JP4675134B2 - Sugar nucleotide synthase and use thereof - Google Patents

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Description

本発明は、植物体内で重要な糖ヌクレオチドの合成を触媒する新規な酵素、およびそれをコードするDNA とその利用に関する。   The present invention relates to a novel enzyme that catalyzes the synthesis of important sugar nucleotides in plants, DNA encoding the same, and use thereof.

細胞には種々のオリゴ糖やオリゴ糖を結合したタンパク質が存在し、それらが多くの生理機能に関与している。植物の細胞分化や生育制御にこれらの分子が関与しており、アラビノース(Ara) やキシロース(Xyl) などのペントースを含むオリゴ糖、多糖、糖タンパク質の果たす役割が注目されている。これら生理活性を有するオリゴ糖の合成や分解などの調節にはUDP-糖などの糖ヌクレオチドが関与している。   There are various oligosaccharides and proteins bound with oligosaccharides in cells, and they are involved in many physiological functions. These molecules are involved in plant cell differentiation and growth control, and the role played by oligosaccharides, polysaccharides, and glycoproteins including pentoses such as arabinose (Ara) and xylose (Xyl) has attracted attention. Sugar nucleotides such as UDP-sugar are involved in the regulation of synthesis and degradation of oligosaccharides having these physiological activities.

UDP-糖の合成には、ピロフォスフォリラーゼが関与し、UDP-グルコース(UDP-Glc) の合成には、UDP-Glc ピロフォスフォリラーゼが利用され、UDP-N-アセチルグルコサミン(UDP-GlcNAc)の合成には、UDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼが利用される。例えばUDP-Glc ピロフォスフォリラーゼはジャガイモから抽出され、cDNAもクローニングされた(非特許文献1および2参照)。また、UDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼはブタやジアルジア原虫から同定されている(非特許文献3および4参照)。UDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼは共通の触媒部位配列モチーフを持つことも報告されており(非特許文献5参照)、大腸菌のUDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼはグルコサミン1リン酸アセチルトランスフェラーゼ活性をもつ二機能性の酵素であることも明らかにされている(非特許文献6参照)。また、大腸菌の酵素は、触媒部位配列モチーフがUDP-GlcNAcと結合することが結晶構造解析から示されている(非特許文献7参照)。これらのUDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼは、UDP-GlcNAcやUDP-Glc などのヘキソース1リン酸に対して活性を示すが、ペントース1リン酸に対する活性は認められていない。ペントースであるL-アラビノース(L-Ara) は植物界に広く分布する単糖であり、植物細胞壁を構成する多糖、プロテオグリカンの糖鎖成分として広く存在している。L-Ara を主な構成単糖として含有する細胞壁成分には、ペクチンのアラビナン側鎖、アラビノガラクタン、グルクロノアラビノキシラン、エクステンシン、アラビノガラクタン−プロテインがあり(非特許文献8および9参照)、これらL-Ara を含む多糖類は、成長・分化などに重要な役割を果たしている生理活性物質と考えられている。   In the synthesis of UDP-sugar, pyrophosphorylase is involved, and in the synthesis of UDP-glucose (UDP-Glc), UDP-Glc pyrophosphorylase is used, and UDP-N-acetylglucosamine (UDP-GlcNAc) is used. UDP-GlcNAc pyrophosphorylase is used for the synthesis of). For example, UDP-Glc pyrophosphorylase was extracted from potato and cDNA was also cloned (see Non-Patent Documents 1 and 2). In addition, UDP-GlcNAc pyrophosphorylase has been identified from pigs and Giardia protozoa (see Non-Patent Documents 3 and 4). It has also been reported that UDP-GlcNAc pyrophosphorylase has a common catalytic site sequence motif (see Non-Patent Document 5), and UDP-GlcNAc pyrophosphorylase from E. coli has two glucosamine monophosphate acetyltransferase activities. It has also been clarified that it is a functional enzyme (see Non-Patent Document 6). Moreover, it has been shown from crystal structure analysis that the catalytic site sequence motif binds to UDP-GlcNAc in the E. coli enzyme (see Non-Patent Document 7). These UDP-GlcNAc pyrophosphorylases are active against hexose monophosphates such as UDP-GlcNAc and UDP-Glc, but have no activity against pentose monophosphate. L-arabinose (L-Ara), a pentose, is a monosaccharide widely distributed in the plant kingdom, and is widely present as a sugar chain component of polysaccharides and proteoglycans constituting plant cell walls. Cell wall components containing L-Ara as the main constituent monosaccharide include arabinan side chain of pectin, arabinogalactan, glucuronoarabinoxylan, extensin, and arabinogalactan-protein (see Non-Patent Documents 8 and 9). These polysaccharides containing L-Ara are considered to be physiologically active substances that play an important role in growth and differentiation.

