JP2022028656A - 半数体及びそれに続く倍加半数体植物の産生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半数体植物、又は異常な倍数性を有する植物を効率的に生成する方法を提供する。【解決手段】CENPCタンパク質の機能に影響を及ぼし、修飾されたCENPCタンパク質を発現する植物がなお生存することを可能とする、1つ又は複数のアクティブ変異を含む、修飾されたCENPCタンパク質、及び、修飾されたCENPCタンパク質を含む植物が、内在性CENPCタンパク質を含む野生型植物との交配後に半数体子孫、又は異常な倍数性を有する植物を誘導する方法を提供する。【選択図】なし
Description
本開示は、農業分野に関する。特に、本開示は、半数体及びそれに続く倍加半数体植物の産生に関する。
育種材料の高度なヘテロ接合性は、植物育種及び有益な形質の選択を非常に時間のかかるプロセスにする可能性がある。広範な集団のスクリーニングは、最新の分子育種ツールを用いたとしても、労力と費用の両方を要する。
半数体植物の創出とそれに続く化学的又は自発的ゲノム倍加は、高いヘテロ接合性の問題を解決するための効率的な方法である。そのような倍加半数体は、そうでなければ許容できるレベルまでヘテロ接合性を低減させるために必要とされる、少なくとも7世代の自殖を回避する。半数体植物は、小胞子培養によって一部の作物において産生されうる。しかしながら、これは、費用と時間がかかる。多くの作物において小胞子培養法が機能しないことは、より重要である。一部の作物種において、(倍加)半数体植物は、卵細胞の単為生殖又は親ゲノムのうちの一方の排除により得られうる。しかしながら、これらの方法も選ばれたわずかな作物に限定され、倍加半数体植物の産生率は低い。
国際公開第WO2011/044132号は、半数体植物を産生する方法を開示する。採用された方法のうちの1つは、CenH3タンパク質を不活性化又はノックアウトすることである。これは、N末端GFPをCenH3タンパク質に付加し、それによってGFP-CenH3を創出することによって行われた。これは、「テールスワップ(tailswap)」とも呼ばれる。テールスワップは、CenH3タンパク質のそのような修飾N末端部分を含まない植物への交配に際して、片親ゲノムの排除を誘導するのに十分であった。片親ゲノムの排除は、半数体植物の産生をもたらした。これまで、このプロセスは、モデル植物であるシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)においてのみ実証され、作物植物においては実証されていない。加えて、異なる遺伝子導入により修飾されたCenH3タンパク質のN末端部分からなる別の人工構築物が、内在性CenH3を欠く遺伝的背景を有する植物に導入された場合、これは、片親ゲノムの排除及びそれに続く半数体植物の産生をもたらさないようであった(国際公開第WO2014/110274号)。したがって、CenH3タンパク質のどの修飾が片親ゲノムの排除に十分であるかは不明確なままである。
よって、本分野においては、後に倍加されて、倍加半数体植物を産生することのできる半数体植物の効率的な生成を可能とする方法に対する必要が残っている。倍加半数体産生系により、ホモ接合性が一世代で達成される。
ここに、本発明者らは、修飾されたCENPCタンパク質を有する植物がいずれも、独特の一塩基多型によって、これらの特別な独特の一塩基多型を欠く野生型植物への又はそれとの交配後に半数体子孫を誘導できることを見出した。一方の多型は、単一の植物に4つのヌクレオチド変化を含み、(1)CENPCタンパク質におけるHアミノ酸の挿入につながる、CENPCゲノムDNA配列のスプライス受容部位のGからTヌクレオチドへの修飾、(2)CENPCタンパク質におけるDからKへのアミノ酸修飾及び(3)CENPCタンパク質におけるNからYへのアミノ酸修飾をもたらす。他方の独特の一塩基多型は、CENPCタンパク質におけるMからVへのアミノ酸修飾をもたらした。対照植物との相反交配は、半数体子孫をまったくもたらさなかった。
本発明は、1つ又は複数のアクティブ変異(active mutation)を含む植物起源のCENPCタンパク質に関する。1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号2、3、4又は15~19のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質中に存在しうる。1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号2、3、4若しくは15~19のいずれかのアミノ酸配列、又は配列番号2、3、4若しくは15~19のいずれかのアミノ酸配列に対して少なくとも70%、より好ましくは少なくとも80%、さらにより好ましくは少なくとも90%、なおさらにより好ましくは少なくとも95%、最も好ましくは少なくとも98%若しくは99%の配列同一性を有するその変異体を含むタンパク質において引き起こされてもよい。
ある実施形態において、1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号5又は6のいずれかに示されるアミノ酸配列によって表される倍加半数体インデューサードメイン中に存在する。
上記1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列における、552~553位の間のアミノ酸残基の変異、554位のアミノ酸残基の変異、555位のアミノ酸残基の変異及び556位のアミノ酸残基の変異若しくはその任意の組合せからなる群から選択されるか;又は配列番号2のアミノ酸配列における、555~556位の間のアミノ酸残基の変異、557位のアミノ酸残基の変異、558位のアミノ酸残基の変異及び559位のアミノ酸残基の変異若しくはその任意の組合せからなる群から選択されうる。
ある実施形態において、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位において、又は配列番号2のアミノ酸配列の557位において変異したアミノ酸は、アスパラギン酸であり、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の555位において、又は配列番号2のアミノ酸配列の558位において変化したアミノ酸は、アスパラギンであり、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の556位において又は配列番号2のアミノ酸配列の559位において変化したアミノ酸は、メチオニンである。
ある実施形態において、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアミノ酸が、正電荷を有するアミノ酸残基、好ましくはリシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の555位又は配列番号2のアミノ酸配列の558位のアミノ酸が、チロシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の556位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアミノ酸が、バリンに変化しており、並びに/或いは正電荷を有する残基、好ましくはヒスチジンが、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間に又は配列番号2のアミノ酸配列のアミノ酸残基555~556の間に挿入されている。
ある実施形態において、ヒスチジンが、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間に又は配列番号2のアミノ酸配列のアミノ酸残基555~556の間に挿入され、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアスパラギン酸が、リシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかの555位又は配列番号2のアミノ酸配列の558位のアスパラギンが、チロシンに変化している。
ある実施形態において、上記タンパク質は、配列番号8又は配列番号10のアミノ酸配列を含む。
上記タンパク質は、配列番号7若しくは12のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドによりコードされていてもよく、又は上記タンパク質は、配列番号9若しくは13のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドによりコードされていてもよい。
ある実施形態において、上記タンパク質は、アクティブ変異を有する、CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドによりコードされ、これは、植物の内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチド及び/又は内在性CENPCタンパク質の非存在下で植物中に存在する場合、上記植物が生存することを可能とし、上記植物が野生型植物と交配される場合、いくつかの半数体後代又は異常な倍数性を有する後代の生成を可能とする。
生成された後代の少なくとも0.1、0.5、1又は5%が、半数体であるか、又は異常な倍数性を有することが好ましい。
上記タンパク質は、標的ヌクレオチド交換を使用して又はエンドヌクレアーゼを適用することにより、内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドに変異を導入することによって、上記内在性CENPCタンパク質から誘導されてもよい。
ある実施形態において、1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号1に示されるアミノ酸配列を含むタンパク質ドメイン中に存在しない。
さらなる態様において、本発明は、本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドに関する。
本発明は、配列番号11若しくは14のいずれかの核酸配列、又は、配列番号11若しくは14のいずれかのアミノ酸配列に対して少なくとも70%、より好ましくは少なくとも80%、さらにより好ましくは少なくとも90%、なおさらにより好ましくは少なくとも95%、最も好ましくは少なくとも98%若しくは99%の配列同一性を有するその変異体を含むポリヌクレオチドであって、その中の配列番号11の核酸配列の2449~2450位及び/又は2454~2462位或いは配列番号14の1660~1668位の1つ又は複数のヌクレオチドが、その中で、配列番号3のアミノ酸配列が554位及び/又は555位及び/又は556位に変更された残基を有し、並びに/或いは配列番号3のアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間にヒスチジンのようなアミノ酸残基の挿入をその中に有するCENPCタンパク質を、上記核酸がコードするように修飾されている、ポリヌクレオチドにも関する。
加えて、配列番号7又は12のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドが本明細書において教示される。
配列番号9又は13のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドも本明細書において教示される。
本明細書に教示されるポリヌクレオチドは単離されうる。
本発明は、さらに、本明細書に教示されるポリヌクレオチドを含むキメラ遺伝子、本明細書に教示されるポリヌクレオチド又はキメラ遺伝子を含むベクター、及び本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子、又は本明細書に教示されるベクターを含む宿主細胞に関する。宿主細胞は、植物細胞、好ましくはトマト植物細胞でありうる。
本発明は、本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子、又は本明細書に教示されるベクターを含む植物も提供する。
ある実施形態において、内在性CENPCタンパク質は、上記植物において発現されない。
植物は、ナス属(Solanum)植物、好ましくはトマト(Solanum lycopersicum)植物でありうる。
本発明は、さらに、本明細書に教示される植物を作製するための方法であって:
a)植物細胞内の内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを修飾して、アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを得るステップと;
b)アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む植物細胞を選択するステップと;
c)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法に関する。
a)植物細胞内の内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを修飾して、アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを得るステップと;
b)アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む植物細胞を選択するステップと;
c)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法に関する。
また、本発明は、本明細書に教示される植物を作製するための方法であって:
a)本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子又は本明細書に教示されるベクターを使用して植物細胞を形質転換するステップと;
b)上記ポリヌクレオチド、キメラ遺伝子又はベクターを含む植物細胞を選択するステップと;
c)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法にも関する。
a)本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子又は本明細書に教示されるベクターを使用して植物細胞を形質転換するステップと;
b)上記ポリヌクレオチド、キメラ遺伝子又はベクターを含む植物細胞を選択するステップと;
c)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法にも関する。
上記方法は、上記植物細胞を改変して、内在性CENPCタンパク質の発現を防止するステップをさらに含んでもよい。
上記植物細胞内の内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドが修飾されて、内在性CENPCタンパク質の発現を防止してもよい。
本発明は、さらに、半数体植物、又は異常な倍数性を有する植物を生成する方法であって:
a)内在性植物CENPCタンパク質を発現する植物を、本明細書に教示される植物に交配するステップであって、本明細書に教示される植物は、少なくともその生殖部分において及び/又は胚発生の間は内在性CENPCタンパク質を発現しない、ステップと;
b)種子を採取するステップと;
c)上記種子から、少なくとも1つの実生、小植物又は植物を生育させるステップと;
d)半数体実生、小植物若しくは植物;異常な倍数性を有する実生、小植物若しくは植物;又は倍加半数体実生、小植物若しくは植物を選択するステップと
を含む、方法に関する。
a)内在性植物CENPCタンパク質を発現する植物を、本明細書に教示される植物に交配するステップであって、本明細書に教示される植物は、少なくともその生殖部分において及び/又は胚発生の間は内在性CENPCタンパク質を発現しない、ステップと;
b)種子を採取するステップと;
c)上記種子から、少なくとも1つの実生、小植物又は植物を生育させるステップと;
d)半数体実生、小植物若しくは植物;異常な倍数性を有する実生、小植物若しくは植物;又は倍加半数体実生、小植物若しくは植物を選択するステップと
を含む、方法に関する。
本開示は、倍加半数体植物を生成する方法であって、ステップd)において得られた半数体植物を倍加半数体植物に転換するステップを含む、方法をさらに教示する。
転換は、コルヒチンによる処理により実施されてもよい。
ある実施形態において、内在性植物CENPCタンパク質を発現する上記植物は、F1植物である。
内在性CENPCタンパク質を発現する植物は、交配種の花粉親でありうるか又は交配種の胚珠親でありうる。
ある実施形態において、交配は、約24~約30℃の範囲の温度において実施される。
ある実施形態において、本明細書に教示される方法は、上記植物の全ゲノムを有性交配する(sexually crossing)ステップを含まない。
本明細書に教示されるポリヌクレオチドは、半数体インデューサー系統を産生するために使用されうる。
本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子、又は本明細書に教示されるベクターを含むトマト植物も提供される。
加えて、配列番号8又は10のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むトマト植物が提供される。
さらに、配列番号7、12、9又は13のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドを含むトマト植物が本明細書に教示される。
本発明は、本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むトマト植物をさらに提供する。
配列番号4のアミノ酸配列を含むポリペプチド中に1つ又は複数のアクティブ変異を含むトマト植物も提供される。
本明細書に教示されるトマト植物は、半数体トマト植物を産生するため、及び/又は倍加半数体トマト植物を産生するために使用されうる。
ある実施形態において、本明細書に教示されるトマト植物は、少なくともその生殖部分において及び/又は胚発生の間は内在性CENPCタンパク質を発現しない。
最終的な態様において、本発明は、半数体又は倍加半数体植物を生成する方法であって、内在性CENPCタンパク質を発現する植物及び本明細書に教示される植物を同定するステップを含み、本明細書に教示される植物は内在性CENPCタンパク質を発現しない、方法に関する。
ある実施形態において、上記方法は、上記植物の全ゲノムを有性交配するステップを含まない。
定義
略語「CENPC」又は「CENP-C」は、セントロメアタンパク質Cを意味する。セントロメアタンパク質Cは、任意の生物由来のCENPCタンパク質を定義するタンパク質配列であるCENPCモチーフを特徴とする。CENPCモチーフは、動物、酵母及び植物の間で高度に保存されている(Talbertら、2004年、Journal of biology、3巻(4号)、18ページ)。ヒト;マウス;ウシ;ニワトリ;エレガンス線虫(Caenorhabditis elegans);出芽酵母;シゾサッカロミセス・ポンべ(Schizosaccharomyces pombe);ニセツリガネコケ(Physcomitrella patens);トウモロコシ;コメ;シロイヌナズナ;ブラックコットンウッド;ダイズ及びトマト由来のコンセンサスCENPCモチーフが、配列番号1として提供される。
略語「CENPC」又は「CENP-C」は、セントロメアタンパク質Cを意味する。セントロメアタンパク質Cは、任意の生物由来のCENPCタンパク質を定義するタンパク質配列であるCENPCモチーフを特徴とする。CENPCモチーフは、動物、酵母及び植物の間で高度に保存されている(Talbertら、2004年、Journal of biology、3巻(4号)、18ページ)。ヒト;マウス;ウシ;ニワトリ;エレガンス線虫(Caenorhabditis elegans);出芽酵母;シゾサッカロミセス・ポンべ(Schizosaccharomyces pombe);ニセツリガネコケ(Physcomitrella patens);トウモロコシ;コメ;シロイヌナズナ;ブラックコットンウッド;ダイズ及びトマト由来のコンセンサスCENPCモチーフが、配列番号1として提供される。
「変異」は、生物、ウイルスのゲノム又は染色体外DNA又は他の遺伝要素のヌクレオチド配列の恒久的変化である。(放射線又は化学的変異原により典型的に引き起こされる)修復されないDNA、若しくはRNAゲノムに対する損傷、複製の過程におけるエラーにより、又は可動遺伝因子によるDNAのセグメントの挿入若しくは欠失によりもたらされる。変異は、生物の観察可能な特徴(表現型)において認識できる変化を生じても生じなくてもよい。変異は、配列に数種の異なるタイプの変化をもたらすことができる。遺伝子における変異は、影響を及ぼさないか、遺伝子産物を変化させるか、又は遺伝子が適切に若しくは完全に機能することを阻むことのいずれかでありうる。変異は、非遺伝子領域においても発生しうる。
「アクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチド」は、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質をコードする、変異したCENPCをコードする非内在性のポリヌクレオチドを指し、これは、そのCENPCをコードする内在性ポリヌクレオチド及び/又は内在性CENPCタンパク質の非存在下で植物中に存在する場合、上記植物が生存することを可能とし、上記植物が野生型植物、好ましくは同じ種の野生型植物と交配させられる場合、いくつかの半数体後代又は異常な倍数性を有する後代の生成を可能とする。アクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチドを含む植物は、「改変植物」と呼ばれうる。野生型植物との交配に際して生成される半数体後代又は異常な倍数性を有する後代のパーセンテージは、例えば、少なくとも0.1、0.5、1、5、10、20%又はそれ以上であることができる。CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドから、アクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチドへの移行を引き起こす変異は、本明細書において「アクティブ変異」と呼ばれる。CENPCタンパク質の関係におけるアクティブ変異は、中でも、細胞分裂の間の染色体の分離において、低減されたセントロメア負荷、より少ない機能的CENPCタンパク質及び/又は低減された機能性をもたらしうる。アクティブ変異は、当業者に周知の数種の方法のいずれかにより、例えば、化学物質若しくは放射線による種子若しくは植物細胞の処理により誘発されるような、ランダム変異誘発、標的変異誘発、エンドヌクレアーゼの適用により、部分的若しくは完全なタンパク質ドメインの欠失により、又は異種配列との融合により、CENPCをコードするポリヌクレオチドに導入されうる。代替的には、1つ又は複数のアクティブ変異を導入するために、これらの技術のうちの数種が使用されてもよい。
「アクティブ変異を有するCENPCタンパク質」は、アクティブ変異を有する、CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドによりコードされる。CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドは、内在性CENPCタンパク質をコードする。
植物は、CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドをノックアウトするか又は不活性化することによって、上記CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドを欠如させうる。代替的には、上記CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドが、不活性の又は非機能的CENPCタンパク質をコードするように修飾されてもよい。
本明細書に教示されるアクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチドを含む改変植物は、花粉親又は胚珠親のいずれかとして、野生型植物と交配されうる。ある実施形態において、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、内在性CENPCタンパク質に対して、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20又はそれ以上のアミノ酸の変化を含みうる。ある実施形態において、アクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチドは、CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドに対して、好ましくは全長にわたって、70、75、80、85、90,95、96、97、98、99、99.5%の配列同一性を有する。
当業者は、本明細書に教示される改変植物が、アクティブ変異を有するか否かを容易に確認することができる。例えば、当業者は、そのようなアクティブ変異を提案するために、SIFT(Kumar P、Henikoff S、Ng PC.(2009年)Predicting the effects of coding non-synonymous variants on protein function using the SIFT algorithm、Nat Protoc;4巻(7号);1073~81ページ doi:10.1038/nprot.2009.86)のような予測ツールを使用しうる。次いで、植物においてアクティブ変異が引き起こされ、上記植物における内在性CENPCタンパク質の発現がノックアウトされるはずである。この植物は、野生型植物との交配に際して生成される半数体後代又は異常な倍数性を有する後代のパーセンテージが少なくとも0.1、0.5、1、5、10、20%又はそれ以上である場合に、アクティブ変異を含むと考えられうる。
花粉又は胚珠親のいずれかとしての、CENPCをコードする内在性ポリヌクレオチドを欠く又は内在性CENPCタンパク質の発現を欠く植物であり、且つアクティブ変異を有するCENPCタンパク質を発現する植物と、内在性CENPCタンパク質を発現する植物を交配することは、ある特定のパーセンテージ(例えば、少なくとも0.1、0.5、1、5、10、20%又はそれ以上)の半数体であるか又は異常な倍数性を示す後代をもたらす。そのような植物は、内在性CENPCタンパク質を発現する親の染色体のみを含み、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質を発現する植物の染色体を含まない。
交配される2つの植物は、性的に適合性でなければならない。これらは同じ属又は同じ種のものであってもよい。
本発明の状況においてタンパク質又は遺伝子と組み合わせて使用される用語「内在性」は、上記タンパク質又は遺伝子が、それが今もなお含有される植物に起源を有することを意味する。内在性遺伝子は、植物中でその正常な遺伝学的状況に存在することが多い。
本開示の状況において使用される用語「半数体インデューサー系統」は、非インデューサー系統と少なくとも1つの一塩基多型において異なる植物系統を指す。雌株又は花粉ドナーのいずれかとして使用される半数体インデューサー系統が交配される場合、半数体インデューサー系統のゲノムの片親ゲノムの排除をもたらす。
