JP4228121B2 - Functionally modified phenylalanine dehydrogenase and method for analyzing amino acids in biological samples using this enzyme - Google Patents

Functionally modified phenylalanine dehydrogenase and method for analyzing amino acids in biological samples using this enzyme Download PDF

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Description

本発明は、フェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)のメチオニンに対する基質特異性を改善するように、少なくとも3つのアミノ酸が修飾された改変酵素に関する。さらに本発明は、この改変酵素を用いる、生体試料中に含まれるL-メチオニン等のアミノ酸の分析方法に関する。   The present invention relates to a modified enzyme in which at least three amino acids have been modified to improve the substrate specificity of phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) for methionine. Furthermore, the present invention relates to a method for analyzing amino acids such as L-methionine contained in a biological sample using this modified enzyme.

本発明によれば、特に、先天性代謝異常症であるホモシスチン尿症、フェニルケトン尿症およびメープルシロップ尿症等の疾患において、早期発見のための新生児マス・スクリーニング、あるいは当該患者の定期健康診断について利用可能な検査方法を提供できる。さらに、本発明の分析方法は、食品あるいは環境中に含まれるL-メチオニン、L-フェニルアラニン、L-ロイシン、L-イソロイシンあるいはL-バリンなどの検出、定量に用いることもできる。   According to the present invention, particularly in diseases such as homocystinuria, phenylketonuria and maple syrup urine disease, which are inborn errors of metabolism, neonatal mass screening for early detection, or periodic health checkup of the patient Can provide available inspection methods. Furthermore, the analysis method of the present invention can also be used for detection and quantification of L-methionine, L-phenylalanine, L-leucine, L-isoleucine, L-valine and the like contained in food or the environment.

先天性代謝異常症の早期発見を目的とする新生児マス・スクリーニングの世界的な普及は、フェニルケトン尿症(Phenylketonuria; PKU)の治療法の発見と、乾燥ろ紙血液中のL-フェニルアラニン(L-Phe)の半定量法がGuthrieら(Pediatrics, Vol. 32, p. 338-343 (1963)、非特許文献1)によって開発されたことに始まる。先天性代謝異常症は現在までに約500種類もの症例が報告されており、中でも特に治療法が確立され適切な治療が行われることによって正常な生育が期待される疾患7種から22種類の症例について全国的に新生児に対してマス・スクリーニングが行われている。   The worldwide spread of neonatal mass screening for the early detection of congenital metabolic disorders is the discovery of a cure for phenylketonuria (PKU) and L-phenylalanine (L-phenylalanine) in dry filter paper blood. Phe) was developed by Guthrie et al. (Pediatrics, Vol. 32, p. 338-343 (1963), Non-Patent Document 1). About 500 cases of inborn errors of metabolism have been reported so far, and in particular, there are 7 to 22 cases of diseases for which normal growth is expected by the establishment of treatment and appropriate treatment. Mass screening is conducted on newborns nationwide.

フェニルケトン尿症のスクリーニングについては、酵素法(Screening, Vol. 1, p. 63 (1992)、非特許文献2、医学と薬学、Vol. 31, p. 1237 (1994)、非特許文献3)あるいはマイクロプレート蛍光法(Clinical Chemistry, Vol. 35, p. 1962 (1989)、非特許文献4)と呼ばれる酵素反応とそれに続く蛍光反応をマイクロプレートで行い、蛍光強度から検体中のL-フェニルアラニンを定量するキットが開発された(医学と薬学、Vol. 37, p. 1211 (1997)、非特許文献5)。また、メープルシロップ尿症のスクリーニングについても、前記フェニルケトン尿症のスクリーニング方法と同様にL-ロイシン特異的脱水素酵素を用いたマイクロプレート蛍光法が開発された。   For screening for phenylketonuria, an enzymatic method (Screening, Vol. 1, p. 63 (1992), Non-patent document 2, Medicine and pharmacy, Vol. 31, p. 1237 (1994), Non-patent document 3) Alternatively, an enzyme reaction called microplate fluorescence (Clinical Chemistry, Vol. 35, p. 1962 (1989), Non-Patent Document 4) followed by a fluorescence reaction is performed on the microplate, and L-phenylalanine in the sample is determined from the fluorescence intensity. A kit for quantification was developed (Medicine and Pharmacy, Vol. 37, p. 1211 (1997), Non-Patent Document 5). Further, for the screening of maple syrup urine disease, a microplate fluorescence method using an L-leucine-specific dehydrogenase was developed in the same manner as the above-described screening method for phenylketonuria.

一方、ホモシスチン尿症のスクリーニング方法については、メチオニン γ-lyaseを用いるホモシスチン尿症のマス・スクリーニング法の開発(平成5年度厚生省心身障害研究「マス・スクリーニングシステムの評価方法に関する研究」pp. 237-240 (1993)、非特許文献6)が報告されている。本法は、L-メチオニン γ-lyaseの酵素反応によってL-メチオニンから遊離されるアンモニア(NH3)を、o-フタルアルデヒド(OPA)と2-メルカプトエタノール(2ME)の中性域での特異蛍光を利用して測定する方法である。 On the other hand, as a screening method for homocystinuria, the development of a mass screening method for homocystinuria using methionine γ-lyase (Research on evaluation method of mass screening system, Ministry of Health and Welfare, 1993) pp. 237- 240 (1993), Non-Patent Document 6) has been reported. In this method, ammonia (NH 3 ) released from L-methionine by enzymatic reaction of L-methionine γ-lyase is detected in the neutral region of o-phthalaldehyde (OPA) and 2-mercaptoethanol (2ME). This is a method of measuring using fluorescence.

これらのマイクロプレート蛍光定量法は、検体処理能力の高さに加え、従来法では困難とされていた検査結果の客観的判定である定量化や記録化が容易にできる利点を有している。さらに、検体の前処理を含めて3時間程度で検査結果を得ることが可能であり、迅速性や利便性、さらに作業効率などの点でも従来法に比べて大幅に改善されている。
Pediatrics, vol. 32, p. 338 (1963) Screening, vol. 1, p. 63 (1992) 医学と薬学、vol. 31, p. 1237 (1994) Clinical Chemistry, vol. 35, p. 1962 (1989) 医学と薬学、vol. 37, p. 1211 (1997) 平成5年度厚生省心身障害研究「マス・スクリーニングシステムの評価方法に関する研究」pp. 237-240 (1993)
These microplate fluorescence quantification methods have an advantage that quantification and recording, which are objective determinations of test results, which have been difficult in the conventional method, can be easily performed in addition to high specimen processing ability. Furthermore, the test result can be obtained in about 3 hours including the pretreatment of the specimen, and the speed, convenience and work efficiency are greatly improved compared to the conventional method.
Pediatrics, vol. 32, p. 338 (1963) Screening, vol. 1, p. 63 (1992) Medicine and pharmacy, vol. 31, p. 1237 (1994) Clinical Chemistry, vol. 35, p. 1962 (1989) Medicine and pharmacy, vol. 37, p. 1211 (1997) 1993 Ministry of Health and Welfare Psychosomatic Research "Study on Evaluation Method of Mass Screening System" pp. 237-240 (1993)

ホモシスチン尿症以外の重要先天性代謝異常症疾患(フェニルケトン尿症、ガラクトース血症およびメープルシロップ尿症等)のマイクロプレートを用いた酵素蛍光法によるマス・スクリーニングでは、各測定項目に特異的な脱水素酵素を用い、測定の手順、試薬組成および検出蛍光波長等において共通しており、多検体同時測定が可能なシステムとなっている。一方、前記ホモシスチン尿症のスクリーニング法、すなわちL-メチオニン γ-リアーゼを用いたアンモニアの蛍光定量による間接的血中メチオニンの定量法では、測定手順、試薬組成および検出蛍光波長等において他の先天性代謝異常症疾患の測定方法とは大きく異なっている。また、この方法では、環境中のアンモニアなどによる試料の汚染等に敏感であり、細心の注意を払う必要があった。このため、診断項目毎に検体を分別しなければならないことから、スクリーニングを行う際の作業効率を改善する必要性があった。   Mass screening by enzyme fluorescence using microplates for important inborn errors of metabolism other than homocystinuria (phenylketonuria, galactosemia, maple syrup urine disease, etc.) is specific to each measurement item. Using a dehydrogenase, the measurement procedure, reagent composition, detection fluorescence wavelength, etc. are common, and the system allows simultaneous measurement of multiple samples. On the other hand, in the screening method for homocystinuria, that is, the indirect blood methionine quantification method by fluorescence quantification of ammonia using L-methionine γ-lyase, other congenital methods such as measurement procedure, reagent composition and detection fluorescence wavelength are used. This is very different from the method of measuring metabolic disorders. In addition, this method is sensitive to contamination of the sample by ammonia in the environment, and it is necessary to pay close attention. For this reason, there is a need to improve the work efficiency when performing screening because the specimen must be sorted for each diagnostic item.

本発明では、ホモシスチン尿症以外の重要先天性代謝異常症疾患と同様にL-メチオニン特異的な脱水素酵素を進化分子工学的手法により作出し、血液試料中のL-メチオニン濃度を酵素蛍光法により定量できるようにするとともに、測定手順、試薬組成および検出蛍光波長等において他の先天性代謝異常症疾患の診断キットと同様な仕様にすることでスクリーニング作業効率の大幅な改善を提供することを目的とする。   In the present invention, an L-methionine-specific dehydrogenase is produced by an evolutionary molecular engineering technique as in the case of important inborn errors of metabolism other than homocystinuria, and the concentration of L-methionine in a blood sample is determined by an enzyme fluorescence method. In addition to providing the same specifications as other diagnostic kits for inborn errors of metabolism in terms of measurement procedure, reagent composition and detection fluorescence wavelength, etc., it will provide a significant improvement in screening work efficiency. Objective.

より具体的には、本発明の目的は、L-メチオニンに対して基質特異性を有するフェニルアラニン脱水素酵素を進化分子工学的手法により作出して、メチオニンの酵素蛍光定量法に適した機能改変アミノ酸脱水素酵素を提供することにある。さらに、本発明は、作出した機能改変アミノ酸脱水素酵素を用いた、被検試料(血液試料)に含まれるL-メチオニンの分析方法を提供することも目的とする。   More specifically, an object of the present invention is to create a phenylalanine dehydrogenase having substrate specificity for L-methionine by an evolutionary molecular engineering technique, and to provide a functionally modified amino acid suitable for enzymatic fluorescence determination of methionine. It is to provide a dehydrogenase. Another object of the present invention is to provide a method for analyzing L-methionine contained in a test sample (blood sample) using the produced function-modified amino acid dehydrogenase.

