の細胞質またはプラスチドに脂肪酸酸化酵素系を導入することによって植物の細胞性代謝を操作するための方法およびDNA構築物が提供される。脂肪酸酸化系は、代表的には、広範囲のβ−ケトアシル−CoA基質を利用するβ−ケトチオラーゼ酵素活性を含むいくつかの酵素活性を含む。
(Detailed description of the invention)
Methods and DNA constructs are provided for manipulating plant cellular metabolism by introducing a fatty acid oxidase system into the cytoplasm or plastid of developing oilseed or green tissue. Fatty acid oxidation systems typically include several enzyme activities, including β-ketothiolase enzyme activity that utilizes a wide range of β-ketoacyl-CoA substrates.
驚くべきことに、豆のファゼオリン(phaseolin)プロモーターからの少なくとも1つのこれらの導入遺伝子の発現が、雄性不稔をもたらすことが見出された。興味深いことに、これらの植物は、種子をつけず、その代わりに正常よりも高いレベルの生物体量(例えば、葉、茎、柄)を生成した。それゆえ、本明細書中に記載される方法および構築物をまた用いて、例えば、ハイブリッド生成のために雄性不稔植物を作製し得るか、またはまぐさ(例えば、アルファルファまたはタバコ)の生物体量の生成を増加させ得る。これらの方法およびDNA構築物を用いて作製された植物は、ポリヒドロキシアルカノエートバイオポリマーを生成するため、または新規な油組成物を生成するために有用である。 Surprisingly, it has been found that expression of at least one of these transgenes from the bean phaseolin promoter results in male sterility. Interestingly, these plants were not seeded and instead produced higher levels of biomass than normal (eg leaves, stems, stalks). Thus, the methods and constructs described herein can also be used to create male sterile plants, for example for hybrid production, or the biomass of a tuna (eg, alfalfa or tobacco) The production of Plants created using these methods and DNA constructs are useful for producing polyhydroxyalkanoate biopolymers or for producing new oil compositions.
本明細書中に記載される方法は、さらなる導入遺伝子、特に、脂肪酸酸化またはポリイヒドロキシアルカノエート生合成に関与するさらなる酵素をコードする導入遺伝子のその後の取り込みを含む。ポリヒドロキシアルカノエート生合成については、この方法は、本明細書中に記載の方法およびDNA構築物を用いて、または伝統的な植物育種法によって生成されたトランスジェニック植物の続く形質転換による、酵素(例えば、NADHおよび/またはNADPHアセトアセチル−補酵素Aレダクターゼ、PHBシンターゼ、PHAシンターゼ、アセトアセチル−CoAチオラーゼ、ヒドロキシアシル−CoAエピメラーゼ、δ3−シス−δ2−トランスエノイル−CoAイソメラーゼ、アシル−CoAデヒドロゲナーゼ、アシル−CoAオキシダーゼ、およびエノイル−CoAヒドラターゼ)をコードする導入遺伝子の取り込みを含む。 The methods described herein include the subsequent incorporation of additional transgenes, in particular transgenes encoding additional enzymes involved in fatty acid oxidation or polyhydroxyalkanoate biosynthesis. For polyhydroxyalkanoate biosynthesis, this method involves the enzyme (by subsequent transformation of transgenic plants produced using the methods and DNA constructs described herein or by traditional plant breeding methods. For example, NADH and / or NADPH acetoacetyl-coenzyme A reductase, PHB synthase, PHA synthase, acetoacetyl-CoA thiolase, hydroxyacyl-CoA epimerase, δ3-cis-δ2-transenoyl-CoA isomerase, acyl-CoA dehydrogenase , Acyl-CoA oxidase, and enoyl-CoA hydratase).
(I.植物発現系)
好ましい実施態様では、脂肪酸酸化導入遺伝子は、種子特異的プロモーターから発現され、そしてタンパク質は、発生中の脂肪種子の細胞質において発現される。別の好ましい実施態様では、脂肪酸酸化導入遺伝子は、種子特異的プロモーターから発現され、そして発現されたタンパク質は、プラスチド標的化シグナルを用いてプラスチドに指向される。別の好ましい実施態様では、脂肪酸酸化導入遺伝子は、プラスチド染色体から直接発現され、ここで、これらは相同組換えによって取り込まれる。脂肪酸酸化導入遺伝子はまた、構成性プロモーターから、植物組織全体を通して発現され得る。圃場において作物への農薬または他の活性成分の適用後に活性化され得るプロモーターを用いることにより、これらの導入遺伝子の発現を制御し得ることもまた有用である。本明細書中に記載される方法により含まれるこれらの遺伝子の発現のさらなる制御としては、植物染色体の特異的染色体部位への導入遺伝子の標的化挿入についての組換え酵素技術の使用、またはこの導入遺伝子の発現の調節が挙げられる。
(I. Plant expression system)
In a preferred embodiment, the fatty acid oxidation transgene is expressed from a seed-specific promoter and the protein is expressed in the cytoplasm of the developing oil seed. In another preferred embodiment, the fatty acid oxidation transgene is expressed from a seed specific promoter and the expressed protein is directed to the plastid using a plastid targeting signal. In another preferred embodiment, fatty acid oxidation transgenes are expressed directly from the plastid chromosome, where they are taken up by homologous recombination. The fatty acid oxidation transgene can also be expressed throughout the plant tissue from a constitutive promoter. It is also useful to be able to control the expression of these transgenes by using promoters that can be activated after application of pesticides or other active ingredients to crops in the field. Further control of the expression of these genes included by the methods described herein includes the use of recombinant enzyme technology for targeted insertion of transgenes into specific chromosomal sites of plant chromosomes, or this introduction Examples include regulation of gene expression.
本明細書中に記載される方法としては、以下を含むゲノムを有する植物種子が挙げられる:(a)第1のDNA配列および3’非翻訳領域に作動可能に連結されたプロモーター(この第1のDNA配列は、脂肪酸酸化ポリペプチドをコードする)、そして必要に応じて(b)第2のDNA配列および3’非翻訳領域に作動可能に連結されたプロモーター(この第2のDNA配列は、脂肪酸酸化ポリペプチドをコードする)。2つの導入遺伝子の発現は、細胞質、またはペルオキシソームもしくはグリオキシソーム以外のプラスチドにおいて少なくともβ−ケトチオラーゼ活性、デヒドロゲナーゼ活性、およびヒドラターゼ活性を有する機能的脂肪酸β酸化系を植物に提供する。第1のDNA配列および/または第2のDNA配列は、細菌、酵母、真菌、藻類、植物、または動物から単離され得る。少なくとも1つのDNA配列が、少なくとも2つ、そして好ましくは3つの酵素活性を有するポリペプチドをコードすることが好ましい。 The methods described herein include plant seeds having a genome comprising: (a) a promoter operably linked to a first DNA sequence and a 3 ′ untranslated region (this first The DNA sequence encodes a fatty acid oxidized polypeptide) and, optionally, (b) a promoter operably linked to a second DNA sequence and a 3 ′ untranslated region (the second DNA sequence is Encodes a fatty acid oxidized polypeptide). Expression of the two transgenes provides the plant with a functional fatty acid β-oxidation system that has at least β-ketothiolase activity, dehydrogenase activity, and hydratase activity in the cytoplasm, or plastids other than peroxisomes or glyoxisomes. The first DNA sequence and / or the second DNA sequence can be isolated from bacteria, yeast, fungi, algae, plants, or animals. It is preferred that at least one DNA sequence encodes a polypeptide having at least two and preferably three enzyme activities.
(形質転換ベクター)
本明細書中に記載される方法において有用なDNA構築物としては、植物へ導入遺伝子を導入し得る形質転換ベクターが挙げられる。いくつかの植物形質転換ベクターの選択肢が利用可能であり、「Gene Transfer to Plants」(Potrykusら編)Springer−Verlag Berlin Heidelberg New York(1995);「Transgenic Plants:A Production System for Industrial and Pharmaceutical Proteins」(Owenら編)John Wiley & Sons,Ltd.England(1996);および「Methods in Plant Molecular Biology:A Laboratory Course Manual」(Maligaら編)Cold Spring Laboratory Press,New York(1995)に記載されるベクターが含まれる。植物形質転換ベクターは、一般に、5’調節配列および3’調節配列(プロモーター、転写終結シグナルおよび/またはポリアデニル化シグナルを含む)の転写制御下の目的の1以上のコード配列、ならびに選択マーカー遺伝子もしくはスクリーニング可能なマーカー遺伝子を含む。5’調節配列についての通常の必要条件は、プロモーター、転写終結シグナルおよび/またはポリアデニル化シグナルを含む。単一の転写物からの2以上のポリペプチドの発現のために、さらなるRNAプロセシングシグナルおよびリボザイム配列が構築物中に操作され得る(米国特許第5,519,164号)。このアプローチは、複数の導入遺伝子を単一の遺伝子座に局在化するという利点を有する。これは、続いての植物育種の試みにおいて有利である。さらなるアプローチは、相同組換えによって植物プラスチド染色体を特異的に形質転換するためのベクターを使用すること(米国特許第5,545,818号)であり、この場合、プラスチドゲノムの原核生物の性質を利用し、そして多数の導入遺伝子をオペロンとして挿入することが可能である。
(Transformation vector)
DNA constructs useful in the methods described herein include transformation vectors that can introduce transgenes into plants. Several plant transformation vector options are available, including “Gene Transfer to Plants” (Edited by Potrykus et al.) Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York (1995); “Transgenic Plants: A Prodint (Owen et al.) John Wiley & Sons, Ltd. England (1996); and “Methods in Plant Molecular Biology: A Laboratory Course Manual” (edited by Malliga et al.) Cold Spring Laboratory Press, New York (1995). Plant transformation vectors generally comprise one or more coding sequences of interest under the transcriptional control of 5 ′ and 3 ′ regulatory sequences (including promoters, transcription termination signals and / or polyadenylation signals), and selectable marker genes or Contains a marker gene that can be screened. The usual requirements for 5 ′ regulatory sequences include a promoter, a transcription termination signal and / or a polyadenylation signal. Additional RNA processing signals and ribozyme sequences can be engineered into the construct for expression of two or more polypeptides from a single transcript (US Pat. No. 5,519,164). This approach has the advantage of localizing multiple transgenes at a single locus. This is advantageous in subsequent plant breeding attempts. A further approach is to use vectors for the specific transformation of plant plastid chromosomes by homologous recombination (US Pat. No. 5,545,818), in which case the prokaryotic nature of the plastid genome is Multiple transgenes can be utilized as operons.
(プロモーター)
多数の植物プロモーターが公知であり、そして目的の遺伝子の構成的発現、または環境によってもしくは発生によって調節される発現のいずれかをもたらす。植物プロモーターを選択して、異なる植物組織または細胞小器官における導入遺伝子の発現を制御し得る。これらのための方法は全て、当業者に公知である(GasserおよびFraley,Science 244:1293−99(1989))。導入遺伝子の5’末端は、導入遺伝子とインフレームで連結された、プラスチドまたは他の細胞内小器官標的化ペプチドをコードする配列を含むように操作され得る。適切な構成性植物プロモーターとしては、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーター(CaMV)および増強されたCaMVプロモーター(Odellら,Nature,313:810(1985))、アクチンプロモーター(McElroyら,Plant Cell 2:163−71(1990))、AdhIプロモーター(Frommら,Bio/Technology 8:833−39(1990);Kyozukaら、Mol.Gen.Genet.228:40−48(1991))、ユビキチンプロモーター、ゴマノハグサモザイクウイルスプロモーター、マンノピン(mannopine)シンターゼプロモーター、ノパリンシンターゼプロモーター、およびオクトピンシンターゼプロモーターが挙げられる。有用な調節可能なプロモーター系としては、ホウレンソウ硝酸誘導性プロモーター、熱ショックプロモーター、リブロースビスリン酸カルボキシラーゼ(ribulose biphosphate carboxylase)プロモーターの小サブユニット、および化学誘導性プロモーター(Hersheyらに対する米国特許第5,364,780号)が挙げられる。
(promoter)
A number of plant promoters are known and result in either constitutive expression of the gene of interest or expression regulated by the environment or by development. Plant promoters can be selected to control transgene expression in different plant tissues or organelles. All methods for these are known to those skilled in the art (Gasser and Fraley, Science 244: 1293-99 (1989)). The 5 ′ end of the transgene can be engineered to contain a sequence encoding a plastid or other intracellular organelle targeting peptide linked in frame with the transgene. Suitable constitutive plant promoters include cauliflower mosaic virus 35S promoter (CaMV) and enhanced CaMV promoter (Odell et al., Nature, 313: 810 (1985)), actin promoter (McElroy et al., Plant Cell 2: 163-71). (1990)), AdhI promoter (Fromm et al., Bio / Technology 8: 833-39 (1990); Kyozuka et al., Mol. Gen. Genet. 228: 40-48 (1991)), ubiquitin promoter, sesame mosaic mosaic promoter, These include the mannopine synthase promoter, the nopaline synthase promoter, and the octopine synthase promoter. Useful regulatable promoter systems include spinach nitrate-inducible promoter, heat shock promoter, ribulose bisphosphate carboxylase promoter small subunit, and chemically inducible promoter (US Pat. No. 5,364 to Hershey et al. , No. 780).
本明細書中に記載される方法の好ましい実施態様では、導入遺伝子は、発生中の種子においてのみ発現される。この目的のために適切なプロモーターとしては、ナピン遺伝子プロモーター(米国特許第5,420,034号および同第5,608,152号)、アセチル−CoAカルボキシラーゼプロモーター(米国特許第5,420,034号および同第5,608,152号)、2Sアルブミンプロモーター、種子貯蔵タンパク質プロモーター、ファゼオリンプロモーター(Slightomら,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 80:1897−1901(1983))、オレオシン(oleosin)プロモーター(Plantら,Plant Mol.Biol.25:193−205(1994);Rowleyら,Biochim.Biophys.Acta.1345:1−4(1997);米国特許第5,650,554号;およびPCT WO 93/20216)、ゼインプロモーター、グルテリンプロモーター、デンプンシンターゼプロモーター、およびデンプン分枝酵素プロモーターが挙げられる。 In preferred embodiments of the methods described herein, the transgene is expressed only in the developing seed. Suitable promoters for this purpose include napin gene promoters (US Pat. Nos. 5,420,034 and 5,608,152), acetyl-CoA carboxylase promoter (US Pat. No. 5,420,034). And No. 5,608,152), 2S albumin promoter, seed storage protein promoter, phaseolin promoter (Slighttom et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80: 1897-1901 (1983)), oleosin. ) Promoter (Plant et al., Plant Mol. Biol. 25: 193-205 (1994); Rowley et al., Biochim. Biophys. Acta. 1345: 1-4 (1997); US Pat. No. 5,650,5 54; and PCT WO 93/20216), zein promoter, glutelin promoter, starch synthase promoter, and starch branching enzyme promoter.