本明細書中で使用される用語「片親ゲノムの排除」は、交配後に、交配の方向に関わりなく一方の親のすべての染色体を意味するすべての遺伝情報を失うという効果を指す。これは、そのような交配の子孫が、排除されない親ゲノムの染色体のみを含有するような方法で起こる。排除されるゲノムは、常に半数体インデューサーである親に起源を有する。
「倍加半数体」は、半数体細胞が染色体倍加を受けるときに形成される遺伝子型である。これは、半数体細胞からの誘導された又は自発的な染色体倍加により産生されうる。二倍体植物にとって、半数体細胞は一倍体であり、用語「倍加一倍体」も、倍加半数体について使用されうる。
「ナス科CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列」は、ナス科植物に属する種由来のCENPCタンパク質の特異的領域であって、ナス科の種の間で高度に保存されている領域を定義する。これは、トマト、ニコチアナ・タバクム(Nicotiana tabacum)、ニコチアナ・トメントシフォルミス(Nicotiana tomentosiformis)、トウガラシ(Capsicum annuum)、ジャガイモ(Solanum tuberosum)及びソラヌム・フルテセンス(Solanum frutescence)のCENPC DH-インデューサードメインのコンセンサスタンパク質配列を表し、そのアミノ酸配列が配列番号5に示される。
「ナス属CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列」は、ナス属植物に属する種由来のCENPCタンパク質の特定の領域を定義する。これは、ナス属の種間で高度に保存されている。トマト、ソラヌム・ピンピネリフォリウム(Solanum pimpinellifolium)、ソラヌム・ペルウィアヌム(Solanum peruvianum)、ソラヌム・クミエレウィスキイ(Solanum chiemliewskii)、ソラヌム・ケエスマニアエ(Solanum cheesmaniae)、ソラヌム・ネオリキイ(Solanum neorickii)、ソラヌム・アルカヌム(Solanum Arcanum)、ソラヌム・ペルウィアヌム、ソラヌム・フアユラセンセ(Solanum huaylasense)、ソラヌム・キレンセ(Solanum chilense)、ソラヌム・ハブロカイテス(Solanum habrochaites)、ソラヌム・ペンネリイ(Solanum pennellii)、ソラヌム・ガラパゲンセ(Solanum galapagense)及びジャガイモのCENPC DH-インデューサードメインのコンセンサスタンパク質配列のアミノ酸配列が配列番号6に示される。
本明細書中で使用される用語「未定の」は、確定の又は未定のとして一般に分類される、トマト植物の生育習性のタイプを指す。この分類は、持続的な仮軸成長(sympodial growth)のためのシュート系の能力によることが好ましい。この用語は、当該技術分野において承認されている意味で使用される。
用語「ポリヌクレオチド」及び「核酸」は、本明細書中で互換的に使用される。
「キメラ遺伝子」(又は組換え遺伝子)は、通常、ある種において自然界で見られない任意の遺伝子、特に、自然界で互いに関連し合わない核酸配列の1つ又は複数の部分がその中に存在する遺伝子を指す。例えば、プロモーターは、自然界で転写領域の一部若しくはすべて、又は別の調節領域とは関連し合わない。用語「キメラ遺伝子」は、その中のプロモーター又は転写調節配列が、1つ若しくは複数のコード配列に又はアンチセンス(センス鎖の逆相補体)若しくは逆位反復配列(それによって、転写に際してRNAトランスクリプトが二本鎖RNAを形成する、センス及びアンチセンス)に操作可能に連結される、発現構築物を含むと理解される。
「配列同一性」及び「配列類似性」は、グローバル又はローカルアライメントアルゴリズムを使用する2つのペプチド又は2つのヌクレオチド配列のアライメントにより決定されうる。その結果、配列は、それらが(例えばデフォルトパラメータを使用するGAP又はBESTFITプログラムにより最適に整列化された場合に)少なくとも(以下に定義される)ある特定の最小限のパーセンテージの配列同一性を共有する場合に、「実質的に同一」又は「本質的に類似する」と呼ばれうる。GAPは、Needleman-Wunschグローバルアライメントアルゴリズムを使用して、マッチの数を最大にし、ギャップの数を最小としつつ、2つの配列をその長さ全体にわたって整列化する。一般に、ギャップクリエーションペナルティ=50(ヌクレオチド)/8(タンパク質)及びギャップエクステンションペナルティ=3(ヌクレオチド)/2(タンパク質)でGAPデフォルトパラメータが使用される。ヌクレオチドについては、使用されるデフォルトスコアリングマトリックスは、nwsgapdnaであり、タンパク質については、デフォルトスコアリングマトリックスは、Blosum62である(Henikoff及びHenikoff、1992年、PNAS 89巻、915~919ページ)。配列アライメント及び配列同一性パーセンテージのためのスコアが、Accelrys Inc.、9685 Scranton Road、San Diego、CA 92121-3752 USAからのGCG Wisconsin Package、バージョン10.3又は(「needle」プログラムを使用する)EmbossWin バージョン2.10.0などのコンピュータプログラムを使用して決定されうる。代替的には、類似性又は同一性パーセントは、FASTA、BLASTなどのアルゴリズムを使用してデータベースを検索することによって決定されうる。
「宿主細胞」又は「組換え宿主細胞」又は「形質転換細胞」は、特に所望のタンパク質をコードするキメラ遺伝子を含む、少なくとも1つの核酸分子の導入の結果として生じる新しい個別の細胞(又は生物)を指す用語である。宿主細胞は、植物細胞又は細菌細胞であることが好ましい。宿主細胞は、染色体外で(エピソームの)複製する分子として核酸分子若しくはキメラ遺伝子を含有してもよく、又はより好ましくは、宿主細胞の核若しくはプラスチドゲノム中に集積された核酸分子若しくはキメラ遺伝子を含む。
本明細書において使用される場合、用語「植物」は、植物細胞、植物組織又は器官、植物プロトプラスト、そこから植物が再生されることのできる植物細胞組織培養、植物カルス、植物細胞凝集塊、及び植物中で無傷である植物細胞、又は胚、花粉、胚珠、果実(例えば、収穫されたトマト)、花、葉、種子、根、毛根などのような植物の部分を含む。
この文書において及びその請求の範囲において、動詞「含む」及びその活用形は、その非限定的な意味で使用されて、この単語に続く項目が含まれるが、具体的に言及されない項目が除外されないことを意味する。これは、動詞「から本質的になる」及び「からなる」を包含する。
加えて、不定冠詞「1つの(a)」又は「1つの(an)」による要素への言及は、要素のうちの1つ及び1つのみが存在することを文脈が明らかに要求しない限り、要素のうちの複数が存在する可能性を排除しない。よって、不定冠詞「1つの(a)」又は「1つの(an)」は、通常、「少なくとも1つ」を意味する。さらに、本明細書において「配列」に言及する場合、一般に、サブユニット(例えば、アミノ酸)のある特定の配列を含む実際の物理的な分子が言及される。
発明の詳細な説明
本発明者らは、植物における、アクティブ変異を有する非内在性CENPCタンパク質の発現と組み合わせた内在性CENPCの排除が、育種のために有用な性質を有する植物をもたらすことを見出した。そのような植物が半数体インデューサー系統として機能しうることが見出された。そのような半数体インデューサー系統が、内在性CENPCタンパク質を有する植物と交配される場合、結果として生じる後代の一部は、半数体インデューサー系統由来の染色体を欠いており、それによって半数体後代又は異常な倍数性を有する後代の産生を可能とする。半数体植物は、育種を改善するために有用である。
本発明者らは、植物における、アクティブ変異を有する非内在性CENPCタンパク質の発現と組み合わせた内在性CENPCの排除が、育種のために有用な性質を有する植物をもたらすことを見出した。そのような植物が半数体インデューサー系統として機能しうることが見出された。そのような半数体インデューサー系統が、内在性CENPCタンパク質を有する植物と交配される場合、結果として生じる後代の一部は、半数体インデューサー系統由来の染色体を欠いており、それによって半数体後代又は異常な倍数性を有する後代の産生を可能とする。半数体植物は、育種を改善するために有用である。
有糸分裂におけるDNAの等しい分配は、キネトコアと呼ばれる大きなタンパク質性集合体のセントロメアDNA上への構築を必要とする。キネトコアは、セントロメア上に集合して、紡錘体微小管を結合し、細胞分裂の間の正確な染色体分離を促進するマルチサブユニットの複合体である。構成的セントロメア関連ネットワーク(constitutive centromere-associated network)(CCAN)と名付けられた16サブユニットの複合体が、セントロメア-キネトコア界面を作り出す。CCANサブユニットであるCENPCは、セントロメアをキネトコアの微小管結合界面と連結するため、キネトコアの構築にとって極めて重要である。CCAN機構におけるCENPCの正確な役割はいまだ完全に理解されていないが、ある特定のデータは、キネトコア構築のための青写真としてCENPCを挙げる。CENPCが枯渇すると、セントロメア及びキネトコア両方の適切な形成が妨害される。
アクティブ変異を有するCENPCタンパク質
本発明は、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質を提供する。そのようなアクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、1つ又は複数のアクティブ変異を含む。アクティブ変異を有し、内在性CENPCタンパク質の発現を欠く又は発現の抑制されたそのようなCENPCタンパク質を発現する植物が、内在性CENPCタンパク質を発現する野生型植物に交配された場合、比較的高い頻度で半数体植物が形成される。アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、当業者に公知の様々な手段により創出されうる。これらは、制限なく、ランダム変異誘発、単一又は複数アミノ酸標的変異誘発、完全な又は部分的なタンパク質ドメイン欠失の生成、異種アミノ酸配列との融合などを含む。典型的に、内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドが、ノックアウトされるか又は不活性化される。半数体植物は、少なくとも、0.1、0.5、1、5、10、20%又はそれ以上のような、正常な頻度を超えて形成される。アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、例えば、内在性CENPCタンパク質を欠く植物におけるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質の組換え発現、内在性CENPCタンパク質を発現する植物にトランスジェニック植物を交配すること、次いで、半数体後代の産生についてスクリーニングすることによって試験されうる。
本発明は、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質を提供する。そのようなアクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、1つ又は複数のアクティブ変異を含む。アクティブ変異を有し、内在性CENPCタンパク質の発現を欠く又は発現の抑制されたそのようなCENPCタンパク質を発現する植物が、内在性CENPCタンパク質を発現する野生型植物に交配された場合、比較的高い頻度で半数体植物が形成される。アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、当業者に公知の様々な手段により創出されうる。これらは、制限なく、ランダム変異誘発、単一又は複数アミノ酸標的変異誘発、完全な又は部分的なタンパク質ドメイン欠失の生成、異種アミノ酸配列との融合などを含む。典型的に、内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドが、ノックアウトされるか又は不活性化される。半数体植物は、少なくとも、0.1、0.5、1、5、10、20%又はそれ以上のような、正常な頻度を超えて形成される。アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、例えば、内在性CENPCタンパク質を欠く植物におけるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質の組換え発現、内在性CENPCタンパク質を発現する植物にトランスジェニック植物を交配すること、次いで、半数体後代の産生についてスクリーニングすることによって試験されうる。
アクティブ変異を有するCENPCタンパク質を生成するために、任意の数の変異が内在性CENPCタンパク質に導入されうる。例えば、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は、1、2、3、4、5、6、7、8個又はそれ以上のアミノ酸以外は内在性CENPCタンパク質と同一であってもよい。
アクティブ変異は、CENPCモチーフ中に存在しないことが好ましい。
CENPCタンパク質は、植物CENPCタンパク質であることが好ましい。植物は任意の植物であってもよいが、ナス科に、より好ましくはナス属に、さらにより好ましくはトマト種に属することが好ましい。
