JP2024501036A - ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少したatp-prt変異体およびこれを発現するヒスチジン生産菌株 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少した大腸菌hisG由来ATP-ホスホリボシル転移酵素の変異体およびこれを発現する菌株に関し、高いヒスチジン濃度でも活性を維持するので、ヒスチジンの生産を増加させることができる。
Description
本発明は、ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少したATP-PRT変異体およびこれを発現するヒスチジン生産菌株に関する。
ATP-ホスホリボシル転移酵素(ATP-phosphoribsyltransferase、以下、ATP-PRTと称することがある)は、バクテリア、真菌、または植物においてヒスチジンの生合成の第一のステップを触媒する。
L-ヒスチジンの濃度が一定以上存在する環境において、ATP-ホスホリボシル転移酵素(ATP-phosphoribsyltransferase)の活性はヒスチジンによってフィードバック抑制されるので、ヒスチジン生産量を一定水準以上に増加させることが困難である。
したがって、微生物のヒスチジン生産量増加のためにヒスチジン抵抗性が増加したATP-PRT変異体が必要である。しかし、大腸菌のhisG遺伝子で発現するATP-PRTのヒスチジンフィードバック抑制を減少させることができる変異体は知られていない。
一具体例によれば、ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少したATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を提供する。
一態様は、配列番号1のアミノ酸配列からなるATP-ホスホリボシル転移酵素において、232番目に位置したヒスチジン(histidine、H)がリシン(lysine、K)またはトレオニン(threonine、T)に置換されたATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を提供する。
前記配列番号1のアミノ酸配列は、大腸菌の野生型hisGから発現したATP-ホスホリボシル転移酵素の配列である。ATP-ホスホリボシル転移酵素は、ATP-PRTと称することがある。ATP-PRTは、ヒスチジン生合成の第一のステップである1-(5-phospho-D-ribosyl)-ATP+diphosphate⇔ATP+5-phospho-alpha-D-ribose1-diphosphate反応を触媒する。本願において、前記ATP-ホスホリボシル転移酵素は、「hisG」と混用される。
前記配列番号1のアミノ酸配列は、大腸菌の野生型hisGから発現したATP-ホスホリボシル転移酵素の配列である。ATP-ホスホリボシル転移酵素は、ATP-PRTと称することがある。ATP-PRTは、ヒスチジン生合成の第一のステップである1-(5-phospho-D-ribosyl)-ATP+diphosphate⇔ATP+5-phospho-alpha-D-ribose1-diphosphate反応を触媒する。本願において、前記ATP-ホスホリボシル転移酵素は、「hisG」と混用される。
一具体例によれば、前記ATP-ホスホリボシル転移酵素は、大腸菌(E.coli)のhisG遺伝子から発現したものであってもよい。
一具体例によれば、前記変異体は、ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少することができる。一実施例によれば、H232KまたはH232T変異を含むATP-PRTの導入された菌株は、野生型よりヒスチジン生産量が増加した。
一具体例によれば、前記変異体は、(a)250番目に位置したアルギニンがヒスチジンに置換;(b)252番目に位置したトレオニンがアラニン、ロイシン、グリシン、バリン、またはイソロイシンに置換;(c)271番目に位置したグルタミン酸がリシンに置換;(d)288番目に位置したセリンがプロリンに置換、のうちの1つ以上をさらに含むことができる。一実施例によれば、232番目のヒスチジン変異以外に、前記(a)~(d)の変異をさらに含むと、ヒスチジン生産量が増加することを確認した。
前記変異体は、ヒスチジン濃度5mM~25mMでも活性を有することができる。
他の態様は、前記ATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を暗号化するポリヌクレオチド、またはこれを含むベクターを提供する。前記ベクターは、プラスミドまたはファージ(phage)であってもよい。