これらのベクターを用いる適切な作物栽培植物宿主の形質転換は、種々の方法および植物組織を用いて達成され得る。本明細書中に開示される方法において有用な代表的な植物としては、napus、rappa、sp.carinataおよびjunceaを含むBrassica科;トウモロコシ;ダイズ;ワタの実;ヒマワリ;ヤシ;ココヤシ;ベニバナ;ラッカセイ;Sinapis albaを含むカラシ;およびアマが挙げられる。生物体量(例えば、サイレージトウモロコシ、アルファルファ、またはタバコ)として収穫される作物もまた、本明細書中に開示される方法について有用である。これらのベクターを用いる形質転換のための代表的な組織としては、プロトプラスト、細胞、カルス組織、リーフディスク、花粉、および分裂組織が挙げられる。代表的な形質転換手順としては、Agrobacterium媒介形質転換、バイオリスチック(biolistic)、マイクロインジェクション、エレクトロポレーション、ポリエチレングリコール媒介プロトプラスト形質転換、リポソーム媒介形質転換、およびケイ素繊維媒介形質転換(米国特許第5,464,765号;「Gene Transfer to Plants」(Potrykusら編)Springer−Verlag Berlin Heidelberg New York(1995);「Transgenic Plants:A Production System for Industrial and Pharmaceutical Proteins」(Owenら編)John Wiley & Sons Ltd.England(1996);および「Methods in Plant Molecular Biology:A Laboratory Course Manual」(Maligaら編)Cold Spring Laboratory Press,New York(1995))が挙げられる。 Transformation of suitable crop-cultivated plant hosts using these vectors can be accomplished using a variety of methods and plant tissues. Representative plants useful in the methods disclosed herein include napus, rappa, sp. corn; soybean; cotton seed; sunflower; palm; coconut; safflower; groundnut; mustard including Sinapis alba; and flax. Crops harvested as biomass (eg, silage corn, alfalfa, or tobacco) are also useful for the methods disclosed herein. Representative tissues for transformation with these vectors include protoplasts, cells, callus tissues, leaf discs, pollen, and meristems. Exemplary transformation procedures include Agrobacterium mediated transformation, biolistic, microinjection, electroporation, polyethylene glycol mediated protoplast transformation, liposome mediated transformation, and silicon fiber mediated transformation (US Pat. 5, 464, 765; “Gene Transfer to Plants” (Edited by Potrykus et al.) Springer-Verlag Berlin New Heidelberg New York (1995); “Transgenic Plants: A Productivity In Pt. So s Ltd.England (1996); and "Methods in Plant Molecular Biology: A Laboratory Course Manual" (Maliga et al., eds.) Cold Spring Laboratory Press, New York (1995)), and the like.
(II.トランスジェニック植物を作製し、そしてスクリーニングするための方法)
本明細書中に記載される構築物を用いてトランスジェニック植物を作製するために、以下の手順を用いて、形質転換後に導入遺伝子を発現する、形質転換された植物を入手し得る:選択培地上で形質転換された植物細胞を選択する;形質転換された植物細胞を再生して、分化した植物を生成する;所望のポリペプチドが所望の組織および細胞の位置において得られるようなレベルで導入遺伝子を発現する、形質転換された植物を選択する。
II. Methods for producing and screening for transgenic plants
In order to generate transgenic plants using the constructs described herein, the following procedure can be used to obtain transformed plants that express the transgene after transformation: on a selective medium The transformed plant cell is regenerated to produce a differentiated plant; the transgene at a level such that the desired polypeptide is obtained at the desired tissue and cell location. A transformed plant that expresses is selected.
記載された方法を実施するために有用な特定の作物について、形質転換手順が、例えば、以下に記載されるように、確立されている:「Gene Transfer to Plants」(Potrykusら編)Springer−Verlag Berlin Heidelberg New York(1995);「Transgenic Plants:A Production System for Industrial and Pharmaceutical Proteins」(Owenら編)John Wiley & Sons,Ltd.England(1996);および「Methods in Plant Molecular Biology:A Laboratory Course Manual」(Maligaら編)Cold Spring Laboratory Press,New York(1995)。 For specific crops useful for performing the described methods, transformation procedures have been established, for example, as described below: “Gene Transfer to Plants” (Edited by Potrykus et al.) Springer-Verlag. Berlin Heidelberg New York (1995); “Transgenic Plants: A Production System for Industrial and Pharmaceutical Proteins” (Owen et al.) John Wisley & L. England (1996); and "Methods in Plant Molecular Biology: A Laboratory Course Manual" (edited by Malliga et al.) Cold Spring Laboratory Press, New York (1995).
Brassica napusは、例えば、米国特許第5,188,958号および同第5,463,174号に記載される通りに形質転換され得る。他のBrassica(例えば、rappa、carinata、およびjuncea)ならびにSinapis albaは、Moloneyら,Plant Cell Reports 8:238−42(1989)に記載される通りに形質転換され得る。ダイズは、多数の報告された手順(米国特許第5,015,580号;同第5,015,944号;同第5,024,944号;同第5,322,783号;同第5,416,011号;および同第5,169,770号)によって形質転換され得る。いくつかの形質転換手順(花粉の形質転換(米国特許第5,629,183号)、ケイ素繊維媒介形質転換(米国特許第5,464,765号)、プロトプラストのエレクトロポレーション(米国特許第5,231,019号;同第5,472,869号;および同第5,384,253号)、遺伝子銃(米国特許第5,538,877号および同第5,538,880号)、ならびにAgrobacterium媒介形質転換(EP 0 604 662 A1;PCT WO 94/00977)を含む)が、トランスジェニックトウモロコシ植物の生成について報告されている。Agrobacterium媒介手順は、特に好ましい。なぜなら、導入遺伝子構築物の単一の組み込み事象が、この手順を用いて、より容易に得られ、そしてこのことは、その後の植物育種を大いに容易にするからである。ワタは、粒子ボンバードメント(米国特許第5,004,863号および同第5,159,135号)によって形質転換され得る。ヒマワリは、粒子ボンバードメントとAgrobacterium感染との組合せを用いて形質転換され得る(EP 0 486 233 A2;米国特許第5,030,572号)。アマは、粒子ボンバードメントまたはAgrobacterium媒介形質転換のいずれかによって形質転換され得る。組換え酵素技術としては、cre−lox系、FLP/FRT系、およびGin系が挙げられる。これらの技術を利用する方法は、例えば、Hodgesらに対する米国特許第5,527,695号;DaleおよびOw,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 88:10558−62(1991);Medberryら,Nucleic Acids Res.23:485−90(1995)に記載される。 Brassica napus can be transformed, for example, as described in US Pat. Nos. 5,188,958 and 5,463,174. Other Brassica (eg, rappa, carinata, and juncea) and Sinapis alba can be transformed as described in Moloney et al., Plant Cell Reports 8: 238-42 (1989). Soybean has been reported in a number of reported procedures (US Pat. Nos. 5,015,580; 5,015,944; 5,024,944; 5,322,783; , 416, 011; and 5,169, 770). Several transformation procedures (pollen transformation (US Pat. No. 5,629,183), silicon fiber mediated transformation (US Pat. No. 5,464,765), protoplast electroporation (US Pat. , 231,019; 5,472,869; and 5,384,253), gene guns (US Pat. Nos. 5,538,877 and 5,538,880), and Agrobacterium-mediated transformation (including EP 0 604 662 A1; PCT WO 94/00977) has been reported for the production of transgenic corn plants. Agrobacterium-mediated procedures are particularly preferred. This is because a single integration event of the transgene construct is more easily obtained using this procedure, and this greatly facilitates subsequent plant breeding. Cotton can be transformed by particle bombardment (US Pat. Nos. 5,004,863 and 5,159,135). Sunflower can be transformed with a combination of particle bombardment and Agrobacterium infection (EP 0 486 233 A2; US Pat. No. 5,030,572). Flax can be transformed by either particle bombardment or Agrobacterium-mediated transformation. Recombinant enzyme techniques include cre-lox systems, FLP / FRT systems, and Gin systems. Methods utilizing these techniques are described, for example, in US Pat. No. 5,527,695 to Hodges et al; Dale and Ow, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 10558-62 (1991); Medbury et al., Nucleic Acids Res. 23: 485-90 (1995).
(選択マーカー遺伝子)
本明細書中に記載される方法を実施する際に有用な選択マーカー遺伝子としては、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ遺伝子nptII(米国特許第5,034,322号および同第5,530,196号)、ハイグロマイシン耐性遺伝子(米国特許第5,668,298号)、ホスフィノトリシンに対する耐性をコードするbar遺伝子(米国特許第5,276,268号)が挙げられる。EP 0 530 129 A1は、増殖培地に添加された不活性な化合物を活性化する酵素をコードする導入遺伝子を発現することにより、形質転換された植物が、非形質転換系統から成長して抜け出すのを可能にするポジティブ選択系を記載する。本明細書中の方法において有用なスクリーニング可能マーカー遺伝子としては、β−グルクロニダーゼ遺伝子(Jeffersonら,EMBO J.6:3901−07(1987);米国特許第5,268,463号)およびネイティブなグリーン蛍光タンパク質遺伝子または改変されたグリーン蛍光タンパク質遺伝子(Cubittら,Trends Biochem Sci.20:448−55(1995);Pangら,Plant Physiol.112:893−900(1996))が挙げられる。これらのマーカーのうちのいくつかは、形質(例えば、除草剤耐性)を目的の植物に導入し、それによって、投入側にさらなる作物栽培的価値を提供するという付加的な利点を有する。
(Selectable marker gene)
Selectable marker genes useful in carrying out the methods described herein include the neomycin phosphotransferase gene nptII (US Pat. Nos. 5,034,322 and 5,530,196), hygromycin Resistance genes (US Pat. No. 5,668,298) and bar genes (US Pat. No. 5,276,268) encoding resistance to phosphinotricin. EP 0 530 129 A1 expresses a transgene that encodes an enzyme that activates an inactive compound added to the growth medium, thereby allowing transformed plants to grow and escape from non-transformed lines. A positive selection system is described that enables Screenable marker genes useful in the methods herein include β-glucuronidase genes (Jefferson et al., EMBO J. 6: 3901-07 (1987); US Pat. No. 5,268,463) and native green Fluorescent protein genes or modified green fluorescent protein genes (Cubitt et al., Trends Biochem Sci. 20: 448-55 (1995); Pang et al., Plant Physiol. 112: 893-900 (1996)). Some of these markers have the added advantage of introducing traits (eg, herbicide tolerance) into the target plant, thereby providing additional crop-cultivation value on the input side.
本明細書中に記載される方法の好ましい実施態様では、1より多くの遺伝子産物が植物中で発現される。この発現は、以下を含む、多数の異なる方法を介して達成され得る:(1)単一の形質転換事象においてコードDNAを導入する方法であって、ここで全ての必要なDNAが単一のベクター上に存在する、方法;(2)同時形質転換事象においてコードDNAを導入する方法であって、ここで全ての必要なDNAが別個のベクター上に存在するが、同時に植物細胞に導入される、方法;(3)独立した形質転換事象によって連続的に植物細胞にコードDNAを導入する方法(すなわち、さらなるDNA構築物を用いての1以上のコードDNAを発現するトランスジェニック植物細胞の形質転換);ならびに(4)別個の形質転換事象による、必要とされるDNA構築物の各々の形質転換によって、個々のタンパク質を発現するトランスジェニック植物を得、そして伝統的な植物育種法を用いて全ての経路を単一の植物に組み込む方法。 In preferred embodiments of the methods described herein, more than one gene product is expressed in the plant. This expression can be achieved through a number of different methods, including the following: (1) A method of introducing coding DNA in a single transformation event, where all the necessary DNA is single A method present on a vector; (2) a method for introducing coding DNA in a co-transformation event, wherein all the necessary DNA is present on a separate vector but is simultaneously introduced into the plant cell. (3) A method of continuously introducing coding DNA into plant cells by independent transformation events (ie, transformation of transgenic plant cells expressing one or more coding DNAs using additional DNA constructs). And (4) transgenes that express individual proteins by transformation of each of the required DNA constructs by separate transformation events. Give a click plant, and a method of incorporating all paths using traditional plant breeding techniques in a single plant.
(III.β酸化酵素経路)
植物の細胞質ゾルにおけるPHAの産生は、R−3−ヒドロキシアシルCoAチオエステルをPHAシンターゼについての基質として産生し得る酵素の細胞質ゾル局在化を必要とする。真核生物および原核生物の両方が、脂肪アシルCoAチオエステルをアセチルCoAへと変換する一連の酵素からなる脂肪酸分解についてのβ酸化経路を有する。これらの経路は、中間体3−ヒドロキシアシルCoAを介して進行するが、この中間体の立体配置は生物間で異なる。例えば、細菌のβ酸化経路および高等真核生物のペルオキシソーム経路は、S−3−ヒドロキシアシルCoAを介して脂肪酸をアセチルCoAへと分解する(Schultz,「Oxidation of Fatty Acids」、Biochemistry of Lipids,Lipoproteins and Membranes(Vanceら編)101〜06頁(Elsevier,Amsterdam 1991))。Escherichia coliでは、β酸化多機能酵素複合体によってコードされるエピメラーゼ活性は、S−3−ヒドロキシアシルCoAをR−3−ヒドロキシアシルCoAへと変換し得る。酵母は、中間体R−3−ヒドロキシアシルCoAを介して進行するペルオキシソームに局在した脂肪酸分解経路を保有し(Hiltunenら J.Biol.Chem.267:6646−53(1992);Filppulaら J.Biol.Chem.270:27453−57(1995))、その結果、PHAを生成するためにエピメラーゼ活性は必要とされない。
(III. Β-oxidase pathway)
Production of PHA in the cytosol of plants requires cytosol localization of an enzyme that can produce R-3-hydroxyacyl CoA thioester as a substrate for PHA synthase. Both eukaryotes and prokaryotes have a β-oxidation pathway for fatty acid degradation that consists of a series of enzymes that convert fatty acyl CoA thioesters to acetyl CoA. These pathways proceed through the intermediate 3-hydroxyacyl CoA, but the configuration of this intermediate varies between organisms. For example, the bacterial β-oxidation pathway and the higher eukaryotic peroxisomal pathway degrade fatty acids to acetyl CoA via S-3-hydroxyacyl CoA (Schultz, “Oxidation of Fatty Acids”, Biochemistry of Lipids, Lipoproteins). and Membranes (edited by Vance et al.) 101-06 (Elsevier, Amsterdam 1991)). In Escherichia coli, the epimerase activity encoded by the β-oxidized multifunctional enzyme complex can convert S-3-hydroxyacyl CoA to R-3-hydroxyacyl CoA. Yeast possesses a peroxisome-localized fatty acid degradation pathway that proceeds via the intermediate R-3-hydroxyacyl CoA (Hiltunen et al. J. Biol. Chem. 267: 6646-53 (1992); Filppula et al. J. MoI. Biol.Chem.270: 27453-57 (1995)), so that no epimerase activity is required to produce PHA.
