JP3632246B2 - E. coli flavin reductase - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は大腸菌のフラビン還元酵素遺伝子、フラビン還元酵素、該遺伝子をベクターDNAに挿入した組み換え体DNA、および該組み換え体DNAを含有する微生物を使用したフラビン還元酵素の製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光細菌のルシフェラーゼは、還元型フラビンモノヌクレオチド(以下FMNH2という)と長鎖脂肪アルデヒドを基質として、酸素の存在下、酸化型フラビンモノヌクレオチド(以下FMNという)と長鎖カルボン酸とを生成し、その際に青色に発光する反応を触媒する。
発光細菌ルシフェラーゼは、この発光を指標とする各種の生理活性物質の測定に有用であるが、試験管内等で細菌ルシフェラーゼを利用する場合、基質であるFMNH2が即時に自動酸化され、FMNに変換されるため、その反応系にフラビン還元酵素を共存させる必要がある。
【0003】
そこで、フラビン還元酵素は細菌ルシフェラーゼの発光を指標とした検出系に欠かせない酵素である。しかし、発光細菌 Vibrio fischeriのフラビン還元酵素は、不安定で活性低下を起こしやすい欠点があった。
一方、フラビン還元酵素は、Vibrio fischeriにおいては、1種類の酵素が存在することが分かっているに過ぎなかった。「Duane,W.andHastings,J.W.(1975)Mol.Cell.Biochem.6,53−64」
最近、本発明者は発光細菌 Vibrio fischeriのフラビン還元酵素が、アミノ酸配列レベルでニトロ還元酵素に類似し、低レベルのニトロ還元酵素活性を有することを見い出した『特願平3−351717号記載』。また、大腸菌のニトロ還元酵素遺伝子を単離し、その1次構造を明かにした『特願平5−340061号記載』。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、検査や診断などに利用するため、より安定で高い活性を有するフラビン還元酵素が待ち望まれていた。
すなわち、本発明の目的は安定で高活性を有するフラビン還元酵素を開発することを主たる課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題について鋭意研究の結果、ニトロ還元酵素遺伝子に変異を導入することにより、安定で高活性なフラビン還元酵素をコードするフラビン還元酵素遺伝子の作出に成功し、本発明を完成した。すなわち、本願は以下の発明を提供するものである。
(1)大腸菌由来である野生型ニトロ還元酵素遺伝子に変異処理として薬剤を接触作用させる方法を行って得られるフラビン還元酵素遺伝子であり、野生型ニトロ還元酵素遺伝子がnfsB遺伝子またはnfnB遺伝子であり、該遺伝子のコードするアミノ酸配列において、124位のフェニルアラニンのアミノ酸がセリンのアミノ酸に変異されているアミノ酸配列をコードするフラビン還元酵素遺伝子。
(2)配列表の配列番号1で表される塩基配列を含む、フラビン還元酵素遺伝子。
(3)前記第1項に記載のフラビン還元酵素遺伝子がコードするフラビン還元酵素。
(4)前記第2項に記載のフラビン還元酵素遺伝子がコードする配列番号2のフラビン還元酵素。
(5)塩基配列が配列表の配列番号1で表されるDNAをベクターDNAに挿入したことを特徴とする組み換え体DNA。
(6)前記第5項に記載の組み換え体DNAを含み、フラビン還元酵素生産能を有するエッシェリシア属に属する微生物を培地に培養し、培養物よりフラビン還元酵素を採取することを特徴とするフラビン還元酵素の製造法。
【0006】
本発明の構成と効果につき以下に詳述する。
本発明のフラビン還元酵素遺伝子は、ニトロ還元酵素遺伝子を基に改変して得られた遺伝子である。例えば、大腸菌由来である野生型ニトロ還元酵素のアミノ酸配列において、124位のアミノ酸がフェニルアラニン以外のアミノ酸に変異されているアミノ酸配列をコードする、フラビン還元酵素遺伝子である。この124位のアミノ酸がセリンであるアミノ酸配列をコードするフラビン還元酵素遺伝子が好ましく、そのような例として、配列の長さ651ヌクレオチド鎖を含み、217個のアミノ酸からなる蛋白をコードしている、配列番号1で表わされる塩基配列を含む遺伝子を例で示すことができる。この遺伝子の配列の種類はゲノムDNAである。
本発明の酵素は、フラビン還元活性を有し、たとえば、FMN還元活性を有するものであり、たとえば配列番号2で表わされるアミノ酸配列を有する蛋白質である。
本発明の組換え体DNAは、塩基配列が配列番号1で表わされるDNAをベクターDNAに挿入したものである。
本発明の酵素の製法は、たとえば、塩基配列が配列番号1で表わされるDNAをベクターDNAに挿入した組換え体DNAで修飾された微生物を培養し、配列番号2で表わされるアミノ酸配列を含む蛋白を製造することである。
【0007】
本発明における遺伝子の改変による熱安定な高活性なフラビン還元酵素が提供される前提として、野性型のニトロ還元酵素遺伝子およびその組換え体DNAを調製することが必要である。野性型のニトロ還元酵素遺伝子等の種類は、提供が企図される熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子の種類に応じて用いられる。そして、大腸菌に由来するあらゆる野生型のニトロ還元酵素遺伝子を用いることが可能であり、たとえば、すでにクローン化されているニトロ還元酵素遺伝子を用いることができる。そのような遺伝子として、大腸菌nfsB/nfnBニトロ還元酵素遺伝子『特願平5ー340061号』、大腸菌nfsAニトロ還元酵素遺伝子『特願平6−298936号』、などが例示される。これらの遺伝子等は、すでに公知の方法に従って調製される。たとえば、野性型大腸菌遺伝子およびその組換え体DNAは、特願平5−340061号に記載の方法により調製することができる。
【0008】
野性型ニトロ還元酵素遺伝子の変異処理は、企図する変異形態に応じた通常公知の方法で行い得る。すなわち、野性型ニトロ還元酵素遺伝子あるいは当該遺伝子の組み込まれた組換え体DNAと変異原となる薬剤とを接触作用させる方法、紫外線照射法、遺伝子工学的手法、または蛋白工学的手法等を広く用いることができる。
上記変異処理に用いられる変異原となる薬剤としては、たとえば、ヒドロキシルアミン、N−メチル−N’−ニトロ−N−ニトロソグアニジン、亜硝酸、亜硫酸、ヒドラジン、蟻酸、5−ブロモウラシル等を挙げることができる。この接触作用の諸条件は、用いる薬剤の種類等に応じて選択することが可能であり、現実に、野性型ニトロ還元酵素遺伝子において、所望の変異を起こすことができるかぎり特に限定されない。通常、上記薬剤を好ましくは0.5−12Mの濃度において、20−80℃の反応温度下で10分間以上、好ましくは10ー180分間接触作用させることで、所望の変異を起こすことができる。
【0009】
紫外線照射を行う場合においても、「現代科学、pp24−30, 1989年6月号」記載の方法に従い変異を起こすことができる。
蛋白工学的手法としては、一般的に、サイトスペシフィックミュータジェネシス(site−specific mutagenesis)として知られる方法を用いることができる。たとえば、Kramer法「Kramer W. et al. (1984) Nucleic Acids Res. 12, 9441−9456」, Eckstein法「Taylor, J. W. et al. (1985) Nucleic Acids Res. 13, 8749−8764」, Kunkel法「Kunkel, T. A. (1985) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 488−492」等があげられる。
