JP3577722B2

JP3577722B2 - 人工融合酵素

Info

Publication number: JP3577722B2
Application number: JP18024693A
Authority: JP
Inventors: 利之榊; 浩司林; 義康薮崎
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1993-07-21
Filing date: 1993-07-21
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH0731471A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、人工融合酵素およびその製造方法、その人工融合酵素遺伝子、その人工融合酵素遺伝子を含むプラスミドおよび酵母内発現プラスミド、その人工融合酵素遺伝子が導入された酵母菌株に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チトクロムＰ−４５０は、微生物から哺乳動物にいたるまで、広く生物界に存在するヘム蛋白質であり、広範囲の脂溶性化合物を基質として、１原子酸素添加反応を触媒する。チトクロムＰ−４５０の示すこうした広範囲な基質特異性は、チトクロムＰ−４５０の分子多様性に起因する。すなわち、チトクロムＰ−４５０には、多数の分子種が存在し、各々は基質特異性の幅が広く、しかも重複しており、広範囲の脂溶性化合物を基質とすることができる。しかしながら、多数のチトクロムＰ−４５０に電子を供給する系路は共通であり、肝ミクロソームでは主として、フラビンアデニンモノヌクレオチドとフラビンモノヌクレオチドを分子内に補酵素として含有するＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ−４５０還元酵素がＮＡＤＰＨからの電子を基質を結合したチトクロムＰ−４５０へ供給する。
一般的に肝ミクロソームにおけるＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ−４５０還元酵素量は充分とはいえず、ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ−４５０還元酵素からチトクロムＰ−４５０への電子伝達が１原子酸素添加反応の律速になるため、チトクロムＰ−４５０分子あたりの活性が低い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チトクロムＰ−４５０を利用して、有用物質の酸化反応プロセス、または産業廃水中の有害物質の酸化的除去等へ実用的応用する場合、さらにチトクロムＰ−４５０の有する１原子酸素添加反応における活性を高める必要があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の状況を鑑み、よりすぐれた１原子酸素添加活性を有するチトクロムＰ４５０を見い出すべく、鋭意検討を重ねた結果、ヒト肝臓由来のある種のチトクロムＰ４５０分子種をコードする塩基配列を有する遺伝子と酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素をコードする塩基配列を有する遺伝子を接続することにより、単一の遺伝子とし、ある種のチトクロムＰ４５０の有する１原子酵素添加活性およびＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素の有するＮＡＤＰＨからの還元力供給能を同一分子内に有する人工融合酵素をコードする人工融合酵素遺伝子を構築し、この遺伝子に係る酵母内発現ベクター、さらに該酵母内発現ベクター導入酵母菌株を得て、そして酵母菌株に人工融合酵素を生産させることに成功した。生産された人工融合酵素は、単一分子内に電子伝達と基質の酸化の両機能を有しており、すぐれた性質を有する人工的な新酵素であることを確認し、本発明を完成した。
すなわち、本発明はＮ末端側にヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードするアミノ酸配列を有し、かつＣ末端側に酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素をコードするアミノ酸配列を有する人工融合酵素およびその製造方法、その人工融合酵素遺伝子、その人工融合酵素遺伝子を含むプラスミドおよび酵母内発現プラスミド、その人工融合酵素遺伝子が導入された酵母菌株を提供するものである。
【０００５】
本発明において用いられるヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードする塩基配列を有する遺伝子は、たとえば、市販のヒト肝由来のｃＤＮＡライブラリーからＰＣＲ法等の通常の方法を用いて単離することができる。
【０００６】
本発明において用いられる酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素をコードする塩基配列を有する遺伝子は、たとえば特開昭６２−１９０８５号公報に記載される方法等により単離することができる。
【０００７】