ある実施形態において、1つ又は複数のアクティブ変異は、配列番号2、3、4、若しくは15~19のいずれかに示すアミノ酸配列によって表される内在性CENPCタンパク質、又は配列番号2、3、4、若しくは15~19のいずれかのアミノ酸配列に対して少なくとも70%、75%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%若しくはそれ以上、例えば、100%のアミノ酸配列同一性を、好ましくは長さ全体にわたって有するその変異体において引き起こされる。アミノ酸配列同一性は、上で定義されたNeedleman-Wunschアルゴリズム並びにGAPデフォルトパラメータを使用するペアワイズアライメントにより決定される。
アクティブ変異を有するCENPCタンパク質内のアクティブ変異は、タンパク質のあらゆる場所に位置する可能性がある。ある実施形態において、アクティブ変異は、配列番号3若しくは4のいずれかに示されるアミノ酸配列により表される内在性CENPCタンパク質、又は本明細書に教示される配列番号3若しくは4に示されるアミノ酸配列を有するCENPCタンパク質の変異体のアミノ酸残基Glu548~Pro562の間に位置する。
アクティブ変異を有するCENPCタンパク質内のアクティブ変異は、配列番号2、又は本明細書に教示される配列番号2に示されるアミノ酸配列を有するCENPCタンパク質の変異体のアミノ酸残基Glu551~His565の間に位置しうる。
ある実施形態において、(そのアミノ酸配列が配列番号4に示される)内在性トマトCENPCタンパク質のアミノ酸残基552、553、554、555又は556に対応する位置のアミノ酸残基のうちの1つ又は複数が変異している。例えば、配列番号4、又は本明細書に教示される配列番号4に示されるアミノ酸配列を有するCENPCタンパク質の変異体の554位のアスパラギン酸、555位のアスパラギン、若しくは556位のメチオニン、或いは配列番号2若しくは3のいずれかにおける対応するアミノ酸残基が変異していてもよい。
配列番号2又は本明細書に教示されるその変異体において、Asp557は配列番号4のアミノ酸配列のAsp554に対応し、Asn558は配列番号4のアミノ酸配列のAsn555に対応し、Met559は配列番号4のアミノ酸配列のMet556に対応する。配列番号3又は本明細書に教示されるその変異体において、Asp554は配列番号4のアミノ酸配列のAsp554に対応し、Asn555は配列番号4のアミノ酸配列のAsn555に対応し、Met556は配列番号4のアミノ酸配列のMet556に対応する。
配列番号4若しくはその変異体のアミノ酸配列の554位のアミノ酸残基、或いは配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体におけるこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、アスパラギン酸は、例えば、ヒスチジン、リシン若しくはアルギニン、好ましくはリシンのような正電荷を有するアミノ酸残基に変異していてもよい。配列番号4若しくはその変異体のアミノ酸配列の555位のアミノ酸残基、或いは配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体におけるこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、アスパラギンは、例えば、フェニルアラニン、トリプトファン又はチロシン、好ましくはチロシンのような芳香族アミノ酸残基に変異していてもよい。配列番号4若しくはその変異体のアミノ酸配列の556位のアミノ酸残基、或いは配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体におけるこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、メチオニンは、例えば、グリシン、セリン、システイン、アラニン、スレオニン又はバリン、好ましくはバリンのような小さな側鎖を有するアミノ酸残基に変異していてもよい。
ある実施形態において、配列番号3若しくは4のいずれかに示されるアミノ酸配列により表される内在性CENPCタンパク質、又は本明細書に教示されるその変異体のアミノ酸残基Glu548~Pro562の間、特にアミノ酸残基552~553の間、或いは配列番号2に示されるアミノ酸配列により表されるCENPCタンパク質、又は本明細書に教示されるその変異体のアミノ酸残基Glu561~Pro565の間のドメインにアミノ酸残基が挿入されていてもよい。
例えば、配列番号3若しくは4に示されるアミノ酸配列、又は本明細書に教示されるその変異体のアミノ酸残基552~553の間、或いは配列番号2に示されるアミノ酸配列、又は本明細書に教示されるその変異体のアミノ酸残基555~556の間に、His残基のような正電荷を有する残基が挿入されていてもよい。
ある実施形態において、配列番号4に示されるアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間に挿入されているアミノ酸残基は、グルタミン残基ではない。
ある実施形態において、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質をもたらすために、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列を有する内在性CENPCタンパク質、又はその変異体において引き起こされるアクティブ変異は、アミノ酸残基552~553の間のHisの挿入(552_553insH)、並びに変異D554K、N555Y、M556V、又は552_553insH/D554K/N555Y/M556V、552_553insH/554K/N555Y、552_553insH/D554K/M556V、552_553insH/N555Y/M556V、552_553insH/D554K、552_553insH/N555Y、552_553insH/M556V、D554K/N555Y、D554K/M556V、及びN555Y/M556Vのようなその任意の組合せ、或いは配列番号2、又はその変異体における対応する変異(D557K、N558Y、M559V及び555_556insH)からなる群から選択される。
アクティブ変異を有する、CENPCをコードするポリヌクレオチド、キメラ遺伝子、ベクター、宿主細胞
cDNA、ゲノムDNA及びRNA分子のような、上記タンパク質のいずれかをコードする核酸配列を有するポリヌクレオチドも提供される。遺伝コードの縮重により、様々な核酸配列が同じアミノ酸配列をコードしうる。CENPCタンパク質又はその変異体をコードする任意のポリヌクレオチドは、本明細書において「CENPCをコードするポリヌクレオチド」と呼ばれる。提供されるポリヌクレオチドは、自然起源の、人工の又は合成の核酸配列を含む。配列がDNA配列として示されるが、RNAが言及される場合、RNA分子の実際の塩基配列は、チミン(T)がウラシル(U)に置換されているという相違以外は同一であると理解される。
cDNA、ゲノムDNA及びRNA分子のような、上記タンパク質のいずれかをコードする核酸配列を有するポリヌクレオチドも提供される。遺伝コードの縮重により、様々な核酸配列が同じアミノ酸配列をコードしうる。CENPCタンパク質又はその変異体をコードする任意のポリヌクレオチドは、本明細書において「CENPCをコードするポリヌクレオチド」と呼ばれる。提供されるポリヌクレオチドは、自然起源の、人工の又は合成の核酸配列を含む。配列がDNA配列として示されるが、RNAが言及される場合、RNA分子の実際の塩基配列は、チミン(T)がウラシル(U)に置換されているという相違以外は同一であると理解される。
本発明は、さらに、本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドに関する。上記ポリヌクレオチドは、合成、組換え及び/又は単離されたポリヌクレオチドであってもよい。ある実施形態において、上記ポリヌクレオチドは、配列番号11若しくは14の核酸配列、又は配列番号11若しくは14の核酸配列に対して、好ましくは全長にわたって、少なくとも70%、好ましくは、80%、85%、90%、95%のような、少なくとも75%、より好ましくは少なくとも97%、98%若しくは99%の配列同一性を有するその変異体を含む、内在性CENPCをコードするポリヌクレオチドに由来し、これは、配列番号4のアミノ酸配列を含むポリペプチドの内在性CENPC活性を共有する。対照的に、本明細書に教示されるアクティブ変異を有する、CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドは、それが由来する内在性CENPCタンパク質のCENPC活性の90、80、70、60、50、40、30、20、10%未満まで、内在性CENPC活性を低減又は除去する、1つ又は複数のアクティブ変異を含む。CENPC活性は、例えば、蛍光のレベルがCENPC活性の尺度である、GFP融合を使用して、染色体の分離中のセントロメアの局在を測定することによって、in vitroで測定されうる。代替的には、酵母ツーハイブリッド相互作用が、CENPCタンパク質と相互作用するすべての公知のタンパク質及び/又はセントロメアDNAを使用して、in vitroで測定されうる。この相互作用が損なわれると、CENPCの機能が損なわれる。
ある実施形態において、配列番号14の核酸配列を含むポリヌクレオチドの1660~1668位における1つ又は複数のヌクレオチドは、その中で配列番号4のアミノ酸配列が、変更された554位及び/又は555位及び/又は556位のアミノ酸残基を有するCENPCタンパク質をこのポリヌクレオチドがコードするように、修飾されている。
ある実施形態において、配列番号11の核酸配列を含むポリヌクレオチドの2249~2450位及び/又は2454~2462位における1つ又は複数のヌクレオチドは、その中で配列番号4のアミノ酸配列が残基552~553の間に挿入されたアミノ酸残基を有し、並びに/或いは554位及び/又は555位及び/又は556位に変更されたアミノ酸残基を有するCENPCタンパク質をこのポリヌクレオチドがコードするように、修飾されている。
例えば、配列番号4、又は配列番号4に示されるアミノ酸配列を有するCENPCタンパク質の本明細書に教示される変異体のいずれかの554位のアスパラギン酸、555位のアスパラギン若しくは556位のメチオニン、或いは配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体の対応するアミノ酸残基は変異されてもよい。配列番号4又はその変異体のアミノ酸配列の554位のアミノ酸残基、或いは、配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体のこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、アスパラギン酸は、例えば、ヒスチジン、リシン若しくはアルギニン、好ましくはリシンのような正電荷を有するアミノ酸残基に変異されてもよい。配列番号4又はその変異体のアミノ酸配列の555位のアミノ酸残基、或いは、配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体のこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、アスパラギンは、例えば、フェニルアラニン、トリプトファン若しくはチロシン、好ましくはチロシンのような芳香族アミノ酸残基に変異されてもよい。配列番号4又はその変異体のアミノ酸配列の556位のアミノ酸残基、或いは、配列番号2若しくは3のいずれか又は本明細書に教示されるその変異体のこのアミノ酸残基に対応するアミノ酸残基、例えば、メチオニンは、例えば、グリシン、セリン、システイン、アラニン、スレオニン若しくはバリン、好ましくはバリンのような小さな側鎖を有するアミノ酸残基に変異されてもよい。
ある実施形態において、活性に変異したCENPCタンパク質をもたらすために、内在性CENPCタンパク質において引き起こされるアクティブ変異は、552_553insH、D554K、N555Y、M556V、又は本明細書に教示される任意のその組合せからなる群から選択される。
ある特定の実施形態において、上記ポリヌクレオチドは、配列番号7、9、12又は13のいずれかの核酸配列を含む。
本発明の一実施形態において、上記の(アクティブ変異を有する、CENPCタンパク質又はその変異体若しくは断片を含む)CENPCタンパク質をコードする核酸配列は、CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドの宿主細胞への導入及び形質転換された細胞(複数可)に由来する細胞、組織、器官又は生物のような宿主細胞におけるCENPCタンパク質(複数可)の産生のためのキメラ遺伝子及び/又はベクターを作製するために使用される。植物細胞における本明細書に教示されるCENPCタンパク質(又はそのタンパク質断片若しくは変異体)の産生のためのベクターは、本明細書において「発現ベクター」と呼ばれる。
CENPCタンパク質の発現のための好適な宿主細胞としては、原核生物、酵母又は高等真核細胞が挙げられる。細菌、真菌、酵母及び哺乳動物細胞宿主とともに使用するのに適したクローニング及び発現ベクターは、例えば、Pouwelsら、Cloning vectors:A Laboratory Manual、Elsevier、N.Y.、(1985年)に記載されている。本明細書に記載の核酸配列由来のRNAを使用して本発明のタンパク質を産生するために、無細胞翻訳システムも採用されうる。
好適な原核生物宿主細胞としては、グラム陰性及びグラム陽性生物、例えば、大腸菌(Escherichia coli)又は桿菌が挙げられる。別の好適な原核生物宿主細胞は、アグロバクテリウム(Agrobacterium)、特にアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)が挙げられる。