なお、上記の遺伝子改変法のほかに、有機合成法または酵素合成法により、直接所望の改変ニトロ還元酵素遺伝子、すなわち、熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子を合成し得ることはもちろんである。上記の方法により得られる所望のフラビン還元酵素遺伝子の塩基配列の決定確認は、たとえば、ジデオキシ変法『Hattori,M. and Sakaki,Y. (1986) アナリティカルバイオケミストリー(Anal. Biochem.) 152, 232』などにより行いえる。
【0010】
上述の如くして得られた熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子を、常法により、バクテリオファージ、コスミド、または原核細胞若くは真核細胞の形質転換に用いられるプラスミド等のベクターに組み込み、それぞれのベクターに対応する宿主を常法により形質転換あるいは形質導入することができる。たとえば、宿主として、大腸菌JM83, 大腸菌D1210, 大腸菌JM109, 大腸菌HB101等を選択する場合には、『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』記載の方法等により、形質導入をすることにより、形質導入株を得ることができる。
【0011】
そして、上記菌株より熱安定な高活性なフラビン還元酵素生産能を有する菌株をスクリーニングすることにより、熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子をベクターDNAに挿入した組換え体DNAを含み、熱安定な高活性なフラビン還元酵素生産能を有する大腸菌菌株を得ることができる。このようにして得られた菌株より純化された新規組換え体DNAを得るには、たとえば、アルカリ法『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』などを用いればよい 。
【0012】
そして、このようにして得られた組換え体DNAより熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子を含有するDNAを得るには、たとえば、該組換え体DNAに制限酵素、たとえばEcoRIおよびXbaIを温度30ー40℃で1〜24時間、好ましくは37℃で2時間作用させて、反応終了液をアガロースゲル電気泳動法『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』で処理することにより得ることができる。
【0013】
上記のようにして、得られた熱安定な高活性なフラビン還元酵素遺伝子をベクターDNAに挿入した組換え体DNAを含み、熱安定な高活性なフラビン還元酵素生産能を有する大腸菌菌株を用いて熱安定な高活性なフラビン還元酵素を生産するには、この菌株を通常の固体培養法で培養してもよいが、可能な限り液体培養法を採用して培養するのが好ましい。
【0014】
また、上記菌株を培養する培地としては、たとえば酵母エキス、トリプトン、ペプトン、肉エキス、コーンスティープリカーあるいは大豆若くは小麦ふすまの浸出液等の1種以上の窒素源に、塩化ナトリウム、リン酸第1カリウム、リン酸第2カリウム、硫酸マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化第2鉄、硫酸第2鉄あるいは硫酸マンガン等の無機塩類に1種以上を添加し、さらに必要に応じて糖質原料、ビタミン等を適宜添加したものが用いられる。
【0015】
なお、培地の初発pHは、pH7ー9に調整するのが適当である。また、培養は30ー42℃、好ましくは37℃で4ー24時間、より好ましくは37℃で12時間通気攪拌培養、振とう培養、静置培養等により実施するのが好ましい。培養終了後、該培養物より熱安定な高活性なフラビン還元酵素を採取するには、通常の酵素採取手段を用いて得ることができる。
【0016】
たとえば、常法により菌体を、超音波破壊処理、磨砕処理などするか、または、リゾチーム等の溶菌酵素を用いて本酵素を排出するか、またはトルエン等の存在下で振とうもしくは放置して、自己消化をおこなわせ本酵素を菌体外に排出させることができる。そして、この溶液をろ過、遠心分離などして固形部分を除去し、必要によりストレプトマイシン硫酸塩、プロタミン硫酸塩、硫酸マンガン等により核酸を除去した後、これを硫安、アルコール、アセトン等を添加して分画し、沈殿物を採取し、粗酵素を得る。
【0017】
上記粗酵素よりさらに精製酵素標品を得るには、たとえば、セファデックス、ウルトロゲルもしくはバイオゲル等を用いるゲルろ過法、イオン交換体を用いる吸着溶出法、ポリアクリルアミドゲル等を用いる電気泳動法、ヒドロキシアパタイトを用いる吸着溶出法、しょ糖密度勾配遠心法等の沈殿法、アフィニティクロマト法、分子ふるい膜もしくは中空糸膜等を用いる分画法等を適宜選択し、またこれらを組合わせて実施することにより、精製された酵素標品を得ることができる。
このようにして、所望の熱安定な高活性なフラビン還元酵素を得ることができる。
【0018】
【実施例】
以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
(1)PCR反応の鋳型として使用する組換え体プラスミドpNR1DNAの調製
特願平5ー340061号記載の方法により構築されたニトロ還元酵素遺伝子を発現しうるプラスミドpNR1を含有する大腸菌JM83株を37℃で一晩培養し、アルカリ法『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』を用いてpNR1プラスミドDNAを調製した。すなわち、この培養液1.5mLを遠心分離して、菌体を集め、これを0.1mLのリゾチーム溶液(50mMグルコース・10mMEDTA・25mMトリス塩酸pH8・4mg/mLリゾチーム液)に懸濁させ、室温で5分間反応させ溶菌液を得た。この溶菌液に0.2mLの0.2N水酸化ナトリウム・1%ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)溶液を添加し、混合後5分間氷中に置きアルカリ変性させた。さらに、この変性物に0.15mLの3N酢酸ナトリウムpH5.2を加え混合し、5分間氷中で中和した。この中和物を遠心分離し、沈殿物を除いた上澄みに、等量のTE緩衝液(10mMトリス塩酸pH8・1mMEDTA)飽和フェノールを加えて除蛋白操作を行った後、水層を回収し、これに2倍量のエタノールを加え、混合した後、12000rpmで10分間遠心分離し、沈殿物を得た。この沈殿物を0.05mLのTE緩衝液に溶解し、これに0.001mLの0.5mg/mLRNA分解酵素A溶液を加え、混合後37℃で30分間反応させ、RNAを分解した。この反応液に20%ポリエチレングリコール・2.5M塩化ナトリウム溶液を加え、氷中で1時間放置した後、12000rpm、10分間遠心分離した。これにより生じた沈殿を70%エタノールで洗浄した後乾燥させ、0.05mLのTE緩衝液に溶解して組換え体pNR1プラスミドDNAを調製した。
【0019】
(2)PCRによるニトロ還元酵素遺伝子のランダム変異