また、本発明ではL-フェニルアラニン、L-ロイシン、L-バリン、L-イソロイシンおよびL-メチオニンに対して基質特異性が広いアミノ酸脱水素酵素を作出することによって、これらアミノ酸の血中異常濃度が確認されている先天性代謝異常症および前記アミノ酸の血中異常濃度が確認され得る疾病の検出あるいは1次スクリーニングの手法として適当な手段を提供するものである。   Further, in the present invention, by producing amino acid dehydrogenase having a wide substrate specificity for L-phenylalanine, L-leucine, L-valine, L-isoleucine and L-methionine, abnormal concentrations of these amino acids in blood can be increased. The present invention provides an appropriate means as a method for detection or primary screening of confirmed inborn errors of metabolism and diseases in which abnormal blood concentrations of the amino acids can be confirmed.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するための本発明は以下の通りである。
[1] Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の66番目のアミノ酸残基をシステイン(Cys)、124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をメチオニン(Met)、295番目のアミノ酸残基をアスパラギン(Asn)に置換し、且つ310番目のアミノ酸残基をプロリン(Pro)、アルギニン(Arg)またはグリシン(Gly)に置換した改変酵素。
[2] 310番目のアミノ酸残基をプロリン(Pro)に置換した請求項1に記載の改変酵素。
[3] Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の66 番目のアミノ酸残基をシステイン(Cys)、124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をメチオニン(Met)、295番目のアミノ酸残基をアスパラギン(Asn)に置換した改変酵素。
[4] Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をロイシン(Lue)に置換し、且つ310番目のアミノ酸残基をスレオニン(Thr)に置換した改変酵素。
[5] [1]〜[4]のいずれかに記載の酵素のN末端側に1〜12個のヒスチジンから成るオリゴペプチド(ヒスチジン・タグ)を融合したタンパク質。
[6] [1]〜[4] のいずれかに記載の酵素または[5]に記載の融合タンパク質をコードする塩基配列を有するDNA。
[7] 下記いずれかのDNA。
(1)配列表の配列番号3に記載の塩基配列を有するDNAであって、196〜198番目のctgがtgtあるいはtgc、370〜372番目のggtがagt、agc、tct、tcc、tcaあるいはtcg、433〜435番目のaacがatg、883〜885番目のctaがaatあるいはaac、且つ928〜930番目のgttがcct、ccc、ccaあるいはccgであるDNA、
(2)(1)のDNAに相補的な塩基配列を有するDNA。
[8] 下記いずれかのDNA。
(11)配列表の配列番号4に記載のアミノ酸配列であって、
124番目のアミノ酸がセリン(Ser)であ
310番目のアミノ酸がプロリン(Pro)であ
66番目のアミノ酸がシステイン(Cys)であ
145番目のアミノ酸がメチオニン(Met)であ、及び
295番目のアミノ酸がアスパラギン(Asn)である、
ミノ酸配列をコードするDNA、
(12)配列表の配列番号4に記載のアミノ酸配列であって、
124番目のアミノ酸がセリン(Ser)であり、
66番目のアミノ酸がシステイン(Cys)であり、
145番目のアミノ酸がメチオニン(Met)であり、及び
295番目のアミノ酸がアスパラギン(Asn)である、
アミノ酸配列をコードするDNA、
(13)(11)及び(12)のいずれかのDNAに相補的な塩基配列を有するDNA。
[9] [6]〜[8]のいずれかに記載のDNAを含むベクター。
[10] [6]〜[8]のいずれかに記載のDNAのいずれかの末端側に1〜12個のヒスチジンからなるオリゴペプチドをコードするDNAをさらに含む[9]に記載のベクター。
[11] [9]または[10]に記載のベクターで宿主を形質転換した形質転換体。
[12] [11]に記載の形質転換体を培養し、培養物からフェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)のメチオニンに対する基質特異性を改善するように、少なくとも3つのアミノ酸が修飾された改変酵素を採取する改変酵素の調製方法。
[13] 採取される改変酵素が、[1]〜[4]のいずれかに記載の酵素または[5]に記載の融合タンパク質である[12]に記載の調製方法。
[14] [1]〜[4]のいずれかに記載の酵素または[5]に記載の融合タンパク質を用いて、被検試料に含まれるL-メチオニンを分析する方法。
[15] L-ロイシン、L-イソロイシン、L-バリンおよびL-フェニルアラニンの少なくとも1つを併せて分析する[14]に記載の方法。
[16] 被検試料をレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)と混合し、発色を検出することを含む、[14]または[15]に記載の方法。
[17] 被検試料とレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)との混合をマイクロプレートのウェル中で行う[16]に記載の方法。
[18] 被検試料が血液試料である[14]〜[17]のいずれかに記載の方法。
The present invention for solving the above problems and achieving the object of the present invention is as follows.
[1] The amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), the 66th amino acid residue is cysteine (Cys), the 124th amino acid residue is serine (Ser), The 145th amino acid residue is replaced with methionine (Met), the 295th amino acid residue is replaced with asparagine (Asn), and the 310th amino acid residue is replaced with proline (Pro), arginine (Arg) or glycine (Gly). Replaced modified enzyme.
[2] The modified enzyme according to claim 1, wherein the 310th amino acid residue is substituted with proline (Pro).
[3] The amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), the 66th amino acid residue is cysteine (Cys), the 124th amino acid residue is serine (Ser), A modified enzyme in which the 145th amino acid residue is replaced with methionine (Met) and the 295th amino acid residue is replaced with asparagine (Asn).
[4] The amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing) is the 124th amino acid residue as serine (Ser) and the 145th amino acid residue is as leucine (Lue). A modified enzyme in which the 310th amino acid residue is substituted with threonine (Thr).
[5] A protein in which an oligopeptide (histidine tag) comprising 1 to 12 histidines is fused to the N-terminal side of the enzyme according to any one of [1] to [4].
[6] DNA having a base sequence encoding the enzyme according to any one of [1] to [4] or the fusion protein according to [5].
[7] Any of the following DNA.
(1) DNA having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing, wherein 196 to 198th ctg is tgt or tgc, and 370 to 372rd ggt is agt, agg, tct, tcc, tca or tcg 433-435th aac is atg, 883-885th cta is aat or aac, and 928-930th gtt is cct, ccc, cca or ccg,
(2) DNA having a base sequence complementary to the DNA of (1).
[8] Any of the following DNA.
(11) The amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing,
124 th amino acid Ri serine (Ser) Der,
Ri 310 amino acid proline (Pro) Der,
66th amino acid Ri cysteine (Cys) Der,
145 amino acid Ri methionine (Met) der, and
295th amino acid is asparagine (Asn),
DNA encoding the amino acid sequence,
(12) The amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing,
The 124th amino acid is serine (Ser),
The 66th amino acid is cysteine (Cys)
The 145th amino acid is methionine (Met); and
295th amino acid is asparagine (Asn),
DNA encoding the amino acid sequence,
(13) A DNA having a base sequence complementary to the DNA of any one of (11) and (12) .
[9] A vector comprising the DNA according to any one of [6] to [8].
[10] The vector according to [9], further comprising DNA encoding an oligopeptide consisting of 1 to 12 histidines on any terminal side of the DNA according to any of [6] to [8].
[11] A transformant obtained by transforming a host with the vector according to [9] or [10].
[12] Modification in which at least three amino acids are modified so that the substrate specificity of phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) to methionine is improved from the culture by culturing the transformant according to [11] A method for preparing a modified enzyme for collecting an enzyme.
[13] The preparation method according to [12], wherein the modified enzyme to be collected is the enzyme according to any one of [1] to [4] or the fusion protein according to [5].
[14] A method for analyzing L-methionine contained in a test sample using the enzyme according to any one of [1] to [4] or the fusion protein according to [5].
[15] The method according to [14], wherein at least one of L-leucine, L-isoleucine, L-valine and L-phenylalanine is analyzed in combination.
[16] The method according to [14] or [15], which comprises mixing a test sample with resazurin, diaphorase and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and detecting color development.
[17] The method according to [16], wherein the test sample is mixed with resazurin, diaphorase, and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) in a well of a microplate.
[18] The method according to any one of [14] to [17], wherein the test sample is a blood sample.

本発明によれば、L-メチオニンに対して特異的なフェニルアラニン脱水素酵素の改変酵素を提供することができ、且つ本発明による改変酵素を用いることで、被検試料に含まれるL-メチオニンの分析をレサズリン、ジアホラーゼおよびNADを用いる酵素蛍光発色法により行うことができる。   According to the present invention, a phenylalanine dehydrogenase-modified enzyme specific for L-methionine can be provided, and by using the modified enzyme according to the present invention, the L-methionine contained in a test sample The analysis can be performed by an enzymatic fluorescence method using resazurin, diaphorase and NAD.

本発明は、フェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)のメチオニンに対する基質特異性を改善するように、少なくとも3つのアミノ酸が修飾された改変酵素に関する。本発明において、改変の対象であるフェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)は、L-フェニルアラニンのアミノ基に対して、特異的に酸化的脱アミノ化反応を触媒する酵素である。フェニルアラニン脱水素酵素の例としては、例えば、Bacillus badius IAM11059、Bacillus sphaericus R79a、Sporosarcina ureae R04、Bacillus halodurans、Geobacillus kaustophilus、Oceanobacillus iheyensis、Rhodococcus sp. M-4またはThermoactinomyces intermediusに由来するフェニルアラニン脱水素酵素を挙げることができる。   The present invention relates to a modified enzyme in which at least three amino acids have been modified to improve the substrate specificity of phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) for methionine. In the present invention, phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) to be modified is an enzyme that specifically catalyzes an oxidative deamination reaction with respect to the amino group of L-phenylalanine. Examples of phenylalanine dehydrogenases include, for example, enzymes derived from Bacillus badius IAM11059, Bacillus sphaericus R79a, Sporosarcina ureae R04, Bacillus halodurans, Geobacillus kaustophilus, Oceanobacillus iheyensis, Rhodococcus sp. M-4 or Thermoactinomyces intermedius be able to.

Bacillus badius IAM11059由来するフェニルアラニン脱水素酵素は、L-フェニルアラニンに対する基質特異性が極めて高く、フェニルケトン尿症の血中L-フェニルアラニン濃度の定量に最適な酵素として同疾患のマス・スクリーニングにおいてマイクロプレートを用いた酵素蛍光定量法の酵素剤として用いられている。また、本酵素は、補酵素としてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(酸化型;NAD+)を要求する。本酵素による酸化反応は可逆的であり、中性付近から弱アルカリ性のpH領域においてアンモニウムイオンとニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(還元型;NADH)存在下で還元的アミノ化反応も触媒する酵素である。Bacillus badius IAM11059由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、Yamada A, Dairi T, Ohno Y, Huang XL and Asano Y. Nucleotide sequencing of フェニルアラニン dehydrogenase gene from Bacillus badius IAM 11059 Biosci. Biotechnol. Biochem. 59(10). 1994-1995 (1995)に記載され、配列番号1および2として記載する。 Phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus badius IAM11059 has an extremely high substrate specificity for L-phenylalanine, and is an optimal enzyme for the quantification of blood L-phenylalanine concentration in phenylketonuria. It is used as an enzyme agent for the enzyme fluorescence quantification method used. In addition, this enzyme requires nicotinamide adenine dinucleotide (oxidized form; NAD + ) as a coenzyme. The oxidation reaction by this enzyme is reversible, and it catalyzes a reductive amination reaction in the presence of ammonium ion and nicotinamide adenine dinucleotide (reduced type: NADH) in the neutral to weakly alkaline pH range. Nucleotide sequencing of phenylalanine dehydrogenase gene from Bacillus badius IAM 11059 Biosci. Biotechnol. Biochem. 59 The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus badius IAM11059 are as follows. (10). It is described in 1994-1995 (1995) and described as SEQ ID NOs: 1 and 2.

Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)は、L-フェニルアラニンあるいはL-チロシンのアミノ基に対して、特異的に酸化的脱アミノ化反応を触媒する酵素である。本酵素は、L-フェニルアラニンとともにL-チロシンに対しても基質特異性が高く、L-アミノ酸の酵素的合成反応において利用されている。また、本酵素は、補酵素として前記B. badius IAM11059由来のフェニルアラニン脱水素酵素同様にニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)を要求する。本酵素による酸化反応は可逆的であり、中性付近から弱アルカリ性のpH領域において前記Bacillus badius IAM11059由来のフェニルアラニン脱水素酵素と同様にアンモニウムイオンとニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(還元型;NADH)の存在下で還元的アミノ化反応も触媒する酵素である。Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、N. Okazaki, Y. Hibino, Y. Asano, M. Ohmori, N. Numao and K. Kondo. Cloning and nucleotide sequencing of フェニルアラニン dehydrogenase gene of Bacillus sphaericus. Gene. 63. 337-341 (1988) に記載され、配列番号3および4として記載する。 Phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) derived from Bacillus sphaericus R79a is an enzyme that specifically catalyzes an oxidative deamination reaction to the amino group of L-phenylalanine or L-tyrosine. This enzyme has high substrate specificity for L-tyrosine as well as L-phenylalanine, and is used in the enzymatic synthesis reaction of L-amino acids. In addition, this enzyme requires nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) as a coenzyme as in the case of the phenylalanine dehydrogenase derived from B. badius IAM11059. Oxidation reaction by this enzyme is reversible, and ammonium ions and nicotinamide adenine dinucleotide (reduced form; NADH) are present in the pH range from near neutral to weakly alkaline as in the case of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus badius IAM11059. An enzyme that also catalyzes a reductive amination reaction. The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a are N. Okazaki, Y. Hibino, Y. Asano, M. Ohmori, N. Numao and K. Kondo. Cloning and nucleotide sequencing of phenylalanine dehydrogenase gene of Bacillus sphaericus. Gene. 63. 337-341 (1988), described as SEQ ID NOs: 3 and 4.

Sporosarcina ureae R04由来のフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、DDBJ/EMBL/GenBank databases(Accession No. AB001031)に記載され、配列番号5および6として記載する。   The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Sporosarcina ureae R04 are described in DDBJ / EMBL / GenBank databases (Accession No. AB001031), and are described as SEQ ID NOs: 5 and 6.

Bacillus haloduransに由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、GenBank Database(Accession No. NC_002570)およびNCBI Protein Database(Accession No. NP_241084)に記載され、配列番号7および8として記載する。   The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus halodurans are described in GenBank Database (Accession No. NC_002570) and NCBI Protein Database (Accession No. NP_241084), and are described as SEQ ID NOs: 7 and 8.

Geobacillus kaustophilusに由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、GenBank Database(Accession No. BA000043.1)およびNCBI Protein Database(Accession No. BAD76316)に記載され、配列番号9および10として記載する。   The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Geobacillus kaustophilus are described in GenBank Database (Accession No. BA000043.1) and NCBI Protein Database (Accession No. BAD76316), and are described as SEQ ID NOs: 9 and 10.

Oceanobacillus iheyensisに由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、GenBank(Accession No. BA000028)およびNCBI Protein Database(Accession No. BAC14834)に記載され、配列番号11および12として記載する。   The nucleotide sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Oceanobacillus iheyensis are described in GenBank (Accession No. BA000028) and NCBI Protein Database (Accession No. BAC14834), and are described as SEQ ID NOS: 11 and 12.