本明細書に教示されるCENPCタンパク質は、例えば、サッカロミセス属(例えば、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae))由来の酵母宿主細胞においても発現されうる。ピキア(Pichia)又はクリベロミセス(Kluyveromyces)のような他の酵母属も採用されうる。
代替的には、本明細書に教示されるCENPCタンパク質は、植物細胞、真菌細胞、昆虫細胞及び哺乳動物細胞、任意選択で非ヒト細胞を含む、高等真核生物宿主細胞において発現されてもよい。
本発明の一実施形態は、本明細書に教示されるポリヌクレオチドを含むように改変された非ヒト生物である。非ヒト生物及び/又は宿主細胞は、例えば、脂質及びウイルスベクターのような送達デバイスの使用、裸のDNA、エレクトロポレーション、化学的方法及び粒子媒介性遺伝子導入を含む、遺伝子導入のための本分野で公知の任意の方法により改変されてもよい。有利な実施形態において、非ヒト生物は植物である。
任意の植物細胞が好適な宿主細胞でありうる。好適な植物細胞としては、単子葉植物又は双子葉植物由来のものが挙げられる。例えば、植物は、(トマトを含む)ナス属、タバコ属、トウガラシ属、ペチュニア属及び他の属に属しうる。以下の宿主種:タバコ(タバコ種、例えば、N.ベンサミアナ(N.benthamiana)、N.プルムバギニフォリア(N.plumbaginifolia)、N.タバクム(N.tabacum)など)、例えば、チェリートマト、セラシフォルム(cerasiforme)変種又はカラントトマト、ピンピネリフォリウム(pimpinelifolium)変種又はツリートマト(タマリロ(S.betaceum)、キフォマンドラ・ベタケア(Cyphomandra betaceae)の同義語)、ジャガイモ(Solanum tuberosum)、ナス(ソラヌム・メロンゲナ(Solanum melongena))、ペピーノ(ソラヌム・ムリカツム(Solanum muricatum))、ココナ(ソラヌム・セシリフロラム(Solanum sessiliflorum))及びナランジラ(ソラヌム・キトエンセ(Solanum quitoense))、ペッパー(トウガラシ、キダチトウガラシ(Capsicum futescens)、キイロトウガラシ(Capsicum baccatum))のようなトマト(L.エスキュレンツム(L.esculentum)、トマトの同義語)のような野菜種、観賞用種(例えば、ニチニチアサガオ(Petunia hybrida)、ペチュニア・アキシラリス(Petunia axillaries)、P.インテグリフォリア(P.integrifolia))、コーヒーノキ(コーヒーノキ(Coffea))が好適に使用されうる。
代替的には、植物は、ウリ科又はイネ科(Gramineae)のような任意の他の科に属してもよい。好適な宿主植物としては、例えば、トウモロコシ/コーン(ゼア(Zea)種)、コムギ(トリティクム(Triticum)種)、オオムギ(例えば、ホルデウム・ウルガレ(Hordeum vulgare))、エンバク(例えば、アベナ・サティバ(Avena sativa))、モロコシ(タカキビ(Sorghum bicolor))、ライムギ(セカレ・ケレアレ(Secale cereale))、ダイズ(グリキーネ種(Glycine spp.)、例えば、G.マックス(G.max))、ワタ(ゴシピウム種(Gossypium species)、例えば、G.ヒルスツム(G.hirsutum)、G.バルバデンセ(G.barbadense))、アブラナ種(Brassica spp.)(例えば、セイヨウアブラナ(B.napus)、カラシナ(B.juncea)、芽キャベツ(B.oleracea)、カブ(B.rapa)など)、ヒマワリ(ヘリアンサス・アヌース(Helianthus annus))、紅花、ヤム、キャッサバ、アルファルファ(ムラサキウマゴヤシ(Medicago sativa))、コメ(オリザ種(Oryza species)、例えば、O.サティバ・インディカ栽培品種群(O.sativa indica cultivar-group)、又はジャポニカ栽培品種群(japonica culrivar group))、飼料草、パールミレット(ペニセツム種(Pennisetum spp.)、例えば、トウジンビエ(P.glaucum))、樹木種(松果体、ポプラ、モミ、プラシテンなど)、チャノキ、コーヒーノキ、油やし、ココナッツ、エンドウ、ズッキーニ、マメ(例えば、インゲンマメ種(Phaseolus Species))、キュウリ、アーティチョーク、アスパラガス、ブロッコリー、ニンニク、リーク、レタス、タマネギ、ラディッシュ、カブ、芽キャベツ、ニンジン、カリフラワー、チコリ、セロリ、ホウレンソウ、エンダイブ、フェンネル、ビーツ、生果実を含む植物(ブドウ、モモ、プラム、イチゴ、マンゴー、リンゴ、プラム、サクランボ、アプリコット、バナナ、ブラックベリー、ブルーベリー、ミカン、キーウィ、イチジク、レモン、ライム、ネクタリン、ラズベリー、スイカ、オレンジ、グレープフルーツなど)のような野菜種、観賞用種(例えば、バラ、ペチュニア、キク、ユリ、ガーベラ種)、ハーブ(ミント、パセリ、バジル、タイムなど)、木質性樹木(woody tree)(例えば、ハコヤナギ、シダレヤナギ、コナラ、ユーカリ)、繊維種、例えば、麻(アマ)及び大麻(カンナビス・サティバ(Cannabis sativa))、又はシロイヌナズナのようなモデル生物が挙げられる。
好ましい宿主細胞は、「作物植物」又は「栽培植物」、すなわち、ヒトにより栽培され、育種される植物種に由来する。作物植物は、食品若しくは飼料目的(例えば、農作物)のため、又は鑑賞目的(例えば、切り花、芝生のための草の生産など)のために栽培されうる。本明細書に定義される作物植物としては、燃料のための油、プラスチックポリマー、医薬品、コルク、(ワタのような)繊維などのような、非食品製品がそこから収穫される植物も挙げられる。
本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードする核酸配列の宿主細胞のゲノムへの、好ましくは安定な、導入のためのキメラ遺伝子及びベクターの構築は、当分野で一般に公知である。キメラ遺伝子を生成するために、本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードする核酸配列が、標準的な分子生物学の技術を使用して、宿主細胞における発現に好適なプロモーター配列に操作可能に連結される。CENPCタンパク質をコードする核酸配列が、単純にプロモーター配列の下流のベクター中に挿入されるように、プロモーター配列はすでにベクター中に存在してもよい。次いで、ベクターは、宿主細胞を形質転換するために使用されることができ、キメラ遺伝子は、核ゲノム又はプラスチド、ミトコンドリア若しくは葉緑体ゲノム中に挿入されて、好適なプロモーターを使用して発現されることができる(例えば、Mc Brideら、1995年、Bio/Technology、13巻、362ページ;米国特許第5,693,507号)。ある実施形態において、本明細書に教示されるキメラ遺伝子は、本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードする核酸配列に操作可能に連結された、植物細胞又は微生物細胞(例えば、細菌)における発現のための好適なプロモーターであって、任意選択で3’非翻訳核酸配列がその後に続く、プロモーターを含む。細菌はその後、植物の形質転換に使用されてもよい(アグロバクテリウム媒介性の植物形質転換)。
アクティブ変異を有するCENPCポリペプチドを発現する植物
本発明は、本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCポリペプチドを発現する植物又は植物細胞を提供する。本発明は、本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子又は本明細書に教示されるベクターを含む植物も提供する。植物は、好ましくはナス科に、より好ましくはナス属に、なおより好ましくはトマト種に属する。
本発明は、本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCポリペプチドを発現する植物又は植物細胞を提供する。本発明は、本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子又は本明細書に教示されるベクターを含む植物も提供する。植物は、好ましくはナス科に、より好ましくはナス属に、なおより好ましくはトマト種に属する。
植物又は植物細胞は、内在性CENPCタンパク質を発現しないか、又は低減したレベル(例えば、野生型レベルの90、80、70、60、50、40、30、20、10%未満)で発現することが好ましい。例えば、内在性CENPCタンパク質の活性又は発現を低減させるか又は除去する変異を内在性CENPCタンパク質に作り出すことができ、又は内在性CENPCタンパク質のノックアウトを作り出すことができる。この場合、遺伝子のノックアウト又は変異のためのヘテロ接合性植物を作り出すことができ、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質の発現のための発現ベクターを植物に導入することができる。次いで、変異又はノックアウトのためにホモ接合性であるが、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質を含む、ヘテロ接合体由来の後代が選択されうる。
したがって、本明細書に教示される植物又は植物細胞において、上記植物又は植物細胞が顕著に又は本質的に完全に、すなわち、本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質の補完的発現のない胚の致死性を誘導するのに十分に、内在性CENPC活性を欠くように、一方又は両方の内在性CENPCアレルがノックアウトされるか又は変異させられることが好ましい。二倍体を超える染色体の組を有する植物において、すべての内在性CENPCアレルは、不活性化され、変異させられ又はノックアウトされてもよい。代替的には、内在性CENPCタンパク質の発現は、当分野で公知の任意の方法で、例えば、内在性CENPCタンパク質の発現を低減させ又は排除するsiRNA又はマイクロRNAを導入することにより、発現停止されてもよい。理想的には、内在性CENPCタンパク質を発現停止させるが、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質は発現停止させない、発現停止剤が選択される。
植物の生成のための方法
(標的ヌクレオチド交換(TNE)又はオリゴ特異的変異誘発(oligo-directed mutagenesis)(ODM)とも呼ばれる)標的変異誘発法を使用して、内在性CENPC遺伝子を修飾することは、本発明の一実施形態である。標的変異誘発法としては、制限なく、植物プロトプラストへの、ジンクフィンガーヌクレアーゼ、Cas9様、Cas9/crRNA/tracrRNA若しくはCas9/gRNA CRISPRシステムを採用するもの、又はCENPC遺伝子に相補的な配列により変異誘発を促進するための、化学修飾されたヌクレオチドを含有する可能性のある変異誘発性のオリゴヌクレオチドを採用する標的変異誘発(例えば、KeyBase(登録商標)又はTALEN)が挙げられる。
(標的ヌクレオチド交換(TNE)又はオリゴ特異的変異誘発(oligo-directed mutagenesis)(ODM)とも呼ばれる)標的変異誘発法を使用して、内在性CENPC遺伝子を修飾することは、本発明の一実施形態である。標的変異誘発法としては、制限なく、植物プロトプラストへの、ジンクフィンガーヌクレアーゼ、Cas9様、Cas9/crRNA/tracrRNA若しくはCas9/gRNA CRISPRシステムを採用するもの、又はCENPC遺伝子に相補的な配列により変異誘発を促進するための、化学修飾されたヌクレオチドを含有する可能性のある変異誘発性のオリゴヌクレオチドを採用する標的変異誘発(例えば、KeyBase(登録商標)又はTALEN)が挙げられる。
代替的には、アクティブ変異を有するCENPCタンパク質をコードするCENPC遺伝子を含む植物系統を生成するために、TILLING(どちらも参照により本明細書に組み込まれる、Targeting Induced Local Lesions IN Genomics;McCallumら、2000年、Nat Biotech、18巻:455ページ及びMcCallumら、2000年、Plant Physiol.、123巻、439~442ページ)のような変異誘発システムが使用されてもよい。TILLINGは、伝統的な化学的変異誘発(例えば、EMS変異誘発)、その後に続く変異に関するハイスループットスクリーニングを使用する。よって、所望の変異を有するCENPC遺伝子を含む植物、種子及び組織が得られうる。
この方法は、植物種子に変異を起こさせるステップ(例えば、EMS変異誘発)、植物個体又はDNAをプールするステップ、目的の領域のPCR増幅ステップ、ヘテロ二本鎖の形成及びハイスループット検出ステップ、変異体植物の同定ステップ、変異体PCR産物のシーケンシングステップを含みうる。そのような改変植物を生成するために、他の変異誘発及び選択方法が同等に使用されうることは理解される。例えば、種子が照射されるか又は化学処理されてもよく、植物が改変表現型に関してスクリーニングされてもよい。
改変植物は、非改変植物、すなわち、野生型植物から、DNA中に存在する変異(複数可)のような分子的方法により及び改変表現型の特徴により識別することができる。改変植物は、変異に関してホモ接合性又はヘテロ接合性でありうる。