調製したpNR1プラスミドDNAを鋳型として、開始コドンATGを含んだ上流側の合成オリゴヌクレオチドプライマーNR−Nと終止コドンTAAを含んだ下流側の合成プライマーNR−C(図1に示す)を用いて、ランダムに変異が導入できるPCR法『Innis,M.A., Gelfand,D.H., Sninsky,J.J. and White,T.J. (1990) PCR Protocols: A Guide to Methods And Applications. Academic Press』により、ニトロ還元酵素遺伝子のコーディング領域を増幅反応した。すなわち、Taq DNAポリメラーゼの基質であるdNTPの濃度を、dTTP, dCTP, dGTPについては、それぞれ1 mM, dATPは0.2 mMとし、0.5 mM MnCl2を含む6.1 mM MgCl2、そして1 ngの標的プラスミドに対して25サイクルのPCR反応をおこなった。アガロース電気泳動『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』で、標的DNAの増幅の確認を行った後、このPCR反応液を上記(1)項に記載のように、フェノールで除蛋白処理した後、1/10量の3M酢酸ナトリウムpH5.2及び2.5倍量のエタノールを加え、温度−70℃で15分間放置した後、12000rpmで10分間遠心分離し、沈殿物を得た。この沈殿物を乾燥した後、0.05mLのTE緩衝液に溶解し、変異ニトロ還元酵素遺伝子のDNA断片溶液を作製した。
【0020】
(3)変異ニトロ還元酵素遺伝子を発現しうるプラスミドを有する大腸菌の作製
得られた変異ニトロ還元酵素遺伝子のDNA断片の溶液0.05mLを、0.006mLのMed緩衝液(10mMトリス塩酸pH7.5・10mM塩化マグネシウム・1mMジチオスレイトール・50mM塩化ナトリウム)と10ユニットの制限酵素XbaIおよびEcoRIを加え、温度37 ℃で1時間反応させて切断した。この切断物を70 ℃で処理し、制限酵素を失活した。この処理物を上記(1)項に記載の方法と同様にフェノール抽出し、その後、上記(2)に記載の方法と同様にエタノール沈殿し、沈殿物を得た。この沈殿物を乾燥後、0.01mLのTE緩衝液に溶解した。この溶液の0.005mLに、0.001mLのX10ライゲーション緩衝液(20mM塩化マグネシウム・660mMトリス塩酸pH7.6・10mMATP・150mMジチオスレイトール)、1ユニットのT4DNAライゲース及び変異ニトロ還元酵素遺伝子のDNA断片と同様にして制限酵素XbaI及びEcoRIにより切断処理されたpUC118プラスミド『Vieira,J. and Messing,J. (1987) メソッズインエンザイモロジー(Methods Enzymol.) 153, 3』の0.001mgを加え、さらに、水を加えて全量0.01mLとして、温度16℃にて16時間反応を行った。得られた反応液を用い、『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』に記載の形質転換法により、大腸菌JM83株『Messing,J. and Vieira,J.(1982) ジーン(Gene), 19, 269』を形質転換し、アンピシリン耐性及びベーターガラクトシダーゼ活性を検討し、形質転換株を得た。図2に変異ニトロ還元酵素遺伝子を発現しうるプラスミドの構築工程を示す。
【0021】
(4)フラビン還元酵素遺伝子を発現するプラスミドを含有する大腸菌の選択
得られた形質転換株の90株について、コロニーを0.05mg/mLアンピシリン含有LB培地(1L当り、トリプトン10g・イーストエクストラクト5g・塩化ナトリウム10gを含有し、水酸化ナトリウムで中和してある)『Sambrook,J.,Fritsch,E.F. and Maniatis,T. (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York』の10mLに植菌し、37 ℃で5時間培養した。その菌体に対して、ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDSーPAGEと略す)による分析『Laemmli,U.K. (1970) ネイチャー(Nature), 277, 680』を行い、プラスミドを有していない大腸菌の発現蛋白のパターンと比較して、形質転換株のプラスミドから発現する変異ニトロ還元酵素の量とサイズを見積もったところ、その発現量はまちまちで、そのサイズは分子量27,000を示した。
【0022】
次に、変異ニトロ還元酵素の発現が確認できた形質転換株に対して、上記の培養液1.5mlを10,000rpmで遠心分離し、上清を除いた。菌体を50mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)0.5mlに懸濁し、ブランソン社製のソニファイヤー250を用いて、超音波破砕した。この破砕物を12,000rpm、4℃で30分間遠心分離し、この上清を粗酵素抽出液とした。この抽出液に対して、フラビン還元酵素活性とニトロ還元酵素活性を測定した。フラビン還元酵素活性の測定は、電子供与体としてNADHを用い、電子受容体としてFMNを用いて、善野らの方法『Zenno,S., Saigo,K., Kanoh,H. and Inouye,S. (1994) ジャーナルオブバクテリオロジー(J. Bacteriol.), 176, 3536』で行った。一方、ニトロ還元酵素活性の測定は、電子供与体としてNADHを用い、電子受容体としてニトロフラゾンを用いて、Petersonらの方法『Peterson,F.J., Mason,R.P., Hovsepian,J. and Holtzman,J.L. (1979) ジャーナルオブバイオロジカルケミストリー(J. Biol. Chem.), 254, 4009』で行った。さらに、蛋白濃度の測定はバイオラッド社製のプロテインアッセイキットを用いて、標準蛋白を牛血漿グロブリンとして、色素結合法『Bradford,M.M. (1976) アナリティカルバイオケミストリー(Anal. Biochem.) 72, 248』により決定した。
以上の結果、ニトロ還元酵素活性よりフラビン還元酵素活性の方が明らかに高い形質転換株を1株得た。この株の含有するプラスミドをpNR247と名付けた。すなわち、プラスミドpNR247にコードされる変異ニトロ還元酵素は、フラビン還元酵素であった。
【0023】
(5)プラスミドpNR247にコードされるフラビン還元酵素の精製
上記(4)に準拠して、pNR247を含有するJM83株を培養し、この培養液から粗酵素抽出液を得た。この抽出液を出発物として、以下のように、フラビン還元酵素を4 ℃にて精製した。粗酵素抽出液を、10 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)に対して透析した。この透析物を Q Sepharose(Pharmacia LKB社製)陰イオン交換カラム(2.6 x 10 cm)にかけた。50 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)で洗浄後、50−500 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)を用いて溶出した。本クロマトグラフィーは流速2.0 ml/minで行った。それぞれの画分に対して、フラビン還元酵素活性を測定した。次に、酵素活性のピーク画分を10 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)に対して透析した後、Blue Sepharose (Pharmacia LKB社製)カラム(1.0 x 10 cm)にかけた。