Rhodococcus sp. M-4に由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、以下の文献に記載され、配列番号13および14として記載する。
Brunhuber N. M., Banerjee A., Jacobs W. R. Jr., Blanchard J. S. Cloning, sequencing, and expression of Rhodococcus L-フェニルアラニン dehydrogenase. Sequence comparisons to amino-acid dehydrogenases. J. Biol. Chem., 269. 16203-16211 (1994)
The base sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Rhodococcus sp. M-4 are described in the following literature, and are described as SEQ ID NOS: 13 and 14.
Brunhuber NM, Banerjee A., Jacobs WR Jr., Blanchard JS Cloning, sequencing, and expression of Rhodococcus L-phenylalanine dehydrogenase. Sequence comparisons to amino-acid dehydrogenases. J. Biol. Chem., 269. 16203-16211 (1994)

Thermoactinomyces intermediusに由来するフェニルアラニン脱水素酵素の塩基配列およびアミノ酸配列は、以下の文献に記載され、配列番号15および16として記載する。
Takada H., Yoshimura T., Ohshima T., Esaki N., Soda K. Thermostable フェニルアラニン dehydrogenase of Thermoactinomyces intermedius; cloning, expression, and sequencing of its gene. J. Biochem., 109. 371-376 (1991)
The base sequence and amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Thermoactinomyces intermedius are described in the following literature, and are described as SEQ ID NOS: 15 and 16.
Takada H., Yoshimura T., Ohshima T., Esaki N., Soda K. Thermostable Phenylalanine dehydrogenase of Thermoactinomyces intermedius; cloning, expression, and sequencing of its gene.J. Biochem., 109. 371-376 (1991)

野生型のフェニルアラニン脱水素酵素は、L-フェニルアラニンに対する基質特異性が極めて高く、Bacillus badius IAM 11059、Bacillus sphaericus R79aあるいはSporosarcina ureae R04由来の酵素などにおいてL-フェニルアラニンに対する相対活性を100とすると、L-メチオニンやL-ロイシン、L-イソロイシンあるいはL-バリンなどの天然アミノ酸の基質に対しての相対活性は10以下となっている。   Wild-type phenylalanine dehydrogenase has extremely high substrate specificity for L-phenylalanine, and L-phenylalanine relative to L-phenylalanine in an enzyme derived from Bacillus badius IAM 11059, Bacillus sphaericus R79a, or Sporosarcina ureae R04 is assumed to be L- The relative activity of a natural amino acid such as methionine, L-leucine, L-isoleucine or L-valine against a substrate is 10 or less.

本発明においては、上記のようにL-メチオニンに対する基質特異性が極めて低いフェニルアラニン脱水素酵素を改変し、L-メチオニンに対する基質特異性を格段に向上させた変異型酵素である。具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素の少なくとも3つのアミノ酸をL-メチオニンに対する基質特異性が向上するように修飾した改変酵素である。基質特異性の改善は、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにL-フェニルアラニンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにロイシンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにバリンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにフェニルアラニン、ロイシンおよびバリンのいずれに対しても相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。   In the present invention, as described above, the mutant enzyme is a mutant enzyme in which phenylalanine dehydrogenase having a very low substrate specificity for L-methionine is modified to significantly improve the substrate specificity for L-methionine. Specifically, it is a modified enzyme obtained by modifying at least three amino acids of wild-type phenylalanine dehydrogenase so that the substrate specificity for L-methionine is improved. For example, when the relative activity to L-methionine is 100, the relative activity to L-phenylalanine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and 40 or less. Is most preferred. Furthermore, for example, when the relative activity with respect to L-methionine is 100, the relative activity with respect to leucine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and most preferably 40 or less. Furthermore, for example, when the relative activity to L-methionine is 100, the relative activity to valine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and most preferably 40 or less. Furthermore, for example, when the relative activity with respect to L-methionine is 100, the relative activity is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and more preferably 40 or less for any of phenylalanine, leucine and valine. Most preferably.

メチオニンに対する基質特異性を改善する修飾は、具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列の114〜125番目の範囲にあるスレオニン(Thr)グリシン(Gly)の連続した配列 (但し、前記グリシン(Gly)が114〜125番目の範囲にある)におけるグリシン(Gly)のセリン(Ser)への置換である。野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列中のスレオニン(Thr)グリシン(Gly)の連続した配列(グリシン(Gly)が114〜125番目の範囲にある)におけるグリシン(Gly)の位置は酵素の由来によって異なり、以下の表に示す位置にある。   Modifications that improve substrate specificity for methionine specifically include a contiguous sequence of threonine (Thr) glycine (Gly) in the range 114 to 125 of the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (provided that Substitution of glycine (Gly) with serine (Ser) in glycine (Gly) is in the 114th to 125th range. The position of glycine (Gly) in the continuous sequence of threonine (Thr) glycine (Gly) in the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (glycine (Gly) is in the 114th to 125th range) depends on the origin of the enzyme Differently, it is in the position shown in the following table.

さらにメチオニンに対する基質特異性を改善する修飾は、具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列の297〜310番目の範囲にあるグルタミン(Gln)バリン(Val)の連続した配列 (但し、前記バリン(Val)が297〜310番目の範囲にある)におけるバリン(Val)のアルギニン(Arg)、スレオニン(Thr)、グリシン(Gly)あるいはプロリン(Pro)への置換である。野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列中のグルタミン(Gln)バリン(Val)の連続した配列(バリン(Val)が297〜310番目の範囲にある)におけるバリン(Val)の位置は酵素の由来によって異なり、以下の表に示す位置にある。   Furthermore, the modification which improves the substrate specificity for methionine specifically includes a continuous sequence of glutamine (Gln) valine (Val) in the range of 297 to 310 of the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (however, Substitution of valine (Val) to arginine (Arg), threonine (Thr), glycine (Gly) or proline (Pro) in the valine (Val) is in the 297-310th range. The position of valine (Val) in the continuous sequence of glutamine (Gln) valine (Val) in the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (valin (Val) is in the range of 297 to 310) depends on the origin of the enzyme. Differently, it is in the position shown in the following table.

さらにメチオニンに対する基質特異性を改善する修飾は、具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列の135〜146番目の範囲にあるイソロイシン(Ile)、バリン(Val)/アスパラギン(Asn)およびグリシン(Gly)の連続した配列 (但し、前記バリン(Val)/アスパラギン(Asn)が135〜146番目の範囲にある)におけるバリン(Val)/アスパラギン(Asn)のアラニン(Alal)、ロイシン(Leu)あるいはメチオニン(Met)への置換である。野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列中のイソロイシン(Ile)、バリン(Val)/アスパラギン(Asn)およびグリシン(Gly)の連続した配列(バリン(Val)/アスパラギン(Asn)が135〜146番目の範囲にある)におけるバリン(Val)/アスパラギン(Asn)の位置は酵素の由来によって異なり、以下の表に示す位置にある。   Modifications that further improve substrate specificity for methionine specifically include isoleucine (Ile), valine (Val) / asparagine (Asn) and amino acids 135 to 146 of the wild-type phenylalanine dehydrogenase amino acid sequence. Consecutive sequence of glycine (Gly) (wherein valine (Val) / asparagine (Asn) is in the 135th to 146th range) valine (Val) / asparagine (Asn) alanine (Alal), leucine (Leu) ) Or methionine (Met). Consecutive sequence of isoleucine (Ile), valine (Val) / asparagine (Asn) and glycine (Gly) in the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (valine (Val) / asparagine (Asn) is the 135th to 146th positions) The position of valine (Val) / asparagine (Asn) in the range) depends on the origin of the enzyme and is in the position shown in the table below.

本発明の改変酵素は、野生型フェニルアラニン脱水素酵素の少なくとも3つのアミノ酸をL-メチオニンに対する基質特異性が向上するように修飾した改変酵素であるが、この少なくとも3つのアミノ酸は、上記表1〜3に示されるアミノ酸であることが好ましい。以下の表4及び5に、さらに、修飾すべき野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸を示すが、これらのアミノ酸は、野生型フェニルアラニン脱水素酵素の由来によっては、修飾が不要な場合がある。修飾することが好ましい野生型フェニルアラニン脱水素酵素の由来を表4及び5に示す。   The modified enzyme of the present invention is a modified enzyme obtained by modifying at least three amino acids of wild-type phenylalanine dehydrogenase so that the substrate specificity for L-methionine is improved. The amino acid shown in 3 is preferred. Tables 4 and 5 below further show amino acids of wild-type phenylalanine dehydrogenase to be modified. These amino acids may not require modification depending on the origin of wild-type phenylalanine dehydrogenase. The origins of wild-type phenylalanine dehydrogenases that are preferably modified are shown in Tables 4 and 5.

さらにメチオニンに対する基質特異性を改善する修飾は、具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列の280〜295番目の範囲にあるグリシン(Gly)、イソロイシン(Ile)、ロイシン(Leu)、チロシン(Tyr)、アラニン(Ala)、プロリン(Peo)およびアスパラギン酸(Asp)の連続した配列 (但し、前記ロイシン(Leu)が280〜295番目の範囲にある)におけるロイシン(Leu)のアスパラギン(Asn)への置換である。野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列中のグリシン(Gly)、イソロイシン(Ile)、ロイシン(Leu)、チロシン(Tyr)、アラニン(Ala)、プロリン(Peo)およびアスパラギン酸(Asp)の連続した配列(ロイシン(Leu)が280〜295番目の範囲にある)におけるロイシン(Leu)の位置は酵素の由来によって異なり、以下の表に示す位置にある。   Modifications that further improve the substrate specificity for methionine are specifically glycine (Gly), isoleucine (Ile), leucine (Leu) in the 280 to 295th amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase, Asparagine of leucine (Leu) in a contiguous sequence of tyrosine (Tyr), alanine (Ala), proline (Peo) and aspartic acid (Asp) (wherein leucine (Leu) is in the 280-295th range) Asn). Sequence of glycine (Gly), isoleucine (Ile), leucine (Leu), tyrosine (Tyr), alanine (Ala), proline (Peo) and aspartic acid (Asp) in the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase The position of leucine (Leu) in leucine (Leu) is in the 280-295th range depends on the origin of the enzyme and is in the position shown in the following table.

メチオニンに対する基質特異性を改善する修飾は、具体的には、野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列の53〜67番目の範囲にあるアラニン(Ala)、ロイシン(Leu)の連続した配列 (但し、前記ロイシン(Leu)が53〜67番目の範囲にある)におけるロイシン(Leu)のシステイン(Cys)への置換である。野生型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列中のアラニン(Ala)、ロイシン(Leu)の連続した配列(ロイシン(Leu)が53〜67番目の範囲にある)におけるロイシン(Leu)の位置は酵素の由来によって異なり、以下の表に示す位置にある。   Modifications that improve the substrate specificity for methionine specifically include a sequence of alanine (Ala) and leucine (Leu) in the 53rd to 67th amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (however, This is a substitution of leucine (Leu) with cysteine (Cys) in leucine (Leu) in the 53rd to 67th range. The position of leucine (Leu) in the sequence of alanine (Ala) and leucine (Leu) in the amino acid sequence of wild-type phenylalanine dehydrogenase (leucine (Leu) is in the 53rd to 67th range) is derived from the enzyme. Depending on the location, it is in the position shown in the table below.

さらに本発明は、本発明の改変酵素のアミノ酸配列において、1から数個のアミノ酸の欠失、置換及び/又は付加を有するアミノ酸配列を有し、メチオニンに対する基質特異性を改善したフェニルアラニン脱水素酵素活性を有するアミノ酸配列を有する改変酵素を包含する。但し、欠失及び/又は置換されるアミノ酸に、セリン(Ser)が114〜125番目の範囲にあるスレオニン(Thr) セリン(Ser)の連続した配列のセリン(Ser)は含まない。置換、挿入または欠落をさらに有する改変酵素は、野生型酵素に比べて、メチオニンに対する基質特異性を改善したものであり、基質特異性の改善は、前記と同様である。   Furthermore, the present invention provides a phenylalanine dehydrogenase having an amino acid sequence having a deletion, substitution and / or addition of one to several amino acids in the amino acid sequence of the modified enzyme of the present invention, and improved substrate specificity for methionine It includes a modified enzyme having an amino acid sequence having activity. However, the amino acid to be deleted and / or substituted does not include serine (Ser) having a continuous sequence of threonine (Thr) serine (Ser) having serine (Ser) in the 114th to 125th range. The modified enzyme further having substitution, insertion or deletion has improved substrate specificity for methionine compared to the wild-type enzyme, and the improvement of substrate specificity is the same as described above.

即ち、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにL-フェニルアラニンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにロイシンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにバリンに対する相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。さらには、例えば、L-メチオニンに対する相対活性を100としたときにフェニルアラニン、ロイシンおよびバリンのいずれに対しても相対活性が100以下であることが好ましく、60以下であることがより好ましく、40以下であることが最も好ましい。   That is, for example, when the relative activity for L-methionine is 100, the relative activity for L-phenylalanine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and most preferably 40 or less. Furthermore, for example, when the relative activity with respect to L-methionine is 100, the relative activity with respect to leucine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and most preferably 40 or less. Furthermore, for example, when the relative activity to L-methionine is 100, the relative activity to valine is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and most preferably 40 or less. Furthermore, for example, when the relative activity with respect to L-methionine is 100, the relative activity is preferably 100 or less, more preferably 60 or less, and more preferably 40 or less for any of phenylalanine, leucine and valine. Most preferably.