Sowokinos et al., Plant Physiol., 101, 1073-1080 (1993)Sowokinos et al., Plant Physiol., 101, 1073-1080 (1993) Katsube et al., J. Biochem., 108, 321-326 (1990)Katsube et al., J. Biochem., 108, 321-326 (1990) Szumilo et al., J. Biol. chem., 271, 13147-13154 (1996)Szumilo et al., J. Biol.chem., 271, 13147-13154 (1996) Bulik et al., Biochem. Parasitol., 95, 135-139 (1998)Bulik et al., Biochem. Parasitol., 95, 135-139 (1998) Mio et al., J. Biol. chem., 273, 14392-14397 (1998)Mio et al., J. Biol.chem., 273, 14392-14397 (1998) Mengin-Lecreulx et al., J. Bacteriol., 176, 5788-5795 (1994)Mengin-Lecreulx et al., J. Bacteriol., 176, 5788-5795 (1994) Brown et al., The EMBO J., 18, 4096-4107 (1999)Brown et al., The EMBO J., 18, 4096-4107 (1999) Carpita and Gibeaut, Plant J., 3, 1-30 (1993)Carpita and Gibeaut, Plant J., 3, 1-30 (1993) Showalter, Plant Cell, 5, 9-23 (1993)Showalter, Plant Cell, 5, 9-23 (1993)

このようにペントースを含む多糖類は、様々な生理活性を保持しており有用で、その代謝や生合成機構、調節作用の解明が必要であるが、アラビノース1リン酸(L-Ara 1-P) やキシロース1リン酸(Xyl 1-P) に作用する糖ヌクレオチドピロフォスフォリラーゼに関しては、ほとんど研究報告がなく、同酵素の解明が望まれている。UDP-キシロースピロフォスフォリラーゼ(UDP-Xyl ピロフォスフォリラーゼ、EC2.7.7.11)は、マングビーンから粗酵素が抽出されたが(Ginsburg V. etal, Pro. Natl. Acad. Sci. USA 42, 333-335, 1956 参照)、単離された酵素に関する知見はなく、アミノ酸配列に関する知見はないし、cDNAクローニングも成されていない。UDP-L-アラビノースピロフォスフォリラーゼ(UDP-L-Araピロフォスフォリラーゼ) については、EC番号も存在しない。従って、これらペントース−ヌクレオチドを効率よく合成する酵素はこれまでに見出されているとはいえない。   Thus, polysaccharides containing pentose have various physiological activities and are useful, and it is necessary to elucidate their metabolism, biosynthetic mechanism, and regulatory action, but arabinose monophosphate (L-Ara 1-P ) And sugar nucleotide pyrophosphorylase acting on xylose monophosphate (Xyl 1-P), there is almost no research report, and elucidation of the enzyme is desired. UDP-Xylospirophosphorylase (UDP-Xyl pyrophosphorylase, EC2.7.7.11) was extracted from mang bean (Ginsburg V. etal, Pro. Natl. Acad. Sci. USA 42, 333-335, 1956), no knowledge of the isolated enzyme, no knowledge of the amino acid sequence, and no cDNA cloning. There is no EC number for UDP-L-arabinose pyrophosphorylase (UDP-L-Ara pyrophosphorylase). Therefore, it cannot be said that an enzyme that efficiently synthesizes these pentose-nucleotides has been found so far.

