JP2754975B2 - ファルネシル二リン酸合成酵素およびそれをコードするdna配列 - Google Patents
ファルネシル二リン酸合成酵素およびそれをコードするdna配列Info
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Description
モフィラス(Bacillus stearother
mophilus)由来のファルネシル二リン酸合成酵
素活性物質を生産するためのDNA配列、そのDNA配
列による形質転換体ならびにその形質転換体を用いるフ
ァルネシル二リン酸合成酵素活性物質およびファルネシ
ル二リン酸の製造方法に関する。
P」と略記することもある)はカロチノイド、コレステ
ロール、ゴム等のイソプレノイドの重要な生合成中間体
であり、イソペンテニル二リン酸と3,3−ジメチルア
リル二リン酸の縮合により生じ、その合成酵素は多くの
生物に存在することが知られている。従って、遺伝子工
学的手法を用いてFPP合成酵素の遺伝子を適当な宿主
に導入すればイソプレノイドの増産が期待でき有用であ
る。
成酵素をコードする遺伝子およびその操作の研究、なら
びにその合成酵素の生産も試みられているが、大腸菌由
来のものが知られているにすぎない(J.Bioche
m.108,995〜1000ページ(1990))。
その上、大腸菌由来のFPP合成酵素は非常に不安定で
あり、たとえば50℃で速やかに失活してしまう。ま
た、大腸菌由来の前記遺伝子は別の大腸菌に導入されて
いるだけで、他の微生物に導入が試みられた例は公知文
献に未載である。
Pの実用的な生産に利用するには、前記のような大腸菌
由来の酵素では不十分であり、さらに特に熱安定性を有
するFPP合成酵素を提供することが必要であろう。従
って、本発明の目的は熱安定性FPP合成酵素をコード
するDNA配列を提供し、そのDNA配列を使用する熱
安定性FPP生産系を構築することにある。
解決すべく広く各種微生物のファルネシル二リン酸合成
酵素について検索したところ、高温で生育し、一般的に
熱安定性の各種酵素を産生することが知られているバチ
ラス ステアロサーモフィラスがFPP合成酵素も産生
することを見いだし、さらに対応する遺伝子を遺伝子工
学的手法で発現することに成功し本発明を完成した。
れるバチラス ステアロサーモフィラス由来のFPP合
成酵素をコードするDNA配列、そのDNA配列を組み
込んだ組換えベクター、その組換えベクターによって遺
伝子導入した組換え微生物細胞およびその使用によって
解決できる。
ン酸合成酵素をコードするDNA配列とは、それを適当
な発現ベクターに組み込んだとき、その合成酵素の遺伝
子が発現できる単位のDNA鎖からなり、実質的に同等
の酵素活性物質をコードするものをすべて包含する概念
で用いている。それらの具体的なものとしては、配列表
の配列番号1で示されるアミノ酸配列をコードするすべ
てのDNA配列を挙げることができ、このようなアミノ
酸配列をコードし、その発現によって産生されるタンパ
ク質が前記活性を示す限り追加のアミノ酸を併せて(た
とえば融合タンパク質として)コードするものも含む。
このようなDNA配列の具体的なものとしては、配列表
の配列番号1で示されるようなDNA配列が挙げられ
る。なお、上記「実質的に同等の酵素活性物質」とは、
配列番号:1に示すアミノ酸配列を有するか、あるいは
配列番号:1に示すアミノ酸配列に対して1個又は複数
個のアミノ酸の欠失、付加及び/又は他のアミノ酸のに
よる置換によって修飾されているアミノ酸配列を有し、
且つ熱安定性ファルネシル二リン酸合成酵素の活性を維
持している蛋白質を意味し、修飾の程度は、部位特定変
異誘発法、PCR法等、本件出願前の周知技術により実
施可能な範囲の修飾を意味する。
述するようなそれ自体既知の方法によって、各種微生物
の寄託機関から入手可能なバチラス ステアロサーモフ
ィラスから調製することができる。また、本発明は前記
DNA配列を含んでなる組換えベクターも提供する。か