他の態様は、前記ATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を発現する形質転換菌株を提供する。前記形質転換菌株は、ATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を暗号化するポリヌクレオチド、またはこれを含むベクターを導入した菌株であってもよい。前記菌株は、ヒスチジンの濃度が増加してもATP-ホスホリボシル転移酵素の活性を維持するので、ヒスチジン生産量が増加することができる。
前記ATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を発現する菌株は、ヒスチジンの生産が約22~92%増加することができる。
前記形質転換は、公知の方法で実施することができ、例えば、電気穿孔方法(van der Rest et al.,Appl.Microbiol.Biotechnol.,52,541-545,1999)などによって実施可能である。
一具体例によれば、前記菌株は、エシェリヒア(Escherichia)属菌株であってもよく、具体的には、エシェリヒアコリ(Escherichia coli)、エシェリヒアアルベルティ(Escherichia albertii)、エシェリヒアブラッタエ(Escherichia blattae)、エシェリヒアフェルグソニー(Escherichia fergusonii)(Escherichia hermannii)またはエシェリヒアブルネリス(Escherichia vulneris)菌株であってもよい。
さらに他の態様は、前記形質転換菌株を培養するステップを含むヒスチジン生産方法を提供する。前記ヒスチジン生産方法は、前記形質転換菌株を培地で培養するステップと、前記菌株または培地からヒスチジンを回収するステップとを含むことができる。
前記培地は、炭素源、窒素源および無機塩類を含むことができる。前記炭素源は、例えば、ブドウ糖、砂糖、クエン酸塩、果糖、乳糖、麦芽糖または糖蜜のような糖および炭水化物;大豆油、ヒマワリ油、ヒマシ油、ココナッツ油などのようなオイルおよび脂肪;パルミチン酸、ステアリン酸、リノール酸のような脂肪酸;グリセロール;エタノールのようなアルコール;酢酸のような有機酸が含まれるが、特に限定されるものではなく、個別的にまたは混合物として使用可能である。好ましくは、前記大腸菌変異株の培地は、ブドウ糖を含むものであってもよい。前記窒素源は、例えば、ペプトン、肉類抽出物、酵母抽出物、乾燥した酵母、トウモロコシ浸漬液、大豆ケーキ、ウレア、チオウレア、アンモニウム塩、硝酸塩およびその他の有機または無機窒素を含む化合物が使用できるが、特に限定されるものではない。また、前記無機塩類は、マグネシウム、マンガン、カリウム、カルシウム、鉄、亜鉛、コバルトなどを使用することができ、これに限定されるものではない。
また、培地のpHを調節するために、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニアのような基礎化合物またはリン酸または硫酸のような酸化合物を適切な方式で使用可能である。また、脂肪酸ポリグリコールエステルのような消泡剤を用いて気泡生成を抑制することができ、好気状態を維持するために培地内に酸素または酸素-含有気体(例、空気)を注入することができる。
前記培養は、微生物を人工的に調節した環境で生育させることを意味し、当業界にて広く知られた培養方法で行うことができる。培養時の温度は、20~45℃であってもよいし、10~200時間培養することができるが、これに限定されるものではない。
前記ヒスチジンを回収するステップは、当業界にてよく知られた多様な方法を用いることができる。例えば、遠心分離、濾過、陰イオン交換クロマトグラフィー、結晶化、またはHPLCを用いることができるが、これに限定されるものではない。
一具体例によるATP-ホスホリボシル転移酵素変異体は、高い濃度のヒスチジン環境でも活性を維持することができる。
一具体例によるATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を発現する菌株は、ヒスチジン生産量を増加させることができる。
以下、一つ以上の具体例を実施例を通じてより詳細に説明する。しかし、これらの実施例は一つ以上の具体例を例として説明するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1:TRA(1,2,4-triazole-3-alanine)抵抗性を有する突然変異株の選別