植物は、他の高等真核生物と同様に、ペルオキシソーム中に細胞下に局在した脂肪酸分解のためのβ酸化経路を有する(Gerhardt,「Catabolism of Fatty Acids[α and β Oxidation]」、Lipid Metabolism in Plants(Moore,Jr.編)527−65頁(CRC Press,Boca Raton,Florida 1993))。それゆえ、植物の細胞質ゾルにおけるPHAの生成は、正確な鎖長のR−3−ヒドロキシアシルCoAチオエステルへの脂肪酸の変換のために、β酸化経路の細胞質ゾルでの発現、ならびにR−3−ヒドロキシアシルCoAをポリマーへと重合させるために適切なPHAシンターゼの細胞質ゾル発現を必要とする。 Plants, like other higher eukaryotes, have a β-oxidation pathway for fatty acid degradation located subcellularly in peroxisomes (Gerhardt, “Catabolism of Fatty Acids [α and β Oxidation]”, Lipid Metabolism). in Plants (Moore, Jr. ed.) pp. 527-65 (CRC Press, Boca Raton, Florida 1993)). Therefore, the production of PHA in the cytosol of the plant is due to the cytosolic expression of the β-oxidation pathway, as well as R-3- Cytosolic expression of appropriate PHA synthase is required to polymerize hydroxyacyl CoA into a polymer.
脂肪酸は、植物のプラスチドにおいて飽和アシル−ACPチオエステルとして合成される(Hartwood,「Plant Lipid Metabolism」、Plant Biochemistry(Deyら編)237−72頁(Academic Press,San Diego 1997))。プラスチドから細胞質ゾルへの輸送の前に、大多数の脂肪酸は、Δ9デサチュラーゼを介して脱飽和される。大部分の脂肪種子作物における新たに合成された脂肪酸のプールは、主に、オレイン酸(シス9−オクタデセン酸)、ステアリン酸(オクタデカン酸)、およびパルミチン酸(ヘキサデカン酸)からなる。しかし、いくつかの植物(例えば、ココヤシおよびパーム核)は、より短い鎖の脂肪酸(C8〜14)を合成する。この脂肪酸は、ACPからチオエステラーゼを介して放出され、続いてプラスチド膜に局在するアシルCoAシンテターゼを介してアシルCoAチオエステルへと変換される(Andrewsら,「Fatty acid and lipid biosynthesis and degradation」Plant Physiology,Biochemistry,and Molecular Biology(Dennisら編)345−46頁(Longman Scientific & Technical,Essex,England 1990);Harwood,「Plant Lipid Metabolism」Plant Biochemistry(Deyら編)246頁(Academic Press,San Diego 1997))。 Fatty acids are synthesized as saturated acyl-ACP thioesters in plant plastids (Hartwood, “Plant Lipid Metabolism”, Plant Biochemistry (Dey et al.) 237-72 (Academic Press, San Diego 1997)). Prior to transport from the plastid to the cytosol, the majority of fatty acids are desaturated via a Δ9 desaturase. The pool of newly synthesized fatty acids in most oilseed crops consists primarily of oleic acid (cis 9-octadecenoic acid), stearic acid (octadecanoic acid), and palmitic acid (hexadecanoic acid). However, some plants (eg, coconut and palm kernels) synthesize shorter chain fatty acids (C8-14). This fatty acid is released from ACP via thioesterase and subsequently converted to acyl CoA thioester via acyl CoA synthetase localized in the plastid membrane (Andrews et al., “Fatty acid and lipid biosynthesis and degradation” Plant Physiology, Biochemistry, and Molecular Biology (Edited by Dennis et al.), Pages 345-46 (Longman Scientific & Technolical, Essex, England Biol et al., 1990); Diego 1997)).
脂肪酸分解経路を介する、新たに合成されたアシルCoAチオエステルのプールの細胞質ゾル変換、およびPHAシンターゼについてのR−3−ヒドロキシアシル−CoA基質へのこれらの一連の反応由来の中間体の変換は、図1に概説した酵素反応を介して達成され得る。PHAシンターゼ基質はC4〜C16 R−3−ヒドロキシアシルCoAである。飽和脂肪アシルCoAについては、脂肪酸分解経路を用いてのR−3−ヒドロキシアシルCoAチオエステルへの変換は、以下の一連の反応を必要とする:トランス−2−エノイル−CoAへのアシルCoAチオエステルの変換(反応1)、R−3−ヒドロキシ(hyddroxy)アシルCoAへのトランス−2−エノイル−CoAの水和(反応2a、例えば、酵母系は、この経路を通して作動し、そしてAeromonas caviae D特異的ヒドラターゼはC4〜C7 R−3ヒドロキシアシル−CoAを生じる)、S−3−ヒドロキシアシルCoAへのトランス−2−エノイル−CoAの水和(反応2b)、およびR−3−ヒドロキシアシルCoAへのS−3−ヒドロキシアシルCoAのエピマー化(反応5、例えば、キュウリ四機能タンパク質、細菌系)。3−ヒドロキシアシルCoAは、PHAを形成するPHAシンターゼによって重合されない場合、これは、残りのβ酸化経路を通して以下の通りに進行し得る:β−ケトアシルCoAを形成する、3−ヒドロキシアシルCoAの酸化(反応3)、続いてアセチルCoAおよび2炭素単位分短い飽和アシルCoAチオエステルを生じるCoA存在下でのチオ開裂(反応4)。反応4において生成されるアシルCoAチオエステルは、反応1のβ酸化経路に自由に再度侵入し、そして生成されたアセチルCoAは、β−ケトチオラーゼ(反応7)およびNADHアセトアセチル−CoAレダクターゼまたはNADPHアセトアセチル−CoAレダクターゼ(反応6)の作用によってR−3−ヒドロキシアシルCoAへと変換され得る。この後者の経路は、R−3−ヒドロキシブチリル−CoA、R−3−ヒドロキシバレリル−CoA、およびR−3−ヒドロキシヘキサノイル−CoAを生成するために有用である。この一連の酵素反応によって生成される4〜16炭素原子のR−3−ヒドロキシ酸は、導入遺伝子(または2つのサブユニットシンターゼ酵素の場合は複数の導入遺伝子)から発現されるPHAシンターゼによってPHAポリマーへと重合され得る。
Cytosolic conversion of a pool of newly synthesized acyl CoA thioesters via the fatty acid degradation pathway, and conversion of intermediates from these series of reactions to R-3-hydroxyacyl-CoA substrates for PHA synthase, It can be achieved via the enzymatic reaction outlined in FIG. The PHA synthase substrate is C4-C16 R-3-hydroxyacyl CoA. For saturated fatty acyl CoAs, conversion to R-3-hydroxyacyl CoA thioesters using the fatty acid degradation pathway requires the following sequence of reactions: Conversion of acyl CoA thioesters to trans-2-enoyl-CoA Conversion (Reaction 1), Hydration of trans-2-enoyl-CoA to R-3-hydroxyacyl CoA (Reaction 2a, eg, the yeast system operates through this pathway and is specific for Aeromonas caviae D Hydratase yields C4-C7 R-3 hydroxyacyl-CoA), hydration of trans-2-enoyl-CoA to S-3-hydroxyacyl CoA (reaction 2b), and to R-3-hydroxyacyl CoA Epimerization of S-3-hydroxyacyl CoA (reaction 5, eg, cucumber Functional protein, a bacterial system). If 3-hydroxyacyl CoA is not polymerized by PHA synthase to form PHA, it can proceed through the remaining β-oxidation pathway as follows: Oxidation of 3-hydroxyacyl CoA to form β-ketoacyl CoA (Reaction 3) followed by thio-cleavage in the presence of CoA to yield acetyl CoA and a saturated acyl CoA thioester short by 2 carbon units (Reaction 4) The acyl CoA thioester produced in
Δ9不飽和脂肪アシルCoAについては、記載される種々の一連の反応が必要とされる。図1に詳述されるように、3サイクルのβ酸化は、6個の炭素単位を除去して、3位にシス二重結合を有する不飽和アシルCoAチオエステルを生じる。Δ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼによって触媒される、2位でのトランス二重結合への3位でのシス二重結合の変換は、図1に概説した一連のβ酸化反応が進行するのを可能にする。この酵素活性は、微生物のβ酸化複合体および植物の四機能タンパク質に存在するが、酵母fox1には存在しない。 For the Δ9 unsaturated fatty acyl CoA, the various series of reactions described are required. As detailed in FIG. 1, three cycles of β-oxidation remove 6 carbon units to yield an unsaturated acyl CoA thioester with a cis double bond in the 3 position. The conversion of the cis double bond at the 3 position to the trans double bond at the 2 position catalyzed by Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase is a series of β-oxidation reactions outlined in FIG. Allows to progress. This enzymatic activity is present in the microbial β-oxidation complex and in the plant tetrafunctional protein but not in yeast fox1.
アシルCoAチオエステルはまた、分解されてβ−ケトアシルCoAになり、そしてNADH依存性レダクターゼまたはNACPH依存性レダクターゼを介してR−3−ヒドロキシアシルCoAへと変換され得る(反応6)。 The acyl CoA thioester can also be cleaved to β-ketoacyl CoA and converted to R-3-hydroxyacyl CoA via NADH-dependent or NACCP-dependent reductase (Reaction 6).
S特異的ヒドラターゼ活性、S特異的デヒドロゲナーゼ活性、β−ケトチオラーゼ活性、エピメラーゼ活性、およびΔ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼ活性をコードする多機能性酵素は、Escherichia coli(Sprattら,J.Bacteriol.158:535−42(1984))およびPseudomonas fragi(Immureら,J.Biochem.107:184−89(1990))のような細菌において見出されている。多機能性酵素複合体は、触媒的に活性なタンパク質がヘテロテトラマーを形成するような、2コピーの各々2つのサブユニットからなる。ヒドラターゼ活性、デヒドロゲナーゼ活性、エピメラーゼ活性、およびΔ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼ活性は、一方のサブユニット上に存在し、一方、チオラーゼは別のサブユニットに存在する。生物(例えば、E.coli(Sprattら,J.Bacteriol.158:535−42(1984));DiRusso,J.Bacteriol.172:6459−68(1990))およびP.fragi(Satoら,J.Biochem.111:8−15(1992))由来の酵素をコードする遺伝子は、単離および配列決定されており、そして本明細書中に記載される方法を実施するために適切である。さらに、E.coli酵素系は、個々の酵素活性に重要なアミノ酸残基を同定するために部位特異的変異誘発分析に供されている(HeおよびYang,Biochemistry 35:9625−30(1996);Yangら,Biochemistry 34:6641−47(1995);HeおよびYang,Biochemistry 36:11044−49(1997);Heら、Biochemistry 36:261−68(1997);YangおよびElzinga,J.Biol.Chem.268:6588−92(1993))。これらの変異遺伝子はまた、本明細書中に記載される方法のいくつかの実施態様において用いられ得る。 A multifunctional enzyme encoding S-specific hydratase activity, S-specific dehydrogenase activity, β-ketothiolase activity, epimerase activity, and Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase activity is Escherichia coli (Splatt et al., J. Bacteriol. 158: 535-42 (1984)) and Pseudomonas fragi (Immure et al., J. Biochem. 107: 184-89 (1990)). The multifunctional enzyme complex consists of two copies of each two subunits such that a catalytically active protein forms a heterotetramer. Hydratase activity, dehydrogenase activity, epimerase activity, and Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase activity are present on one subunit, while thiolase is present on another subunit. Organisms (eg, E. coli (Splatt et al., J. Bacteriol. 158: 535-42 (1984)); DiRusso, J. Bacteriol. 172: 6459-68 (1990)) and P. a. The gene encoding the enzyme from Fragi (Sato et al., J. Biochem. 111: 8-15 (1992)) has been isolated and sequenced, and to carry out the methods described herein Is appropriate. In addition, E.I. The E. coli enzyme system has been subjected to site-directed mutagenesis analysis to identify amino acid residues important for individual enzyme activities (He and Yang, Biochemistry 35: 9625-30 (1996); Yang et al., Biochemistry. 34: 6641-47 (1995); He and Yang, Biochemistry 36: 11044-49 (1997); He et al., Biochemistry 36: 261-68 (1997); Yang and Elzinga, J. Biol. 92 (1993)). These mutated genes can also be used in some embodiments of the methods described herein.