よって、本明細書に教示される植物を作製する方法が提供され、この方法は、i)植物細胞内の内在性植物CENPCをコードするポリヌクレオチドを修飾して、アクティブ変異を有する、植物CENPCをコードするポリヌクレオチドを得るステップと;ii)アクティブ変異を有する、植物CENPCをコードするポリヌクレオチドを含む植物細胞を選択するステップと;iii)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップとを含む。
本発明は、本明細書に教示される植物を作製するための方法であって、i)本明細書に教示されるポリヌクレオチド、本明細書に教示されるキメラ遺伝子、又は本明細書に教示されるベクターを使用して、植物細胞を形質転換するステップと;ii)上記ポリヌクレオチドを含む植物細胞を選択するステップと;iii)任意選択で、上記植物細胞から植物を再生するステップとを含む、方法も提供する。
本明細書に教示される植物を作製するための方法は、内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチド又は上記植物細胞内での上記ポリヌクレオチドの発現に関与する任意の他の内在性植物ポリヌクレオチドを修飾して、内在性CENPCタンパク質の発現を防止するステップをさらに含んでもよい。
本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチド、好ましくはCENPCタンパク質をコードするキメラ遺伝子は、従来の方法で単一の植物細胞の核ゲノム中に安定に挿入されることができ、そのようにして形質転換された植物細胞は、従来の方法において使用されて、ある特定の時点におけるある特定の細胞中の本明細書に教示されるCENPCタンパク質の存在により、変更された表現型を有する形質転換された植物を生成することができる。これに関して、アグロバクテリウム・ツメファシエンス中の本明細書に教示されるCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含むT-DNAベクターは、植物細胞を形質転換するために使用されることができ、その後、例えば、欧州特許第0116718号、同第0270822号、国際公開第84/02913号及び欧州特許出願公開第0242246号に、並びにGouldら、(1991年、Plant Physiol.、95巻、426~434ページ)に記載の手順を使用して、形質転換された植物が再生されうる。アグロバクテリウム媒介性の植物形質転換のためのT-DNAベクターの構築は、当分野で周知である。T-DNAベクターは、欧州特許第0120561号及び同第0120515号に記載のバイナリーベクター又は欧州特許第0116718号に記載の相同組換えによりアグロバクテリウムTiプラスミド中に組み入れることのできる共挿入ベクターのいずれかであってもよい。
同様に、形質転換された植物細胞からの形質転換された植物の選択及び再生は、当分野で周知である。明らかに、異なる種ごとに、さらには単一の種の様々な亜種又は栽培品種ごとにも、高頻度で形質転換体が再生されるように具体的にプロトコールを適合させる。
結果として生じる形質転換された植物は、その後倍加半数体となりうる半数体植物を産生するために、従来の植物育種スキームにおいて使用されうる。
半数体植物及び/又は倍加半数体植物の生成のための方法
本発明は、半数体植物、異常な倍数性を有する植物又は倍加半数体植物を生成する方法であって、内在性CENPCタンパク質を発現する植物を、本明細書に教示される植物に交配するステップと、半数体植物、異常な倍数性を有する植物又は倍加半数体植物を選択するステップとを含む、方法にも関する。
本発明は、半数体植物、異常な倍数性を有する植物又は倍加半数体植物を生成する方法であって、内在性CENPCタンパク質を発現する植物を、本明細書に教示される植物に交配するステップと、半数体植物、異常な倍数性を有する植物又は倍加半数体植物を選択するステップとを含む、方法にも関する。
当業者は、半数体植物を選択することができる。代表的な技術としては、フローサイトメトリー又は特異的なSNPコーリングによるバリデーションが挙げられる。
内在性CENPCタンパク質を発現する上記植物は、F1植物であってもよい。
内在性CENPCタンパク質を発現する植物は、交配の花粉親であってもよく、又は交配の胚珠親であってもよい。
内在性CENPCタンパク質の発現を欠いてキネトコア複合体に加わり、本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質を発現する、本明細書に教示される植物を、野生型植物に交配することは、半数体であって内在性CENPCタンパク質を発現する植物由来の染色体のみを含む、少なくともいくつかの後代をもたらす。よって、本発明は、目的の植物を本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質を発現する植物と交配し、生じた半数体種子を収集することによって、その染色体のすべてが目的の植物に由来する、半数体植物の生成を可能とする。
よって、親の遺伝子型に依存しない正確な分子変化により、ゲノム排除が操作されうる。CENPCタンパク質はいかなる植物種にも見出される。これは、半数体細胞の組織培養及び遠縁交雑のような半数体植物産生のための従来の方法が成功しない種において半数体植物を作製することを可能とする。
本明細書に教示されるアクティブ変異を有するCENPCタンパク質を発現する植物は、雄親又は雌親のいずれかとして交配されてもよい。本明細書に教示される方法は、親染色体の母系細胞質への導入を可能にする。よって、単一のステップにおいて、所望の遺伝子型を有する細胞質雄性不稔系統を生成することができる。
加えて、本開示は、倍加半数体植物を生成する方法であって、内在性CENPCタンパク質を発現する植物を、本明細書に教示される改変植物に交配するステップと;半数体植物を選択するステップと;上記半数体植物を倍加半数体植物に転換するステップとを含む方法を教示する。
よって、半数体植物は、ひとたび生成されると、染色体の正確な二本鎖コピーを含む倍加半数体植物の生成に使用することができる。半数体生物から倍加半数体生物を生成するために多種多様な方法が公知である。半数体植物を倍加半数体植物に転換するために、例えば、コルヒチンのような化学物質が適用されてもよい。代替的には、倍数体は、胚発生の間又は植物の後期発生段階において自発的に倍加しうる。
ある実施形態において、本明細書に教示される半数体植物、異常な倍数性を有する植物及び/又は倍加半数体植物の生成のための方法は、上記植物の全ゲノムを有性交配するステップを含まない。その代わりに、交配の間に一組の染色体が排除される。
F1、F2又は所望の形質を有する次世代の植物を生成するために、倍加半数体植物は他の植物にさらに交配されうる。
トランスジェニック又は変異誘発された遺伝子を保有しない倍加半数体植物が得られうる。加えて、倍加半数体植物は、ハイブリッドF1から速やかにホモ接合性のF2を創出することができる。
配列表
配列番号1:コンセンサスCENPCモチーフ、タンパク質配列
配列番号2:コンセンサスナス科CENPCタンパク質配列
配列番号3:コンセンサスナス属CENPCタンパク質配列
配列番号4:トマトCENPCタンパク質配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号5:コンセンサスナス科CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列
配列番号6:コンセンサスナス属CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列
配列番号7:トマトCENPC-552_553insH-D554K-N555Yコード配列
配列番号8:トマトCENPC-552_553insH-H554K-N555Yタンパク質配列
配列番号9:トマトCENPC-M556Vコード配列
配列番号10:トマトCENPC-M556Vタンパク質配列
配列番号11:トマトCENPCゲノムDNA配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号12:トマトCENPC-552_553insH-D554K-N555YゲノムDNA配列
配列番号13:トマトCENPC-M556VゲノムDNA配列
配列番号14:トマトCENPCコード配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号15:コンセンサスウリ科CENPCタンパク質配列
配列番号16:コンセンサスアブラナ科CENPCタンパク質配列
配列番号17:コンセンサスマメ科CENPCタンパク質配列
配列番号18:コンセンサスイネ科(Poaceae)CENPCタンパク質配列
配列番号19:コンセンサスバラ科CENPCタンパク質配列
配列番号1:コンセンサスCENPCモチーフ、タンパク質配列
配列番号2:コンセンサスナス科CENPCタンパク質配列
配列番号3:コンセンサスナス属CENPCタンパク質配列
配列番号4:トマトCENPCタンパク質配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号5:コンセンサスナス科CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列
配列番号6:コンセンサスナス属CENPC DH-インデューサードメインタンパク質配列
配列番号7:トマトCENPC-552_553insH-D554K-N555Yコード配列
配列番号8:トマトCENPC-552_553insH-H554K-N555Yタンパク質配列
配列番号9:トマトCENPC-M556Vコード配列
配列番号10:トマトCENPC-M556Vタンパク質配列
配列番号11:トマトCENPCゲノムDNA配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号12:トマトCENPC-552_553insH-D554K-N555YゲノムDNA配列
配列番号13:トマトCENPC-M556VゲノムDNA配列
配列番号14:トマトCENPCコード配列(Solyc03g120340.2.1)
配列番号15:コンセンサスウリ科CENPCタンパク質配列
配列番号16:コンセンサスアブラナ科CENPCタンパク質配列
配列番号17:コンセンサスマメ科CENPCタンパク質配列
配列番号18:コンセンサスイネ科(Poaceae)CENPCタンパク質配列
配列番号19:コンセンサスバラ科CENPCタンパク質配列
材料及び方法
植物材料
2つのトマト栽培品種、すなわち、「MoneyBergTMV+」及び「MicroTom」を使用した。国際公開第2007/037678号及び同第2009/041810号に記載の方法に従って、MoneyBergTMV+トマトの変異体集団から、遺伝子CENPCにおける2つの体細胞非同義変異体、すなわちCENPC-552_553insH-D554K-N555Y及びCENPC-M556Vを選択した。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異は、スプライス受容部位の変異によるタンパク質の552~553位の間の追加のアミノ酸残基の挿入とともに、内在性CENPCタンパク質のアミノ酸残基554及び555にある。CENPC-M556Vは、内在性CENPCタンパク質のアミノ酸残基556において変異している。国際公開第2007/037678号及び同第2009/041810号に記載の方法に従って、同じMoneyBergTMV+トマト変異体集団から、遺伝子Msi2における体細胞同義変異体、すなわち、Msi2_D337Dを選択し、これはアミノ酸337位において変異している。選択した変異体植物を自家授粉させ、子孫において、それぞれ、変異した遺伝子座(複数又は単数)についてホモ接合性であった植物を選択した。
植物材料
2つのトマト栽培品種、すなわち、「MoneyBergTMV+」及び「MicroTom」を使用した。国際公開第2007/037678号及び同第2009/041810号に記載の方法に従って、MoneyBergTMV+トマトの変異体集団から、遺伝子CENPCにおける2つの体細胞非同義変異体、すなわちCENPC-552_553insH-D554K-N555Y及びCENPC-M556Vを選択した。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異は、スプライス受容部位の変異によるタンパク質の552~553位の間の追加のアミノ酸残基の挿入とともに、内在性CENPCタンパク質のアミノ酸残基554及び555にある。CENPC-M556Vは、内在性CENPCタンパク質のアミノ酸残基556において変異している。国際公開第2007/037678号及び同第2009/041810号に記載の方法に従って、同じMoneyBergTMV+トマト変異体集団から、遺伝子Msi2における体細胞同義変異体、すなわち、Msi2_D337Dを選択し、これはアミノ酸337位において変異している。選択した変異体植物を自家授粉させ、子孫において、それぞれ、変異した遺伝子座(複数又は単数)についてホモ接合性であった植物を選択した。
方法
片親ゲノムの排除及び結果として生じる半数体植物の産生を、いわゆる半数体インデューサー系統と別の非半数体インデューサー系統、例えば、育種系統又はMicroTomの間の交配を行うことによって誘発した。高い温度が、一部の場合のみではあるが、片親ゲノムの排除を起こすのに好ましい効果を及ぼすことが分かっている(Saneiら、PNAS 108.33(2011年);E498~E505)ため、片親ゲノムの排除のためのトマト系統の交配を、比較的高温(26~28℃)で実施した。
片親ゲノムの排除及び結果として生じる半数体植物の産生を、いわゆる半数体インデューサー系統と別の非半数体インデューサー系統、例えば、育種系統又はMicroTomの間の交配を行うことによって誘発した。高い温度が、一部の場合のみではあるが、片親ゲノムの排除を起こすのに好ましい効果を及ぼすことが分かっている(Saneiら、PNAS 108.33(2011年);E498~E505)ため、片親ゲノムの排除のためのトマト系統の交配を、比較的高温(26~28℃)で実施した。