本明細書で言う「1から数個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有する塩基配列」における「1から数個」の範囲は特には限定されないが、例えば、1から40個、好ましくは1から30個、より好ましくは1から20個、より好ましくは1から10個、さらに好ましくは1から5個、特に好ましくは1から3個程度を意味する。以下においても同様である。   The range of “1 to several” in the “base sequence having deletion, substitution and / or addition of 1 to several bases” as used herein is not particularly limited, but for example, 1 to 40, preferably Means 1 to 30, more preferably 1 to 20, more preferably 1 to 10, further preferably 1 to 5, and particularly preferably about 1 to 3. The same applies to the following.

以下に本発明の改変酵素の具体例(実施例に示す)として、Bacillus sphaericus R79a由来酵素を例に、メチオニンに対する相対活性を100としたときのフェニルアラニンに対する相対活性を一覧表にして示す。   As specific examples (shown in Examples) of the modified enzyme of the present invention, Bacillus sphaericus R79a-derived enzyme is taken as an example, and the relative activity with respect to phenylalanine when the relative activity with respect to methionine is defined as 100 is shown as a list.

本発明の改変酵素(タンパク質)の取得方法は特に制限されず、化学合成により合成したタンパク質でもよいし、遺伝子組換え技術により作製した組換えタンパク質であってもよい。改変酵素(組換えタンパク質)を作製する場合には、先ず、後述するように、当該改変酵素(タンパク質)をコードする遺伝子(DNA)を取得する。このDNAを適当な発現系に導入することにより、本発明の改変酵素を産生することができる。発現系でのタンパク質の発現については本明細書中に後記する。   The method for obtaining the modified enzyme (protein) of the present invention is not particularly limited, and may be a protein synthesized by chemical synthesis or a recombinant protein produced by a gene recombination technique. When producing a modified enzyme (recombinant protein), first, as described later, a gene (DNA) encoding the modified enzyme (protein) is obtained. By introducing this DNA into an appropriate expression system, the modified enzyme of the present invention can be produced. The expression of the protein in the expression system will be described later in this specification.

本発明のDNAの取得方法は特に限定されない。本明細書中の配列表の配列番号1から16に記載したアミノ酸配列及び塩基配列の情報に基づいて適当なブローブやプライマーを調製し、それらを用いて前記で挙げたフェニルアラニン脱水素酵素を含む菌のcDNAライブラリーをスクリーニングすることにより本発明の遺伝子を単離することができる。cDNAライブラリーは、本発明の遺伝子を発現している菌から常法により作製することができる。   The method for obtaining the DNA of the present invention is not particularly limited. Appropriate probes and primers are prepared based on the amino acid sequences and base sequence information described in SEQ ID NOs: 1 to 16 in the sequence listing in the present specification, and the bacteria containing the phenylalanine dehydrogenase mentioned above are used by using them. The gene of the present invention can be isolated by screening the cDNA library. A cDNA library can be prepared by a conventional method from a bacterium expressing the gene of the present invention.

PCR法により本発明の遺伝子を取得することもできる。上記した菌由来のDNAライブラリー又はcDNAライブラリーを鋳型として使用し、配列番号1、3、5、7、9、11、13または15に記載した塩基配列を増幅できるように設計した1対のプライマーを用いてPCRを行う。PCRの反応条件は適宜設定することができ、例えば、94℃で30秒間(変性)、55℃で30秒〜1分間(アニーリング)、72℃で2分間(伸長)からなる反応工程を1サイクルとして、例えば30サイクル行った後、72℃で7分間反応させる条件などを挙げることができる。次いで、増幅されたDNA断片を、大腸菌等の宿主で増幅可能な適切なベクター中にクローニングすることができる。   The gene of the present invention can also be obtained by PCR. Using a DNA library or cDNA library derived from the bacteria described above as a template, a pair of designed to be able to amplify the base sequence described in SEQ ID NO: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 or 15 PCR is performed using primers. PCR reaction conditions can be set as appropriate. For example, one cycle of a reaction step consisting of 94 ° C. for 30 seconds (denaturation), 55 ° C. for 30 seconds to 1 minute (annealing), and 72 ° C. for 2 minutes (extension) For example, after 30 cycles, a condition of reacting at 72 ° C. for 7 minutes can be exemplified. The amplified DNA fragment can then be cloned into a suitable vector that can be amplified in a host such as E. coli.

上記したプローブ又はプライマーの調製、cDNAライブラリーの構築、cDNAライブラリーのスクリーニング、並びに目的遺伝子のクローニングなどの操作は当業者に既知であり、例えば、Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY.,1989(以下、モレキュラークローニング第2版と略す)、Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1〜38, John Wiley & Sons (1987-1997)(以下、カレント・プロトコールズ・イン・モレキュラー・バイオロジーと略す)等に記載の方法に準じて行うことができる。 Preparation of the probes or primers, construction of cDNA library, screening of cDNA libraries, as well as operations such as cloning the gene of interest are known to those skilled in the art, for example, Molecular Cloning: A laboratory Mannual, 2 nd Ed,. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY., 1989 (hereinafter abbreviated as Molecular Cloning 2nd Edition), Current Protocols in Molecular Biology, Supplement 1-38, John Wiley & Sons (1987-1997) Protocols in Molecular Biology) and the like.

また、配列表の配列番号2、4、6、8、10、12、14または16に記載のアミノ酸配列において1から数個のアミノ酸の欠失、置換及び/又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配糖化酵素活性を有するタンパク質をコードする遺伝子;並びに配列表の配列番号5または6に記載の塩基配列において1から数個の塩基の欠失、置換及び/又は付加を有する塩基配列を有し、配糖化酵素をコードする塩基配列を有する遺伝子(以下、これらの遺伝子を変異遺伝子と称する)については、配列番号1〜16に記載のアミノ酸配列および塩基配列の情報に基づいて、化学合成、遺伝子工学的手法又は突然変異誘発などの当業者に既知の任意の方法で作製することができる。   And having an amino acid sequence having a deletion, substitution and / or addition of 1 to several amino acids in the amino acid sequence described in SEQ ID NO: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 or 16 in the sequence listing , A gene encoding a protein having glucosidase activity; and a base sequence having a deletion, substitution and / or addition of 1 to several bases in the base sequence set forth in SEQ ID NO: 5 or 6 in the sequence listing As for genes having a nucleotide sequence encoding a glycosylase (hereinafter, these genes are referred to as mutant genes), chemical synthesis, genes based on the amino acid sequence and nucleotide sequence information described in SEQ ID NOs: 1 to 16 It can be made by any method known to those skilled in the art, such as engineering techniques or mutagenesis.

例えば、配列表の配列番号1、3、5、7、9、11、13または15に記載の塩基配列を有するDNAに対し、変異原となる薬剤と接触作用させる方法、紫外線を照射する方法、遺伝子工学的手法等を用いて行うことができる。遺伝子工学的手法の一つである部位特異的変異誘発法は特定の位置に特定の変異を導入できる手法であることから有用であり、モレキュラークローニング第2版、カレント・プロトコールズ・イン・モレキュラー・バイオロジー等に記載の方法に準じて行うことができる。   For example, a method of contacting a DNA having the base sequence described in SEQ ID NO: 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 or 15 of the sequence listing with a drug that becomes a mutagen, a method of irradiating with ultraviolet rays, It can be performed using genetic engineering techniques. Site-directed mutagenesis, which is one of the genetic engineering methods, is useful because it can introduce a specific mutation at a specific position. Molecular cloning 2nd edition, Current Protocols in Molecular. It can be performed according to the method described in biology and the like.

[本発明のベクター]
本発明は、上記本発明のいずれかのDNAを含むベクターに関する。上記本発明のいずれかのDNAを乗せるベクターは特に制限はないが、例えば、自立的に複製するベクター(例えばプラスミド等)でもよいし、あるいは、宿主細胞に導入された際に宿主細胞のゲノムに組み込まれ、組み込まれた染色体と共に複製されるものであってもよい。好ましくは、本発明で用いるベクターは発現ベクターである。発現ベクターにおいて本発明の遺伝子は、転写に必要な要素(例えば、プロモーター等)が機能的に連結されている。プロモータは宿主細胞において転写活性を示すDNA配列であり、宿主の種類に応じて適宜選択することができる。
[Vector of the present invention]
The present invention relates to a vector containing any of the DNAs of the present invention. There are no particular restrictions on the vector on which any of the DNAs of the present invention is placed, but it may be, for example, a self-replicating vector (for example, a plasmid), or may be introduced into the host cell genome when introduced into the host cell. It may be integrated and replicated with the integrated chromosome. Preferably, the vector used in the present invention is an expression vector. In the expression vector, the gene of the present invention is functionally linked to elements necessary for transcription (for example, a promoter and the like). A promoter is a DNA sequence that exhibits transcriptional activity in a host cell, and can be appropriately selected depending on the type of host.

細菌細胞で作動可能なプロモータとしては、バチルス・ステアロテルモフィルス・マルトジェニック・アミラーゼ遺伝子(Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene)、バチルス・リケニホルミスαアミラーゼ遺伝子(Bacillus licheniformis alpha-amylase gene)、バチルス・アミロリケファチエンス・BANアミラーゼ遺伝子(Bacillus amyloliquefaciens BAN amylase gene)、バチルス・サブチリス・アルカリプロテアーゼ遺伝子(Bacillus Subtilis alkaline protease gene)もしくはバチルス・プミルス・キシロシダーゼ遺伝子(Bacillus pumilus xylosldase gene)のプロモータ、またはファージ・ラムダのPR若しくはPLプロモータ、大腸菌の lac、trp若しくはtacプロモータなどが挙げられる。 Promoters operable in bacterial cells include the Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene, the Bacillus licheniformis alpha-amylase gene, and the Bacillus amyloliquefati. Enns-BAN amylase gene (Bacillus amyloliquefaciens BAN amylase gene), Bacillus subtilis alkaline protease gene (Bacillus subtilis alkaline protease gene) or promoters of the Bacillus pumilus-xylosidase gene (Bacillus pumilus xylosldase gene) or phage lambda, P R or P L promoters, lac of E.coli, such as trp or tac promoter and the like.

哺乳動物細胞で作動可能なプロモータの例としては、SV40プロモータ、MT−1(メタロチオネイン遺伝子)プロモータ、またはアデノウイルス2主後期プロモータなどがある。昆虫細胞で作動可能なプロモータの例としては、ポリヘドリンプロモータ、P10プロモータ、オートグラファ・カリホルニカ・ポリヘドロシス塩基性タンパクプロモータ、バキュウロウイルス即時型初期遺伝子1プロモータ、またはバキュウロウイルス39K遅延型初期遺伝子プロモータ等がある。酵母宿主細胞で作動可能なプロモータの例としては、酵母解糖系遺伝子由来のプロモータ、アルコールデヒドロゲナーゼ遺伝子プロモータ、TPI1プロモータ、ADH2-4cプロモータなどが挙げられる。糸状菌細胞で作動可能なプロモータの例としては、ADH3プロモータまたはtpiAプロモータなどがある。   Examples of promoters that can operate in mammalian cells include the SV40 promoter, the MT-1 (metallothionein gene) promoter, or the adenovirus 2 major late promoter. Examples of promoters operable in insect cells include polyhedrin promoter, P10 promoter, autographa caliornica polyhedrosic basic protein promoter, baculovirus immediate early gene 1 promoter, or baculovirus 39K delayed early gene. There are promoters. Examples of a promoter operable in a yeast host cell include a promoter derived from a yeast glycolytic gene, an alcohol dehydrogenase gene promoter, a TPI1 promoter, an ADH2-4c promoter, and the like. Examples of promoters that can operate in filamentous fungal cells include the ADH3 promoter or the tpiA promoter.

また、本発明のDNAは必要に応じて、適切なターミネータに機能的に結合されてもよい。本発明の組み換えベクターは更に、ポリアデニレーションシグナル(例えばSV40またはアデノウイルス5E1b領域由来のもの)、転写エンハンサ配列(例えばSV40エンハンサ)などの要素を有していてもよい。
本発明の組み換えベクターは更に、該ベクターが宿主細胞内で複製することを可能にするDNA配列を具備してもよく、その一例としてはSV40複製起点(宿主細胞が哺乳類細胞のとき)が挙げられる。
Moreover, the DNA of the present invention may be functionally bound to an appropriate terminator as necessary. The recombinant vector of the present invention may further have elements such as a polyadenylation signal (for example, derived from SV40 or adenovirus 5E1b region), a transcription enhancer sequence (for example, SV40 enhancer) and the like.
The recombinant vector of the present invention may further comprise a DNA sequence that allows the vector to replicate in the host cell, an example of which is the SV40 origin of replication (when the host cell is a mammalian cell). .

本発明の組み換えベクターはさらに選択マーカーを含有してもよい。選択マーカーとしては、例えば、ジヒドロ葉酸レダクターゼ(DHFR)またはシゾサッカロマイセス・ポンベTPI遺伝子等のようなその補体が宿主細胞に欠けている遺伝子、または例えばアンピシリン、カナマイシン、テトラサイクリン、クロラムフェニコール、ネオマイシン若しくはヒグロマイシンのような薬剤耐性遺伝子を挙げることができる。本発明の遺伝子、プロモータ、および所望によりターミネータおよび/または分泌シグナル配列をそれぞれ連結し、これらを適切なベクターに挿入する方法は当業者に周知である。   The recombinant vector of the present invention may further contain a selection marker. Selectable markers include, for example, genes that lack their complement in host cells, such as dihydrofolate reductase (DHFR) or Schizosaccharomyces pombe TPI genes, or such as ampicillin, kanamycin, tetracycline, chloramphenicol, Mention may be made of drug resistance genes such as neomycin or hygromycin. Methods for ligating the gene, promoter, and, if desired, terminator and / or secretory signal sequence of the present invention and inserting them into an appropriate vector are well known to those skilled in the art.