ラットのような哺乳動物は、それらのペルオキシソーム中に、ヒドラターゼ、デヒドロゲナーゼ、およびΔ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼ活性を含む、3機能性のβ−酸化酵素を有する。3機能性の酵素は、ラットの肝臓から単離され、そして78kDaの分子量を有する単量体であることが見出された(Palosaariら、J.Biol.Chem.265:2446〜49(1990))。細菌系と異なり、チオラーゼ活性は、多酵素タンパク質の一部ではない(Schultz、「Oxidation of Fatty Acids」Biochemistry of Lipids、Lipoproteins and Membranes(Vanceら、編)95頁、Elsevier,Amsterdam(1991))。ラットにおけるエピマー化は、2つの異なるヒドラターゼの活性の組み合わせによって生じ、その1つは、R−3ヒドロキシアシルCoAをトランス−2−エノイルCoAに転換し、そして別の1つは、トランス−2−エノイルCoAをS−3−ヒドロキシアシルCoAに転換する(Smelandら、Biochemical and Biophysical Research Communications 160:988〜92(1989))。哺乳動物はまた、中間体S−3−ヒドロキシアシルCoAを介して脂肪酸をアセチルCoAに分解する、β−酸化経路をそれらのミトコンドリアに有する(Schultz、「Oxidation of Fatty Acids」Biochemistry of Lipids,Lipoproteins and Membranes(Vanceら、編)96頁(Elsevier,Amsterdam(1991)))。ミトコンドリアβ−酸化活性をコードする遺伝子は、いくつかの動物から単離されており、これらには、ラットミトコンドリア長鎖アシルCoAヒドラターゼ/3−ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ(GENBANK登録番号D16478)およびラットミトコンドリアチオラーゼ(GENBANK登録番号D13921およびD00511)が含まれる。
Mammals such as rats have trifunctional β-oxidase in their peroxisomes, including hydratase, dehydrogenase, and Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase activity. The trifunctional enzyme was isolated from rat liver and found to be a monomer with a molecular weight of 78 kDa (Palosarai et al., J. Biol. Chem. 265: 2446-49 (1990)). ). Unlike bacterial systems, thiolase activity is not part of a multi-enzyme protein (Schultz, “Oxidation of Fatty Acids” Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Embranes (Vance et al., Ed.),
酵母は、多機能酵素であるFox2を有し、これは、S−3−ヒドロキシアシルCoAの代わりにR−3−ヒドロキシアシルCoA中間体を介して進行するという点で、細菌および高等真核生物のβ−酸化複合体とは異なる(Hiltunenら、J.Biol.Chem.267:6646〜53(1992))。Fox2は、R−特異的ヒドラターゼ酵素活性およびR−特異的デヒドロゲナーゼ酵素活性を有する。この酵素は、Δ9−シス−ヒドロキシアシルCoAを分解してR−3−ヒドロキシアシルCoAを形成するのに必要な、Δ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼ活性を有さない。fox2をコードする酵母由来のこの遺伝子は単離され、そして配列決定されており、そして900アミノ酸タンパク質をコードする。この構造遺伝子のDNA配列およびコードされたポリペプチドのアミノ酸配列は、配列番号1および配列番号2に示される。 Yeast has a multifunctional enzyme Fox2, which is a bacterial and higher eukaryote in that it proceeds via an R-3-hydroxyacyl CoA intermediate instead of S-3-hydroxyacyl CoA. (Hiltunen et al., J. Biol. Chem. 267: 6646-53 (1992)). Fox2 has R-specific hydratase enzyme activity and R-specific dehydrogenase enzyme activity. This enzyme does not have the Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase activity required to degrade Δ 9 -cis-hydroxyacyl CoA to form R-3-hydroxyacyl CoA. This gene from yeast encoding fox2 has been isolated and sequenced and encodes a 900 amino acid protein. The DNA sequence of this structural gene and the amino acid sequence of the encoded polypeptide are shown in SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2.
植物は、酵母Fox2に類似するがまた、Δ3−シス−Δ2−トランス−エノイルCoAイソメラーゼ活性もコードする、4機能タンパク質を有する(Mullerら、J.Biol.Chem.269:20475〜81(1994))。このcDNAのDNA配列およびコードされるポリペプチドのアミノ酸配列は、配列番号3および配列番号4に示される。 The plant has a tetrafunctional protein that is similar to yeast Fox2 but also encodes Δ 3 -cis-Δ 2 -trans-enoyl CoA isomerase activity (Muller et al., J. Biol. Chem. 269: 20475-81 ( 1994)). The DNA sequence of this cDNA and the amino acid sequence of the encoded polypeptide are shown in SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4.
(IV.脂肪種子作物の細胞質への酵素の標的化)
植物の細胞質中のPHA産生を操作することは、植物の細胞質へのβ−酸化の発現を指示する工程を必要とする。faoABのような細菌系においては標的化シグナルは存在しない。真菌、酵母、植物、および哺乳動物においては、β−酸化は、細胞下オルガネラにおいて起こる。代表的には、その遺伝子は、核の染色体において発現され、そして細胞質において合成されるポリペプチドは、特定のアミノ酸配列の存在によってこれらのオルガネラに指向される。真核生物供給源から単離された遺伝子(例えば、酵母、真菌、植物、および哺乳動物のような真核生物供給源由来の脂肪酸酸化酵素)を使用して、本明細書に記載される方法を実行するために、細胞下標的化シグナルの除去または改変が、この酵素を細胞質ゾルに指向させるために必要である。タンパク質を小胞体に指向させるためのシグナルを付加することが有用であり得る。このプロセスにおいて有用なペプチドは、当該分野で周知である。一般的なアプローチは、小胞体に標的化するペプチド配列に特定化したDNA配列を挿入してキメラ遺伝子を形成することによって、導入遺伝子を改変することである。
IV. Targeting enzymes to the cytoplasm of oilseed crops
Manipulating PHA production in the plant cytoplasm requires a step that directs the expression of β-oxidation into the plant cytoplasm. There is no targeting signal in bacterial systems such as faoAB. In fungi, yeast, plants, and mammals, β-oxidation occurs in subcellular organelles. Typically, the gene is expressed in the nuclear chromosome, and polypeptides synthesized in the cytoplasm are directed to these organelles by the presence of specific amino acid sequences. Methods described herein using genes isolated from eukaryotic sources (eg, fatty acid oxidases from eukaryotic sources such as yeast, fungi, plants, and mammals) In order to do this, removal or modification of the subcellular targeting signal is necessary to direct this enzyme to the cytosol. It may be useful to add a signal to direct the protein to the endoplasmic reticulum. Peptides useful in this process are well known in the art. A common approach is to modify the transgene by inserting a specialized DNA sequence into the peptide sequence targeted to the endoplasmic reticulum to form a chimeric gene.
真核生物アシルCoAデヒドロゲナーゼおよび他のミトコンドリアタンパク質は、通常20〜60アミノ酸長であるタンパク質のN−末端のリーダーペプチドを介してミトコンドリアに標的化される(Horwich,Current Opinion in Cell Biology,2:625〜33(1990))。ミトコンドリア移入リーダーペプチドについての明白なコンセンサス配列の欠如にもかかわらず、リーダー配列において鍵となる残基の変異誘発は、ミトコンドリアタンパク質の移入を妨害することが実証された。例えば、Saccharomyces cerevisiae F1−ATPaseの移入は、そのリーダー配列の変異誘発によって妨害され、これは、細胞質における改変された前駆体タンパク質の蓄積を生じた(Bedwellら、Mol.Cell.Biol.9:1014〜25(1989))。 Eukaryotic acyl-CoA dehydrogenases and other mitochondrial proteins are targeted to the mitochondria via the N-terminal leader peptide of the protein, which is usually 20-60 amino acids long (Horwich, Current Opinion in Cell Biology, 2: 625). ~ 33 (1990)). Despite the lack of a clear consensus sequence for the mitochondrial import leader peptide, mutagenesis of key residues in the leader sequence has been demonstrated to interfere with mitochondrial protein import. For example, the transfer of Saccharomyces cerevisiae F1-ATPase was hampered by mutagenesis of its leader sequence, which resulted in the accumulation of modified precursor proteins in the cytoplasm (Bedwell et al., Mol. Cell. Biol. 9: 1014). -25 (1989)).
3つの真核生物ペルオキシソーム標的化シグナルが報告されている(Gouldら、J.Cell.Biol.108:1657〜64(1989);Bricknerら、J.Plant Physiol.,113:1213〜21(1997))。トリペプチド標的化シグナルS/A/C−K/H/R−Lは、多くのペルオキシソームタンパク質のC−末端に生じる(Gouldら、J.Cell Biol.108:1657〜64(1989))。この配列の変異誘発は、ペルオキシソームへのタンパク質の移入を妨害することが示されてきた。いくつかのペルオキシソームタンパク質は、そのタンパク質のC−末端にこのトリペプチドを含まない。これらのタンパク質では、タンパク質配列中の内部の位置のトリペプチドを介してか(Gouldら、J.Cell.Biol.108:1657〜64(1989))、または未知の、無関係の配列を介して(Bricknerら、J.Plant Physiol.113:1213〜21(1997))、標的化が生じることが示唆されている。Candida tropicalis由来のアシルCoAオキシダーゼのフラグメントを用いる、インビトロでのペルオキシダーゼ標的化実験の結果は、後者の理論を支持するようであり、そしてポリペプチドの内部アミノ酸配列中に2つの別個の標的化シグナルが存在することを示唆する(Smallら、The EMBO Journal 7:1167〜73(1988))。前述の研究において、標的化シグナルは、長さにおいて118アミノ酸の2つの領域に局在し、そしていずれの領域も標的化シグナルS/A/C−K/H/R−Lを含むことが見出されなかった。少数のペルオキシソームのタンパク質は、ペルオキシソームに移入するためのアミノ末端リーダー配列を含むようである(Bricknerら、J.Plant Physiol.113:1213〜21(1997))。これらの標的化シグナルは、部位特異的変異誘発によって欠失させ得るか、または変更され得る。 Three eukaryotic peroxisome targeting signals have been reported (Gould et al., J. Cell. Biol. 108: 1657-64 (1989); Brickner et al., J. Plant Physiol., 113: 1213-21 (1997). ). The tripeptide targeting signal S / A / CK / H / RL occurs at the C-terminus of many peroxisomal proteins (Gould et al., J. Cell Biol. 108: 1657-64 (1989)). Mutagenesis of this sequence has been shown to interfere with protein import into the peroxisome. Some peroxisomal proteins do not contain this tripeptide at the C-terminus of the protein. For these proteins, either via a tripeptide at an internal position in the protein sequence (Gould et al., J. Cell. Biol. 108: 1657-64 (1989)) or via an unknown, unrelated sequence ( Brickner et al., J. Plant Physiol. 113: 1213-21 (1997)), it has been suggested that targeting occurs. The results of in vitro peroxidase targeting experiments using fragments of acyl CoA oxidase from Candida tropicalis appear to support the latter theory, and there are two distinct targeting signals in the internal amino acid sequence of the polypeptide. It is suggested to exist (Small et al., The EMBO Journal 7: 1167-73 (1988)). In the previous study, it was found that the targeting signal was localized in two regions of 118 amino acids in length and that both regions contained the targeting signal S / A / CK / H / RL. It was not issued. A small number of peroxisomal proteins appear to contain an amino-terminal leader sequence for import into the peroxisome (Brickner et al., J. Plant Physiol. 113: 1213-21 (1997)). These targeting signals can be deleted or altered by site-directed mutagenesis.
(V.トランスジェニック植物の培養および収穫)
トランスジェニック植物は、標準的な培養技術を使用して生育され得る。植物または植物部分はまた、標準的な装置および方法を使用して回収され得る。PHAは、植物または植物部分から、公知の技術(例えば、PCT WO97/15681に記載されるような、伝統的な播種プロセス技術と組み合わせた溶媒抽出)を使用して回収され得るか、または、例えば、動物の食物として、直接的に使用され得る。ここでは、植物生物体量からのPHAを抽出することは不要である。
(V. Transgenic plant cultivation and harvesting)
Transgenic plants can be grown using standard culture techniques. Plants or plant parts can also be recovered using standard equipment and methods. PHA can be recovered from plants or plant parts using known techniques (eg, solvent extraction in combination with traditional sowing process techniques as described in PCT WO 97/15681) or, for example, Can be used directly as animal food. Here, it is not necessary to extract PHA from the amount of plant organisms.
種子を産生しなかったいくつかの系統は、はるかにより高いレベルの生物体量を産生した。従って、この表現型は、牧草、飼料、または他の生物体量作物について、1エーカーあたりに産生される緑の生物体量の量を増加させる手段として有用であり得る。末端の使用は、動物の餌のための、または電気的な動力を生成するためのエネルギー作物としての、飼料作物の最もコスト的に効果的な産生、を含む。他の使用は、工業製品の引き続く回収(例えば、抽出によるPHA)のために、作物(例えば、アルファルファまたはタバコ)の生物体量レベルを増加させる工程を含む。 Some lines that did not produce seeds produced much higher levels of biomass. Thus, this phenotype can be useful as a means of increasing the amount of green biomass produced per acre for pasture, feed, or other biomass crops. End use includes the most cost-effective production of forage crops, either for animal feed or as an energy crop for generating electrical power. Other uses include increasing biomass levels of crops (eg, alfalfa or tobacco) for subsequent recovery of industrial products (eg, PHA by extraction).
本明細書中に記載される組成物およびその調製方法およびその使用方法は、以下の非限定的な実施例によってさらに記載される。 The compositions described herein and methods for their preparation and methods of use are further described by the following non-limiting examples.
(実施例1:Pseudomononas putida faoAB遺伝子およびFao酵素の単離および特徴付け)
PCR、DNA配列決定、E.coli形質転換、およびプラスミド精製を含む。すべてのDNA操作を、例えば、Sambrookら、Molecular Cloning:A Laboratory Manual(Cold Spring Harbor Laboratory Press、New York(1989))に記載されるような標準的な方法を用いて行った。Pseudomonas putida由来のfaoABをコードする遺伝子を、Pseudomonas fragi由来のfaoB(Satoら、J.Biochem.111:8−15(1992))に相同性を有するプライマー1および2を使用するPCR(ポリメラーゼ連鎖反応)によってP.putidaゲノムDNAから生成されたプローブを用いて単離した。
プライマー1:5’−gat ggg ccg ctc caa ggg tgg−3’(配列番号5)
プライマー2:5’−caa ccc gaa ggt gcc gcc att−3’(配列番号6)。
Example 1: Isolation and characterization of Pseudomononas putida faoAB gene and Fao enzyme
PCR, DNA sequencing, E.I. E. coli transformation and plasmid purification. All DNA manipulations were performed using standard methods as described, for example, in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York (1989)). PCR (polymerase chain reaction) using
Primer 1: 5′-gat ggg ccg ctc caa ggg tgg-3 ′ (SEQ ID NO: 5)
Primer 2: 5'-caa ccc gaa ggt gcc gcc att-3 '(SEQ ID NO: 6).