かる組換えベクターは前記DNA配列が担持するFPP
合成酵素遺伝子を発現調節するための機能を有するDN
A配列も含む。
DNAからmRNAを転写する過程とmRNAからタン
パク質を翻訳する過程など遺伝子の発現調節機能がある
ことが知られている。従って、mRNAの合成を調節す
るプロモーター配列として、天然に存在する配列(たと
えばlac,trp,bla,lpp,PL ,PR ,t
et,T3,T7など)以外にも、それらの変異体(例
えば、lacUV5)や天然にあるプロモーター配列を
人工的に融合した(例えば、tac,trcなど)配列
が知られており、これらが本発明にも使用できる。mR
NAからタンパク質を合成する能力を調節する配列とし
て、リボソームバインディングサイト(GAGGおよび
その類似配列)配列と開始コドンであるATGまでの距
離が重要であることは既知である。また、3’側に転写
終了を指令するターミネーター(例えば、rrnBT1
T2 を含むベクターがファルマシア社から市販されてい
る)が組換え体でのタンパク質合成効率に影響する事は
よく知られている。
希な開始コドンをコードするGTGからFPP合成酵素
の遺伝子がはじまっていたが、通常のタンパク質合成開
始コドンであるATGからスタートさせれば合成効率が
あがることは容易に推測される。本発明の組換えベクタ
ーを調製するのに使用できるベクターとしては、市販の
ものをそのまま用いるか、または目的に応じて誘導した
各種のベクターを挙げることができる。例えば、pMB
1由来のレプリコンを持つpBR322,pBR32
7,pKK223−3,pKK233−2,pTrc9
9等や、コピー数が向上するように改変したpUC1
8,pUC19,pUC118,pUC119,pHS
G298,pHSG396等、またp15A由来のレプ
リコンを持つpACYC177やpACYC184等、
さらにはpSC101やColE1やR1やF因子など
に由来するのプラスミドが挙げられる。また、プラスミ
ド以外にも、λファージやM13ファージのようなウイ
ルスベクターやトランスポゾンによっても遺伝子導入が
可能である。
pUB110(Sigma社から販売)やpHY300
PLK(宝酒造より販売)などによるバチラス属への遺
伝子導入が知られている。これらベクターについてはM
olecular cloning(J.Sambro
ok,E.F.Fritsch,T.Maniatis
著Cold Spring Harbor Labor
atory Press発行)やCloning Ve
ctor(P.H.Pouwels,B.E.Enge
r・Valk,W.J.Brammar著Elsevi
er発行)や各社カタログに記載されている。特に、p
Trc99(ファルマシア社より販売)は、選択マーカ
ーのアンピシリン耐性遺伝子以外に、プロモーター及び
制御遺伝子としてPtrc及びlacIq 、リボソーム
バインディングサイトとしてAGGAという配列、ター
ミネーターとしてrrnBT1 T2 を持ち、FPP合成
酵素遺伝子の発現調節機能を持つ、好ましいベクターと
して挙げられる。
コードするDNA断片および必要により前記酵素の遺伝
子を発現調節する機能を有するDNA断片の組み込み
は、適当な制限酵素とリガーゼを用いる既知方法で行う
ことができ、具体的には後述の方法に従うのが都合よ
い。こうして作製される発明のプラスミドの具体的なも
のとしてはpEX1が挙げられる。このプラスミドは1
991年9月26日付で工業技術院微生物工業技術研究
所に国際寄託され寄託番号微工研条寄第3581号(F
ERM BP−3581)で受託されたエシェリヒア
コリー(Escherichia coli)JM10
9(pEX1)よりそれ自体既知の方法で入手できる。
きる微生物としてはエシェリヒアコリー、バチルス(B
acillus)属などに属する微生物も利用すること
ができる。この形質転換も常法、たとえばMolecu
lar cloning(J.Sambrook,E.