結果
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体におけるGからT、GからA、CからA及びAからTの非同義変異は、タンパク質レベルで3つの変化をもたらした。(1)野生型配列「tagcag^GTT」(小文字の状態のイントロン6、大文字の状態のエクソン7の最初のコドン、スプライス部位はキャレット記号で示される)を含むエクソン7の直前のスプライス受容部位は、GからTへの変異を有し、これは、新規スプライス受容部位:「tag^CATGTT」の創出をもたらした。これにより、ヒスチジンをコードする「CAT」コドンが、アミノ酸552~553位の間に挿入され、5’末端においてエクソン7を伸長している(配列番号7)。(2)GからA及びCからAの変異は、タンパク質の554位におけるアスパラギン酸からリシンへのアミノ酸修飾をもたらした。(3)AからTへの変異は、タンパク質の555位におけるアスパラギンからチロシンへの修飾をもたらした。CENPC-M556V変異体におけるAからGの非同義変異は、タンパク質の556位におけるメチオニンからバリンへのアミノ酸修飾をもたらした。Msi2_D337D変異体におけるCからTの同義変異は、アミノ酸修飾をもたらさなかった。さらに、この植物は、変異体集団からの選択の間、同様に取り扱われ、CENPC遺伝子におけるいかなる変異もなかった。したがって、Msi2_D337D変異体を、片親ゲノム排除交配(uni-parental genome elimination crosses)のための対照として使用した。
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体におけるGからT、GからA、CからA及びAからTの非同義変異は、タンパク質レベルで3つの変化をもたらした。(1)野生型配列「tagcag^GTT」(小文字の状態のイントロン6、大文字の状態のエクソン7の最初のコドン、スプライス部位はキャレット記号で示される)を含むエクソン7の直前のスプライス受容部位は、GからTへの変異を有し、これは、新規スプライス受容部位:「tag^CATGTT」の創出をもたらした。これにより、ヒスチジンをコードする「CAT」コドンが、アミノ酸552~553位の間に挿入され、5’末端においてエクソン7を伸長している(配列番号7)。(2)GからA及びCからAの変異は、タンパク質の554位におけるアスパラギン酸からリシンへのアミノ酸修飾をもたらした。(3)AからTへの変異は、タンパク質の555位におけるアスパラギンからチロシンへの修飾をもたらした。CENPC-M556V変異体におけるAからGの非同義変異は、タンパク質の556位におけるメチオニンからバリンへのアミノ酸修飾をもたらした。Msi2_D337D変異体におけるCからTの同義変異は、アミノ酸修飾をもたらさなかった。さらに、この植物は、変異体集団からの選択の間、同様に取り扱われ、CENPC遺伝子におけるいかなる変異もなかった。したがって、Msi2_D337D変異体を、片親ゲノム排除交配(uni-parental genome elimination crosses)のための対照として使用した。
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y、CENPC-M556V又はMsi2_D337D変異についてホモ接合性である変異体植物を、非変異野生型MicroTom植物を雌株又は花粉ドナーとして使用する比較的高温(26~28℃)での交配における花粉ドナーとして及び雌株としてそれぞれ使用した。表1は、行ったすべての交配の概要及びMicroTom表現型について評価した子孫植物の数を列挙する。
表1に列挙したCENPC-552_553insH-D554K-N555Y、CENPC-M556V、Msi_D337DとMoneyBergTMV+の交配に由来する種子を蒔き、フローサイトメトリーによってそのDNA含有量に関して植物を評価した。フローサイトメトリー分析は、異数性であることが分かった2015年のCENPC-M556V×MicroTomの交配から生じた1つの植物を除き、試験したすべての植物について、MoneyBergTMV+のような野生型トマト栽培品種と同様の正常な二倍体の倍数性レベルのみの決定をもたらした。栽培品種MicroTomは、劣性であることが公知の矮性表現型を有する(Marliら、J Exp Bot、57巻、9号、2037~2047ページ、2006年)。MicroTomの、例えば、MoneyBergTMV+野生型栽培品種への又はそれとの交配後、MoneyBergTMV+野生型栽培品種の不確定な非矮性表現型を有する子孫のみを認めた。Msi2_D337D同義変異体とMicroTomの交配について同じことが認められ;MicroTomとMsi2_D337D変異体の交配のすべての子孫は、MoneyBergTMV+親の不確定な非矮性表現型を示した。注目すべきことに、雄親又は雌親としてCENPC-552_553insH-D554K-N555Yを使用して、全部で8つの植物が、MicroTom表現型を示したことが分かった。さらに雄親としてCENPC-M556Vを使用して、全部で5つの植物が、MicroTom表現型を示したことが分かった。MicroTom表現型を有する、言及した13個すべての植物に関して、その表現型は、MoneyBergTMV+親の遺伝物質が、生じた子孫の一部ではないことを示しており、これは、これら13個の子孫が、半数体MicroTom起源であることを示している。MicroTom表現型を有する13個すべての子孫植物の倍数性は、二倍体であることが分かり、これは、トマトにとっては例外的に高い出現頻度を有すると記載されている現象である、自発的な倍加が起こったことを示している(Report of the Tomato Genetics、62号-2012年12月)。
MicroTom表現型を有するCENPC-552_553insH-D554K-N555Y子孫に関して、片親ゲノムの排除が起こったか否か、及びどの程度であったかを決定するために、2014年の子孫について、12個のトマト染色体のそれぞれにわたって広がる、全44の位置について一塩基多型(SNP)アッセイを行った(1、2、3、4、5、6、10及び12番染色体上の4つのSNP;8及び11番染色体上の3つのSNP;9番染色体上の2つのSNP)。2015年の子孫について同じ分析を、ここでは、22の位置(1、2、3、4、5、6、7、8、10及び12番染色体上の2つのSNP;9及び11番染色体上の1つのSNP)について実施した。選択した一塩基多型は、MicroTom親に関して一塩基対についてホモ接合性であり、MoneyBergTMV+親におけるMicroTom塩基対以外はすべてについてホモ接合性であった。野生型MicroTom栽培品種とMoneyBergTMV+栽培品種の間の通常の交配は、ヘテロ接合性の一塩基多型スコアをもたらした。しかしながら、片親ゲノム排除のプロセスが起こった場合、半数体インデューサー系統ゲノムの損失が予想される。
一塩基多型試験は、MicroTom表現型も示す8個の子孫植物のそれぞれについてMicroTom親由来のホモ接合性塩基対スコアのみのコールをもたらし、MoneyBergTMV+親のいずれもコールしなかった。一塩基多型スコアに基づいて、CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体の完全なゲノムはもはや子孫に存在しないと結論付けた。したがって、CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体は、高効率の半数体インデューサー系統として機能すると結論付けられる。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体が雌親として使用される交配においては、MicroTomの自殖は無視できる。MicroTomを雌親として使用する実験においては、MicroTom表現型を示す子孫の数が非常に少なく(65のうちわずか1つの種子、306のうち2つの種子)、ホモ接合性の塩基対のみが得点したことを考えると、自殖が起こった可能性は極めて低い。
MicroTom表現型を有するCENPC-M556V子孫に関して、片親ゲノムの排除が起こったか否か、及びどの程度であったかを決定するために、2014年における染色体あたり2つのSNP及び2015年における22個の位置(1、2、3、4、5、6、7、8、10及び12番染色体上の2つのSNP;9及び11番染色体上の1つのSNP)について、12個のトマト染色体のそれぞれにわたって広がる、全部で24の位置において一塩基多型(SNP)アッセイを行った。選択した一塩基多型は、MicroTom親に関して一塩基対についてホモ接合性であり、MoneyBergTMV+親におけるMicroTom塩基対以外はすべてについてホモ接合性であった。野生型MicroTom栽培品種とMoneyBergTMV+栽培品種の間の通常の交配は、ヘテロ接合性の一塩基多型スコアをもたらした。しかしながら、片親ゲノムの排除のプロセスが起こった場合、半数体インデューサー系統ゲノムの損失が予想される。
一塩基多型試験は、MicroTom表現型も示す5個の子孫植物のそれぞれについてMicroTom親由来のホモ接合性塩基対スコアのみのコールをもたらし、MoneyBergTMV+親のいずれもコールしなかった。一塩基多型スコアに基づいて、CENPC-M556V変異体の完全なゲノムはもはや子孫に存在しないと結論付けた。したがって、CENPC-M556V変異体は、高効率の半数体インデューサー系統として機能すると結論付けられる。CENPC-M556V変異体が雌親として使用される交配においては、MicroTomの自殖は無視できる。MicroTomを雌親として使用する実験においては、MicroTom表現型を示す子孫の数が非常に少なく(188のうちわずか4つの種子、317のうち1つの種子)、ホモ接合性の塩基対のみが得点したことを考えると、自殖が起こった可能性は極めて低い。
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体の表現型
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体及び変異していないRZ52201対照植物の花粉四分染色体を異常の発生についてチェックした。4つの異なる花房から少なくとも1つの花を採取し、その葯をDAPI(4’,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール)で染色し、花粉四分染色体を検査するために、染色した葯を押しつぶした。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体については、2.34±0.90%の平均頻度で微小核を観察した(図1)。対照植物の花については、0.58±0.36%の平均頻度で微小核を観察した。対照と変異体の頻度の相違を、Mann-Whitney順位和検定により評価し、2つの群の間のメジアン値の相違は、偶然から予測されるよりも大きいことが分かり、したがって、統計学的に有意な相違(P=0.016)があったと結論付けられる。
CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体及び変異していないRZ52201対照植物の花粉四分染色体を異常の発生についてチェックした。4つの異なる花房から少なくとも1つの花を採取し、その葯をDAPI(4’,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール)で染色し、花粉四分染色体を検査するために、染色した葯を押しつぶした。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体については、2.34±0.90%の平均頻度で微小核を観察した(図1)。対照植物の花については、0.58±0.36%の平均頻度で微小核を観察した。対照と変異体の頻度の相違を、Mann-Whitney順位和検定により評価し、2つの群の間のメジアン値の相違は、偶然から予測されるよりも大きいことが分かり、したがって、統計学的に有意な相違(P=0.016)があったと結論付けられる。
したがって、CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異の結果として、減数分裂の間の染色体の分離は、対照と比較してずっと高頻度で妨害されると結論付けられる。異常な有糸分裂、例えば、微小核の所見は、作物における種間交配、種内交配における染色体排除及び半数体産生の直接証拠として使用されることが多い。例えば、異常な有糸分裂並びに異常な減数分裂、例えば、微小核を、トウモロコシDH-インデューサー系統の研究において発見した(Qiu、Fazhanら、Current Plant Biology、1巻(2014年):83~90ページ)。CENPC-552_553insH-D554K-N555Y変異体における減数分裂時の微小核の所見は、有糸分裂の間に同様のプロセスが起こることを示唆している。野生型とCENPC-552_553insH-D554K-N555Y接合体の融合後、最初の有糸分裂の間に片親ゲノムの排除のプロセスが起こり、これが観察した半数体の誘導をもたらした可能性がある。
Claims (51)
- 1つ又は複数のアクティブ変異を含む、植物起源のCENPCタンパク質。
- 前記1つ又は複数のアクティブ変異が、配列番号2、3、4又は15~19のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質中に存在する、請求項1に記載のCENPCタンパク質。