1.1kb DNAフラグメントを、PCR反応から精製し、そしてλZAP発現系(Stratagene)を使用して、pBKCMVプラスミドに構築されたP.putidaゲノムライブラリーをスクリーニングするためにプローブとして使用した。プラスミドpMFX1を、ポジティブクローンから選択し、そしてfaoAB遺伝子を含むインサートのDNA配列および隣接配列を決定した。この配列を配列番号7に示す。以下のように、faoABを含むフラグメントを、ネイティブなP.putidaリボソーム結合部位を用いてインタクトに、発現ベクターpTRCNにサブクローニングして、プラスミドpMFX3を形成した。プラスミドpMFX1を、BsrG1を用いて消化した。得られる突出末端をクレノウで平滑化した。HindIIIを用いる消化は、FaoABをコードする、3.39kbの平滑末端/HindIIIフラグメントを産生した。発現ベクターpTRCNを、SmaI/HindIIIを用いて消化し、そしてfaoABフラグメントを用いて連結し、7.57kbのプラスミドpMFX3を形成した。 A 1.1 kb DNA fragment was purified from the PCR reaction and constructed using the λZAP expression system (Stratagene) into a PBKCMV plasmid. It was used as a probe to screen a putida genomic library. Plasmid pMFX1 was selected from positive clones and the DNA and flanking sequences of the insert containing the faoAB gene were determined. This sequence is shown in SEQ ID NO: 7. The fragment containing faoAB was converted to native P.O. Intact using the putida ribosome binding site was subcloned into the expression vector pTRCN to form plasmid pMFX3. Plasmid pMFX1 was digested with BsrG1. The resulting protruding end was smoothed with Klenow. Digestion with HindIII produced a 3.39 kb blunt end / HindIII fragment encoding FaoAB. The expression vector pTRCN was digested with SmaI / HindIII and ligated with the faoAB fragment to form the 7.57 kb plasmid pMFX3.
FaoAB多酵素複合体の酵素を、以下のようにアッセイした。ヒドラターゼ活性を、アッセイがCoAの存在下で行われた以外は、以前に記載されたように(Filppulaら、J.Biol.Chem.270:27453〜57(1995))、カップリング酵素L−β−ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼを使用して、NADからNADHへの転換をモニタリングすることによってアッセイした。カップリング酵素の激しい生成物阻害が、CoAの非存在下で観察された。このアッセイは、(最終容量1mLに)60μM クロトニル(crotonyl)CoA、50μM Tris−Cl、pH9、50μg/mlのウシ血清アルブミン、50mM KCl、1mM NAD、7μg/ml ブタ心臓由来L−特異的β−ヒドロキシアシルCoA デヒドロゲナーゼ、および0.25mM CoAを含んだ。このアッセイは、アッセイ混合液中へのFaoABの添加で開始された。コントロールアッセイを、生成されるヒドラターゼ産物、S−ヒドロキシブチリルCoAの非存在下でNADの消費速度を決定するために、基質なしで行った。活性の1ユニットは、1分間あたりのNADの1μモルの消費として定義される(ε340=6220M−1cm−1)。 The enzyme of the FaoAB multienzyme complex was assayed as follows. Hydratase activity was determined as described previously (Filppula et al., J. Biol. Chem. 270: 27453-57 (1995)), except that the assay was performed in the presence of CoA. -Assayed by monitoring the conversion of NAD to NADH using hydroxyacyl CoA dehydrogenase. Vigorous product inhibition of the coupling enzyme was observed in the absence of CoA. This assay consists of 60 μM crotonyl CoA, 50 μM Tris-Cl, pH 9, 50 μg / ml bovine serum albumin, 50 mM KCl, 1 mM NAD, 7 μg / ml porcine heart-derived L-specific β- (to 1 mL final volume). Hydroxyacyl CoA dehydrogenase and 0.25 mM CoA were included. The assay was initiated with the addition of FaoAB into the assay mixture. A control assay was performed without substrate to determine the consumption rate of NAD in the absence of the hydratase product produced, S-hydroxybutyryl CoA. One unit of activity is defined as the consumption of 1 μmol of NAD per minute (ε 340 = 6220 M −1 cm −1 ).
ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼを、基質としてアセトアセチルCoAを用いて、340nmにおけるNADHからNADへの転換をモニタリングすることにより(Binstockら、Methods in Enzymology、71:403(1981))、逆方向でアッセイした。このアッセイは、(最終容量1mL中に)0.1M KH2PO4、PH7、0.2mg/mL ウシ血清アルブミン、0.1mM NADH、および33μM アセトアセチルCoAを含んだ。このアッセイを、アッセイ混合液へのFaoABの添加で開始した。必要な場合、酵素サンプルを、1mg/mLウシ血清アルブミンを含む、0.1M KH2PO4、pH7中に希釈した。コントロールアッセイを、ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ以外の酵素による粗サンプル中のNADHの消費速度を検出するために、基質アセトアセチルCoAなしで実行した。活性の1ユニットは、1分間あたりのNADHの1μモルの消費として定義される(ε340=6220M−1cm−1)。 Hydroxyacyl CoA dehydrogenase was assayed in the reverse direction by monitoring the conversion of NADH to NAD at 340 nm using acetoacetyl CoA as a substrate (Binstock et al., Methods in Enzymology, 71: 403 (1981)). This assay included (in a final volume of 1 mL) 0.1 M KH 2 PO 4 , PH7, 0.2 mg / mL bovine serum albumin, 0.1 mM NADH, and 33 μM acetoacetyl CoA. The assay was initiated with the addition of FaoAB to the assay mixture. If necessary, enzyme samples were diluted in 0.1 M KH 2 PO 4 , pH 7 containing 1 mg / mL bovine serum albumin. A control assay was performed without the substrate acetoacetyl CoA to detect the consumption rate of NADH in the crude sample by enzymes other than hydroxyacyl CoA dehydrogenase. One unit of activity is defined as the consumption of 1 μmol of NADH per minute (ε 340 = 6220 M −1 cm −1 ).
ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼを、基質としてクロトニルCoAを用いて、340nmにおけるNADからNADHへの転換をモニタリングすることにより(Binstockら、Methods in Enzymology、71:403(1981))、正方向でアッセイした。このアッセイ混合液は、(最終容量1mL中に)0.1M KH2PO4、PH8、0.3mg/mL ウシ血清アルブミン、2mM β−メルカプトエタノール、0.25mM CoA、30μM クロトニルCoA、およびFaoABのアリコートを含んだ。反応を、S−ヒドロキシブチリルCoAのインサイチュでの形成を可能にするために数分間プレインキュベーションした。次いで、このアッセイを、NAD(0.45mM)の添加によって開始した。コントロールアッセイを、ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼ以外の酵素によるNADの消費速度を検出するために、基質なしで実行した。活性の1ユニットは、1分間あたりのNADの1μモルの消費として定義される(ε340=6220M−1cm−1)。 Hydroxyacyl CoA dehydrogenase was assayed in the forward direction by monitoring the conversion of NAD to NADH at 340 nm (Binstock et al., Methods in Enzymology, 71: 403 (1981)) using crotonyl CoA as a substrate. This assay mixture consists of 0.1M KH 2 PO 4 , PH8, 0.3 mg / mL bovine serum albumin, 2 mM β-mercaptoethanol, 0.25 mM CoA, 30 μM crotonyl CoA, and FaoAB (in a final volume of 1 mL). An aliquot was included. The reaction was preincubated for several minutes to allow in situ formation of S-hydroxybutyryl CoA. The assay was then initiated by the addition of NAD (0.45 mM). A control assay was performed without substrate to detect the rate of consumption of NAD by enzymes other than hydroxyacyl CoA dehydrogenase. One unit of activity is defined as the consumption of 1 μmol of NAD per minute (ε 340 = 6220 M −1 cm −1 ).
チオラーゼ活性を、いくつかの改変を伴って、以前に記載されたように(Palmerら、J.Biol.Chem.266:1〜7(1991))、基質アセトアセチルCoAの消費による304nmにおける吸収の減少をモニタリングすることによって決定した。アッセイは、(最終容量1mL中に)62.4mM Tris−Cl、pH 8.1、4.8mM MgCl2、62.5μM CoA、および62.5μMアセトアセチルCoAを含んだ。このアッセイは、アッセイ混合液へのFaoABの添加によって開始した。酵素を有さないコントロールサンプルを、酵素の非存在下でpH8.1の基質分解速度を検出するために、各々のアッセイについて実行した。活性の1ユニットは、1分間あたりの基質アセトアセチルCoAの1μモルの消費として定義される(ε340=16900M−1cm−1)。
The thiolase activity, as described previously (Palmer et al., J. Biol. Chem. 266: 1-7 (1991)), with some modifications, is measured by absorption of the substrate acetoacetyl CoA at 304 nm. Determined by monitoring the decrease. Assay contained (final volume in 1mL) 62.4mM Tris-Cl, pH 8.1,4.8
エピメラーゼ活性を、R−3−ヒドロキシアシルCoAチオエステルを、D,L−3−ヒドロキシアシルCoA混合物の代わりに使用する以外は、以前に記載されたように(Binstockら、Methods in Enzymology、71:403(1981))アッセイした。このアッセイは、(最終容量1mL中に)30μM R−3−ヒドロキシアシルCoA、150mM KH2PO4(pH8)、0.3mg/mL BSA、0.5mM NAD、0.1mM CoA、および7μg/mL ブタ心臓由来L−特異的β−ヒドロキシアシルCoAデヒドロゲナーゼを含んだ。このアッセイは、FaoABの添加によって開始した。 Epimerase activity was as previously described (Binstock et al., Methods in Enzymology, 71: 403, except that R-3-hydroxyacyl CoA thioester was used in place of the D, L-3-hydroxyacyl CoA mixture. (1981)) assayed. This assay consists of 30 μM R-3-hydroxyacyl CoA, 150 mM KH 2 PO 4 (pH 8), 0.3 mg / mL BSA, 0.5 mM NAD, 0.1 mM CoA, and 7 μg / mL (in a final volume of 1 mL). An L-specific β-hydroxyacyl CoA dehydrogenase from porcine heart was included. The assay was initiated by the addition of FaoAB.
DH5α/pMFX3におけるFaoABの発現のために、培養物を2×TY培地中で30℃で増殖させた。2×TY培地は、(1リットルあたり)16gトリプトン、10g酵母、および5gNaClを含む。スターター培養を、一晩増殖させ、そして新鮮な培地(小規模増殖では250mLエルレンマイヤーフラスコ中に100mL;大規模増殖には、2.8Lフラスコ中に1.5L)に接種(1%接種材料)するために使用した。600nmにおける吸光度が0.4〜0.6の範囲に達した場合、細胞を0.4mM IPTGを用いて誘導した。収穫に先立ち、細胞をさらに4時間培養した。細胞を超音波処理によって溶菌し、そして遠心分離によって不溶性物質を可溶性タンパク質から取り除いた。アシルCoAデヒドロゲナーゼ活性を、FaoAサブユニット(配列番号31)の活性を保証するために逆方向でモニタリングし、そしてチオラーゼ活性をFaoサブユニットの活性を決定するためにアッセイした。DH5α/pMFX3におけるFaoABは、それぞれ、4.3U/mgおよび0.99U/mgの値のデヒドロゲナーゼ活性およびチオラーゼ活性を含んだ。これは、コントロール株DH5α/pTRCNにおいてデヒドロゲナーゼおよびチオラーゼについて観察された、それぞれ0.0074U/mgおよび0.0033U/mgよりも顕著に高かった。 Cultures were grown at 30 ° C. in 2 × TY medium for expression of FaoAB in DH5α / pMFX3. 2 × TY medium contains (per liter) 16 g tryptone, 10 g yeast, and 5 g NaCl. Starter cultures are grown overnight and inoculated into fresh medium (100 mL in a 250 mL Erlenmeyer flask for small scale growth; 1.5 L in a 2.8 L flask for large scale growth) (1% inoculum) Used to). When the absorbance at 600 nm reached the range of 0.4 to 0.6, the cells were induced with 0.4 mM IPTG. Prior to harvest, cells were cultured for an additional 4 hours. Cells were lysed by sonication and insoluble material was removed from soluble protein by centrifugation. Acyl CoA dehydrogenase activity was monitored in the reverse direction to ensure the activity of the FaoA subunit (SEQ ID NO: 31), and thiolase activity was assayed to determine the activity of the Fao subunit. FaoAB in DH5α / pMFX3 contained dehydrogenase activity and thiolase activity with values of 4.3 U / mg and 0.99 U / mg, respectively. This was significantly higher than the 0.0074 U / mg and 0.0033 U / mg observed for dehydrogenase and thiolase, respectively, in the control strain DH5α / pTRCN.