本発明者らは、ペントース−ヌクレオチドを効率よく合成する酵素を解析するために検討を重ねた結果、L-Ara 1-P からUDP-L-Ara を効率よく合成する新規な酵素を豆苗の抽出物から単離してその特徴を解析し、該酵素のアミノ酸配列、該酵素をコードするDNA を単離してその塩基配列を明らかにすることができた。さらに得られたcDNAがコードするポリペプチド鎖がUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を有することを確認し、UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を有する酵素タンパク質を工業的に生産する可能性を拓くものとして本発明に至った。
すなわち、本発明は、ピロフォスフォリラーゼ活性を有するポリペプチドおよび/または酵素タンパク質とそれをコードするDNA を提供するものである。
As a result of repeated studies to analyze an enzyme that efficiently synthesizes pentose-nucleotide, the present inventors have developed a novel enzyme that efficiently synthesizes UDP-L-Ara from L-Ara 1-P. It was isolated from the extract and analyzed for its characteristics, and the amino acid sequence of the enzyme and the DNA encoding the enzyme could be isolated to reveal the base sequence. Furthermore, the polypeptide chain encoded by the obtained cDNA can be confirmed to have UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity and industrial production of enzyme protein having UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity is possible. The present invention has been reached as a pioneering property.
That is, the present invention provides a polypeptide and / or enzyme protein having pyrophosphorylase activity and a DNA encoding the same.

本発明により、これまで知られていなかったUDP-L-アラビノースピロフォスフォリラーゼの特徴、アミノ酸配列、cDNA配列を明らかにすることができ、新規なタンパク質であることを明らかにした。本発明により、UDP-L-Ara を効率よく製造することが可能となった。   According to the present invention, the characteristics, amino acid sequence, and cDNA sequence of UDP-L-arabinose pyrophosphorylase that has not been known so far can be clarified, and it has been clarified that the protein is a novel protein. According to the present invention, it has become possible to efficiently produce UDP-L-Ara.

以下、本発明を詳細に説明する。
一般的に植物における糖ヌクレオチド生成には、前駆体糖ヌクレオチドの変換反応により合成されるde novo 経路と遊離単糖からリン酸化反応を経て合成されるSalvage 経路の二つの合成経路が存在する。Salvage 経路では、UDP-L-Ara は、遊離L-Ara からAra 1-P を経て、UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼによりUDP-L-Ara に合成されると考えられている(Feingold, The Biochemistry of Plants Vol. 3, 101-170, Academic Press, New York, (1980))。L-Ara を含むオリゴ糖が植物に広く存在しているので、その合成に関与する酵素、すなわち、UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼが植物細胞中に存在することは、推測されるものであったが、同酵素はこれまでに単離されておらず、タンパク質分子の性状、アミノ酸配列、コードするDNA 配列については、まったく知られていなかった。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In general, there are two synthetic pathways for producing sugar nucleotides in plants: a de novo pathway synthesized by a conversion reaction of a precursor sugar nucleotide and a salvage pathway synthesized from a free monosaccharide via a phosphorylation reaction. In the Salvage pathway, UDP-L-Ara is thought to be synthesized from free L-Ara via Ara 1-P to UDP-L-Ara by UDP-L-Ara pyrophosphorylase (Feingold, The Biochemistry of Plants Vol. 3, 101-170, Academic Press, New York, (1980)). Since oligosaccharides containing L-Ara are widely present in plants, it is speculated that an enzyme involved in their synthesis, namely UDP-L-Ara pyrophosphorylase, is present in plant cells. However, the enzyme has not been isolated so far, and the properties of the protein molecule, amino acid sequence, and encoding DNA sequence were not known at all.