上記のヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードするヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードする塩基配列を有する遺伝子と酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素をコードする塩基配列を有する遺伝子を通常の遺伝子操作方法により接続し、単一の遺伝子とし、ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４の有する１原子酵素添加活性および酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素の有するＮＡＤＰＨからの還元力供給能を同一分子内に有する人工融合酵素をコードする人工融合酵素遺伝子を構築する。
【０００８】
酵母内で発現させるためのプロモーターとしては、通常の酵母発現系において用いられるプロモーターであれば特に制限されるものではないが、たとえば酵母アルコール脱水素酵素遺伝子のプロモーター（以下、ＡＤＨプロモーターと記す。）、グリセルアルデヒド−３リン酸脱水素酵素（以下、ＧＡＰＤＨプロモーターと記す。）、フォスフォグリセリン酸キナーゼ（以下、ＰＧＫプロモーターと記す。）等をあげることができる。なお、ＡＤＨプロモーターは、たとえば酵母ＡＤＨ１プロモーターおよび同ターミネーターを保持する酵母発現ベクターｐＡＡＨ５〔ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄａｔｉｏｎから入手可能、Ａｍｍｅｒｅｒら、ＭｅｔｈｏｄｉｎＥｎｚｙｍｏｌｏｇｙ、１０１ｐａｒｔ（ｐ．１９２−２０１）〕から通常の遺伝子操作方法により調製することができる。酵母ＡＤＨ１プロモーターは、ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄａｔｉｏｎの米国特許出願第２９９，７３３に含まれており、米国において、工業的、商業目的で使用する場合は、権利者からの権利許諾を必要とする。
【０００９】
上記の酵母内で発現させるためのプロモーターおよび前記の人工融合酵素遺伝子を含む酵母内発現プラスミドは通常の遺伝子組み換え方法を用いて構築することができる。たとえば、前記の人工融合酵素遺伝子を特開平２−２１１８８０号公報等に記載されるＡＤＨプロモーターとターミネーターを保有する酵母発現ベクターｐＡＡＨ５ＮのＨｉｎｄＩＩＩ部位に挿入することにより構築する方法等をあげることができる。こうして得られた酵母内発現プラスミドを、たとえばアルカリ金属（ＬｉＣｌ）を用いる方法、プロトプラスト法等の通常の方法によって酵母菌株に導入する。
【００１０】
このようにして得られた酵母内発現プラスミド導入酵母菌株を培養することにより、本発明人工融合酵素を製造することができる。なお、培養は、通常の培養方法により行うことができる。
【００１１】
本発明において用いられる酵母菌株としては、たとえばサッカロミセス・セレビシェー（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）等があげることができる。好ましくはサッカロミセス・セレビシェーＡＨ２２株（ＡＴＣＣ３８６２６）、サッカロミセス・セレビシェーＳＨＹ３株、サッカロミセス・セレビシェーＮＡ８７−１１Ａ株等をあげられる。
【００１２】
このようにして製造された本発明人工融合酵素は、培養菌体から通常の方法により抽出・精製することができる。たとえば、菌体をザイモリアーゼ等の溶菌酵素で処理し、スフェロプラスト化した後、これを超音波処理、フレンチプレス、ガラスビーズを用いる機械的方法で破砕し、ミクロソーム画分を調製する。これからＤＥＡＥ− セルロースカラムクロマトグラフィー等のイオン交換カラムクロマトグラフィーや酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素部分の特性を使用した２’，５’−ＡＤＰセファロース４Ｂカラムクロマトグラフィー等の通常の方法により精製することができる。
【００１３】
以下、実施例についてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例になんら限定されるものではない。
【００１４】
実施例１ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４遺伝子の取得および酵母内発現プラスミドの構築
ヒト肝由来のｃＤＮＡライブラリー（Ｃｌｏｎｔｅｃｈ社）から図１に示したプライマーを用いて約０．６ｋｂと約０．９ｋｂの２つの断片を増幅した。得られた約０．６ｋｂの断片は、ＳａｃＩで切断してｐＵＣ１１８ベクターにサブクローン化した。その後、ＥｃｏＲＩで切断、平滑化し、ＸｂａＩリンカーを導入したものに、ＸｂａＩ、ＳａｃＩで切断した０．９ｋｂ断片を組み込み、２つの断片を連結させた。このプラスミドをＳｐｈＩで切断後、平滑化し、ＸｂａＩリンカーを導入したものからＸｂａＩ断片を切り出し、ｐＵＣＡＮＸのＸｂａＩ部位に挿入した。これをＮｏｔＩで切り出し、同様にＮｏｔＩ処理したｐＡＡＨ５Ｎ、及びｐＡＨＲＲに挿入し、比較試験に用いるヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４酵母内発現プラスミドｐ３Ａ４、及び酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との同時発現プラスミドｐ３Ａ４Ｒを作製した（図２参照）。