F.Fritsch,T.Maniatis著Cold
Spring Harbor Laboratory
Press発行)やDNA Cloning Vo
l.I〜III(D.M.Glover編IRLPRESS
発行)などに記載された、CaCl2 法やプロトプラス
ト法により行うことができる。こうして得られる本発明
の形質転換体の代表的なものとしては、前記JM109
(pEX1)(またはpEX1/JM109とも記載す
る)が挙げられる。
胞は、通常大腸菌の培養に用いられる培地で培養する
と、ファルネシル二リン酸(FPP)を菌体内に蓄積す
る。菌体からのFPPの採取は、菌体を物理的または適
当な細胞溶解性酵素の存在する環境下で処理して溶菌し
た後、細胞破砕物を除去し、次いで、酵素の一般的な単
離精製方法によって行うことができる。細胞溶解性酵素
としてはリゾチームを用いることが好ましく、また物理
的処理には超音波を用いることが好ましい。また55℃
程度の熱処理をすることにより、多くの大腸菌由来のタ
ンパク質は不溶性の沈澱として除去できる。酵素の単離
精製には、ゲル濾過・イオン交換・疎水性・逆相・アフ
ィニティーなどの各種クロマトグラフィー処理や限外濾
過法などを単独または組み合わせて行えばよい。単離・
精製工程を通じて、目的とする酵素の安定化を図るため
の安定剤として、たとえば、β−メルカプトエタノール
やジチオスレイトールなどの還元剤、PMSFやBSA
などのプロテアーゼへの保護剤、マグネシウムなどの金
属イオンを処理液に共存させてもよい。
ように測定できるので、その酵素の単離・精製は、後述
の実施例1のc)で使用するアッセイ用反応液を用い
て、その酵素活性を確認しながら進めることが推奨でき
る。
質転換体の調製法の1例を記載するが、本発明の範囲は
これに限定されるものではない。
ingとDNA Cloningと宝酒造のカタログに
従った。酵素は主に宝酒造から購入した物を用いた。用
いたバチラス ステアロサーモフィラスはアメリカン
タイプ カルチャー コレクション(American
Type Culture Collection:
ATCC)に登録されている公知の菌株である。本研究
にはATCC 10149株をもちいた
染色体DNAの調製 LB倍地(1%Trypton、0.5%Yeast
extract、1%NaCl)で培養し、集菌した。
Lysis bufferに懸濁後、リゾチーム(Si
gma社製ニワトリ卵白由来)を10mg/mlになる
ように加えた。溶菌後、1/10量の1MTris・H
Cl(pH8.0)、1/10量の10%SDS、1/
50量の5MNaClを加えた。Proteinase
K(Sigma社製)を10mg/mlになるように加
え、50℃に加温した。
後、遠心して除蛋白を行った。遠心上清を広口ピペット
でビーカーにとり、2.5倍量のエタノールを静かに重
層後、ガラス棒で染色体DNAを巻きとった。TE(1
0mMTris・HCl(pH8.0)、1mMEDT
A)に溶解後、RNaseA(Sigma社製)処理、
ProteinaseK処理、フェノール処理後、エタ
ノールを静かに重層し、ガラス棒で染色体DNAを巻き
とった。70%エタノールで洗浄後、TEに溶解し、以
下の実験に用いた。
遺伝子ライブラリーの作製 染色体DNAを制限酵素Sau3AIで部分限定分解し
たものを、1%アガロースで電気泳動した。2kb.
p.から5kb.p.のDNA断片を含むアガロースを
分画し、そこからDNAを抽出した。プラスミドpUC
118(宝酒造から購入)のBamHI分解物とT4D
NAリガーゼで連結し、大腸菌JM109を形質転換し
た。以上の様に作製したライブラリーをスクリーニング
に用いた。
成酵素遺伝子のスクリーニング ライブラリーからとった形質転換体を50μg/mlの
アンピシリンを含むLB培地30mlで一晩培養後、集
菌した。3mlのSonic bufferに懸濁し、
超音波で菌体を破砕した。55℃に1時間加温し、大腸
菌由来のプレニルトランスフェラーゼを失活させ、遠心
分離で大腸菌由来の変性タンパク質を除き、その中から
600μlをアッセイに用いた。文章末に示したアッセ
イ用反応液を1時間あるいは2時間55℃で反応させ
た。反応液を1−ブタノールで抽出し、液体シンチレー
ションカウンターで放射活性を測定した。この様にして
スクリーニングした中に、pFE15に強いプレニルト
ランスフェラーゼ活性が見られた。
のように反応させた時の1−ブタノール抽出物を薄層ク
ロマトグラフィー(TLC)で分析した。その結果、生
成したイソプレノイドはファルネシル二リン酸であると
同定され、pFE15はファルネシル二リン酸合成酵素
の遺伝子を含むことが判明した。大腸菌は55℃で活性
があるプレニルトランスフェラーゼを持っていなかった
のに対し、pFE15で形質転換した大腸菌は55℃で
プレニルトランスフェラーゼを持つこととなった。pF
E15がコードしているバチラス ステアロサーモフィ
ラス由来のプレニルトランスフェラーゼは非常に安定で
あることがここに示された。結果を表1に示す。また、
組換え体が安定なファルネシル二リン酸の製造に有効で
あることがここに示された。
P合成酵素遺伝子の特定 pFE15は、約5kb.p.の挿入遺伝子を持ち、挿
入遺伝子部分の制限酵素地図を図2に示す。pFE15
の欠失変異体のうち、PstIからNruIの領域を含
むものにはすべてプレニルトランスフェラーゼ活性が見
られた。pFE15のPstI−NruIの約2kb.