L-ヒスチジンによる負のフィードバックが鈍い変異株を作製するために、化学的突然変異誘導剤であるN-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine(NTG)を用いて、L-ヒスチジンの誘導体である1,2,4-トリアゾール-3-アラニン(TRA)に対する耐性変異株を作製した。
L-ヒスチジンによる負のフィードバックが鈍い変異株を作製するために、化学的突然変異誘導剤であるN-methyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidine(NTG)を用いて、L-ヒスチジンの誘導体である1,2,4-トリアゾール-3-アラニン(TRA)に対する耐性変異株を作製した。
E.coli MG1655(KCTC14419BP)をLB培地で16時間培養(37℃、200rpm)した。培養後、4500rpmで10分間遠心分離し、saline/TM bufferに懸濁した。細胞にbufferを入れて再懸濁した後、NTG100μg/mlを添加して、37℃、200rpmで30分間変異を誘導した。
前記変異誘導過程を繰り返した後、細胞を3mlのD.Wに懸濁し、これを平板培地(plate medium)(組成:ブドウ糖8%、リン酸一水素ナトリウム0.6%、硫酸アンモニウム0.2%、硫酸マグネシウム0.02%、硝酸カルシウム0.001%、硫酸鉄10ppm、TRA1%)に塗抹して、37℃、2日間1次培養した。単一の群落を形成した菌株を分離し、これをTRA1%が添加された平板培地で1次培養と同一に2次培養して変異株を選別した。
選別した変異株を0%、0.5%、1.0%、または2.0%TRAが添加された平板培地での生育度(細胞数の増加)を測定して、TRAに対する耐性度を比較した。(下記表1参照)
実施例2:TRA抵抗性突然変異株のATP-PRT酵素のアミノ酸配列分析
TRAに対する耐性が増加した突然変異株H-1およびH-2のATP-PRT(ATP-phosphoribosyltransferase、hisG)酵素のアミノ酸配列を比較分析した。配列分析はマクロジェン(macrogen)社に依頼して進行させ、下記表2のプライマーを用いて配列を確認した。
TRAに対する耐性が増加した突然変異株H-1およびH-2のATP-PRT(ATP-phosphoribosyltransferase、hisG)酵素のアミノ酸配列を比較分析した。配列分析はマクロジェン(macrogen)社に依頼して進行させ、下記表2のプライマーを用いて配列を確認した。
確認の結果、ATP-PRT酵素のC-末端部分に位置したアミノ酸の一部が置換されたことを確認した。
また、分子間結合方式(mode)予測プログラムを用いて、E.coli由来hisG六量体(hexamer)のヒスチジン分子とドッキング(docking)時の3次元構造を分析し、ドッキング分析の結果に基づいて、E.coli hisGから発現したATP-PRTのヒスチジン進入および結合部位に位置するアミノ酸を分析した。シミュレーションの結果、hisGのH232、S288、T252、R250、A248、E271、E240がヒスチジンと相互作用する可能性が高いことが明らかになった。(図2参照)
前記TRA耐性増加突然変異株のATP-PRT(hisG)アミノ酸変異およびドッキング分析の結果に基づいて、ヒスチジンによる負のフィードバックが減少してヒスチジンの生産が増加する可能性が高いアミノ酸の変異体14種(H232T、H232E、H232K、E240K、A248F、R250H、R250E、T252A、T252L、T252P、T252Q、E271K、S288K、およびS288P)を候補として選定した。
実施例3:1つの変異を有するATP-PRT変異体発現菌株の作製およびそのヒスチジン生産性評価
点突然変異が導入されたhisG_H232KをE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_H232Kを得るために、E.coli DS9H genomic DNAからhisG+FR-F/232K-R、232K-F/hisG+HR-Rプライマー対をそれぞれ用いて2つの断片を得た。得られた2つの断片を再びhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いて1つの断片に連結させてhisG_H232K断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_H232Kが導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_H232Kの導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。前記方法と同様の方法により、hisG_H232T、hisG_R250H、hisG_T252A、hisG_T252L、hisG_E271K、hisG_S288P、hisG_H232E、hisG_240K、hisG_A248F、hisG_R250E、hisG_T252P、hisG_T252Q、およびhisG_S288KをE.coli DS9H菌株にそれぞれ導入した。