20 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)で洗浄後、1 mM NADH・20 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)を用いて溶出した。流速1.0 ml/minで行った。さらに、酵素活性のピーク画分に硫酸アンモニウムを20 %になるように加え、Phenyl Sepharose (Pharmacia LKB社製)カラム(1.0 x 15 cm)にかけた。20 %硫酸アンモニウム/50 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)で洗浄後、20−4 %硫酸アンモニウム/50 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)を用いて溶出した。流速1.0 ml/minで行った。最後に、酵素活性のピーク画分をCentricon 10(Amicon社製)で濃縮し、Superose 12 (Pharmacia LKB社製)ゲルろ過カラム(1 x 30 cm)にかけた。本クロマトグラフィーは100 mMリン酸カリウム緩衝液(pH7)を用いて、流速0.2 ml/minで行った。この酵素活性画分を精製フラビン還元酵素とした。本標品を上記(4)に記載のSDSーPAGEによる分析で評価したところ、単一バンドの蛋白として検出された。
【0024】
また、本酵素のニトロ還元酵素活性とフラビン還元酵素活性を測定したところ、それぞれ9.55 mmol/mg蛋白および1380mmol/mg蛋白であった。それに対して、同様にして精製した変異を導入していない正常なニトロ還元酵素の、ニトロ還元酵素活性とフラビン還元酵素活性は、それぞれ9.74 mmol/mg蛋白および0.647mmol/mg蛋白であった。よって、pNR247にコードされる酵素はフラビン還元酵素であり、変異を導入することにより、ニトロ還元酵素をフラビン還元酵素に変換できた。
また、善野らの方法『Zenno,S., Saigo,K., Kanoh,H. and Inouye,S. (1994) ジャーナルオブバクテリオロジー(J. Bacteriol.), 176, 3536』で精製したVibrio fischeriのフラビン還元酵素は、ニトロ還元酵素活性とフラビン還元酵素活性が、それぞれ14.1 mmol/mg蛋白および35.2 mmol/mg蛋白であった。このことから、今回得たニトロ還元酵素を改変して得られたフラビン還元酵素が、大腸菌のニトロ還元酵素とV. fischeriのフラビン還元酵素より、高いフラビン還元酵素活性を有していた。
【0025】
(6)プラスミドpNR247にコードされるフラビン還元酵素遺伝子の塩基配列の決定
フラビン還元酵素遺伝子を有するpNR247プラスミドDNAを、上記(1)項に記載のアルカリ法を用いて調製した。pNR247プラスミドの挿入DNA断片の塩基配列をジデオキシ変法『Hattori,M. and Sakaki,Y. (1986) アナリティカルバイオケミストリー(Anal. Biochem.) 152, 232』 にて決定した。その塩基配列は、配列番号1に示す。また、その塩基配列から予測されるアミノ酸配列を、配列番号2に示す。図3に示すように、正常なニトロ還元酵素のアミノ酸配列と得られた塩基配列から予測されるアミノ酸配列を比較したところ、アミノ酸配列の124番目のフェニルアラニン(Phe)がセリン(Ser)に置換していた。
【0026】
(7)プラスミドpNR247にコードされるフラビン還元酵素の熱安定性試験
上記(5)で得られたフラビン還元酵素を1mg/mlの濃度で、0.1mLづつ1.5mLチューブに入れ密栓し、1時間で4〜60℃に加温して処理した後、上記(4)に記載の方法でフラビン還元酵素活性を測定した。比較として、善野らの方法『Zenno,S., Saigo,K., Kanoh,H. and Inouye,S. (1994) ジャーナルオブバクテリオロジー(J. Bacteriol.), 176, 3536』で精製した発光細菌Vibrio fischeriのフラビン還元酵素に関しても、同様に、熱安定性を試験した。これらの結果を図4に示す。本発明のフラビン還元酵素は40℃まで安定なのに対して、発光細菌Vibrio fischeriのフラビン還元酵素は30℃までしか安定でなかった。本発明のフラビン還元酵素の方が、発光細菌Vibrio fischeriのフラビン還元酵素より安定な酵素であることが解った。
【0027】
【発明の効果】
本発明により、大腸菌のニトロ還元酵素遺伝子に変異を導入することにより、大腸菌のニトロ還元酵素および発光細菌V. fischeriのフラビン還元酵素より、高いフラビン還元活性を有し、V. fischeriのフラビン還元酵素より、安定な新規なフラビン還元酵素を提供することができた。そして、本発明の方法により、高いフラビン還元活性を有する、安定なフラビン還元酵素を効率よく生産することができるので、本発明は産業上極めて有用である。
【0028】
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図1】ニトロ還元酵素遺伝子の変異導入に用いられたPCR用のオリゴヌクレオチドプライマー(NR−NおよびNR−C)。制限酵素切断部位は下線で示した。
【図2】本発明に係わる大腸菌の変異ニトロ還元酵素遺伝子を含有する本発明の組換えプラスミド構築工程を示す。
pUCプラスミドベクターに由来する部分は白色で、変異ニトロ還元酵素遺伝子の部分は斜め線で示した。
【図3】正常なニトロ還元酵素遺伝子とフラビン還元酵素遺伝子の塩基配列の相違部分とその周辺の構造を示す。
番号は正常なニトロ還元酵素およびフラビン還元酵素のアミノ酸配列の位置を示す。正常なニトロ還元酵素遺伝子とフラビン還元酵素活性遺伝子の塩基配列の相違部分は矢印で示した。
【図4】フラビン還元酵素の熱安定性試験の結果を示す。
酵素活性は4℃での活性を100%として、各温度における活性を相対活性として%で表した。○は本発明のフラビン還元酵素で、□は発光細菌のフラビン還元酵素である。
【符号の説明】
lacP ラクトースオペロンのプロモーター
Ampr アンピシリン耐性遺伝子
pUC118 プラスミドベクター
pNR1 正常なニトロ還元酵素遺伝子発現プラスミド
pNR247 フラビン還元酵素遺伝子発現プラスミド
NruI 制限酵素切断部位(TCGCGA)
PstI 制限酵素切断部位(CTGCAG)
EcoRI 制限酵素切断部位(GAATTC)
XbaI 制限酵素切断部位(TCTAGA)
HincII 制限酵素切断部位(GTPyPuAC:Pyはピリミジン、Puはプリンを表す)
nr 正常なニトロ還元酵素遺伝子の塩基配列
fr フラビン還元酵素遺伝子の塩基配列
NR 正常なニトロ還元酵素のアミノ酸配列
FR フラビン還元酵素のアミノ酸配列[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a flavin reductase gene of Escherichia coli, a flavin reductase, a recombinant DNA obtained by inserting the gene into a vector DNA, and a method for producing a flavin reductase using a microorganism containing the recombinant DNA.