p.のDNA断片がpUC118のSmaI部位に入っ
たプラスミドpΔ1にはFPP合成酵素活性があった。
また、pΔ1のNruI側を600b.p.ほど削って
も活性が残るのに対し、PstI側は100b.p.ほ
ど削ると活性が無くなった。従って、FPP合成酵素遺
伝子はNruIより少しはなれ、PstIの側にあると
推測された。
た欠失変異体を、アプライドバイシステム373A蛍光
DNAシーケンサーでDNA配列を解析した。その結
果、配列表の配列番号1に示す塩基配列が明らかにな
り、さらに同時に示すアミノ酸配列が推測された。予想
されるアミノ酸配列を大腸菌のファルネシル二リン酸合
成酵素(J.Biochem.108,995〜100
0ページ(1990))と比較すると約40%の相同性
があり、バチラス ステアロサーモフィラスのファルネ
シル二リン酸合成酵素であることが確認された。
トランスフェラーゼの生産 pΔ1のKpnI−PstI断片がpUC119のKp
nI−PstI部位に挿入されたプラスミドpEX1を
作製した(図1)。pΔ1はlacプロモーターとFP
P合成酵素遺伝子が逆向きであるのに対し、pEX1は
lacプロモーターとFPP合成酵素遺伝子が同じ向き
である。次に、pEX1およびpΔ1で大腸菌JM10
9を形質転換してc)に記載の方法でプレニルトランス
フェラーゼ活性を測定した。その結果、pEX1/JM
109はpΔ1/JM109の15倍のプレニルトラン
スフェラーゼ活性があることがわかり、lacプロモー
ターによりFPP合成酵素の生産性を向上させることに
成功した。
ーモフィラス由来のファルネシル二リン酸合成酵素をコ
ードするDNA配列が提供される。このようなDNA配
列を発現ベクターに組み込み、適当な大腸菌を形質転換
した組換え微生物細胞は、安定な、特に熱に安定なファ
ルネシル二リン酸合成活性物質を生産する。この効果
は、従来技術文献に未載のバチラス ステアロサーモフ
ィラス染色体から前記DNA配列を調製することによっ
て得られる。
地図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 配列番号:1に示すアミノ酸配列を有す
るか、あるいは配列番号:1に示すアミノ酸配列に対し
て1個又は複数個のアミノ酸の欠失、付加及び/又は他
のアミノ酸による置換により修飾されているアミノ酸配
列を有し、且つ熱安定性ファルネシル二リン酸合成酵素
の活性を有する蛋白質。 - 【請求項2】 請求項1に記載の蛋白質をコードするD
NA。 - 【請求項3】 請求項2に記載のDNAを含んで成る組
換えベクター。 - 【請求項4】 請求項3に記載の組換えベクターにより
形質転換された微生物。 - 【請求項5】 前記微生物がエシェリヒア(Esche
richia)属に属する微生物である、請求項4に記
載の微生物。 - 【請求項6】 請求項1に記載の蛋白質の製造方法にお
いて、該蛋白質をコードするDNAを含んで成る組換え
ベクターにより形質転換された微生物を培養し、培養物
から該蛋白質を採取することを特徴とする方法。
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