[本発明の形質転換体、それを用いた改変酵素の製造]
本発明のDNA(遺伝子)又は組み換えベクターを適当な宿主に導入することによって形質転換体を作製することができる。本発明の遺伝子または組み換えベクターを導入される宿主細胞は、本発明の遺伝子を発現できれば任意の細胞でよく、細菌、酵母、真菌および高等真核細胞等が挙げられる。
[Transformant of the present invention and production of modified enzyme using the same]
A transformant can be prepared by introducing the DNA (gene) or recombinant vector of the present invention into an appropriate host. The host cell into which the gene of the present invention or the recombinant vector is introduced may be any cell as long as it can express the gene of the present invention, and examples thereof include bacteria, yeast, fungi and higher eukaryotic cells.

細菌細胞の例としては、バチルスまたはストレプトマイセス等のグラム陽性菌又は大腸菌等のグラム陰性菌が挙げられる。これら細菌の形質転換は、プロトプラスト法、または公知の方法でコンピテント細胞を用いることにより行えばよい。
哺乳類細胞の例としては、HEK293細胞、HeLa細胞、COS細胞、BHK細胞、CHL細胞またはCHO細胞等が挙げられる。哺乳類細胞を形質転換し、該細胞に導入されたDNA配列を発現させる方法も公知であり、例えば、エレクトロポーレーション法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等を用いることができる。
Examples of bacterial cells include Gram positive bacteria such as Bacillus or Streptomyces or Gram negative bacteria such as E. coli. Transformation of these bacteria may be performed by using competent cells by a protoplast method or a known method.
Examples of mammalian cells include HEK293 cells, HeLa cells, COS cells, BHK cells, CHL cells, or CHO cells. Methods for transforming mammalian cells and expressing DNA sequences introduced into the cells are also known, and for example, electroporation method, calcium phosphate method, lipofection method and the like can be used.

酵母細胞の例としては、サッカロマイセスまたはシゾサッカロマイセスに属する細胞が挙げられ、例えば、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevis1ae)またはサッカロマイセス・クルイベリ(Saccharomyces kluyveri)等が挙げられる。酵母宿主への組み換えベクターの導入方法としては、例えば、エレクトロポレーション法、スフェロブラスト法、酢酸リチウム法等を挙げることができる。   Examples of yeast cells include cells belonging to Saccharomyces or Schizosaccharomyces, for example, Saccharomyces cerevis 1ae or Saccharomyces kluyveri. Examples of the method for introducing a recombinant vector into a yeast host include an electroporation method, a spheroblast method, and a lithium acetate method.

他の真菌細胞の例は、糸状菌、例えばアスペルギルス、ニューロスポラ、フザリウム、またはトリコデルマに属する細胞である。宿主細胞として糸状菌を用いる場合、DNA構築物を宿主染色体に組み込んで組換え宿主細胞を得ることにより形質転換を行うことができる。DNA構築物の宿主染色体への組み込みは、公知の方法に従い、例えば相同組換えまたは異種組換えにより行うことができる。   Examples of other fungal cells are cells belonging to filamentous fungi such as Aspergillus, Neurospora, Fusarium, or Trichoderma. When filamentous fungi are used as host cells, transformation can be performed by integrating the DNA construct into the host chromosome to obtain a recombinant host cell. Integration of the DNA construct into the host chromosome can be performed according to known methods, for example, by homologous recombination or heterologous recombination.

昆虫細胞を宿主として用いる場合には、組換え遺伝子導入ベクターおよびバキュロウイルスを昆虫細胞に共導入して昆虫細胞培養上清中に組換えウイルスを得た後、さらに組換えウイルスを昆虫細胞に感染させ、タンパク質を発現させることができる(例えば、Baculovirus Expression Vectors, A Laboratory Manua1;及びカレント・プロトコールズ・イン・モレキュラー・バイオロジー、Bio/Technology, 6, 47(1988)等に記載)。   When insect cells are used as the host, the recombinant gene transfer vector and baculovirus are co-introduced into the insect cells to obtain the recombinant virus in the insect cell culture supernatant, and then the recombinant virus is further infected with the insect cells. And protein can be expressed (for example, as described in Baculovirus Expression Vectors, A Laboratory Manua1; and Current Protocols in Molecular Biology, Bio / Technology, 6, 47 (1988), etc.).

バキュロウイルスとしては、例えば、ヨトウガ科昆虫に感染するウイルスであるアウトグラファ・カリフォルニカ・ヌクレアー・ポリヘドロシス・ウイルス(Autographa californica nuclear polyhedrosis virus)等を用いることができる。
昆虫細胞としては、Spodoptera frugiperdaの卵巣細胞であるSf9、Sf21〔バキュロウイルス・エクスプレッション・ベクターズ、ア・ラボラトリー・マニュアル、ダブリュー・エイチ・フリーマン・アンド・カンパニー(W. H. Freeman and Company)、ニューヨーク(New York)、(1992)〕、Trichoplusia niの卵巣細胞であるHiFive(インビトロジェン社製)等を用いることができる。
組換えウイルスを調製するための、昆虫細胞への組換え遺伝子導入ベクターと上記バキュロウイルスの共導入方法としては、例えば、リン酸カルシウム法又はリポフェクション法等を挙げることができる。
As the baculovirus, for example, Autographa californica nuclear polyhedrosis virus, which is a virus that infects Coleoptera insects, can be used.
Insect cells include Sf9, Sf21 (Baculovirus Expression Vectors, A Laboratory Manual, WH Freeman and Company), New York, which is an ovarian cell of Spodoptera frugiperda (1992)], HiFive (manufactured by Invitrogen), which is an ovarian cell of Trichoplusia ni, can be used.
Examples of the method for co-introducing a recombinant gene introduction vector into insect cells and the baculovirus for preparing a recombinant virus include the calcium phosphate method and the lipofection method.

より具体的には、例えば、Bacillus badius IAM11059あるいはBacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素遺伝子(pdh)を鋳型として部位特異的変異プライマーを用いてPCR反応によって増幅された部位特異的変異導入遺伝子および/またはその相補配列を作製し、この部位特異的変異導入遺伝子および/またはその相補鎖を、例えば、大腸菌(Escherichia coli)あるいはその他の組換え可能な宿主細胞(例えば動物細胞、植物細胞、昆虫細胞など)で発現させて、本発明の改変酵素を得ることができる。   More specifically, for example, a site-directed mutagenesis gene amplified by a PCR reaction using a site-directed mutagenesis primer using a phenylalanine dehydrogenase gene (pdh) derived from Bacillus badius IAM11059 or Bacillus sphaericus R79a as a template and / or Alternatively, a complementary sequence thereof is prepared, and this site-specific mutagenesis gene and / or its complementary strand is transferred to, for example, Escherichia coli or other recombinable host cells (eg, animal cells, plant cells, insect cells, etc.) ) To obtain the modified enzyme of the present invention.

本発明は上記本発明の形質転換体を培養し、培養物からフェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)のメチオニンに対する基質特異性を改善するように、少なくとも3つのアミノ酸が修飾された改変酵素を採取する改変酵素の調製方法を包含する。   In the present invention, the transformant of the present invention is cultured, and a modified enzyme modified with at least three amino acids so as to improve the substrate specificity of phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) to methionine from the culture is obtained. It includes a method for preparing a modified enzyme to be collected.

上記の形質転換体は、導入されたDNAの発現を可能にする条件下で適切な栄養培地中で培養する。形質転換体の培養物から、本発明の改変酵素を単離精製するには、通常の改変酵素の単離、精製法を用いればよい。
例えば、本発明の改変酵素が、細胞内に溶解状態で発現した場合には、培養終了後、細胞を遠心分離により回収し水系緩衝液に懸濁後、超音波破砕機等により細胞を破砕し、無細胞抽出液を得る。該無細胞抽出液を遠心分離することにより得られた上清から、通常のタンパク質の単離精製法、即ち、溶媒抽出法、硫安等による塩析法、脱塩法、有機溶媒による沈殿法、ジエチルアミノエチル(DEAE)セファロース等のレジンを用いた陰イオン交換クロマトグラフィー法、S-Sepharose FF(ファルマシア社製)等のレジンを用いた陽イオン交換クロマトグラフィー法、ブチルセファロース、フェニルセファロース等のレジンを用いた疎水性クロマトグラフィー法、分子篩を用いたゲルろ過法、アフィニティークロマトグラフィ一法、クロマトフォーカシング法、等電点電気泳動等の電気泳動法等の手法を単独あるいは組み合わせて用い、精製標品を得ることができる。
The transformant is cultured in an appropriate nutrient medium under conditions that allow expression of the introduced DNA. In order to isolate and purify the modified enzyme of the present invention from the culture of the transformant, a usual method for isolating and purifying the modified enzyme may be used.
For example, when the modified enzyme of the present invention is expressed in a dissolved state in the cells, the cells are collected by centrifugation after culturing, suspended in an aqueous buffer, and then disrupted by an ultrasonic disrupter or the like. A cell-free extract is obtained. From the supernatant obtained by centrifuging the cell-free extract, an ordinary protein isolation and purification method, that is, a solvent extraction method, a salting-out method using ammonium sulfate, a desalting method, a precipitation method using an organic solvent, Anion exchange chromatography using a resin such as diethylaminoethyl (DEAE) Sepharose, cation exchange chromatography using a resin such as S-Sepharose FF (Pharmacia), resin such as butyl sepharose and phenyl sepharose Use a hydrophobic chromatography method, gel filtration method using molecular sieve, affinity chromatography method, chromatofocusing method, electrophoresis method such as isoelectric focusing etc. alone or in combination to obtain a purified preparation be able to.

[L-メチオニン分析方法]
本発明は、上記本発明の改変酵素またはタンパク質を用いて、被検試料に含まれるL-メチオニンを分析する方法に関する。
[L-methionine analysis method]
The present invention relates to a method for analyzing L-methionine contained in a test sample using the modified enzyme or protein of the present invention.

本発明のL-メチオニン分析法は、具体的には、被検試料をレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)と混合し、発色、好ましくは蛍光発色を検出することを含む。被検試料とレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)との混合は、例えば、マイクロプレートのウェル中で行うことができる。 The L-methionine analysis method of the present invention specifically includes mixing a test sample with resazurin, diaphorase and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and detecting color development, preferably fluorescence color development. Mixing of a test sample with resazurin, diaphorase and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) can be performed, for example, in a well of a microplate.

さらに本発明のL-メチオニン分析法は、(1)被検試料とニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)を混合し、還元されたNADHの吸光値の増大を測定すること、(2) 被検試料とニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)にフェナジンメトスルフェート(PMS)等の電子キャリヤーを媒体として被検試料と還元系発色試薬であるイント(INT)を混合し、フォルマザン生成発色を検出すること、あるいは(3) 被検試料とニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)に1-メトキシ-フェナジンメトスルフェート(1-Methoxy PMS)等の電子キャリヤーを介して金属イオン(例えばCo3+など)を還元し、キレート指示薬である5-Br-PAPS等と反応せしめ、発色した吸光値を測定して検出すること等の方法によっても実施することができる。上記(1)〜(3)の方法においても、試薬の混合は、マイクロプレートのウェル中で行うことかできる。 Furthermore, the L-methionine analysis method of the present invention comprises (1) mixing a test sample with nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and measuring an increase in the absorbance value of reduced NADH, (2) test The sample and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) are mixed with the test sample and the reducing reagent, Into (INT), using an electron carrier such as phenazine methosulfate (PMS) as a medium to detect formazan-generated color development. Or (3) Metal ions (for example, Co 3+ etc.) to the test sample and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) via an electron carrier such as 1-methoxy-phenazine methosulfate (1-Methoxy PMS) It can also be carried out by a method such as reducing the amount of the compound, reacting with chelate indicator 5-Br-PAPS or the like, and measuring and detecting the colored absorbance value. Also in the methods (1) to (3) above, the reagent can be mixed in the well of the microplate.

本発明において、被検試料は、例えば、血液試料であることができる。   In the present invention, the test sample can be, for example, a blood sample.

本発明においては、L-メチオニン分析と並行して、L-ロイシン、L-イソロイシン、L-バリンおよびL-フェニルアラニンの少なくとも1つも併せて分析することができる。これは、本発明の方法で用いる本発明の改変酵素またはタンパク質が、L-メチオニンのみならず、L-ロイシン、L-イソロイシン、L-バリンおよびL-フェニルアラニンの少なくとも1つに対しても、基質特異性を有するからである。   In the present invention, in parallel with the L-methionine analysis, at least one of L-leucine, L-isoleucine, L-valine and L-phenylalanine can also be analyzed. This is because the modified enzyme or protein of the present invention used in the method of the present invention is a substrate not only for L-methionine but also for at least one of L-leucine, L-isoleucine, L-valine and L-phenylalanine. This is because it has specificity.