[0002]
[Prior art]
Luminescent luciferase is a reduced flavin mononucleotide (hereinafter referred to as FMNH).2And a long-chain fatty aldehyde as a substrate, in the presence of oxygen, an oxidized flavin mononucleotide (hereinafter referred to as FMN) and a long-chain carboxylic acid are produced, and the reaction that emits blue light at that time is catalyzed.
Luminescent bacterial luciferase is useful for measurement of various physiologically active substances using this luminescence as an index. When bacterial luciferase is used in a test tube or the like, FMNH as a substrate is used.2Is immediately autoxidized and converted to FMN, so that flavin reductase must be present in the reaction system.
[0003]
Therefore, flavin reductase is an enzyme indispensable for a detection system using the luminescence of bacterial luciferase as an index. But luminous bacteriaVibrio fischeriHowever, the flavin reductase was unstable and easily reduced in activity.
On the other hand, flavin reductaseVibrio fischeriWas only known to have one enzyme. "Duane, W. and Hastings, JW (1975) Mol. Cell. Biochem. 6, 53-64"
Recently, the present inventorVibrio fischeriWas found to be similar to nitroreductase at the amino acid sequence level and have a low level of nitroreductase activity (described in Japanese Patent Application No. 3-351717). In addition, the nitroreductase gene of Escherichia coli was isolated and its primary structure was clarified (described in Japanese Patent Application No. 5-340061).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, a flavin reductase having higher stability and higher activity has been awaited for use in tests and diagnosis.
That is, the main object of the present invention is to develop a stable and highly active flavin reductase.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnest research on the above problems, the present inventor succeeded in producing a flavin reductase gene encoding a stable and highly active flavin reductase by introducing mutations into the nitroreductase gene, and completed the present invention. did. That is, this application provides the following invention.
(1) Mutation treatment of wild-type nitroreductase gene derived from E. coliAs a method of contacting a drug asFlavin reductase gene obtained by performingAndThe wild type nitroreductase gene is the nfsB gene or the nfnB gene, and in the amino acid sequence encoded by the gene, the amino acid of phenylalanine at position 124 isMutated to serine amino acidCoding amino acid sequenceFlavin reductase gene.
(2) A flavin reductase gene comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 in the sequence listing.
(3)1A flavin reductase encoded by the flavin reductase gene according to Item.
(4)2The flavin reductase of SEQ ID NO: 2 encoded by the flavin reductase gene according to item 2.
(5) A recombinant DNA characterized by inserting a DNA whose base sequence is represented by SEQ ID NO: 1 in the sequence listing into a vector DNA.
(6)5A method for producing a flavin reductase, comprising culturing a microorganism belonging to the genus Escherichia having the ability to produce a flavin reductase in a medium, and collecting the flavin reductase from the culture.
[0006]
The configuration and effects of the present invention will be described in detail below.
The flavin reductase gene of the present invention is a gene obtained by modification based on a nitroreductase gene. For example, in the amino acid sequence of wild-type nitroreductase derived from E. coli, a flavin reductase gene that encodes an amino acid sequence in which the amino acid at position 124 is mutated to an amino acid other than phenylalanine. thisA flavin reductase gene that encodes an amino acid sequence in which the amino acid at position 124 is serine is preferable, and as such an example, a sequence that includes a 651 nucleotide chain in length and encodes a protein consisting of 217 amino acids. A gene containing the base sequence represented by
The enzyme of the present invention has a flavin reducing activity, for example, an FMN reducing activity, and is a protein having an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, for example.
The recombinant DNA of the present invention is obtained by inserting a DNA whose base sequence is represented by SEQ ID NO: 1 into a vector DNA.
The method for producing the enzyme of the present invention includes, for example, culturing a microorganism modified with a recombinant DNA in which a DNA represented by SEQ ID NO: 1 is inserted into a vector DNA, and a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2. Is to manufacture.
[0007]
As a premise for providing a thermostable and highly active flavin reductase by gene modification in the present invention, it is necessary to prepare a wild type nitroreductase gene and a recombinant DNA thereof. The type of wild-type nitroreductase gene or the like is used depending on the type of thermostable highly active flavin reductase gene that is intended to be provided. Any wild-type nitroreductase gene derived from E. coli can be used. For example, a nitroreductase gene that has already been cloned can be used. Such genes include E. colinfsB/nfnBNitro reductase gene "Japanese Patent Application No. 5-340061", Escherichia colinfsAThe nitroreductase gene “Japanese Patent Application No. 6-298936” is exemplified. These genes and the like are prepared according to already known methods. For example, the wild type E. coli gene and its recombinant DNA can be prepared by the method described in Japanese Patent Application No. 5-340061.
[0008]
Mutation treatment of the wild type nitroreductase gene can be performed by a generally known method according to the intended mutant form. That is, a method of contacting a wild-type nitroreductase gene or a recombinant DNA incorporating the gene with a mutagen agent, an ultraviolet irradiation method, a genetic engineering method, or a protein engineering method is widely used. be able to.
Examples of the mutagen used in the above mutation treatment include hydroxylamine, N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine, nitrous acid, sulfurous acid, hydrazine, formic acid, 5-bromouracil and the like. Can do. The conditions for this contact action can be selected according to the type of drug used, and are not particularly limited as long as a desired mutation can be caused in the wild type nitroreductase gene. Usually, the desired mutation can be caused by contacting the drug with a concentration of 0.5-12 M, preferably at a reaction temperature of 20-80 ° C. for 10 minutes or more, preferably 10-180 minutes.