FaoABを、Pseudomonas fragi由来のFaoABの精製について以前に記載された改変された手順(Imamuraら、J.Biochem.107:184〜89(1990))を用いて、DH5α/pMFX3から精製した。チオラーゼ活性(正方向においてアッセイされた)およびデヒドロゲナーゼ活性(逆方向においてアッセイされた)を、精製の全体を通じてモニタリングした。3リットルのDH5α/pMFX3細胞(2.8Lのエーレンマイヤーフラスコ中2×1.5Lアリコート)を、酵素活性分析のために調製された細胞について以前に記載された細胞増殖手順を用いて、2×TY培地中で増殖させた。細胞(15.8g)を、32mLの10mM KH2PO4、pH7中に再懸濁し、そして超音波処理によって溶菌した。可溶性タンパク質を、遠心分離(18,000RPM、30分間、4℃)によって不溶性の細胞の破片から除去した。可溶性の抽出物を、50%アセトン中で作製し、そして沈澱したタンパク質を、遠心分離によって単離し、そして10mM KH2PO4、pH7中に再溶解した。このサンプルを、(NH4)2SO4を用いて33%飽和に調整し、そして可溶性および不溶性のタンパク質を、遠心分離によって分離した。得られた上清を、(NH4)2SO4で56%飽和に調整し、そして不溶性ペレットを遠心分離によって単離し、そして10mM KH2PO4、pH7中に溶解した。このサンプルを、50℃で30分間加熱し、そして可溶性タンパク質を遠心分離によって単離し、そして6000〜8000分子量カットオフメンブレン中で、10mM KH2PO4、pH7において透析した(2×3L;20時間)。このサンプルを、あらかじめ10mM KH2PO4、pH7で平衡化したToyo Jozo DEAE FPLCカラム(3cm×14cm)上にロードした。このタンパク質を、直線勾配(100mLずつ;10 KH2PO4、pH7中、0〜500mM NaCl)を用いて、流速3mL/分で溶出した。FaoABは、300と325mM NaClとの間に溶出した。このサンプルを、事前に10mM KH2PO4、pH7で平衡化したマクロ−プレップ ハイドロキシアパタイト18/30(Biorad)FPLCカラム(2cm×15cm)にロードする前に、50,000分子量カットオフメンブレン中で、10mM KH2PO4、pH7において透析した(1×2L;15時間)。タンパク質を、3mL/分の流速で、直線勾配(250mLずつ;10〜500mM KH2PO4、pH7)を用いて溶出した。FaoABは、70と130mMのKH2PO4との間に溶出した。活性を含む画分を、MILLIPORETM100,000分子量カットオフ濃縮器を用いて9mLまで濃縮した。緩衝液を、20%ショ糖を含む10mM KH2PO4、pH7を用いて3回交換し、そして−70℃で凍結した。ハイドロキシアパタイト精製画分の酵素活性を、基質の範囲を用いてアッセイした。結果を、以下の表1に示す。 FaoAB was purified from DH5α / pMFX3 using a modified procedure previously described for purification of FaoAB from Pseudomonas fragi (Imamura et al., J. Biochem. 107: 184-89 (1990)). Thiolase activity (assayed in the forward direction) and dehydrogenase activity (assayed in the reverse direction) were monitored throughout the purification. Three liters of DH5α / pMFX3 cells (2 × 1.5 L aliquots in a 2.8 L Erlenmeyer flask) were prepared using a cell growth procedure previously described for cells prepared for enzyme activity analysis. Grown in TY medium. Cells (15.8 g) were resuspended in 32 mL of 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7, and lysed by sonication. Soluble protein was removed from insoluble cell debris by centrifugation (18,000 RPM, 30 min, 4 ° C.). Soluble extracts were made in 50% acetone and the precipitated protein was isolated by centrifugation and redissolved in 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7. The sample was adjusted to 33% saturation with (NH 4 ) 2 SO 4 and soluble and insoluble proteins were separated by centrifugation. The resulting supernatant was adjusted to 56% saturation with (NH 4 ) 2 SO 4 and the insoluble pellet was isolated by centrifugation and dissolved in 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7. The sample was heated at 50 ° C. for 30 minutes and the soluble protein was isolated by centrifugation and dialyzed against 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7 in a 6000-8000 molecular weight cut-off membrane (2 × 3 L; 20 hours ). This sample was loaded onto a Toyo Jozo DEAE FPLC column (3 cm × 14 cm) previously equilibrated with 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7. The protein was eluted at a flow rate of 3 mL / min with a linear gradient (100 mL each; 10 KH 2 PO 4 , 0-500 mM NaCl in pH 7). FaoAB eluted between 300 and 325 mM NaCl. This sample was loaded in a 50,000 molecular weight cut-off membrane prior to loading onto a macro-prep hydroxyapatite 18/30 (Biorad) FPLC column (2 cm × 15 cm) previously equilibrated with 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7. Dialyzed against 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7 (1 × 2 L; 15 hours). The protein was eluted using a linear gradient (250 mL each; 10-500 mM KH 2 PO 4 , pH 7) at a flow rate of 3 mL / min. FaoAB eluted between 70 and 130 mM KH 2 PO 4 . Fractions containing activity were concentrated to 9 mL using a MILLIPORE ™ 100,000 molecular weight cut-off concentrator. The buffer was changed 3 times with 10 mM KH 2 PO 4 , pH 7 containing 20% sucrose and frozen at −70 ° C. Enzymatic activity of the purified hydroxyapatite fraction was assayed using a range of substrates. The results are shown in Table 1 below.
(実施例2:FaoABおよびFaoABポリペプチドに対する抗体の産生)
実施例1に記載されるようなFaoABタンパク質の精製後、サンプルをSDS−PAGEによって分離した。FaoA(配列番号31)およびFaoB(配列番号26)に対応するタンパク質バンドを切り出し、そしてフロイント完全アジュバントを用いてニュージーランド白ウサギを免疫した。追加免疫を、フロイント不完全アジュバントを用いて3週間間隔で行った。抗体を、血清からプロテインAカラム(Pharmacia)のアフィニティークロマトグラフィーによって回収し、ウェスタンブロッティング手順によって抗原に対して試験した。Brassica種子のコントロール抽出物を使用して、植物タンパク質に対する交差反応について試験した。交差反応は検出されなかった。
Example 2: Production of antibodies against FaoAB and FaoAB polypeptides
After purification of the FaoAB protein as described in Example 1, samples were separated by SDS-PAGE. Protein bands corresponding to FaoA (SEQ ID NO: 31) and FaoB (SEQ ID NO: 26) were excised and New Zealand white rabbits were immunized with Freund's complete adjuvant. Booster immunizations were performed at 3 week intervals with Freund's incomplete adjuvant. Antibodies were recovered from serum by affinity chromatography on a Protein A column (Pharmacia) and tested against antigen by Western blotting procedures. A control extract of Brassica seeds was used to test for cross-reactivity to plant proteins. No cross reaction was detected.
(実施例3:トランスジェニック脂肪種子におけるPseudomonas putido faoAB遺伝子の発現のためのプラスミドの構築)
(pSBS2024の構築)
マメのファゼオリン(phaseolin)プロモーター(配列番号10;Slightomら、1983)の5’−および3’−末端(下線を付した)それぞれに隣接する配列に相同な、 オリゴヌクレオチドプライマーGVR471
(Example 3: Construction of a plasmid for expression of the Pseudomonas putido faoAB gene in transgenic oil seeds)
(Construction of pSBS2024)
Oligonucleotide primer GVR471, homologous to the sequence flanking the 5'- and 3'-ends (underlined) of the bean phaseolin promoter (SEQ ID NO: 10; Slighttom et al., 1983), respectively.
およびGVR3975’−CGGTACCTTAGTTGGTAGGGTGCTA−3’(配列番号23)
そして1.2kbフラグメント(配列番号27)をpCCP1のSalI−SalI部位にクローニングして、pSBS2024を得た(図2)。クローニングのための独特のHindIII部位を含む、得られるプラスミドを、pSBS2024と命名した(図2)。
And GVR3975'-CGGTACCTTAGTTGGTAGGGTCTA-3 '(SEQ ID NO: 23)
The 1.2 kb fragment (SEQ ID NO: 27) was cloned into the SalI-SalI site of pCCP1 to obtain pSBS2024 (FIG. 2). The resulting plasmid containing the unique HindIII site for cloning was named pSBS2024 (FIG. 2).
(pSBS2024の構築)
ダイズオレオシンプロモーターフラグメント(配列番号11;Rowleyら、1997)を、DNA配列に隣接するプライマーを用いて簡易化した。
(Construction of pSBS2024)
The soybean oleosin promoter fragment (SEQ ID NO: 11; Rowley et al., 1997) was simplified using primers that flank the DNA sequence.
プライマーJA408 Primer JA408
プライマーnp1
Primer np1
およびJA411:5’−TCTAGACAATTCATCAAATACAAATCACATTGCC−3’(配列番号30)
そして、225bpフラグメントをpCSPIのSalI−SwaI部位にクローニングして、プラスミドpSBS2025(図6)を得た。命名されたプラスミド、pSBS2025は、クローニングのための独特のHindIII部位を有する(図2)。
And JA411: 5'-TCTAGACAAATTCATAAAATACAAATCACATTGCC-3 '(SEQ ID NO: 30)
Then, the 225 bp fragment was cloned into the SalI-SwaI site of pCSPI to obtain plasmid pSBS2025 (FIG. 6). The named plasmid, pSBS2025, has a unique HindIII site for cloning (FIG. 2).
(プロモーターコード配列融合体の構築)
以下の2つのオリゴヌクレオチドプライマーを合成した:プラスミドpmfx3のmfl(faoA、配列番号24)の5’隣接配列のヌクレオチド553〜557に相同なnp2
(Construction of promoter coding sequence fusion)
The following two oligonucleotide primers were synthesized: np2 homologous to nucleotides 553 to 557 of the 5 ′ flanking sequence of mfl (faoA, SEQ ID NO: 24) of plasmid pmfx3
プラスミドpmfx3のmf2(faoB、配列番号25)の5’(ヌクレオチド2732〜2752bp)に相補的なプライマーnp4 Primer np4 complementary to 5 '(nucleotides 2732 to 2752 bp) of mf2 (faoB, SEQ ID NO: 25) of plasmid pmfx3
両方のプラスミドを個々にHindIIIで切断し、そしてそれらの挿入体を、同じ制限酵素で予め直線化したプラスミドpSBS2024およびpSBS2025にクローニングした。その結果、以下のプラスミドを生成した:pmf124およびpmf125(図3Aおよび3B)ならびにpmf224およびpmf225(図5Aおよび5B)。これらは、ファゼオリンまたはダイズプロモーターのいずれかで融合されたFao遺伝子(mf1およびmf2)を含む。DNA配列分析により、pmf124、pmf125、pmf224、およびpmf225について正しいプロモーター−コード配列−終結配列融合体が確認された。 Both plasmids were individually cut with HindIII and their inserts were cloned into plasmids pSBS2024 and pSBS2025 pre-linearized with the same restriction enzymes. As a result, the following plasmids were generated: pmf124 and pmf125 (FIGS. 3A and 3B) and pmf224 and pmf225 (FIGS. 5A and 5B). These include the Fao gene (mf1 and mf2) fused with either phaseolin or a soybean promoter. DNA sequence analysis confirmed the correct promoter-coding sequence-termination sequence fusion for pmf124, pmf125, pmf224, and pmf225.
(実施例4:プロモーター−コード配列融合体の植物形質転換ベクターへのアセンブリ)
プラスミドpmf124、pmf125、pmf224、およびpmf225を得た後に、プロモーター−コード配列融合体を、二成分ベクターpCGN1559(McBrideおよびSummerfelt、1990)(これは、NPTII遺伝子(抗生物質カナマイシンに対する耐性を与える)の発現を駆動するCaMV35Sプロモーターを含む)およびpSBS2004(これは、除草剤フォスフィノスリシンに対する耐性を与えるPPT遺伝子を駆動するパセリユビキチンプロモーターを含む)に別々にクローニングした。種々の選択マーカーを有するこの目的に適した二成分ベクターは、いくつかの供給源から入手され得る。
(Example 4: Assembly of promoter-coding sequence fusion into plant transformation vector)
After obtaining the plasmids pmf124, pmf125, pmf224, and pmf225, the promoter-coding sequence fusion was expressed in the binary vector pCGN1559 (McBride and Summerfeld, 1990), which expressed the NPTII gene (confers resistance to the antibiotic kanamycin) Was cloned separately into pSBS2004 (which contains the Parsubiquitin promoter driving the PPT gene conferring resistance to the herbicide phosphinothricin). Suitable binary vectors for this purpose with various selectable markers can be obtained from several sources.
ファゼオリン−mf21融合カセットを、XbaIで親プラスミドから放出し、そして同じ制限酵素で直線化したpCGN1559と連結した。得られたプラスミドをpCGmf124と命名した(図3Aおよび3B)。ダイズ−mf1融合体を含むプラスミドpCGmf125を、pmf125およびpCGN1559の両方を連結前にBamHIで切断したことを除き、同様の方法で構築した(図3Aおよび3B)。 The phaseolin-mf21 fusion cassette was released from the parental plasmid with XbaI and ligated with pCGN1559 linearized with the same restriction enzymes. The resulting plasmid was named pCGmf124 (FIGS. 3A and 3B). Plasmid pCGmf125 containing the soybean-mfl fusion was constructed in a similar manner except that both pmf125 and pCGN1559 were cut with BamHI prior to ligation (FIGS. 3A and 3B).
(pmf1249およびpmf1254の構築)
プラスミドpSBS2004を、ダイズ−mf1融合体を含むBamHIフラグメントと共に直線化した。このプラスミドをpmf1254と命名した(図4Aおよび4B)。同様に、XbaIファゼオリン−mf1融合フラグメントを、同じ制限酵素で直線化したpSBS2004と連結した。得られたプラスミドをpmf1249と命名した(図4Aおよび4B)。
(Construction of pmf1249 and pmf1254)
Plasmid pSBS2004 was linearized with a BamHI fragment containing the soybean-mfl fusion. This plasmid was named pmf1254 (FIGS. 4A and 4B). Similarly, the XbaI phaseolin-mf1 fusion fragment was ligated with pSBS2004 linearized with the same restriction enzymes. The resulting plasmid was named pmf1249 (FIGS. 4A and 4B).
(pCGmf224およびpCGmf225の構築)
ファゼオリン−mf2およびダイズ−mf2融合体を、BamHIまたはXbaIのいずれかで切断することによってベクターから融合体を切り出すことにより構築し、そしていずれかの制限酵素で直線化しておいたpCGN1559にクローニングした(図5Aおよび5B)。
(Construction of pCGmf224 and pCGmf225)
Phaseolin-mf2 and soybean-mf2 fusions were constructed by excising the fusion from the vector by cutting with either BamHI or XbaI and cloned into pCGN1559 that had been linearized with either restriction enzyme ( Figures 5A and 5B).
(pCGmf1P2SおよびpCGmf2P1Sの構築)
プロモーター−コード配列融合体を含む2つの発現カセットを、以下のように同じ二成分ベクター上でアセンブルした。:ファゼオリン−mf1融合体を含むプラスミドpmf124をBamHIで切断し、そしてpCGN1559のBamHI部位にクローニングして、pCGmfB124を作製した。次いで、このプラスミドをXbaIで直線化し、そしてダイズ−mf2融合体を含むpmf225のXbaIフラグメントに連結した。最終プラスミドを、pCGmf1P2Sと命名した(図6Aおよび6B)。プラスミドpCGmF2P1Sを、同様の様式でアセンブルした。ファゼオリン−mf2融合体をBamHIで切断することによりpmf224から放出し、そしてpCGN1559のBamHI部位でクローニングした。得られたプラスミドpCGmfB224をXbaIで直線化し、そしてダイズ−mf1融合体を含むpmf125のXbaIフラグメントに連結した(図6Aおよび6B)。
(Construction of pCGmf1P2S and pCGmf2P1S)
Two expression cassettes containing promoter-coding sequence fusions were assembled on the same binary vector as follows. : Plasmid pmf124 containing phaseolin-mf1 fusion was cut with BamHI and cloned into the BamHI site of pCGN1559 to create pCGmfB124. This plasmid was then linearized with XbaI and ligated to the XbaI fragment of pmf225 containing the soybean-mf2 fusion. The final plasmid was named pCGmf1P2S (FIGS. 6A and 6B). Plasmid pCGmF2P1S was assembled in a similar manner. The phaseolin-mf2 fusion was released from pmf224 by cutting with BamHI and cloned at the BamHI site of pCGN1559. The resulting plasmid pCGmfB224 was linearized with XbaI and ligated to the XbaI fragment of pmf125 containing the soybean-mf1 fusion (FIGS. 6A and 6B).