実施例1
[フェニルアラニン脱水素酵素の分子モデリング]
Bacillus sphaericus R79a由来フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(Swiss-Prot accession No. P23307)を鋳型とし、カナダCCG社製統合計算化学システムプログラム(MOE)を用いてタンパク質のホモロジーモデリングを行った。相同性タンパク質の検索を行い、幾つかのアミノ酸脱水素酵素タンパク質を抽出した。前記で得られたアミノ酸配列をもとに多重配列アラインメントを行った。立体構造既知のアミノ酸脱水素酵素で最も相同性の高い値を示したBacillus sphaericus由来ロイシン脱水素酵素の立体構造座標(PDB accession No. 1LEH、相同性:47.2%)を鋳型として構造保持領域解析を同上プログラムで行い、Bacillus sphaericus R79a由来フェニルアラニン脱水素酵素の予測立体構造を構築した。構築された予測立体構造をMOEプログラムに含まれるAMBER '89/'94、CHARMM22およびEngh-Huber力場の各理論によるエネルギー極小化計算を行うことによって立体構造の最適化を行った。
Example 1
[Molecular modeling of phenylalanine dehydrogenase]
Using the amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (Swiss-Prot accession No. P23307) as a template, protein homology modeling was performed using the Canadian Computational Chemistry System Program (MOE). Homologous proteins were searched and some amino acid dehydrogenase proteins were extracted. Multiple sequence alignment was performed based on the amino acid sequence obtained above. Structure retention region analysis using the 3D structure coordinates (PDB accession No. 1LEH, homology: 47.2%) of leucine dehydrogenase from Bacillus sphaericus, which showed the highest homology among amino acid dehydrogenases with known 3D structures. The same program was used to construct a predicted three-dimensional structure of phenylalanine dehydrogenase from Bacillus sphaericus R79a. The predicted three-dimensional structure was optimized by calculating the energy minimization based on the AMBER '89 / '94, CHARMM22 and Engh-Huber force field theories included in the MOE program.

[補酵素NADの座標抽出と転写]
フェニルアラニン脱水素酵素の結晶構造解析はRhodococcus sp. M4由来の酵素で報告されている(Biochemistry, 38. 2326-2339 (1999);非特許文献3、Biochemistry, 39. 9174-9187 (2000);非特許文献4)。Rhodococcus sp. M4由来フェニルアラニン脱水素酵素の立体構造解析では、酵素タンパク質、補酵素(NAD+)および反応生成物(フェニルピルビン酸)の複合体での座標が解析されている(PDB accession No. 1BW9)。NAD+の座標を前記PDBデータから抽出し、上記予測立体構造データに転写した。前記参考文献に記述されているNAD+とタンパク質が相互作用するアミノ酸残基をB. sphaericus由来フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列とのアラインメントから探索し、アミノ酸残基195番目のバリン(Val)、214番目のアスパラギン酸(Asp)、254番目のアラニン(Ala)および277番目のアスパラギン(Asn)を抽出した。MOEプログラムを用いて、前記アミノ酸残基とNAD+が相互作用する原子間距離に拘束をかけ、同上プログラムを用いてエネルギー極小化計算を行い、予測立体構造においてNAD+が最も安定する空間座標を導き出した。
[Coordinate extraction and transcription of coenzyme NAD]
Crystal structure analysis of phenylalanine dehydrogenase has been reported for an enzyme derived from Rhodococcus sp. M4 (Biochemistry, 38. 2326-2339 (1999); Non-patent document 3, Biochemistry, 39. 9174-9187 (2000); Patent Document 4). In the three-dimensional structure analysis of phenylalanine dehydrogenase derived from Rhodococcus sp. M4, the coordinates of the complex of enzyme protein, coenzyme (NAD + ) and reaction product (phenylpyruvic acid) are analyzed (PDB accession No. 1BW9). ). The coordinates of NAD + were extracted from the PDB data and transferred to the predicted three-dimensional structure data. Amino acid residues interacting with NAD + and proteins described in the above references are searched from alignment with the amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from B. sphaericus, and amino acid residue 195th valine (Val), 214 The aspartic acid (Asp), the 254th alanine (Ala) and the 277th asparagine (Asn) were extracted. The MOE program is used to constrain the interatomic distance where the amino acid residue interacts with NAD + , and the above program is used to perform energy minimization calculations to determine the spatial coordinates where NAD + is most stable in the predicted 3D structure. Derived.

[基質L-フェニルアラニンの座標抽出と転写]
前記NAD+と同様にして、基質L-フェニルアラニンの座標をRhodococcus sp. M4の立体構造座標(PDB accession No. 1C1D)から抽出し、上記で構築したB. sphaericus R79a由来フェニルアラニン脱水素酵素の予測立体構造データの座標上に転写した。前記同様の手順に従って酵素タンパク質とL-Pheが相互作用するアミノ酸残基として53番目のグリシン、79番目のリジン、91番目のリジンおよび126番目のアスパラギン酸と基質L-フェニルアラニンの原子間距離に拘束をかけてエネルギー極小化計算を行い、予測立体構造においてL-Pheが最も安定する空間座標を導き出した。
[Coordinate extraction and transcription of substrate L-phenylalanine]
In the same manner as NAD + , the coordinates of the substrate L-phenylalanine were extracted from the three-dimensional structure coordinates (PDB accession No. 1C1D) of Rhodococcus sp. M4, and the predicted three-dimensional structure of phenylalanine dehydrogenase derived from B. sphaericus R79a constructed above Transferred onto the coordinates of the structure data. According to the same procedure as above, the amino acid residue that interacts with the enzyme protein and L-Phe is constrained to the interatomic distance between the 53rd glycine, 79th lysine, 91st lysine and 126th aspartic acid and the substrate L-phenylalanine. The energy minimization calculation was performed over time, and the spatial coordinates where L-Phe was most stable in the predicted 3D structure were derived.

[変異アミノ酸残基候補の抽出]
前記で構築されたB. sphaericus由来フェニルアラニン脱水素酵素のタンパク質・NAD+・L-フェニルアラニン複合予測立体構造をPDBデータ形式で出力し、分子モデル表示ソフト(PyMOL, DeLano Scientific LLC, South San Francisco, CA, USA)を使って描画した。基質(L-フェニルアラニン)リガンドとタンパク質分子表面が接触可能なアミノ酸残基を描画した立体構造で確認しながら抽出した。さらに、Rhodococcus sp. M4由来フェニルアラニン脱水素酵素(非特許文献1,2)が基質(L-フェニルアラニン)と相互作用するアミノ酸残基をB. sphaericus由来フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列からアミノ酸配列アラインメントによって抽出した。前記操作により合計28個のアミノ酸残基を候補として選択した。選択したアミノ酸残基は以下の表7に示すとおりである。
[Extraction of mutated amino acid residue candidates]
The B. sphaericus-derived phenylalanine dehydrogenase protein / NAD + / L-phenylalanine complex predicted three-dimensional structure constructed as described above is output in PDB data format, and molecular model display software (PyMOL, DeLano Scientific LLC, South San Francisco, CA) , USA). Extraction was performed while confirming the drawn three-dimensional structure of amino acid residues that can contact the substrate (L-phenylalanine) ligand and the protein molecule surface. Furthermore, Rhodococcus sp. M4-derived phenylalanine dehydrogenase (Non-patent Documents 1 and 2) was subjected to amino acid sequence alignment from the amino acid sequence of B. sphaericus-derived phenylalanine dehydrogenase by interacting with the substrate (L-phenylalanine). Extracted. By the above operation, a total of 28 amino acid residues were selected as candidates. The selected amino acid residues are as shown in Table 7 below.

(1;鋳型pdh遺伝子の調製)
鋳型として用いたBacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素遺伝子(pdh)およびその相補配列を組み込んだ大腸菌(Escherichia coli JM109 /pPDH-DBL; Gene, vol. 63. 337-341 (1988))よりアルカリSDS法にてプラスミドDNA(pPDH-DBL)を抽出した。Bacillus sphaericus R79a由来のpdh遺伝子配列およびアミノ酸配列を配列番号3と4にそれぞれ示した。得られたプラスミドDNA 0.1 mlに対し、5 mg/mlに調整したRNase溶液(SIGMA社製)を加えて処理した。前記処理反応液を定法に従いフェノール・クロロホルム処理した。前記処理反応液をポリエチレングリコール沈澱処理し、精製鋳型プラスミドDNA溶液(pPDH-DBL)を得た。
(1; Preparation of template pdh gene)
Alkaline SDS from Escherichia coli JM109 / pPDH-DBL (gene, vol. 63. 337-341 (1988)) incorporating the phenylalanine dehydrogenase gene (pdh) derived from Bacillus sphaericus R79a used as a template and its complementary sequence Plasmid DNA (pPDH-DBL) was extracted by the method. The pdh gene sequence and amino acid sequence derived from Bacillus sphaericus R79a are shown in SEQ ID NOs: 3 and 4, respectively. An RNase solution (manufactured by SIGMA) adjusted to 5 mg / ml was added to the obtained plasmid DNA (0.1 ml) for treatment. The treated reaction solution was treated with phenol / chloroform according to a conventional method. The treatment reaction solution was subjected to polyethylene glycol precipitation treatment to obtain a purified template plasmid DNA solution (pPDH-DBL).

[飽和変異によるスクリーニング]
前記28個のアミノ酸残基候補に対し、各々20種類のアミノ酸に飽和変異させるためにプライマーを作成(表1参照)し、Stratagene社製のQuikChange( Multi Site-Directed Mutagenesis Kitを用い同社プロトコールに従ってPCR法によって変異を導入した。本実施例においては、表8に示すプライマーの組み合わせを用い、B. sphaericus R79a由来フェニルアラニン脱水素酵素遺伝子を鋳型としてPCRを行った。得られたPCR反応液を定法に従ってE. coli JM109に形質転換し、50 (g/mlのアンピシリンを含むLB寒天培地に塗布して37℃、10時間培養した。得られたコロニーを96穴ディーププレート(NUNC社製、80 (g/mlのアンピシリンを含むLB培地;300 (L)に植菌し1000 rpm、37℃で12〜18時間培養した。
[Screening by saturation mutation]
For the 28 amino acid residue candidates, primers were prepared to saturate 20 amino acids each (see Table 1), and PCR was performed according to the protocol using QuikChange (Multi Site-Directed Mutagenesis Kit manufactured by Stratagene). In this example, PCR was performed using the combination of primers shown in Table 8 and the B. sphaericus R79a-derived phenylalanine dehydrogenase gene as a template. E. coli JM109 was transformed, applied to an LB agar medium containing 50 (g / ml ampicillin, and cultured at 37 ° C. for 10 hours. The obtained colony was 96-well deep plate (NUNC, 80 (g LB medium containing / ml ampicillin; inoculated into 300 (L) and cultured at 1000 rpm and 37 ° C. for 12 to 18 hours.

[1次スクリーニング〜ホルマザン比色法〜]
形質転換した大腸菌(E. coli JM109)のコロニーを、予め50 μg/mlのアンピシリンを含むLB培地300 μLを分注した96穴ディープウェルプレートに植菌し、37℃、毎分1,000 回転にて16時間以上振とう培養した。得られた培養液150 μLを96穴丸底マイクロプレートに分取し、遠心分離により集菌した。遠心上清をデカンテーションにより除去した。沈澱菌体に対し、10 μLのリゾチーム溶液(10 mg/mlとなるように10 mM EDTAを含む0.1 M リン酸緩衝液、pH 7.0に調製した溶液)を添加し、懸濁させて37℃で1時間保持した。前記処理したプレートを-80℃のディープフリーザーにて30分間凍結させた後、37℃のインキュベータ内にて1時間保持する凍結融解操作を2回繰り返した。
前記処理プレートの各ウェルに対し、予め冷却した5 mM 塩化マグネシウムを含む10 mM リン酸緩衝液、pH 7.0を100 μLずつ分注し、シェーカーで10分間撹拌し、無細胞抽出液の抽出を行った。遠心分離で得られた上澄みを無細胞抽出液として1次スクリーニングに用いた。
酵素活性の1次スクリーニングには、ホルマザン比色法を用いた。すなわち、前記で得られた無細胞抽出液10 μLを384穴プレートのウェルにそれぞれ分注し、反応液20 μL(0.1 M グリシン-KCl-KOH緩衝液、pH 10.4、2.5 mM NAD、0.1 mM 1-Methoxy-PMS(またはPMS)、0.1 mM INTおよび10 mM 基質(フェニルアラニン、ロイシンまたはメチオニン))を加えて37℃の暗所で反応させ、赤紫色の発色を目視することにより判定した。1次スクリーニングでは、メチオニンの基質に対する発色が良好な組換え体を選抜した。その結果、5菌株を取得することができた(表9参照(Bacillus sphaericus R79a由来酵素))。
[Primary screening-Formazan colorimetric method-]
The transformed E. coli JM109 colonies were inoculated into a 96-well deep well plate that had been pre-dispensed with 300 μL of LB medium containing 50 μg / ml ampicillin at 37 ° C. and 1,000 rotations per minute. Shake culture for 16 hours or more. 150 μL of the obtained culture solution was collected on a 96-well round bottom microplate and collected by centrifugation. The centrifugal supernatant was removed by decantation. 10 μL of lysozyme solution (0.1 M phosphate buffer containing 10 mM EDTA, adjusted to pH 7.0 to 10 mg / ml) is added to the cells, and suspended at 37 ° C. Hold for 1 hour. The treated plate was frozen for 30 minutes in a -80 ° C deep freezer, and then freeze-thawed for 1 hour in a 37 ° C incubator was repeated twice.
To each well of the treatment plate, dispense 100 μL of 10 mM phosphate buffer, pH 7.0, containing 5 mM magnesium chloride, cooled in advance, and stir for 10 minutes on a shaker to extract the cell-free extract. It was. The supernatant obtained by centrifugation was used as a cell-free extract for primary screening.
Formazan colorimetric method was used for primary screening of enzyme activity. Specifically, 10 μL of the cell-free extract obtained above was dispensed into each well of a 384-well plate, and 20 μL of the reaction solution (0.1 M glycine-KCl-KOH buffer, pH 10.4, 2.5 mM NAD, 0.1 mM 1 -Methoxy-PMS (or PMS), 0.1 mM INT and 10 mM substrate (phenylalanine, leucine or methionine)) were added and reacted in the dark at 37 ° C., and red-purple color development was visually observed. In the primary screening, recombinants with good color development on the methionine substrate were selected. As a result, 5 strains could be obtained (see Table 9 (Bacillus sphaericus R79a-derived enzyme)).