本発明のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を有する酵素タンパク質(以下、本酵素ともいう)は、Ara 1-P に作用し、UDP-L-Ara の合成を触媒する活性を有する分子を指し、本発明では植物から抽出によって得られるタンパク質分子をはじめ、タンパク質分子から一部を切り出したポリペプチド鎖、単離されたcDNAを微生物や動植物細胞に導入し発現させたタンパク質やポリペプチド鎖などの全てを本酵素とする。本酵素は、ピロフォスフォリラーゼ特有の配列モチーフに類似する配列を持ちながらも、既存のピロフォスフォリラーゼとは異なる集団を形成し、機能も異なる新規のピロフォスフォリラーゼである。   The enzyme protein having UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity of the present invention (hereinafter also referred to as this enzyme) is a molecule that acts on Ara 1-P and catalyzes the synthesis of UDP-L-Ara. In the present invention, including protein molecules obtained by extraction from plants, polypeptide chains excised from protein molecules, proteins and polypeptide chains expressed by introducing isolated cDNA into microorganisms, animal and plant cells, etc. All of this is this enzyme. This enzyme is a novel pyrophosphorylase that has a sequence similar to that of a pyrophosphorylase-specific sequence motif, but forms a population different from that of existing pyrophosphorylases and has a different function.

(本発明の酵素タンパク質の性質)
本酵素をエンドウ豆苗(Pisum sativum L.)から抽出された酵素を例として説明すると、精製された本酵素はSDS-PAGEにて分子量測定した結果、約67 kDaである。酵素活性における最適pHは 6. 5〜7.5 である。これまでに知られるUDP-糖ピロフォスフォリラーゼはこれより高い最適pHを有するのに比較して(例えば、ポテト由来のUDP-グルコースピロフォスフォリラーゼの最適pHは8.5)、本酵素の最適pHは低い特徴がある。本酵素は、pH 6.5〜8.0 において安定で、pH 5.0以下では活性は、最適時の活性の20%以下に低下する。最適温度は45℃であり、55℃ではその活性が99%失われる。本酵素は糖1リン酸とUTP からUDP-糖とピロリン酸(PPi) を生成する反応を触媒する一方で、PPi の存在化で、UDP-糖を糖1リン酸とUTP に変換する活性も有する。本酵素のKm値とVmaxはHanes-Woolf プロットによると、グルコース1リン酸(Glc 1-P)、Ara 1-P 、UTP およびPPi に対するKm値は、それぞれ0.34 mM 、0.96 mM 、0.048 mM、0.25 mM であり、Vmaxは、それぞれ106 μmol/min./mg protein 、 71 μmol/min./mg protein 、 81 μmol/min./mg protein 、164 μmol/min./mg protein である。また、本酵素の基質特異性は、幅広く、L-Ara 1-P はもちろんのこと、Glc 1-P とガラクトース1リン酸(Gal 1-P) をはじめ、Xyl 1-P も基質とする。また、GlcNAc 1-Pにはわずかに反応し、グルコース6リン酸(Glc 6-P) には活性を示さない。本酵素は、活性の強弱はあるもののペントース、ヘキソースの1リン酸に対して幅広くピロフォスフォリラーゼ活性を示す。本酵素は、活性発現にMg2+とMn2+のいずれかの金属イオンを要求する。
本酵素のcDNAは配列番号4に示すとおりで、分子量は66,040 kDa(600アミノ酸) である。
(Properties of the enzyme protein of the present invention)
This enzyme will be described using an enzyme extracted from pea seedling (Pisum sativum L.) as an example. As a result of molecular weight measurement by SDS-PAGE, the purified enzyme is about 67 kDa. The optimum pH for enzyme activity is 6.5-7.5. Compared to previously known UDP-sugar pyrophosphorylase, which has a higher optimum pH (for example, the optimum pH of potato-derived UDP-glucose pyrophosphorylase is 8.5), the optimum pH of the enzyme Has low features. The enzyme is stable at pH 6.5 to 8.0, and at pH 5.0 or less, the activity drops to 20% or less of the optimum activity. The optimum temperature is 45 ° C, and 99% of its activity is lost at 55 ° C. While this enzyme catalyzes the reaction to produce UDP-sugar and pyrophosphate (PPi) from sugar monophosphate and UTP, it also has the activity of converting UDP-sugar to sugar monophosphate and UTP in the presence of PPi. Have. According to Hanes-Woolf plot, Km value and Vmax of this enzyme are 0.34 mM, 0.96 mM, 0.048 mM, 0.25 Km for glucose monophosphate (Glc 1-P), Ara 1-P, UTP and PPi, respectively. Vmax is 106 μmol / min. / mg protein, 71 μmol / min. / mg protein, 81 μmol / min. / mg protein, and 164 μmol / min. / mg protein, respectively. The enzyme has a wide range of substrate specificities, including L-Ara 1-P, Glc 1-P and galactose monophosphate (Gal 1-P), and Xyl 1-P as a substrate. It reacts slightly with GlcNAc 1-P and does not show activity with glucose 6-phosphate (Glc 6-P). Although this enzyme has high and low activity, it exhibits a wide range of pyrophosphorylase activity against monophosphate of pentose and hexose. This enzyme requires either a metal ion of Mg 2+ or Mn 2+ for activity expression.
The cDNA of this enzyme is as shown in SEQ ID NO: 4, and its molecular weight is 66,040 kDa (600 amino acids).