点突然変異が導入されたhisG_H232KをE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_H232Kを得るために、E.coli DS9H genomic DNAからhisG+FR-F/232K-R、232K-F/hisG+HR-Rプライマー対をそれぞれ用いて2つの断片を得た。得られた2つの断片を再びhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いて1つの断片に連結させてhisG_H232K断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_H232Kが導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_H232Kの導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。前記方法と同様の方法により、hisG_H232T、hisG_R250H、hisG_T252A、hisG_T252L、hisG_E271K、hisG_S288P、hisG_H232E、hisG_240K、hisG_A248F、hisG_R250E、hisG_T252P、hisG_T252Q、およびhisG_S288KをE.coli DS9H菌株にそれぞれ導入した。
前記実験に使用したプライマーは、下記表3の通りである。
下記表4によれば、hisG_H232KまたはhisG_H232Tを導入した菌株は、対照群よりヒスチジンの生産が約22%~26%程度増加した。hisG_T252AまたはT252Lを導入した菌株は、対照群よりヒスチジンの生産が約35%~39%程度増加した。hisG_E271K導入菌株は、対照群よりヒスチジンの生産が約34%増加した。特に、hisG_S288P導入菌株は、対照群よりヒスチジンの生産が約46%増加し、hisG_R250H導入菌株は、対照群よりヒスチジンの生産が約67%増加して最も増加幅が高かった。
しかし、H232E、E240K、およびA248F変異体は、ヒスチジンの生産量がむしろ減少し、R250E、T252P、T252Q、およびS288K変異体は、ヒスチジンの生産量が有意に増加しなかった。
前記結果によれば、前記7種(H232T、H232K、R250H、T252A、T252L、E271K、およびS288P)の変異体は、ヒスチジンの生産が増加し、これはヒスチジンによるフィードバック抑制(feedback inhibition)が減少するためと考えられる。以下、これらの変異を組み合わせてヒスチジンの生産をさらに向上させることができるかを確認した。
実施例4:hisG_SDM4(H232K、T252A、E271K、およびS288P)が導入されたプラスミドの作製
overlapping PCRを実施して、大腸菌hisG由来ATP-PRT酵素においてH232K、T252A、E271K、およびS288Pのアミノ酸が置換された変異体を発現できるプラスミドを作製した。まず、プライマーhisG-F/232K-R、232K-F/252A-R、252A-F/hisG-Rの3対のプライマーを用いてpfu premix(bioneer)で遺伝子をそれぞれ増幅した。そして、増幅した3つのfragmentをそれぞれtemplateとして用いてhisG-F/hisG-Rプライマー対でもう一度PCRを進行させて、3つのfragmentを1つの断片に連結した(以下、SDM3 fragmentと称することがある)。そして、SDM3 fragmentおよびpTRC99A plasmidをそれぞれEcoRIおよびHindIII(NEB)で制限酵素処理し、T4 ligaseを用いてpTRC99AプラスミドにSDM3 fragmentを導入した。(pTRC99A-hisG_SDM3)pTRC99A-hisG_SDM3 templateおよびhisG-F/271K-R2プライマー対でPCRを進行させて、H232K、T252A、E271K、およびS288Pの4つの変異が導入されたSDM4 fragmentを取得した。