- 前記1つ又は複数のアクティブ変異が、配列番号2、3、4若しくは15~19のいずれかのアミノ酸配列、又は配列番号2、3、4若しくは15~19のいずれかのアミノ酸配列に対して少なくとも70%、より好ましくは少なくとも80%、さらにより好ましくは少なくとも90%、なおさらにより好ましくは少なくとも95%、最も好ましくは少なくとも98%又は99%の配列同一性を有するその変異体を含むタンパク質において引き起こされている、請求項2に記載のCENPCタンパク質。
- 前記1つ又は複数のアクティブ変異が、配列番号5又は6のいずれかに示されるアミノ酸配列により表される倍加半数体インデューサードメイン中に存在する、請求項1~3のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質。
- 前記1つ又は複数のアクティブ変異が、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列における、552~553位の間のアミノ酸残基の変異、554位のアミノ酸残基の変異、555位のアミノ酸残基の変異及び556位のアミノ酸残基の変異若しくはその任意の組合せからなる群から選択されるか;又は配列番号2のアミノ酸配列における、555~556位の間のアミノ酸残基の変異、557位のアミノ酸残基の変異、558位のアミノ酸残基の変異及び559位のアミノ酸残基の変異若しくはその任意の組合せからなる群から選択される、請求項1~4のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位において、又は配列番号2のアミノ酸配列の557位において変異したアミノ酸が、アスパラギン酸であり、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の555位において、又は配列番号2のアミノ酸配列の558位において変化したアミノ酸が、アスパラギンであり、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の556位において又は配列番号2のアミノ酸配列の559位において変化したアミノ酸が、メチオニンである、請求項5に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアミノ酸が、正電荷を有するアミノ酸残基、好ましくはリシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の555位又は配列番号2のアミノ酸配列の558位のアミノ酸が、チロシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の556位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアミノ酸が、バリンに変化しており、並びに/或いは正電荷を有する残基、好ましくはヒスチジンが、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間に又は配列番号2のアミノ酸配列のアミノ酸残基555~556の間に挿入されている、請求項5又は6に記載のCENPCタンパク質。
- ヒスチジンが、配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間に又は配列番号2のアミノ酸配列のアミノ酸残基555~556の間に挿入されており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の554位又は配列番号2のアミノ酸配列の557位のアスパラギン酸が、リシンに変化しており、並びに/或いは配列番号3若しくは4のいずれかのアミノ酸配列の555位又は配列番号2のアミノ酸配列の558位のアスパラギンが、チロシンに変化している、請求項5~7のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号8のアミノ酸配列を含む、請求項8に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号7又は12のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドによりコードされている、請求項9に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号10のアミノ酸配列を含む、請求項7に記載のCENPCタンパク質。
- 配列番号9又は13のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドによりコードされている、請求項11に記載のCENPCタンパク質。
- アクティブ変異を有する、CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドによりコードされており、植物の内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチド及び/又は内在性CENPCタンパク質の非存在下で前記植物中に存在する場合、前記植物が生存することを可能とし、前記植物が野生型植物と交配される場合、いくつかの半数体後代又は異常な倍数性を有する後代の生成を可能とする、請求項1~12のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質。
- 生成された後代の少なくとも0.1、0.5、1又は5%が、半数体であるか、又は異常な倍数性を有する、請求項13に記載のCENPCタンパク質。
- 標的ヌクレオチド交換を使用して又はエンドヌクレアーゼを適用することにより、内在性CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドに変異を導入することによって、前記内在性CENPCタンパク質から誘導される、請求項1~14のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質。
- 前記1つ又は複数のアクティブ変異が、配列番号1に示されるアミノ酸配列を含むタンパク質ドメイン中に存在しない、請求項1に記載のCENPCタンパク質。
- 請求項1~16のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質をコードする、ポリヌクレオチド。
- 配列番号11若しくは14のいずれかの核酸配列、又は、配列番号11若しくは14のいずれかのアミノ酸配列に対して少なくとも70%、より好ましくは少なくとも80%、さらにより好ましくは少なくとも90%、なおさらにより好ましくは少なくとも95%、最も好ましくは少なくとも98%若しくは99%の配列同一性を有するその変異体を含むポリヌクレオチドであって、その中で、配列番号11の核酸配列の2449~2450位及び/又は2454~2462位或いは配列番号14の1660~1668位の1つ又は複数のヌクレオチドが、配列番号3のアミノ酸配列が554位及び/又は555位及び/又は556位に変更された残基を有し、並びに/或いは配列番号3のアミノ酸配列のアミノ酸残基552~553の間にヒスチジンのようなアミノ酸残基の挿入をその中に有するCENPCタンパク質を、前記核酸がコードするように修飾されている、ポリヌクレオチド。
- 配列番号7又は12のいずれかの核酸配列を含む、ポリヌクレオチド。
- 配列番号9又は13のいずれかの核酸配列を含む、ポリヌクレオチド。
- 単離された、請求項17~20のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド。
- 請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチドを含む、キメラ遺伝子。
- 請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド又は請求項22に記載のキメラ遺伝子を含む、ベクター。
- 請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド、請求項22に記載のキメラ遺伝子、又は請求項23に記載のベクターを含む、宿主細胞。
- 植物細胞、好ましくはトマト植物細胞である、請求項24に記載の宿主細胞。
- 請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド、請求項22に記載のキメラ遺伝子、又は請求項23に記載のベクターを含む、植物。
- 前記内在性CENPCタンパク質が発現されていない、請求項26に記載の植物。
- ナス属植物、好ましくはトマト植物である、請求項26又は27に記載の植物。
- 請求項26~28のいずれか一項に記載の植物を作製するための方法であって、
d)植物細胞内の内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを修飾して、アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを得るステップと;
e)前記アクティブ変異を有する植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む植物細胞を選択するステップと;
f)任意選択で、前記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法。 - 請求項26~28のいずれか一項に記載の植物を作製するための方法であって:
d)請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド、請求項22に記載のキメラ遺伝子、又は請求項23に記載のベクターを使用して植物細胞を形質転換するステップと;
e)前記ポリヌクレオチド、キメラ遺伝子又はベクターを含む植物細胞を選択するステップと;
f)任意選択で、前記植物細胞から植物を再生するステップと
を含む、方法。 - 前記植物細胞を改変して、内在性CENPCタンパク質の発現を防止するステップをさらに含む、請求項29又は30に記載の方法。
- 前記植物細胞内の内在性植物CENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドが修飾されて、内在性CENPCタンパク質の発現を防止する、請求項31に記載の方法。
- 半数体植物、又は異常な倍数性を有する植物を生成する方法であって:
e)内在性植物CENPCタンパク質を発現する植物を、請求項26~28のいずれか一項に記載の植物に交配するステップであって、請求項26~28のいずれか一項に記載の植物は、少なくともその生殖部分において及び/又は胚発生の間は内在性CENPCタンパク質を発現しない、ステップと;
f)種子を採取するステップと;
g)前記種子から、少なくとも1つの実生、小植物又は植物を生育させるステップと;
h)半数体実生、小植物若しくは植物;異常な倍数性を有する実生、小植物若しくは植物;又は倍加半数体実生、小植物若しくは植物を選択するステップと
を含む、方法。 - 倍加半数体植物を生成する方法であって、請求項33のステップd)において得られた半数体植物を倍加半数体植物に転換するステップを含む、方法。
- 前記転換が、コルヒチンによる処理により実施される、請求項34に記載の方法。
- 内在性植物CENPCタンパク質を発現する前記植物が、F1植物である、請求項33~35のいずれか一項に記載の方法。
- 内在性植物CENPCタンパク質を発現する前記植物が、交配の花粉親である、請求項33~36のいずれか一項に記載の方法。
- 内在性植物CENPCタンパク質を発現する前記植物が、交配の胚珠親である、請求項33~36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記交配が、約24~約30℃の範囲の温度で実施される、請求項33~38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記植物の全ゲノムを有性交配するステップを含まない、請求項33~39のいずれか一項に記載の方法。
- 半数体インデューサー系統を産生するための、請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチドの使用。
- 請求項17~21のいずれか一項に記載のポリヌクレオチド、請求項22に記載のキメラ遺伝子、又は請求項23に記載のベクターを含む、トマト植物。
- 配列番号8又は10のいずれかのアミノ酸配列を含むタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む、トマト植物。
- 配列番号7、12、9又は13のいずれかの核酸配列を含むポリヌクレオチドを含む、トマト植物。
- 請求項1~16のいずれか一項に記載のCENPCタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む、トマト植物。
- 配列番号4のアミノ酸配列を含むポリペプチド中に1つ又は複数のアクティブ変異を含む、トマト植物。
- 半数体トマト植物を産生するための、請求項42~46のいずれか一項に記載のトマト植物の使用。
- 倍加半数体トマト植物を産生するための、請求項42~46のいずれか一項に記載のトマト植物の使用。
- 請求項42~46のいずれか一項に記載のトマト植物が、少なくともその生殖部分において及び/又は胚発生の間は内在性CENPCタンパク質を発現しない、請求項47又は48に記載の使用。
- 半数体又は倍加半数体植物を生成する方法であって、内在性CENPCタンパク質を発現する植物及び請求項26~28のいずれか一項に記載の植物を同定するステップを含み、請求項26~28のいずれか一項に記載の植物が内在性CENPCタンパク質を発現しない、方法。
- 前記植物の全ゲノムを有性交配するステップを含まない、請求項50に記載の方法。
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