(実施例5:Brassicaの形質転換)
Brassica種子を、10%の市販の漂白剤(Javex,Colgate−Palmolive)中で30分間、穏やかに振盪して、表面滅菌した。その種子を滅菌蒸留水中で3回洗浄した。種子を、Murashige−Skoog(MS)塩およびビタミン、3%(w/v)スクロースおよび0.7%(w/v)フィトアガー(phytoagar)を含む発芽培地(pH5.8)中に、プレートあたり20個の密度で配置し、そして24℃で、かつ60〜80μEm−2s−1の光強度での16時間の明期/8時間の暗期の光周期で、4〜5日間維持した。
(Example 5: Transformation of Brassica)
Brassica seeds were surface sterilized by gentle shaking in 10% commercial bleach (Javex, Colgate-Palmolive) for 30 minutes. The seeds were washed 3 times in sterile distilled water. Seeds were seeded in germination medium (pH 5.8) containing Murashige-Skoog (MS) salt and vitamins, 3% (w / v) sucrose and 0.7% (w / v) phytoagar, 20 per plate. And was maintained at 24 ° C. and a photoperiod of 16 hours light / 8 hours dark with a light intensity of 60-80 μEm −2 s −1 for 4-5 days.
各々の構築物、pCGmf124、pCGmf125、pCGmf224、pCGmf1P2S、およびpCGmf2P1Sを、Agrobacterium tumefaciansEHA101株(Hoodら、J.Bacteriol.168:1291−1301(1986))内にエレクトロポレーションにより導入した。子葉の葉柄の形質転換前に、各々の構築物を有するEHA101株の単一コロニーを、100mg/lのカナマイシンおよび100mg/lのゲンタマイシンを補充した5mlの最小培地中、28℃で48時間増殖させた。1mlの細菌懸濁液を微量遠心管中で1分間の遠心分離によりペレット化した。そのペレットを1mlの最小培地中に再懸濁した。 Each construct, pCGmf124, pCGmf125, pCGmf224, pCGmf1P2S, and pCGmf2P1S was introduced into Agrobacterium tumefaciens EHA101 strain (Hood et al., J. Bacteriol. 168: 1291-1301). Prior to cotyledon petiole transformation, a single colony of EHA101 strain with each construct was grown for 48 hours at 28 ° C. in 5 ml minimal medium supplemented with 100 mg / l kanamycin and 100 mg / l gentamicin. . 1 ml of bacterial suspension was pelleted by centrifugation for 1 minute in a microfuge tube. The pellet was resuspended in 1 ml minimal medium.
形質転換のために、子葉を、その基部に約2mmの葉柄を含むように、4日齢(いくつかの場合においては、5日齢)の実生から切り取った。それらの葉柄の切断表面を有する個々の子葉を、希釈した細菌懸濁液に1秒間浸けて、そしてただちに同時培養培地(3%(w/v)スクロースおよび0.7%(w/v)フィトアガーを含み、そして20μMのベンジルアデニンを富化したMS培地)中に約2mmの深さに包理した。接種した子葉を、プレートあたり10個の密度で配置し、そして同じ生長条件下で48時間インキュベートした。同時培養後、次いで子葉を、3%(w/v)スクロース、20μMベンジルアデニン、0.7%(w/v)フィトアガー(pH5.8)、300mg/lのチメンチニン(timentinin)、および20mg/lの硫酸カナマイシンを補充したMS培地を含む再生培地に移した。 For transformation, cotyledons were excised from 4 day old (in some cases 5 day old) seedlings to contain a petiole of about 2 mm at the base. Individual cotyledons with their petiole cut surfaces were soaked in the diluted bacterial suspension for 1 second and immediately co-cultured media (3% (w / v) sucrose and 0.7% (w / v) phytoagar). And embedded in 20 μM benzyladenine-enriched MS medium) to a depth of about 2 mm. Inoculated cotyledons were placed at a density of 10 per plate and incubated for 48 hours under the same growth conditions. After co-cultivation, the cotyledons were then treated with 3% (w / v) sucrose, 20 μM benzyladenine, 0.7% (w / v) phytoagar (pH 5.8), 300 mg / l timetinin, and 20 mg / l. Was transferred to a regeneration medium containing MS medium supplemented with kanamycin sulfate.
2〜3週間後、得られた再生苗条を切断し、そしてMagentaジャー中の「苗条伸長」培地(3%スクロース、300mg/lのチメンチン(timentin)、0.7%(w/v)フィトアガー、300mg/lのチメンチニン、および20mg/lの硫酸カナマイシンを含むMS培地(pH5.8))上で維持した。伸長した苗条を、「発根」培地(MS培地、3%スクロース、2mg/lのインドール酪酸、0.7%フィトアガー、および500mg/lのカルベニシリンを含む)に移した。根が出現した後、小植物をポッティングミックス(Redi Earth,W.R.Grace and Co.)に移した。植物を、噴霧チャンバー(75%の相対湿度)中で同じ生長条件下で維持した。生長2〜3週間後、葉のサンプルを、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ(NPTII)アッセイ(Moloneyら、Plant Cell Reports 8:238−42(1989))のために採取した。 After 2-3 weeks, the regenerated shoots obtained were cut and “shoot elongation” medium (3% sucrose, 300 mg / l timetin, 0.7% (w / v) phytoagar in a Magenta jar, It was maintained on MS medium (pH 5.8) containing 300 mg / l timentinin and 20 mg / l kanamycin sulfate. Elongated shoots were transferred to “rooting” medium (containing MS medium, 3% sucrose, 2 mg / l indolebutyric acid, 0.7% phytoagar, and 500 mg / l carbenicillin). After the roots appeared, the plantlets were transferred to a potting mix (Redi Earth, WR Grace and Co.). Plants were maintained under the same growth conditions in a spray chamber (75% relative humidity). After 2-3 weeks of growth, leaf samples were taken for neomycin phosphotransferase (NPTII) assay (Moloney et al., Plant Cell Reports 8: 238-42 (1989)).
FaoAおよびFaoBトランスジェニック系統由来の種子を、抗FaoA抗体および抗FaoB抗体を使用するウェスタンブロッティングによって、脂肪酸酸化ポリペプチドの発現について分析し得る。FaoBポリペプチド(配列番号26)は、FaoA遺伝子産物の非存在下で機能的でない;しかしFaoAB遺伝子産物は酵素活性を有する。 Seeds from the FaoA and FaoB transgenic lines can be analyzed for expression of fatty acid oxidized polypeptides by Western blotting using anti-FaoA and anti-FaoB antibodies. The FaoB polypeptide (SEQ ID NO: 26) is not functional in the absence of the FaoA gene product; however, the FaoAB gene product has enzymatic activity.
FaoAおよびFaoB複合体を発現するトランスジェニック系統を、個々のポリペプチドを発現するFaoAトランスジェニック系統およびFaoBトランスジェニック系統を交雑して獲得し、そして種子を、記載されるようなウエスタンブロッティングおよび酵素アッセイにより分析する。 Transgenic lines expressing FaoA and FaoB complexes were obtained by crossing FaoA and FaoB transgenic lines expressing individual polypeptides and seeds were obtained by Western blotting and enzyme assay as described Analyze by.
(実施例6:B.napus cv.Westarの形質転換およびトランスジェニック系統の分析)
(形質転換)
使用するプロトコルは、Moloneyら(1989)に記載される手順から採用した。Brassica napus cv.Westarの種子を、10%の市販の漂白剤(Javex,Colgate−Palmolive Canada Inc.)中で30分間、穏やかに振盪して、表面滅菌した。その種子を滅菌蒸留水中で3回洗浄した。種子を、Murashige−Skoog(MS)塩およびビタミン、3%スクロースおよび0.7%フィトアガーを含む発芽培地(pH5.8)中に、プレートあたり20個の密度で配置し、そして24℃で、かつ60〜80μEm−2s−1の光強度での16時間の明期/8時間の暗期の光周期で、4〜5日間維持した。
(Example 6: Transformation of B. napus cv. Westar and analysis of transgenic lines)
(Transformation)
The protocol used was taken from the procedure described in Moloney et al. (1989). Brassica napus cv. Westar seeds were surface sterilized by gentle shaking in 10% commercial bleach (Javex, Colgate-Palmive Canada Inc.) for 30 minutes. The seeds were washed 3 times in sterile distilled water. Seeds are placed at a density of 20 per plate in germination medium (pH 5.8) containing Murashige-Skoog (MS) salt and vitamins, 3% sucrose and 0.7% phytoagar, and at 24 ° C. and It was maintained for 4-5 days with a photoperiod of 16 hours light period / 8 hours dark period at a light intensity of 60-80 μEm −2 s −1 .
各々の構築物、pCGmf124、pCGmf125、pCGmf224、pCGmf225、pCGmf1P2S、およびpCGmf2P1Sを、Agrobacterium tumefaciensEHA101株(Hoodら、1986)内にエレクトロポレーションにより導入した。子葉の葉柄の形質転換前に、各々の構築物を有する株EHA101の単一コロニーを、100mg/lのカナマイシンおよび100mg/lのゲンタマイシンを補充した5mlの最小培地中、28℃で48時間増殖させた。1mlの細菌懸濁液を微量遠心管中で1分間の遠心分離によりペレット化した。そのペレットを1mlの最小培地で再懸濁した。 Each construct, pCGmf124, pCGmf125, pCGmf224, pCGmf225, pCGmf1P2S, and pCGmf2P1S was introduced into the Agrobacterium tumefaciens strain EHA101 (Hood et al., 1986) by electroporation. Prior to cotyledon petiole transformation, a single colony of strain EHA101 with each construct was grown for 48 hours at 28 ° C. in 5 ml minimal medium supplemented with 100 mg / l kanamycin and 100 mg / l gentamicin. . 1 ml of bacterial suspension was pelleted by centrifugation for 1 minute in a microfuge tube. The pellet was resuspended in 1 ml minimal medium.
形質転換のために、子葉を、その基部に約2mmの葉柄を含むように、4日齢(いくつかの場合においては、5日齢)の実生から切り取った。それらの葉柄の切断表面を有する個々の子葉を、希釈した細菌懸濁液に1秒間浸けて、そしてただちに同時培養培地(3%スクロースおよび0.7%フィトアガーを含み、そして20μlMのベンジルアデニンを富化したMS培地)中に約2mmの深さに包理した。接種した子葉を、プレートあたり10個の密度で配置し、そして同じ生長条件下で48時間インキュベートした。同時培養後、次いで子葉を、3%スクロース、20μMベンジルアデニン、0.7%フィトアガー(pH5.8)、300mg/lのチメンチニン、および20mg/lの硫酸カナマイシンで補充したMS培地を含む再生培地に移した。 For transformation, cotyledons were excised from 4 day old (in some cases 5 day old) seedlings to contain a petiole of about 2 mm at the base. Individual cotyledons with their petiole-cut surfaces are soaked in a diluted bacterial suspension for 1 second and immediately co-cultured media (containing 3% sucrose and 0.7% phytoagar and enriched with 20 μl M benzyladenine). In MS medium) to a depth of about 2 mm. Inoculated cotyledons were placed at a density of 10 per plate and incubated for 48 hours under the same growth conditions. After co-cultivation, the cotyledons were then placed in a regeneration medium containing MS medium supplemented with 3% sucrose, 20 μM benzyladenine, 0.7% phytoagar (pH 5.8), 300 mg / l timentinine, and 20 mg / l kanamycin sulfate. Moved.
2〜3週間後、再生苗条を獲得し、切断し、そしてMagentaジャー中の「苗条伸長」培地(3%スクロース、300mg/lのチメンチン、0.7%フィトアガー、および20mg/lのカナマイシンを含むMS培地(pH5.8))上で維持した。次いで、伸長した苗条を、「発根」培地(3%スクロース、2mg/lのインドール酪酸、0.7%フィトアガー、および500mg/lのカルベニシリンを含むMS培地)に移した。根が出現した後、小植物をポッティングミックス(Redi Earth,W.R.Grace and Co.Canada Ltd.)に移した。植物を、噴霧チャンバー(75%のRH)中で同じ生長条件下で維持した。生長2〜3週間後、葉のサンプルを、ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ(NPTII)アッセイ(Moloneyら、1989)のために採取した。結果を以下の表2に示す。データは形質転換されたことが確認された植物の数を示す。 After 2-3 weeks, regenerated shoots are obtained, cut, and contain “shoot elongation” medium (3% sucrose, 300 mg / l timentin, 0.7% phytoagar, and 20 mg / l kanamycin in Magenta jars. MS medium (pH 5.8)). Elongated shoots were then transferred to “rooting” medium (MS medium containing 3% sucrose, 2 mg / l indolebutyric acid, 0.7% phytoagar, and 500 mg / l carbenicillin). After the roots appeared, the plantlets were transferred to a potting mix (Redi Earth, WR Grace and Co. Canada Ltd.). Plants were maintained under the same growth conditions in a spray chamber (75% RH). After 2-3 weeks of growth, leaf samples were taken for neomycin phosphotransferase (NPTII) assay (Moloney et al., 1989). The results are shown in Table 2 below. The data shows the number of plants confirmed to be transformed.
形質転換DNAの発生運命を16の無作為に選択したトランスジェニック系統について調査した。サザンDNAハイブリダイゼーション分析により、FaoAおよび/またはFaoBが、試験したトランスジェニック系統のゲノムに組込まれたことが示された。 The developmental fate of the transformed DNA was investigated in 16 randomly selected transgenic lines. Southern DNA hybridization analysis showed that FaoA and / or FaoB were integrated into the genome of the transgenic line tested.