overlapping PCRを実施して、大腸菌hisG由来ATP-PRT酵素においてH232K、T252A、E271K、およびS288Pのアミノ酸が置換された変異体を発現できるプラスミドを作製した。まず、プライマーhisG-F/232K-R、232K-F/252A-R、252A-F/hisG-Rの3対のプライマーを用いてpfu premix(bioneer)で遺伝子をそれぞれ増幅した。そして、増幅した3つのfragmentをそれぞれtemplateとして用いてhisG-F/hisG-Rプライマー対でもう一度PCRを進行させて、3つのfragmentを1つの断片に連結した(以下、SDM3 fragmentと称することがある)。そして、SDM3 fragmentおよびpTRC99A plasmidをそれぞれEcoRIおよびHindIII(NEB)で制限酵素処理し、T4 ligaseを用いてpTRC99AプラスミドにSDM3 fragmentを導入した。(pTRC99A-hisG_SDM3)pTRC99A-hisG_SDM3 templateおよびhisG-F/271K-R2プライマー対でPCRを進行させて、H232K、T252A、E271K、およびS288Pの4つの変異が導入されたSDM4 fragmentを取得した。
そして、SDM4 fragmentおよびpTRC99A-hisG_SDM3プラスミドをそれぞれEcoRIとAfeI(NEB)で制限酵素処理し、T4 ligase(Takara)を用いてpTRC99A-hisG_SDM4を構築した。最終的に、hisG-CF/hisG-CRプライマー対を用いて配列を確認した。(下記表5参照)H232K、T252A、E271K、およびS288P変異を含むATP-PRT変異体を、hisG_SDM4と名付けた。
実施例5:hisG_SDM7(H232T、R250H、T252L、E271K、およびS288P)が導入されたプラスミドの作製
hisG_SDM4酵素のアミノ酸配列の一部を他のアミノ酸に置換したhisG_SDM7を作製し、これをplasmidに導入した。pTRC99A-hisG_SDM4をtemplateとして用い、232番目のアミノ酸をT、250番目のアミノ酸をH、252番目のアミノ酸をLに置換し、2つの変異(E271KおよびS288P)はそのまま維持した。(hisG_WTと比較すれば、hisG_SDM7の変異の位置はH232T、R250H、T252L、E271K、およびS288Pである)
hisG_SDM4酵素のアミノ酸配列の一部を他のアミノ酸に置換したhisG_SDM7を作製し、これをplasmidに導入した。pTRC99A-hisG_SDM4をtemplateとして用い、232番目のアミノ酸をT、250番目のアミノ酸をH、252番目のアミノ酸をLに置換し、2つの変異(E271KおよびS288P)はそのまま維持した。(hisG_WTと比較すれば、hisG_SDM7の変異の位置はH232T、R250H、T252L、E271K、およびS288Pである)
まず、プライマーhisG-F/232T-R、232T-F/250H+252L-R、250H+252L-F/hisG-Rの3対のプライマーを用いてpfu premix(bioneer)で遺伝子をそれぞれ増幅した。そして、増幅した3つのfragmentをそれぞれtemplateとして用いてhisG-F/hisG-Rプライマー対でもう一度PCRを進行させて、3つのfragmentを1つの断片に連結させた。そして、PCR fragmentとpTRC99A plasmidをそれぞれEcoRIとHindIII(NEB)で切断し、T4 ligase(Takara)で連結してpTRC99A-hisG_SDM7を作製した。最終的に、hisG-CF/hisG-CRプライマーを用いて配列を確認した。(下記表6参照)H232T、R250H、T252L、E271K、およびS288P変異を含むATP-PRT変異体は、hisG_SDM7と名付けた。
実施例6:hisG_SDM4またはhisG_SDM7遺伝子が導入された変異株の作製
6-1.hisG_SDM4遺伝子が導入された変異株の作製
hisG_SDM4をE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_SDM4を得るために、pTRC99A-hisG_SDM4プラスミドからhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いてhisG_SDM4断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_SDM4が導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_SDM4の導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。実験に使用されたプライマーは、下記表7に記載されている。
6-1.hisG_SDM4遺伝子が導入された変異株の作製