【００１５】
実施例２人工融合酵素遺伝子を含む酵母内発現プラスミドの構築
図３にしたがってプラスミドを構築した。プラスミドｐ３Ａ４を鋳型とし、図１に示したプライマーを用いてＸｂａＩ−ＸｈｏＩ断片を得た。また、プラスミドｐＢＦＣＲ１（特願平４−２０９２２６）から得た約２．１ｋｂのＸｈｏＩ−ＨｉｎｄＩＩＩ断片を市販のベクターＢｌｕｅＳｃｒｉｐｔ（＋）のＸｈｏＩ、ＨｉｎｄＩＩＩ部位に挿入した後、制限酵素ＸｈｏＩおよびＸｂａＩで同時消化し、断片を得た。これら両断片を同時に、ベクターｐＵＣＡＮのＸｂａＩ部位に挿入することにより得られたプラスミドを制限酵素ＮｏｔＩにより消化して約５．６ｋｂの断片を得た。この断片とベクターｐＡＡＨ５Ｎ（特開平２−２１１８８０）から得た約１０．５ｋｂのＮｏｔＩ断片を連結することにより目的とする酵母内発現プラスミドｐＦ３Ａ４を得た。該人工融合酵素は１１５６アミノ酸残基から成り、その構造はＮ末端からヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードする全アミノ酸配列（５０３残基）、リンカーに由来する配列（Ａｌａ−Ａｒｇ−Ａｌａ）、酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素Ｎ末端４２番目からＣ末端と続いている。
【００１６】
実施例３酵母内発現プラスミドｐＦ３Ａ４の酵母内への導入
１．０ｍｌのＹＰＤ培地（１％酵母エキス、２％ポリペプトン、２％グルコース）にサッカロミセス・セレビシェーＡＨ２２株を植菌し、３０℃で１８時間振盪した後、遠心分離（５０００×ｇ、１０分間）により集菌した。得られた菌体を１．０ｍｌの０．２ＭＬｉＣｌ溶液に懸濁した後、再度遠心分離（５０００×ｇ、１０分間）し、得られたペレットに２０μｌの１ＭＬｉＣｌ溶液、３０μｌの７０％ポリエチレングリコール４０００（和光純薬工業社）溶液、約１．０μｇの実施例１および２において得られた各種の酵母内発現プラスミドをおのおの単独で含む１０μｌの溶液を添加した。これを十分に混合した後、３０℃で１時間インキュベートし、さらに１４０ μｌの滅菌水を加えて撹拌した。この溶液をＳＤ合成培地プレート〔２．０％グルコース、０．６７％窒素源アミノ酸不含（Ｎｉｔｒｏｇｅｎｂａｓｅｗ／ｏａｍｉｎｏａｃｉｄｓ，Ｄｉｆｃｏ製）、２０μｇ／ｍｌヒスチジン２．０％寒天〕上に蒔き、３０℃で３日間インキュベートし、上記の酵母内発現プラスミドを保有する形質転換酵母菌株を選択した。このようにして、酵母内でヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４を発現させる各種の酵母菌体を作製した。
【００１７】
実施例４酵母内で発現した人工融合酵素の定量
人工融合酵素を発現した酵母の培養液（ＳＤ合成培地、菌体濃度１．５×１０^７菌体／ｍｌ）２００ｍｌを集菌し、１０ｍｌの１００ｍＭリン酸カリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に懸濁した後、遠心分離（５０００×ｇ、１０分間）した。得られたペレットを新たに２．０ｍｌの１００ｍＭリン酸カリウム緩衝液（ｐＨ７．０）に懸濁し、２本のキュベットに１．０ｍｌずつ分注した。サンプル側のキュベットに一酸化炭素を吹き込んだ後、両キュベット内にジチオナイト５−１０ｍｇを添加し、撹拌したち４００−５００ｎｍの差スペクトルを測定し、人工融合酵素濃度を算出した。菌体あたりの人工融合酵素の発現量は約１．５×１０^５分子であった。
【００１８】
実施例５酵母ミクロソーム画分の調製
実施例３によって作製された各種の酵母菌体おのおのの培養液（ＳＤ合成培地、菌体濃度約１．０×１０^８菌体／ｍｌ）３．８１を集菌し、該菌体を４００ｍｌの緩衝液Ａ（１０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ７．５），２Ｍソルビトール，０．１ｍＭＤＴＴ，０．２ｍＭＥＤＴＡ）に懸濁した後、１６０ｍｇのザイモリエイス１００，０００（Ｚｙｍｏｌｙａｓｅ１００Ｔ；生化学工業社））を加え、３０℃で６０分間インキュベートした。遠心分離（５０００×ｇ、１０分間）して得られたスフェロプラストを１００ｍｌの緩衝液Ａに懸濁した後、再び遠心分離（５０００×ｇ、１０分間）した。同じ遠心分離操作をもう一度繰り返してスフェロプラストの洗浄を行った後、スフェロプラストを２００ｍｌの緩衝液（１０ｍＭＴｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ７．５），０．６５Ｍソルビトール，０．１ｍＭＤＴＴ）に懸濁し、該懸濁液を超音波破砕（５０ｗ，５分間）した。遠心分離（１０，０００×ｇ、２０分間）して得られた上清をさらに超遠心分離（１２５，０００ ×ｇ、７０分間）して、沈澱を回収した。該沈澱に０．１Ｍのリン酸カリウム緩衝液（ｐＨ７．４）を１０ｍｌ添加し、懸濁することにより、ミクロソーム画分を得た。