[0009]
Even in the case of performing ultraviolet irradiation, mutation can be caused according to the method described in “Contemporary Science, pp24-30, June 1989”.
As a protein engineering method, a method generally known as site-specific mutagenesis can be used. For example, Kramer method “Kramer W. et al. (1984) Nucleic Acids Res. 12, 9441-9456”, Eckstein method “Taylor, J. W. et al. (1985) Nucleic Acids Res. 87, 8749”. Kunkel method “Kunkel, TA (1985) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 488-492”.
In addition to the above gene modification method, it is of course possible to directly synthesize a desired modified nitroreductase gene, that is, a heat-stable and highly active flavin reductase gene, by an organic synthesis method or an enzyme synthesis method. . The determination and confirmation of the base sequence of the desired flavin reductase gene obtained by the above method can be performed by, for example, the dideoxy modified method “Hattori, M., et al. and Sakaki, Y. et al. (1986) Anal. Biochem. 152, 232 ”and the like.
[0010]
The heat-stable highly active flavin reductase gene obtained as described above is incorporated into a vector such as a bacteriophage, a cosmid, or a plasmid used for transformation of prokaryotic cells or eukaryotic cells by a conventional method, A host corresponding to each vector can be transformed or transduced by a conventional method. For example, when selecting E. coli JM83, E. coli D1210, E. coli JM109, E. coli HB101 or the like as the host, “Sambrook, J. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. A transduced strain can be obtained by transduction according to the method described in Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York.
[0011]
Then, by screening for a strain having the ability to produce a highly active flavin reductase that is more heat stable than the above strain, the recombinant DNA containing the heat stable and highly active flavin reductase gene inserted into the vector DNA is included. And a highly active flavin reductase producing ability can be obtained. In order to obtain a novel recombinant DNA purified from the strain thus obtained, for example, the alkali method “Sambrook, J. et al. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York ”or the like may be used.
[0012]
In order to obtain a DNA containing a highly active flavin reductase gene which is more stable than the recombinant DNA thus obtained, for example, a restriction enzyme such as EcoRI and XbaI is added to the recombinant DNA at a temperature. The reaction-terminated solution is allowed to act at 30-40 ° C. for 1-24 hours, preferably at 37 ° C. for 2 hours. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York ".
[0013]
Using the obtained Escherichia coli strain containing the recombinant DNA obtained by inserting the heat-stable and highly active flavin reductase gene into the vector DNA and having the ability to produce a heat-stable and highly active flavin reductase as described above. In order to produce a heat-stable and highly active flavin reductase, this strain may be cultured by an ordinary solid culture method, but it is preferable to employ a liquid culture method as much as possible.
[0014]
Examples of the medium for culturing the above strain include one or more nitrogen sources such as yeast extract, tryptone, peptone, meat extract, corn steep liquor, soybean or wheat bran leachate, sodium chloride, phosphoric acid first Add one or more inorganic salts such as potassium, dibasic potassium phosphate, magnesium sulfate, magnesium chloride, ferric chloride, ferric sulfate or manganese sulfate, and if necessary, add saccharide raw materials, vitamins, etc. Those appropriately added are used.
[0015]
The initial pH of the medium is suitably adjusted to pH 7-9. The culture is preferably carried out by aeration and agitation culture, shaking culture, stationary culture, etc. at 30-42 ° C., preferably 37 ° C. for 4-24 hours, more preferably 37 ° C. for 12 hours. In order to collect a highly active flavin reductase which is heat-stable from the culture after completion of the culture, it can be obtained using a normal enzyme collecting means.
[0016]
For example, the bacterial cells are subjected to ultrasonic destruction treatment, grinding treatment, etc. by ordinary methods, or the enzyme is discharged using a lytic enzyme such as lysozyme, or shaken or left in the presence of toluene or the like. Thus, this enzyme can be excreted outside the cells by autolysis. Then, this solution is filtered, centrifuged, etc. to remove the solid part. If necessary, the nucleic acid is removed with streptomycin sulfate, protamine sulfate, manganese sulfate, etc., and then added with ammonium sulfate, alcohol, acetone, etc. Fractionate and collect the precipitate to obtain the crude enzyme.
[0017]
In order to obtain a purified enzyme preparation further from the above crude enzyme, for example, gel filtration using Sephadex, Ultrogel or biogel, adsorption elution using ion exchanger, electrophoresis using polyacrylamide gel, hydroxyapatite, etc. Adsorption elution method using sucrose, precipitation method such as sucrose density gradient centrifugation, affinity chromatography method, fractionation method using molecular sieve membrane or hollow fiber membrane, etc. are appropriately selected, and by combining these, A purified enzyme preparation can be obtained.
In this way, a desired thermostable highly active flavin reductase can be obtained.
[0018]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
(1) Preparation of recombinant plasmid pNR1 DNA used as a template for PCR reaction
The Escherichia coli JM83 strain containing the plasmid pNR1 that can express the nitroreductase gene constructed by the method described in Japanese Patent Application No. 5-340061 is cultured at 37 ° C. overnight, and the alkaline method “Sambrook, J. et al. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. PNR1 plasmid DNA was prepared using Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York. That is, 1.5 mL of the culture broth was centrifuged to collect bacterial cells, which were suspended in 0.1 mL of lysozyme solution (50 mM glucose, 10 mM EDTA, 25 mM Tris-HCl pH 8.4 mg / mL lysozyme solution) And reacted for 5 minutes to obtain a lysate. To this lysate, 0.2 mL of 0.2N sodium hydroxide / 1% sodium dodecyl sulfate (SDS) solution was added, and after mixing, the mixture was placed on ice for 5 minutes for alkali denaturation. Further, 0.15 mL of 3N sodium acetate pH 5.2 was added to the denatured product, mixed, and neutralized in ice for 5 minutes. The neutralized product was centrifuged, and after removing the precipitate, an equal volume of TE buffer (10 mM Tris-HCl pH 8.1 mM EDTA) saturated phenol was added to perform deproteinization, and then the aqueous layer was recovered. Two times the amount of ethanol was added to this, mixed, and then centrifuged at 12000 rpm for 10 minutes to obtain a precipitate. This precipitate was dissolved in 0.05 mL of TE buffer, and 0.001 mL of 0.5 mg / mL RNA-degrading enzyme A solution was added thereto. After mixing, the mixture was reacted at 37 ° C. for 30 minutes to decompose RNA. A 20% polyethylene glycol / 2.5M sodium chloride solution was added to the reaction solution, and the mixture was allowed to stand in ice for 1 hour, and then centrifuged at 12000 rpm for 10 minutes. The resulting precipitate was washed with 70% ethanol, dried, and dissolved in 0.05 mL of TE buffer to prepare recombinant pNR1 plasmid DNA.