hisG_SDM4をE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_SDM4を得るために、pTRC99A-hisG_SDM4プラスミドからhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いてhisG_SDM4断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_SDM4が導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_SDM4の導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。実験に使用されたプライマーは、下記表7に記載されている。
6-2.hisG_SDM7遺伝子が導入された変異株の作製
hisG_SDM7をE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_SDM7を得るために、pTRC99A-hisG_SDM7プラスミドからhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いてhisG_SDM7断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_SDM7が導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_SDM7の導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。hisG_SDM7遺伝子が導入された変異株の作製に使用されたプライマー配列は、前記表6と同一である。
hisG_SDM7をE.coli DS9H菌株のクロモソームに導入するために、ワンステップ不活性化方法を用いた(Warner et al.,PNAS,6:6640-6645(2000))。まず、homologous recombinationのためのhisG遺伝子の前方および後方断片を得るために、E.coli DS9H genomic DNAを鋳型として、プライマー対hisG_HF-F/hisG_HF-R、hisG_HR-F/hisG_HR-Rを用いてhisG_HFとhisG_HR断片をそれぞれ増幅した。そして、カナマイシン抗生剤マーカーとFRTが含まれたカセットを得るために、pKD13プラスミドからFR(hisG)-F/FR(hisG)-Rを用いて増幅してカセット断片を得た。最後に、hisG_SDM7を得るために、pTRC99A-hisG_SDM7プラスミドからhisG+FR-F/hisG+HR-Rプライマーを用いてhisG_SDM7断片を得た。最終的に、増幅したこれら4つのPCR断片を鋳型として用いてhisG_HF-F/hisG_HR-Rプライマー対でoverlapping PCRを用いて1つの断片に連結させた。1つに連結されたDNA断片をpKD46プラスミドを有しているE.coli DS9H菌株に電気穿孔法で導入した。以後、カナマイシン耐性を示す細胞株を対象にhisGW-CF/hisGW-CRプライマーを用いてPCRを行って、hisG_SDM7が導入された菌株を確認した。導入が確認された菌株を対象に抗生剤耐性遺伝子であるカナマイシンマーカーを除去する過程を行った。hisG_SDM7の導入が確認された菌株にpCP20プラスミドを導入してFLP組換えを誘導した後、抗生剤(カナマイシン)の添加および未添加のLB平板培地でそれぞれ生長するか否かにより抗生剤除去の有無を確認した。抗生剤の除去された菌株はLB平板培地で生長するが、抗生剤(カナマイシン)が添加されたLB平板培地では生長できないことを利用して確認した。そして、最終的に、hisGW-CF/hisGW-CRプライマー対を用いて配列を確認した。hisG_SDM7遺伝子が導入された変異株の作製に使用されたプライマー配列は、前記表6と同一である。
実施例7:hisG_SDM4またはhisG_SDM7遺伝子から発現した変異酵素のヒスチジンの負のフィードバック抵抗性の測定
ATP-PRT野生型(hisG_WT)、ATP-PRT変異体(hisG_SDM4およびhisG_SDM7)のヒスチジンによる負のフィードバック抵抗性を比較した。
ATP-PRT野生型(hisG_WT)、ATP-PRT変異体(hisG_SDM4およびhisG_SDM7)のヒスチジンによる負のフィードバック抵抗性を比較した。