FaoA遺伝子が強力なマメファゼオリンプロモーターから発現される、約80%のpmf124のトランスジェニック植物は、雄性不稔であることが観察された。このプロモーターからのFaoA遺伝子の明らかな高レベルの発現は、FaoA遺伝子産物の機能的発現を生じ、これは種子および/または花粉の発達を障害する。この結果は、非常に予想外のことであった。なぜなら、その植物細胞は、細胞質ゾル中のβ−酸化経路の第一段階を行うことが可能であることが予測されなかったからである。しかし、この結果は、ハイブリッド産生のための雄性不稔のために、または種子の産生を妨げるために、植物におけるβ−酸化遺伝子の発現のためのさらなる適用を提供する。正常なトランスジェニック系統との並行した比較において、pmf124株は、おそらく種子発達の排除に起因して、さらに高いレベルの生物体量を生成することもまた留意された。従って、この表現型は、サイレージ、飼料、または他の生物体量作物についての1エーカーあたりに産生される緑色の生物体量の量を増加するための手段として有用であり得る。ここで、誘導性プロモーター系またはリコンビナーゼ技術の使用が定植のための種子を生成するために使用され得る。これら不稔植物の7つが、pmf225トランスジェニック系統由来の花粉で首尾良く他家受粉され、そして種子を生じた。 Approximately 80% of the pmf124 transgenic plants in which the FaoA gene is expressed from the strong bean phaseolin promoter were observed to be male sterile. The apparent high level expression of the FaoA gene from this promoter results in functional expression of the FaoA gene product, which impairs seed and / or pollen development. This result was very unexpected. This is because the plant cells were not expected to be able to perform the first step of the β-oxidation pathway in the cytosol. However, this result provides a further application for the expression of β-oxidized genes in plants due to male sterility for hybrid production or to prevent seed production. It was also noted that in parallel comparisons with normal transgenic lines, the pmf124 strain produced higher levels of biomass, possibly due to the elimination of seed development. Thus, this phenotype can be useful as a means to increase the amount of green biomass produced per acre for silage, feed, or other biomass crops. Here, the use of an inducible promoter system or recombinase technology can be used to produce seed for planting. Seven of these sterile plants were successfully cross-pollinated with pollen from the pmf225 transgenic line and yielded seeds.
ファゼオリンプロモーター−FaoB構築物を含むpmf224株からの種子由来のRNAについてのノーザン分析により、コントロールを除く試験した全てのサンプルにおいて、予期された1.2kbの転写物を示すシグナルが示された。弱いダイズオレオシン(oleolsin)プロモーター−FaoA構築物を含むpmf125株からの種子由来のRNAについてのノーザン分析により、2.1kbの予期された大きさの転写物が明らかにされた。FaoA遺伝子が比較的弱いダイズオレオシンプロモーターから発現される、pmf125植物の約80%の種子由来の300〜500μgのタンパク質についてのウエスタンブロッティングは、結論付けには到らなかったが、弱いシグナルが1つのトランスジェニック系統において検出された。 Northern analysis for seed-derived RNA from the pmf224 strain containing the phaseolin promoter-FaoB construct showed a signal indicating the expected 1.2 kb transcript in all samples tested except the control. Northern analysis of seed-derived RNA from the pmf125 strain containing the weak soybean oleolsin promoter-FaoA construct revealed a transcript of the expected size of 2.1 kb. Western blotting for 300-500 μg protein from about 80% seeds of pmf125 plants, in which the FaoA gene is expressed from the relatively weak soybean oleosin promoter, did not reach a conclusion, but the weak signal was 1 Detected in two transgenic lines.
(脂肪酸分析)
種子において強力なマメファゼオリンプロモーターからFaoA遺伝子を発現することの強力な代謝効果を示した予想外の結果が与えられたため、弱いダイズオレオシンプロモーターからFaoA遺伝子を発現するトランスジェニック系統からの種子の脂肪酸プロフィールを分析した。マメファゼオリンプロモーターからFaoA遺伝子のみを発現する種子またはFaoB遺伝子も発現する種子を試験した。分析は、Millarら、The Plant Cell 11:1889−902(1998)に記載されるように行った。種子の脂肪酸メチルエステル(FAMES)を、B.napusの10個の種子を15×45−mmねじ口ガラス管に配置し、そして0.75mLの1Nメタノール性(methanolic)HCl試薬(Supelco,PA)および10μLの1mg/mLの17:0メチルエステル(内部標準)中、80℃で一晩加熱することによって調製した。そのサンプルを冷却後、FAMESを、0.3mLのヘキサンおよび0.5mLの0.9%NaClで激しくボルテックスすることにより抽出した。そのサンプルを、相を分離するために静置させ、そして300μLの有機相を抽出し、そしてHewlett−Packardガスクロマトグラフィー上で分析した。
(Fatty acid analysis)
The seeds from the transgenic lines expressing the FaoA gene from the weak soybean oleosin promoter were given the unexpected results showing the strong metabolic effect of expressing the FaoA gene from the strong bean phaseolin promoter in the seed The fatty acid profile was analyzed. Seeds that expressed only the FaoA gene or seeds that also expressed the FaoB gene from the bean phaseolin promoter were tested. Analysis was performed as described in Millar et al., The Plant Cell 11: 1889-902 (1998). Seed fatty acid methyl ester (FAMES) Ten seeds of napus were placed in a 15 × 45-mm threaded glass tube and 0.75 mL of 1N methanolic HCl reagent (Supelco, PA) and 10 μL of 1 mg / mL 17: 0 methyl ester Prepared by heating at 80 ° C. overnight (internal standard). After cooling the sample, FAMES was extracted by vortexing vigorously with 0.3 mL hexane and 0.5 mL 0.9% NaCl. The sample was allowed to settle to separate the phases and 300 μL of the organic phase was extracted and analyzed on a Hewlett-Packard gas chromatography.
脂肪酸プロフィール分析により、その脂質プロフィールにおけるさらなる成分または増強された成分の存在が、FaoA遺伝子(配列番号24)を発現する全てのトランスジェニック植物において示され、これらはコントロール植物には存在しなかった。この結果はまた、FaoA遺伝子が転写されて、そして翻訳されたこと、およびFaoAポリペプチド(配列番号27)が、触媒活性を有することを結論的に証明する。このピークはまた、SoyP−FaoA遺伝子、PhaP−FaoA−SoyP−FaoB遺伝子、SoyP−FaoA−PhaP−FaoB遺伝子を有するさらなる11のトランスジェニック植物およびSoyP−FaoBで他家受粉された不稔(PhaP−FaoA)植物において観察された。これらのデータは、FaoA遺伝子の機能的発現、およびたとえ非常に低レベルの発現でもその種子の脂質プロフィールを変化するのに十分であることを明らかに実証する。本明細書中で記載される方法を適応することにより、当業者は、Arabidopsis oleosinプロモーター、ナピン(napin)プロモーター、またはクルシフェリン(cruciferin)プロモーターのような他のプロモーターを使用して、ファゼオリンプロモーターとダイズオレオシンプロモーターとの間で得られるレベルの中間のレベルでこれらの遺伝子を発現し得、そして誘導性プロモーター系またはリコンビナーゼ技術を使用して、脂肪酸酸化の導入遺伝子が発現される時期を制御し得る。 Fatty acid profile analysis showed the presence of additional or enhanced components in the lipid profile in all transgenic plants expressing the FaoA gene (SEQ ID NO: 24), which were not present in control plants. This result also concludes that the FaoA gene was transcribed and translated, and that the FaoA polypeptide (SEQ ID NO: 27) has catalytic activity. This peak is also seen in 11 additional transgenic plants carrying the SoyP-FaoA gene, PhaP-FaoA-SoyP-FaoB gene, SoyP-FaoA-PhaP-FaoB gene, and sterilized cross-pollinated with SoyP-FaoB (PhaP- FaoA) observed in plants. These data clearly demonstrate that the functional expression of the FaoA gene and even very low levels of expression are sufficient to change the lipid profile of the seed. By adapting the methods described herein, one of skill in the art can use phaseoline using other promoters such as the Arabidopsis oleosin promoter, the napin promoter, or the luciferin promoter. These genes can be expressed at levels intermediate between those obtained between the promoter and the soybean oleosin promoter, and the time when the transgene of fatty acid oxidation is expressed using an inducible promoter system or recombinase technology. It can be controlled.
(実施例7:酵母のβ−酸化の多機能酵素複合体)
S.cerevisiaeは、細菌および高等真核生物において観察されるS−3−ヒドロキシアシルCoAよりもむしろR−ヒドロキシアシルCoAを経て進行するβ−酸化経路を含む。酵母由来のfox2遺伝子は、ヒドラターゼ(これはトランス−2−エノイル−CoAからR−3−ヒドロキシアシルCoAを生成する)およびデヒドロゲナーゼ(これは、R−3−ヒドロキシアシルCoAを利用してβ−ケトアシルCoAを生成する)をコードする。
Example 7: Multifunctional enzyme complex of β-oxidation of yeast
S. cerevisiae contains a β-oxidation pathway that proceeds through R-hydroxyacyl CoA rather than S-3-hydroxyacyl CoA observed in bacteria and higher eukaryotes. The fox2 gene from yeast contains hydratase (which produces R-3-hydroxyacyl CoA from trans-2-enoyl-CoA) and dehydrogenase (which utilizes R-3-hydroxyacyl CoA to produce β-ketoacyl. Code).
fox2遺伝子(配列番号1に示される配列)を、S.cerevisiaeゲノムDNAからPCRにより2つの小片で単離した。プライマーN−fox2bおよびN−bamfox2bを利用して、Fox2のN末端領域をコードする1.1kbのSmaI/BamHIフラグメントをPCRし、そしてプライマーC−fox2およびC−bamfox2を利用して、C末端Fox2領域をコードする1.6kbのBamHI/XbaIフラグメントをPCRした。全長fox2遺伝子を、ベクターpTRCNへのサブクローニングを経て再構築した。 The fox2 gene (sequence shown in SEQ ID NO: 1) Two pieces were isolated from cerevisiae genomic DNA by PCR. The primers N-fox2b and N-bamfox2b were used to PCR a 1.1 kb SmaI / BamHI fragment encoding the N-terminal region of Fox2, and the primers C-fox2 and C-bamfox2 were used to C-terminal Fox2 A 1.6 kb BamHI / XbaI fragment encoding the region was PCRed. The full length fox2 gene was reconstructed via subcloning into the vector pTRCN.
しかし、fox1遺伝子は、β−ケトチオラーゼ活性を保持せず、そしてこの活性は第二の導入遺伝子により供給されなければならない。このような遺伝子の代表的な供給源としては、藻類、細菌、酵母、植物および哺乳動物が挙げられる。細菌Alcaligenes eutrophusは、本明細書中に記載される方法における使用に適切な広い特異性のβ−ケトチオラーゼ遺伝子を有する。それは、Peoplesらに対する米国特許第5,661,026号に記載のように、ハイブリダイゼーションプローブとしてアセトアセチル−CoAチオラーゼ遺伝子を使用して容易に単離され得る。この酵素はまた精製されており(Haywoodら、FEMS Micro.Lett.52:91(1988))、そしてその精製酵素は、抗体の調製または遺伝子単離のための基礎としてのタンパク質配列情報を決定するために有用である。 However, the fox1 gene does not retain β-ketothiolase activity and this activity must be supplied by a second transgene. Representative sources of such genes include algae, bacteria, yeast, plants and mammals. The bacterium Alcaligenes eutrophus has a broad specificity β-ketothiolase gene suitable for use in the methods described herein. It can be easily isolated using the acetoacetyl-CoA thiolase gene as a hybridization probe, as described in US Pat. No. 5,661,026 to Peoples et al. This enzyme has also been purified (Haywood et al., FEMS Micro. Lett. 52:91 (1988)) and the purified enzyme determines protein sequence information as the basis for antibody preparation or gene isolation. Useful for.
(実施例8:植物のβ−酸化遺伝子)
β−酸化の4官能性タンパク質をコードするcDNAのDNA配列(配列番号4に示される)は、Preisig−Mullerら、J.Biol.Chem.269:20475−81(1994)に記載されるように単離され得る。等価な遺伝子は、類似の手順を使用するか、またはゲノムライブラリー(これらの多くは、例えば、Clontech Laboratories Inc.,Palo Alto,California,USA.から市販されている)をスクリーニングすることにより、他の植物種(Arabidopsis、Brassica、ダイズ、ヒマワリ、およびトウモロコシを含む)から単離され得る。ペルオキシソーム標的配列P−R−Mは、このタンパク質のカルボキシ末端で同定された。植物の細胞質ゾル中での発現に適切な構築物は、この配列を欠失するよう設計されたプライマーを使用する、この遺伝子のPCR増幅により調製され得る。
Example 8: Plant β-oxidation gene
The DNA sequence of the cDNA encoding the β-oxidized tetrafunctional protein (shown in SEQ ID NO: 4) is described in Preisig-Muller et al. Biol. Chem. 269: 20475-81 (1994). Equivalent genes can be obtained by using similar procedures or by screening genomic libraries (many of these are commercially available from, for example, Clontech Laboratories Inc., Palo Alto, California, USA.) Can be isolated from a variety of plant species, including Arabidopsis, Brassica, soybeans, sunflowers, and corn. The peroxisome target sequence PRM was identified at the carboxy terminus of this protein. Constructs suitable for expression in the cytosol of plants can be prepared by PCR amplification of this gene using primers designed to delete this sequence.
Claims (24)
(a)植物において機能的なプロモーター領域;
(b)少なくとも1つの脂肪酸β−酸化酵素活性をコードする構造的DNA配列;および
(c)植物において天然に発現される遺伝子の3’非翻訳領域であって、該非翻訳領域が、mRNAのポリアデニル化についてのシグナル配列をコードする、3’非翻訳領域、を同じ相で含む、DNA構築物。 A DNA construct for use in a method of manipulating plant cell metabolism comprising:
(A) a promoter region functional in plants;
(B) a structural DNA sequence encoding at least one fatty acid β-oxidase activity; and (c) a 3 ′ untranslated region of a gene naturally expressed in a plant, wherein the untranslated region is a polyadenyl of mRNA. A DNA construct comprising in the same phase a 3 'untranslated region encoding a signal sequence for crystallization.
(b)少なくとも1つの脂肪酸β−酸化酵素活性をコードする構造的DNA配列;および
(c)植物において天然に発現される遺伝子の3’非翻訳領域であって、ここで該非翻訳領域が、mRNAのポリアデニル化についてのシグナル配列をコードする、3’非翻訳領域、を同じ相で含むDNA構築物を含む、請求項13に記載の植物またはその一部。 (A) a promoter region functional in plants;
(B) a structural DNA sequence encoding at least one fatty acid β-oxidase activity; and (c) a 3 ′ untranslated region of a gene naturally expressed in a plant, wherein the untranslated region is mRNA 14. A plant according to claim 13 or a part thereof, comprising a DNA construct comprising in the same phase a 3 'untranslated region encoding a signal sequence for polyadenylation.
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