[0019]
(2) Random mutation of nitroreductase gene by PCR
Using the prepared pNR1 plasmid DNA as a template, using an upstream synthetic oligonucleotide primer NR-N containing the start codon ATG and a downstream synthetic primer NR-C (shown in FIG. 1) containing the stop codon TAA, PCR method [Innis, M., et al. A. , Gelfand, D .; H. Sninsky, J .; J. et al. and White, T .; J. et al. (1990) PCR Protocols: A Guide to Methods And Applications. The coding region of the nitroreductase gene was amplified by “Academic Press”. That is, the concentration of dNTP which is a substrate of Taq DNA polymerase is set to 1 mM for dTTP, dCTP, and dGTP, 0.2 mM for dATP, and 0.5 mM MnCl.26.1 mM MgCl containing2, And 25 cycles of PCR reaction were performed on 1 ng of the target plasmid. Agarose electrophoresis “Sambrook, J. et al. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York "was followed by confirmation of target DNA amplification, and after deproteinization of this PCR reaction solution with phenol as described in (1) above, 1/10 amount of 3M sodium acetate pH 5.2 and 2.5 times amount of ethanol were added and left at a temperature of -70 ° C for 15 minutes, followed by centrifugation at 12000 rpm for 10 minutes to obtain a precipitate. This precipitate was dried and then dissolved in 0.05 mL of TE buffer to prepare a DNA fragment solution of a mutant nitroreductase gene.
[0020]
(3) Production of Escherichia coli having a plasmid capable of expressing a mutant nitroreductase gene
0.05 mL of a solution of the obtained mutant nitroreductase gene DNA fragment was mixed with 0.006 mL of Med buffer (10 mM Tris-HCl pH 7.5, 10 mM magnesium chloride, 1 mM dithiothreitol, 50 mM sodium chloride) and 10 units. Restriction enzymes XbaI and EcoRI were added, and the mixture was reacted at a temperature of 37 ° C. for 1 hour for cleavage. This digested product was treated at 70 ° C. to inactivate the restriction enzyme. This treated product was extracted with phenol in the same manner as in the method described in (1) above, and then ethanol precipitated in the same manner as in the method described in (2) above to obtain a precipitate. This precipitate was dried and then dissolved in 0.01 mL of TE buffer. In 0.005 mL of this solution, 0.001 mL of X10 ligation buffer (20 mM magnesium chloride, 660 mM Tris-HCl, pH 7.6, 10 mM ATP, 150 mM dithiothreitol), 1 unit of T4 DNA ligase and a DNA fragment of the mutant nitroreductase gene PUC118 plasmid “Vieira, J. C., cleaved with restriction enzymes XbaI and EcoRI in the same manner as described above. and Messaging, J.M. (1987) Methods Enzymology (Methods Enzymol.) 153, 3 ”was added in 0.001 mg, and water was added to make a total volume of 0.01 mL, followed by reaction at a temperature of 16 ° C. for 16 hours. Using the obtained reaction solution, “Sambrook, J. et al. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York ", by the transformation method described in Escherichia coli JM83 strain" Messing, J. and Vieira, J. et al. (1982) Gene, 19, 269 ”was transformed, ampicillin resistance and beta-galactosidase activity were examined, and a transformed strain was obtained. FIG. 2 shows a construction process of a plasmid capable of expressing a mutant nitroreductase gene.
[0021]
(4) Selection of E. coli containing plasmid expressing flavin reductase gene
About 90 of the resulting transformants, the colonies were 0.05 mg / mL ampicillin-containing LB medium (containing 10 g of tryptone, 5 g of yeast extract and 10 g of sodium chloride per liter, and neutralized with sodium hydroxide. ) Sambrook, J. et al. , Fritsch, E .; F. and Maniatis, T .; (1989) Molecular cloning: a laboratory manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York "was inoculated into 10 mL, and cultured at 37 ° C for 5 hours. The cells were analyzed by sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (abbreviated as SDS-PAGE) [Laemmli, U. K. (1970) Nature, 277, 680 ”to estimate the amount and size of the mutant nitroreductase expressed from the plasmid of the transformant compared to the expression protein pattern of E. coli without the plasmid. As a result, the expression level varied, and the size showed a molecular weight of 27,000.
[0022]
Next, 1.5 ml of the above culture solution was centrifuged at 10,000 rpm with respect to the transformed strain in which the expression of the mutant nitroreductase was confirmed, and the supernatant was removed. The cells were suspended in 0.5 ml of 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7), and sonicated using a Branson Sonifier 250. This crushed material was centrifuged at 12,000 rpm and 4 ° C. for 30 minutes, and this supernatant was used as a crude enzyme extract. The extract was measured for flavin reductase activity and nitroreductase activity. The measurement of flavin reductase activity was performed using the method of Zenno et al., Zeno, S., using NADH as an electron donor and FMN as an electron acceptor. Saigo, K .; , Kanoh, H .; and Inouye, S .; (1994) Journal of Bacteriology (176, 3536). On the other hand, the measurement of nitroreductase activity was carried out using the method of Peterson et al., “Peterson, F. et al.” Using NADH as an electron donor and nitrofurazone as an electron acceptor. J. et al. Mason, R .; P. Hovsepian, J .; and Holtzman, J. et al. L. (1979) Journal of Biological Chemistry (J. Biol. Chem.), 254, 4009 ”. Further, the protein concentration was measured using a protein assay kit manufactured by Bio-Rad, using the standard protein as bovine plasma globulin and the dye binding method “Bradford, M. et al. M.M. (1976) Anal. Biochem. 72, 248 ”.
As a result, one transformant having a clearly higher flavin reductase activity than nitroreductase activity was obtained. The plasmid contained in this strain was named pNR247. That is, the mutant nitroreductase encoded by plasmid pNR247 was a flavin reductase.