LB培地を500mlのフラスコに50mlずつ分注し、DS9H、DS9H_△hisG::hisG_SDM4、またはDS9H_△hisG::hisG_SDM7の3つの菌株を1%ずつ接種した。培養条件は30℃、180rpmにした。OD600が0.6の時、1mM IPTG(最終濃度)でATP-PRTの発現を誘導し、4時間程度追加培養を実施した。培養後に得られた細胞をsonicationし、遠心分離した。得られた上澄液をATP phosphoribosyltransferaseの活性評価に使用した。酵素活性を評価するための反応条件は、既存の文献を参照して進行させた。(Microb Cell Fact.2018.Mar.17:42)上層液をタンパク質定量して濃度を一致させ、下記表8の反応組成で反応物を混合した後、酵素活性を測定した。
特に、ヒスチジンによる活性の抑制抵抗性を確認するために、ヒスチジンの濃度をそれぞれ0mM、0.5mM、1mM、5mM、10mM、25mM、および50mMの濃度にした。活性測定は30℃、UV波長290nmで2分間隔で30分間測定した。
図1によれば、hisG_WT酵素は、ヒスチジン濃度5mMからATP-PRT活性が急激に低下した。しかし、hisG_SDM4(H232K、T252A、E271K、S288P)は、ヒスチジン濃度25mMから酵素活性が低下した。また、hisG_SDM7(H232T、R250H、T252L、E271K、S288P)は、hisG_SDM4と類似してヒスチジン濃度25mMから酵素活性が低下したが、それぞれのヒスチジン濃度において酵素活性はhisG_SDM4より増加した。結果的に、hisG_SDM7がヒスチジンによる活性の抑制に対して抵抗性に最も優れていた。
実施例8:ATP-PRT変異酵素発現菌株のヒスチジン生産性評価
hisG_SDM4またはhisG_SDM7が導入された菌株のヒスチジン生産性を確認した。下記表9の組成による培地をそれぞれのフラスコに10mlずつ分注し、DS9H、DS9H_△hisG::hisG_SDM4、またはDS9H_△hisG::hisG_SDM7菌株を1%ずつ接種し、34℃、200rpmの条件で72時間培養した。培養後、それぞれのフラスコのヒスチジン生産量を比較分析した。
hisG_SDM4またはhisG_SDM7が導入された菌株のヒスチジン生産性を確認した。下記表9の組成による培地をそれぞれのフラスコに10mlずつ分注し、DS9H、DS9H_△hisG::hisG_SDM4、またはDS9H_△hisG::hisG_SDM7菌株を1%ずつ接種し、34℃、200rpmの条件で72時間培養した。培養後、それぞれのフラスコのヒスチジン生産量を比較分析した。
hisG_SDM4発現菌株は、対照群よりヒスチジン生産量が約53%程度増加し、hisG_SDM7発現菌株は、対照群よりヒスチジン生産量が約92%程度増加した。(表10参照)
前記結果によれば、hisG_SDM4またはhisG_SDM7は、his_WTよりヒスチジンによるフィードバック抑制(feedback inhibition)が減少してヒスチジン生産性が増加したと考えられる。特に、hisG_SDM4発現菌株よりhisG_SDM7発現菌株のヒスチジン生産性がより高かった。
また、前記表4および表8の結果をまとめると、大腸菌由来hisGの232、250、252、271、および288番位置のアミノ酸のいずれか1つを変異させる場合、ヒスチジンの生産量が増加し、複数個を変異させる場合、1つを変異させる場合よりヒスチジンの生産量がより増加した。
[受託番号]
寄託機関名:韓国生命工学研究院
受託番号:KCTC14419BP
受託日付:20201228
寄託機関名:韓国生命工学研究院
受託番号:KCTC14419BP
受託日付:20201228
Claims (7)
- 配列番号1のアミノ酸配列からなるATP-ホスホリボシル転移酵素において、
232番目に位置したヒスチジンがリシンまたはトレオニンに置換されたATP-ホスホリボシル転移酵素変異体。 - 前記ATP-ホスホリボシル転移酵素は、大腸菌(E.coli)のhisG遺伝子から発現した、請求項1に記載の変異体。
- 前記変異体は、ヒスチジンによるフィードバック抑制が減少する、請求項1に記載の変異体。
- 前記変異体は、下記のアミノ酸置換のうちの1つ以上をさらに含む、請求項1に記載の変異体:
(a)250番目に位置したアルギニンがヒスチジンに置換
(b)252番目に位置したトレオニンがアラニン、ロイシン、グリシン、バリン、またはイソロイシンに置換
(c)271番目に位置したグルタミン酸がリシンに置換
(d)288番目に位置したセリンがプロリンに置換。 - 請求項1に記載のATP-ホスホリボシル転移酵素変異体を発現する形質転換菌株。
- 前記菌株は、大腸菌である、請求項5に記載の形質転換菌株。
- 請求項5に記載の菌株を培養するステップを含むヒスチジン生産方法。
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