【００１９】
実施例６各種の酵母内発現プラスミドを保有する形質転換酵母菌株（生菌体）におけるテストステロン水酸化活性の測定
実施例３によって作製された各種の酵母菌体（人工融合酵素発現菌株、ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４と酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との同時発現菌株、およびコントロール菌株の３種）おのおのの培養液（ＳＤ合成培地、菌体濃度約２．０×１０^７菌体／ｍｌ）２ｍｌにテストステロンを終濃度０．０５ｍＭになるように添加し、３０℃で１５時間インキュベートした後、該反応液に４ｍｌのジクロロメタンを加え、よく撹拌した後、遠心分離（５０００ ×ｇ、１０分間）した。分離した層からジクロロメタン層を回収し、該回収物をＨＰＬＣにより分析した。以下に分析条件を示す。
１．カラム：μＢｏｎｄａｐａｋＣ１８（φ４ｘ３００ｍｍ、ウォーターズ社）
２．溶出条件：アセトニトリル２０％−７０％水溶液
直線濃度勾配／２５分
３．流速：１．５ｍｌ／ｍｉｎ
４．検出：２５４ｎｍにおける吸光度
その結果、人工融合酵素発現菌株およびヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４と酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との同時発現菌株においてテストステロン水酸化物が検出された。また、人工融合酵素分子あたりの活性は、ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４と酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との同時発現菌株におけるヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４分子当たりの活性の約３０倍であることが判明した。
一方、公知の各種の人工融合酵素、たとえばラット肝チトクロムＰ４５０ｃとラットＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との人工融合酵素（ＤＮＡ，Ｖｏｌ．６，ｐ３１−３９，１９８７）、ウシ副腎Ｐ４５０１７αと酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との人工融合酵素（ＤＮＡＣｅｌｌ．Ｂｉｏｌ．，Ｖｏｌ．９，ｐ２７−３６，１９９０）の酵母内発現において、これらの人工融合酵素分子当たりの活性は、それぞれのチトクロムＰ４５０とＮＡＤＰＨ−チトクロム還元酵素との同時発現菌株におけるチトクロムＰ４５０分子当たりの活性の約３倍程度であった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の人工融合酵素遺伝子が導入された酵母菌株は、ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４の有する１原子酸素添加反応における活性を著しく高め、有用物質の酸化反応プロセスまたは産業廃水中の有害物質の酸化的除去等へ実用的応用を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４遺伝子クローニング用プライマーを示す図である。
【図２】ヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４酵母内発現プラスミドｐ３Ａ４、及び酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素との同時発現プラスミドｐ３Ａ４Ｒの構築方法を示す図である。
【図３】人工融合酵素遺伝子を含む酵母内発現プラスミドｐＦ３Ａ４の構築方法を示す図である。

Claims

単一分子内に電子伝達と基質の酸化との両機能を有した人工的な酵素であって、
（ａ）基質の酸化機能としてＮ末端側に、１原子酸素添加活性を付与するためのヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４をコードする全アミノ酸配列、
（ｂ）電子伝達機能としてＣ末端側に、ＮＡＤＰＨから前項（ａ）記載のヒト肝チトクロムＰ４５０３Ａ４への還元力供給能を付与するための酵母ＮＡＤＰＨ−チトクロムＰ４５０還元酵素のＮ末端４２番目からＣ末端までのアミノ酸配列、及び、
（ｃ）前項（ａ）記載の１原子酸素添加活性を付与するためのアミノ酸配列と前項（ｂ）記載の還元力供給能を付与するためのアミノ酸配列との結合部位に存在するリンカー由来の配列、
を有することを特徴とする人工融合酵素。
リンカー由来の配列が、 Ala-Arg-Ala であることを特徴とする請求項１記載の人工融合酵素。
請求項１又は２記載の人工融合酵素のアミノ酸配列をコードする塩基配列を有することを特徴とする人工融合酵素遺伝子。
請求項３記載の人工融合酵素遺伝子を含有することを特徴とするプラスミド。
酵母内で発現させるためのプロモーターおよび請求項３記載の人工融合酵素遺伝子を含有することを特徴とする酵母内発現プラスミド。
請求項３記載の人工融合酵素遺伝子が導入されてなることを特徴とする酵母菌株。