[2次スクリーニング〜NAD吸収〜]
前記1次スクリーニングで得られた組換え体を3 mLのLB試験管培地(50 μg/mlのアンピシリンを含む)で37℃12時間振とう培養し、超音波破砕により菌体を破砕した。遠心分離で得られた無細胞抽出液を用いてダブルビーム分光光度計によるレートアッセイを行った。反応液は1mlとし、NADの340 nmにおける吸光度の増加から酵素活性を算出した。L-フェニルアラニン、L-メチオニンおよびL-ロイシンのそれぞれの基質に対する酵素活性を測定し、L-フェニルアラニンに対する酵素活性を100としたときの相対活性をそれぞれL-メチオニンおよびL-ロイシンについて算出した(表9参照)。その結果、メチオニンに対する基質特異性が改善された菌株は、変異酵素名BS124S145M66C295N、BS124S145M66C295N310R、BS124S145M66C295N310G、BS124S145M66C295N310PおよびBS124S145L310Tの5菌株であった。前記5菌株の中で、L-メチオニンに対する基質特異性の改善が良く、比活性の高い菌株はBS124S145M66C295N310Pであった。
[Secondary screening-NAD absorption-]
The recombinant obtained in the primary screening was cultured with shaking in 3 mL of LB test tube medium (containing 50 μg / ml ampicillin) at 37 ° C. for 12 hours, and the cells were disrupted by ultrasonic disruption. A rate assay with a double beam spectrophotometer was performed using the cell-free extract obtained by centrifugation. The reaction solution was 1 ml, and the enzyme activity was calculated from the increase in absorbance of NAD at 340 nm. Enzyme activity for each substrate of L-phenylalanine, L-methionine and L-leucine was measured, and relative activity was calculated for L-methionine and L-leucine, respectively, when the enzyme activity for L-phenylalanine was 100 (Table). 9). As a result, the five strains with the improved substrate specificity for methionine were the mutant enzyme names BS124S145M66C295N, BS124S145M66C295N310R, BS124S145M66C295N310G, BS124S145M66C295N310P and BS124S145L310T. Among the five strains, BS124S145M66C295N310P was a strain with good substrate specificity for L-methionine and high specific activity.

[変異型フェニルアラニン脱水素酵素の調製]
Bacillus sphaericus R79a由来フェニルアラニン脱水素酵素のL-メチオニンに対する反応を改変した変異型酵素遺伝子を含むプラスミドを導入した宿主大腸菌(Escherichia coli JM109)を50 μg/mlのアンピシリンを含むLB液体培地を用いて37℃で12時間培養した後、最終濃度0.5 mMとなるようにイソプロピル-β-D-チオガラクトピラノシド(IPTG)を添加して30℃でさらに12時間培養した。培養液を遠心分離(8,000 x g, 10分,4℃)して菌体を集め、生理的食塩水で洗浄した。洗浄菌体は使用するまで-30℃で保存した。
[Preparation of mutant phenylalanine dehydrogenase]
Using Escherichia coli JM109, a plasmid containing a modified enzyme gene modified from the reaction of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a with L-methionine, using LB liquid medium containing 50 μg / ml ampicillin 37 After culturing at 12 ° C. for 12 hours, isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) was added to a final concentration of 0.5 mM, followed by further culturing at 30 ° C. for 12 hours. The culture broth was centrifuged (8,000 × g, 10 minutes, 4 ° C.), and the cells were collected and washed with physiological saline. The washed cells were stored at −30 ° C. until use.

菌体重量に対して5倍容量の20 mMトリス塩酸緩衝液(pH 8.0、0.3 M NaCl、20 mM イミダゾールおよび5 mM 2-メルカプトエタノールを含む)に懸濁し、超音波破砕器(KUBOTA INSONATOR model 201M、久保田社製)にて20分間破砕した。遠心分離(28,400 x g, 20分, 4℃)により上澄み液(無細胞抽出液)を得た。予めニッケルを充填し、同上緩衝液にて平衡化したメタルキレートアフィニティー樹脂(Chelating-Sepharose FF:2 mL)に前記無細胞抽出液を添加した。50 mM イミダゾールを含む同上緩衝液にて樹脂を洗浄した後、500 mM イミダゾールを含む同上緩衝液にて活性画分を溶出した。得られた活性画分は、20 mM トリス塩酸緩衝液(pH 8.0、0.1 mM EDTAおよび5 mM 2-メルカプトエタノールを含む)にて透析し、酵素標品とした。   Suspend in 20 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0, 0.3 M NaCl, 20 mM imidazole and 5 mM 2-mercaptoethanol) 5 times the cell weight, and use an ultrasonic crusher (KUBOTA INSONATOR model 201M And manufactured by Kubota) for 20 minutes. A supernatant (cell-free extract) was obtained by centrifugation (28,400 × g, 20 minutes, 4 ° C.). The cell-free extract was added to a metal chelate affinity resin (Chelating-Sepharose FF: 2 mL) previously filled with nickel and equilibrated with the same buffer. After washing the resin with the same buffer containing 50 mM imidazole, the active fraction was eluted with the same buffer containing 500 mM imidazole. The obtained active fraction was dialyzed against 20 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0, containing 0.1 mM EDTA and 5 mM 2-mercaptoethanol) to prepare an enzyme preparation.

[基質特異性]
フェニルアラニン脱水素酵素の活性測定は、浅野らの方法(Eur. J. Biochem. (1987)168(1), 153-159)に従ってダブルビーム分光光度計(PharmaSpec UV-1700、島津社製)を用い、光路長1 cmのPMMA製キュベット(BRAND社製)で測定した。反応液の組成は以下のとおりとした。1 M Glycine-NaCl-NaOH buffer, pH 10.4を0.1 ml、25 mM NAD+(オリエンタル酵母社製)溶液を0.1 ml、0.1 M L-フェニルアラニン(日本理化学薬品社製)もしくはL-ロイシン(日本理化学薬品社製)あるいはL-メチオニン(日本理化学薬品社製)などの水溶液(酵素の性質によって基質特異性が異なるので、その都度適切な基質を選択する)を0.1 mlおよび適量の酵素溶液を加えて反応液総量を1.0 mlとした。補酵素NAD+の分子吸光係数(()は6,220 l・mol-1・cm-1とし、340 nmにおける吸光度の増加から単位時間(分)あたりの吸光度の変化率((340 nm / min)を求め、活性を算出した。本発明における酵素活性1単位(U)は、1分間に1 (molのNADHを生成する酵素量とした。比活性(U / mg)は、タンパク質1 mgあたりの酵素活性(U)として定義した。
[Substrate specificity]
The phenylalanine dehydrogenase activity was measured using a double beam spectrophotometer (PharmaSpec UV-1700, manufactured by Shimadzu Corporation) according to the method of Asano et al. (Eur. J. Biochem. (1987) 168 (1), 153-159). The measurement was performed with a PMMA cuvette (BRAND) having an optical path length of 1 cm. The composition of the reaction solution was as follows. 0.1 ml of 1 M Glycine-NaCl-NaOH buffer, pH 10.4, 0.1 ml of 25 mM NAD + (Oriental Yeast) solution, 0.1 M L-phenylalanine (Nippon Riken) or L-leucine (Nippon Riken) ) Or L-methionine (manufactured by Nihon Rikagaku Kabushiki Kaisha), etc. (The substrate specificity varies depending on the nature of the enzyme, so select the appropriate substrate each time) 0.1 ml and the appropriate amount of enzyme solution are added to react. The total liquid volume was 1.0 ml. The molecular extinction coefficient of coenzyme NAD + (() is 6,220 l · mol -1 · cm -1, and the rate of change in absorbance per unit time (min) from the increase in absorbance at 340 nm ((340 nm / min)) In the present invention, 1 unit (U) of enzyme activity is defined as the amount of enzyme that produces 1 mol of NADH per minute. Specific activity (U / mg) is the enzyme per mg of protein. Defined as activity (U).

[5点変異型フェニルアラニン脱水素酵素の基質特異性]
B. sphaericus由来PheDHの5箇所のアミノ酸残基を置換した変異型酵素のアミノ酸置換残基をMOEで構築した予測立体構造から抽出し、その配座(赤いBall&stickで表示されたアミノ酸残基)を図1に示す。予測したフェニルアラニン脱水素酵素の酵素タンパク質・基質・NAD+複合体立体構造から抽出したアミノ酸残基の飽和変異を行った結果、フェニルアラニンおよびロイシンに対する活性(10mM濃度測定時における)がメチオニンと比べて抑制された変異株をスクリーニングした。その結果、Gly-124、Asn-145、Val-310、Leu-295およびLeu-66の5残基にアミノ酸置換が認められた(BS124S145M66C295N310P)。Gly-124、Asn-145およびVal-310の3残基は基質フェニルアラニンのベンゼン環近傍に配座していた。Leu-295は基質から離れた位置に配座しており、予測される基質との相互作用は基質よりもむしろNAD+と関連していると考えられる。このとき、Leu-295の側鎖はサブユニット表面に露出した状態となっていた。一方、Leu-66残基に関しては、サブユニットのN末端ドメインの分子表面に位置し、基質およびNAD+との直接の相互作用は考えられ難い。
[Substrate specificity of 5-point mutant phenylalanine dehydrogenase]
The amino acid substitution residues of the mutant enzyme in which 5 amino acid residues of B. sphaericus-derived PheDH were substituted were extracted from the predicted three-dimensional structure constructed by MOE, and the conformation (amino acid residues indicated by red Ball & stick) was It is shown in FIG. As a result of saturation mutation of amino acid residues extracted from the predicted three-dimensional structure of phenylalanine dehydrogenase enzyme protein / substrate / NAD + complex, the activity against phenylalanine and leucine (when measured at 10 mM concentration) is suppressed compared to methionine The mutants were screened. As a result, amino acid substitutions were observed in 5 residues of Gly-124, Asn-145, Val-310, Leu-295 and Leu-66 (BS124S145M66C295N310P). Three residues of Gly-124, Asn-145 and Val-310 were conformed near the benzene ring of the substrate phenylalanine. Leu-295 is conformed to a position remote from the substrate, and the predicted interaction with the substrate appears to be related to NAD + rather than the substrate. At this time, the side chain of Leu-295 was exposed on the subunit surface. On the other hand, the Leu-66 residue is located on the molecular surface of the N-terminal domain of the subunit, and direct interaction with the substrate and NAD + is unlikely.

また、本酵素の芳香族アミノ酸ならびに脂肪族アミノ酸に対する基質特異性を表10に示す。本変異酵素は、L-ノルロイシンに対して最も良好な酸化的脱アミノ化反応を触媒した。続いてL-メチオニンに対して反応し、L-フェニルアラニンやL-ロイシンおよびL-バリンに対してはL-メチオニンを基準にしたときにそれぞれ50%以下に抑制されていた。血液試料中のアミノ酸を定量する場合、L-ノルロイシンやL-ノルバリンはほとんど含まれていないことから、酵素反応による蛍光定量に全く影響しない。すなわち、血液試料中の分岐鎖アミノ酸(L-ロイシン、L-イソロイシンおよびL-バリン)を適切に処理することができれば、ろ紙血液中のL-メチオニンに関して本酵素を用いた蛍光定量が可能となることが期待できる。   In addition, Table 10 shows the substrate specificity of the enzyme for aromatic amino acids and aliphatic amino acids. This mutant enzyme catalyzed the best oxidative deamination reaction against L-norleucine. Subsequently, it reacted with L-methionine, and with respect to L-phenylalanine, L-leucine and L-valine, each was suppressed to 50% or less when L-methionine was used as a reference. When quantifying amino acids in blood samples, L-norleucine and L-norvaline are scarcely contained, so there is no influence on fluorescence quantification by enzymatic reaction. That is, if branched-chain amino acids (L-leucine, L-isoleucine and L-valine) in blood samples can be appropriately treated, fluorescence quantification using this enzyme can be performed for L-methionine in filter paper blood. I can expect that.