[0023]
(5) Purification of flavin reductase encoded by plasmid pNR247
Based on (4) above, the JM83 strain containing pNR247 was cultured, and a crude enzyme extract was obtained from this culture. Starting from this extract, flavin reductase was purified at 4 ° C. as follows. The crude enzyme extract was dialyzed against 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7). The dialyzate was applied to a Q Sepharose (Pharmacia LKB) anion exchange column (2.6 × 10 cm). After washing with 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7), elution was performed using 50-500 mM potassium phosphate buffer (pH 7). This chromatography was performed at a flow rate of 2.0 ml / min. Flavin reductase activity was measured for each fraction. Next, the peak fraction of enzyme activity was dialyzed against 10 mM potassium phosphate buffer (pH 7), and then applied to a Blue Sepharose (Pharmacia LKB) column (1.0 × 10 cm). After washing with 20 mM potassium phosphate buffer (pH 7), elution was performed using 1 mM NADH · 20 mM potassium phosphate buffer (pH 7). The flow rate was 1.0 ml / min. Furthermore, ammonium sulfate was added to the peak fraction of enzyme activity so as to be 20%, and it was applied to a Phenyl Sepharose (Pharmacia LKB) column (1.0 × 15 cm). After washing with 20% ammonium sulfate / 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7), elution was performed using 20-4% ammonium sulfate / 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7). The flow rate was 1.0 ml / min. Finally, the peak fraction of enzyme activity was concentrated with Centricon 10 (Amicon) and applied to a Superose 12 (Pharmacia LKB) gel filtration column (1 × 30 cm). This chromatography was performed using a 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7) at a flow rate of 0.2 ml / min. This enzyme activity fraction was used as a purified flavin reductase. When this sample was evaluated by the SDS-PAGE analysis described in (4) above, it was detected as a single band protein.
[0024]
Moreover, when the nitroreductase activity and the flavin reductase activity of this enzyme were measured, they were 9.55 mmol / mg protein and 1380 mmol / mg protein, respectively. On the other hand, the nitroreductase activity and the flavin reductase activity of the normal nitroreductase without the introduced mutation were 9.74 mmol / mg protein and 0.647 mmol / mg protein, respectively. It was. Therefore, the enzyme encoded by pNR247 is a flavin reductase, and nitroreductase could be converted to flavin reductase by introducing a mutation.
In addition, the method of Zenno et al. Saigo, K .; , Kanoh, H .; and Inouye, S .; (1994) J. Bacteriol., 176, 3536 ”.Vibrio fischeriThe flavin reductase had a nitroreductase activity and a flavin reductase activity of 14.1 mmol / mg protein and 35.2 mmol / mg protein, respectively. From this, the flavin reductase obtained by modifying the nitroreductase obtained this time is the same as the nitroreductase of Escherichia coli.V.fischeriThe flavin reductase activity was higher than that of flavin reductase.
[0025]
(6) Determination of the base sequence of the flavin reductase gene encoded by the plasmid pNR247
PNR247 plasmid DNA having a flavin reductase gene was prepared using the alkaline method described in the above section (1). The base sequence of the inserted DNA fragment of the pNR247 plasmid was converted to the dideoxy modified method “Hattori, M. et al. and Sakaki, Y. et al. (1986) Anal. Biochem. 152, 232 ”. The base sequence is shown in SEQ ID NO: 1. The amino acid sequence predicted from the nucleotide sequence is shown in SEQ ID NO: 2. As shown in FIG. 3, when comparing the amino acid sequence of a normal nitroreductase with the amino acid sequence predicted from the obtained base sequence, the 124th phenylalanine (Phe) in the amino acid sequence was substituted with serine (Ser). It was.
[0026]
(7) Thermostability test of flavin reductase encoded by plasmid pNR247
The flavin reductase obtained in (5) above was placed in a 1.5 mL tube at a concentration of 1 mg / ml in a 1.5 mL tube, sealed, heated to 4 to 60 ° C. for 1 hour, and then treated ( The flavin reductase activity was measured by the method described in 4). For comparison, the method of Zenno et al. Saigo, K .; , Kanoh, H .; and Inouye, S .; (1994) Luminescent bacteria purified by J. Bacteriol., 176, 3536Vibrio fischeriSimilarly, the thermal stability of the flavin reductase was also tested. These results are shown in FIG. The flavin reductase of the present invention is stable up to 40 ° C.Vibrio fischeriThe flavin reductase was only stable up to 30 ° C. The flavin reductase of the present invention is a luminescent bacteriumVibrio fischeriIt was found to be a more stable enzyme than flavin reductase.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, by introducing a mutation into the nitroreductase gene of E. coli, the nitroreductase and luminescent bacteria of E. coliV.fischeriIt has higher flavin reducing activity than flavin reductase ofV.fischeriThus, a new stable flavin reductase was able to be provided. And since the stable flavin reductase which has high flavin reduction activity by the method of this invention can be produced efficiently, this invention is very useful industrially.
[0028]
[Sequence Listing]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows oligonucleotide primers for PCR (NR-N and NR-C) used for introducing a mutation in a nitroreductase gene. Restriction enzyme cleavage sites are underlined.
FIG. 2 shows a process for constructing a recombinant plasmid of the present invention containing a mutant nitroreductase gene of Escherichia coli according to the present invention.
The part derived from the pUC plasmid vector is white and the part of the mutant nitroreductase gene is indicated by diagonal lines.
FIG. 3 shows the difference between the base sequences of the normal nitroreductase gene and the flavin reductase gene and the structure around it.
The numbers indicate the position of the amino acid sequences of normal nitroreductase and flavin reductase. The differences between the base sequences of the normal nitroreductase gene and the flavin reductase activity gene are indicated by arrows.
FIG. 4 shows the results of a thermal stability test for flavin reductase.
The enzyme activity was expressed as% with the activity at 4 ° C. as 100% and the activity at each temperature as the relative activity. ○ is the flavin reductase of the present invention, and □ is the flavin reductase of luminescent bacteria.
[Explanation of symbols]
lacP Lactose operon promoter
Ampr ampicillin resistance gene
pUC118 plasmid vector
pNR1 Normal nitroreductase gene expression plasmid
pNR247 Flavin reductase gene expression plasmid
NruI restriction enzyme cleavage site (TCGCGA)
PstI restriction enzyme cleavage site (CTGCAG)
EcoRI restriction enzyme cleavage site (GAATTC)
XbaI restriction enzyme cleavage site (TCTAGA)
HincII restriction enzyme cleavage site (GTPyPuAC: Py represents pyrimidine, Pu represents purine)
nr Nucleotide sequence of normal nitroreductase gene
base sequence of fr flavin reductase gene
NR Amino acid sequence of normal nitroreductase
Amino acid sequence of FR flavin reductase
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