本酵素のL-メチオニンおよびNAD+に対するカイネティックパラメータについて調べた(表11)。本酵素のL-メチオニンに対するKm値は、0.33 ± 0.014 mMであり、このときのVmax値は1.73 ± 0.18 U/mgであった。本酵素の分子量は、SDS-PAGEにより45,000、推定アミノ酸配列より45,150と算出され、ゲルろ過法により分子量約400,000と算出されていることから、ホモ型の8量体構造を形成していると考えられる。従って、本酵素のkcatは1.4 ± 0.15 s-1となり、L-メチオニンに対するkcat/Kmは4.1 ± 0.38 s-1 mM-1となった。一方、NAD+に対するKm値は、L-メチオニン濃度を2 mMに固定したときに0.16 ± 0.012 mMであった。B. sphaericus由来野生型酵素のNAD+に対するKm値は、L-フェニルアラニンを基質として1 mM濃度固定条件下において0.24 mM、B. badius由来野生型酵素のKm値は0.15 mMである。本変異型酵素のNAD+に対するKm値は、B. sphaericus由来PheDHよりもむしろB. badius由来PheDHのNAD+に対するKm値と近い値を有していた。NAD+に対するKm値の向上はLeu-295のアミノ酸置換が影響したものと考えられる。 The kinetic parameters of the enzyme for L-methionine and NAD + were examined (Table 11). The K m value of this enzyme for L-methionine was 0.33 ± 0.014 mM, and the V max value at this time was 1.73 ± 0.18 U / mg. The molecular weight of this enzyme was calculated to be 45,000 by SDS-PAGE, 45,150 from the deduced amino acid sequence, and calculated to be about 400,000 by gel filtration. Therefore, it was considered that a homo-octamer structure was formed. It is done. Therefore, k cat of this enzyme was 1.4 ± 0.15 s −1 , and k cat / K m for L-methionine was 4.1 ± 0.38 s −1 mM −1 . On the other hand, the K m value for NAD + was 0.16 ± 0.012 mM when the L-methionine concentration was fixed at 2 mM. The K m value for NAD + of the wild type enzyme derived from B. sphaericus is 0.24 mM under the fixed condition of 1 mM concentration using L-phenylalanine as a substrate, and the K m value of the wild type enzyme derived from B. badius is 0.15 mM. K m values for NAD + of the mutant enzyme, B. Had rather have a Km value and close to the values for NAD + of B. badius from PheDH than sphaericus derived PheDH. Improvement in K m values for NAD + is considered to have influenced the amino acid substitutions of Leu-295.

実施例2
[変異型酵素のアミノ酸蛍光定量]
96穴ブラックマイクロプレートウェル内に既知濃度のL-フェニルアラニンおよびL-メチオニンをそれぞれ0.04ml分注し、40μMレサズリンを含む50mMトリス塩酸緩衝液(pH 8.9)0.08mlを加えて撹拌し、0.04mlの酵素混合溶液(10mU 変異型フェニルアラニン脱水素酵素(BS124S145M66C295N310P)、4mM β-NAD+、0.03mg/mlジアホラーゼ(オリエンタル酵母社製)を含む)を加えて室温にて1時間インキュベーションした。得られた蛍光は蛍光・吸光・発光マイクロプレートリーダー(テカン社製、ジェニオス)を用いて励起波長545 nm、蛍光波長590 nmのフィルターにて測定した。得られたデータはLS-PATE manager2001(和光純薬工業社製)を用いて解析した。解析結果から検量線を作成し、図2に示す。さらにこの検量線から定量結果を得た(表12)。BS124S145M66C295N310Pを用いて作成した検量線から、コントロール中に含まれるL-メチオニン濃度を定量することができた。このとき、これまでの改変型酵素ではL-フェニルアラニン濃度の影響の為、L-メチオニンの定量は困難であったが、BS124S145M66C295N310P 酵素を用いることでL-フェニルアラニンの共雑濃度に関係なくL-メチオニンを定量することができた。
Example 2
[Amino acid fluorescence determination of mutant enzyme]
Dispense 0.04 ml each of L-phenylalanine and L-methionine at known concentrations into a 96-well black microplate well, add 0.08 ml of 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.9) containing 40 μM resazurin, and then add 0.04 ml An enzyme mixed solution (containing 10 mU mutant phenylalanine dehydrogenase (BS124S145M66C295N310P), 4 mM β-NAD +, 0.03 mg / ml diaphorase (manufactured by Oriental Yeast)) was added and incubated at room temperature for 1 hour. The obtained fluorescence was measured with a filter having an excitation wavelength of 545 nm and a fluorescence wavelength of 590 nm using a fluorescence / absorption / luminescence microplate reader (manufactured by Tecan, Genios). The obtained data was analyzed using LS-PATE manager2001 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). A calibration curve was created from the analysis results and shown in FIG. Furthermore, quantitative results were obtained from this calibration curve (Table 12). From the calibration curve created using BS124S145M66C295N310P, the L-methionine concentration contained in the control could be quantified. At this time, quantification of L-methionine was difficult due to the effect of L-phenylalanine concentration with conventional modified enzymes, but by using the BS124S145M66C295N310P enzyme, L-methionine was used regardless of the concomitant concentration of L-phenylalanine. Could be quantified.

5点変異型フェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸残基と推定配座。Amino acid residue and putative conformation of 5-point mutant phenylalanine dehydrogenase. 変異型酵素(BS124S145M66C295N310P)によるアミノ酸蛍光定量検量線。A calibration curve of amino acid fluorescence using a mutant enzyme (BS124S145M66C295N310P).

Claims (18)

Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の66 番目のアミノ酸残基をシステイン(Cys)、124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をメチオニン(Met)、295番目のアミノ酸残基をアスパラギン(Asn)に置換し、且つ310番目のアミノ酸残基をプロリン(Pro)、アルギニン(Arg)またはグリシン(Gly)に置換した改変酵素。 In the amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), the 66th amino acid residue is cysteine (Cys), the 124th amino acid residue is serine (Ser), the 145th amino acid residue Modification by replacing amino acid residue with methionine (Met), 295th amino acid residue with asparagine (Asn), and 310th amino acid residue with proline (Pro), arginine (Arg) or glycine (Gly) enzyme. 310番目のアミノ酸残基をプロリン(Pro)に置換した請求項1に記載の改変酵素。 2. The modified enzyme according to claim 1, wherein the 310th amino acid residue is substituted with proline (Pro). Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の66 番目のアミノ酸残基をシステイン(Cys)、124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をメチオニン(Met)、295番目のアミノ酸残基をアスパラギン(Asn)に置換した改変酵素。 In the amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), the 66th amino acid residue is cysteine (Cys), the 124th amino acid residue is serine (Ser), the 145th amino acid residue A modified enzyme in which the amino acid residue is replaced with methionine (Met) and the 295th amino acid residue is replaced with asparagine (Asn). Bacillus sphaericus R79a由来のフェニルアラニン脱水素酵素のアミノ酸配列(配列表の配列番号4に記載)の124番目のアミノ酸残基をセリン(Ser)、145番目のアミノ酸残基をロイシン(Lue)に置換し、且つ310番目のアミノ酸残基をスレオニン(Thr)に置換した改変酵素。 In the amino acid sequence of phenylalanine dehydrogenase derived from Bacillus sphaericus R79a (described in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), the 124th amino acid residue is replaced with serine (Ser), the 145th amino acid residue is replaced with leucine (Lue), A modified enzyme in which the 310th amino acid residue is replaced with threonine (Thr). 請求項1〜4のいずれか1項に記載の酵素のN末端側に1〜12個のヒスチジンから成るオリゴペプチド(ヒスチジン・タグ)を融合したタンパク質。 A protein in which an oligopeptide (histidine tag) comprising 1 to 12 histidines is fused to the N-terminal side of the enzyme according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の酵素または請求項5に記載の融合タンパク質をコードする塩基配列を有するDNA。 A DNA having a base sequence encoding the enzyme according to any one of claims 1 to 4 or the fusion protein according to claim 5. 下記いずれかのDNA。
(1)配列表の配列番号3に記載の塩基配列を有するDNAであって、196〜198番目のctgがtgtあるいはtgc、370〜372番目のggtがagt、agc、tct、tcc、tcaあるいはtcg、433〜435番目のaacがatg、883〜885番目のctaがaatあるいはaac、且つ928〜930番目のgttがcct、ccc、ccaあるいはccgであるDNA、
(2)(1)のDNAに相補的な塩基配列を有するDNA。
Any of the following DNA.
(1) DNA having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing, wherein 196 to 198th ctg is tgt or tgc, and 370 to 372rd ggt is agt, agg, tct, tcc, tca or tcg 433-435th aac is atg, 883-885th cta is aat or aac, and 928-930th gtt is cct, ccc, cca or ccg,
(2) DNA having a base sequence complementary to the DNA of (1).
下記いずれかのDNA。
(11)配列表の配列番号4に記載のアミノ酸配列であって、
124番目のアミノ酸がセリン(Ser)であ
310番目のアミノ酸がプロリン(Pro)であ
66番目のアミノ酸がシステイン(Cys)であ
145番目のアミノ酸がメチオニン(Met)であ、及び
295番目のアミノ酸がアスパラギン(Asn)である、
ミノ酸配列をコードするDNA、
(12)配列表の配列番号4に記載のアミノ酸配列であって、
124番目のアミノ酸がセリン(Ser)であり、
66番目のアミノ酸がシステイン(Cys)であり、
145番目のアミノ酸がメチオニン(Met)であり、及び
295番目のアミノ酸がアスパラギン(Asn)である、
アミノ酸配列をコードするDNA、
(13)(11)及び(12)のいずれかのDNAに相補的な塩基配列を有するDNA。
Any of the following DNA.
(11) The amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing,
124 th amino acid Ri serine (Ser) Der,
Ri 310 amino acid proline (Pro) Der,
66th amino acid Ri cysteine (Cys) Der,
145 amino acid Ri methionine (Met) der, and
295th amino acid is asparagine (Asn),
DNA encoding the amino acid sequence,
(12) The amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing,
The 124th amino acid is serine (Ser),
The 66th amino acid is cysteine (Cys)
The 145th amino acid is methionine (Met); and
295th amino acid is asparagine (Asn),
DNA encoding the amino acid sequence,
(13) A DNA having a base sequence complementary to the DNA of any one of (11) and (12) .
請求項6〜8のいずれかに記載のDNAを含むベクター。 A vector comprising the DNA according to any one of claims 6 to 8. 請求項6〜8のいずれかに記載のDNAのいずれかの末端側に1〜12個のヒスチジンからなるオリゴペプチドをコードするDNAをさらに含む請求項13に記載のベクター。 14. The vector according to claim 13, further comprising DNA encoding an oligopeptide consisting of 1 to 12 histidines on any terminal side of the DNA according to any one of claims 6 to 8. 請求項9または10に記載のベクターで宿主を形質転換した形質転換体。 A transformant obtained by transforming a host with the vector according to claim 9 or 10. 請求項11に記載の形質転換体を培養し、培養物からフェニルアラニン脱水素酵素(EC 1.4.1.20)のメチオニンに対する基質特異性を改善するように、少なくとも3つのアミノ酸が修飾された改変酵素を採取する改変酵素の調製方法。 12. The transformant according to claim 11 is cultured, and a modified enzyme modified with at least three amino acids is collected from the culture so as to improve the substrate specificity of phenylalanine dehydrogenase (EC 1.4.1.20) to methionine. A method for preparing a modified enzyme. 採取される改変酵素が、請求項1〜4のいずれかに記載の酵素または請求項5に記載の融合タンパク質である請求項12に記載の調製方法。 13. The preparation method according to claim 12, wherein the modified enzyme to be collected is the enzyme according to any one of claims 1 to 4 or the fusion protein according to claim 5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の酵素または請求項5に記載の融合タンパク質を用いて、被検試料に含まれるL-メチオニンを分析する方法。 A method for analyzing L-methionine contained in a test sample using the enzyme according to any one of claims 1 to 4 or the fusion protein according to claim 5. L-ロイシン、L-イソロイシン、L-バリンおよびL-フェニルアラニンの少なくとも1つを併せて分析する請求項14に記載の方法。 15. The method according to claim 14, wherein at least one of L-leucine, L-isoleucine, L-valine and L-phenylalanine is analyzed in combination. 被検試料をレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)と混合し、発色を検出することを含む、請求項14または15に記載の方法。 16. The method according to claim 14 or 15, comprising mixing a test sample with resazurin, diaphorase and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and detecting color development. 被検試料とレサズリン、ジアホラーゼおよびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+)との混合をマイクロプレートのウェル中で行う請求項16に記載の方法。 17. The method according to claim 16, wherein the test sample is mixed with resazurin, diaphorase, and nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) in a well of a microplate. 被検試料が血液試料である請求項14〜17のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 14 to 17, wherein the test sample is a blood sample.
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