(抽出方法)
本酵素は植物に広く存在すると考えられ、いかなる植物から抽出してもよく、いかなる部位から抽出してもよい。例えば、エンドウ豆苗(Pisum sativum L.)、イネ(Oryza sativa)、シロイズナズナ(Arabidopsis thaliana)に含有されており、これらの植物体から抽出することができる。エンドウ豆苗(Pisum sativum L.)にて本酵素の分布を調べたところ、根、上胚軸、葉の組織別では、上胚軸で一番高く、葉では低かった。一方、生重量当りの活性では、葉で一番高く、ついで上胚軸、根の順であった。活性が比較的高い上胚軸と葉を含む地上部より抽出するのが好ましい。
(Extraction method)
This enzyme is considered to be widely present in plants, and may be extracted from any plant or from any site. For example, it is contained in pea seedlings (Pisum sativum L.), rice (Oryza sativa), and Arabidopsis thaliana, and can be extracted from these plants. When the distribution of this enzyme was examined in pea seedlings (Pisum sativum L.), it was highest in the upper hypocotyl and lower in the leaf by root, upper hypocotyl, and leaf tissue. On the other hand, the activity per fresh weight was highest in leaves, followed by the hypocotyl and root. It is preferable to extract from the above-ground part including the hypocotyl and the leaf having relatively high activity.

抽出方法は、当該酵素の活性を損なわなければ、いかなる方法で抽出してもよいし、さらに精製して純度を高めるのが好ましい。例えば、酵素精製の定法に従い、まず粗酵素液を調製し、硫安分画により酵素を濃縮し、UDP-L-Ara の合成に使用することができる。抽出に用いる植物体を4℃または氷中冷却下、酵素活性を損なわない溶液、例えば蒸留水や緩衝液、塩溶液を用いて抽出する。使用できる塩や緩衝液は、pHが 5以上 9以下であればいずれを用いても良いが、pH 6.0以上 7.5以下が最も好ましい。使用する塩類、緩衝液として例えば、ナトリウム塩、カリウム塩、リン酸、トリス塩酸、エタノールアミン、酢酸、クエン酸、などの緩衝液を用いることができる。植物体は抽出溶媒とともにジューサーミキサーなどに入れて破砕し、破砕液を濾過し、さらに遠心分離で上清液を回収し粗酵素液とする。   As long as the activity of the enzyme is not impaired, the extraction may be carried out by any method, and it is preferable to further purify and increase the purity. For example, according to a conventional enzyme purification method, a crude enzyme solution is first prepared, and the enzyme is concentrated by ammonium sulfate fractionation, which can be used for the synthesis of UDP-L-Ara. The plant used for extraction is extracted with a solution that does not impair the enzyme activity, for example, distilled water, a buffer solution, or a salt solution, at 4 ° C. or in ice. Any salt or buffer may be used as long as the pH is 5 or more and 9 or less, but the pH is preferably 6.0 or more and 7.5 or less. Examples of salts and buffers to be used include buffers such as sodium salt, potassium salt, phosphoric acid, Tris-HCl, ethanolamine, acetic acid, and citric acid. The plant body is put into a juicer mixer or the like together with the extraction solvent and crushed, the crushed liquid is filtered, and the supernatant liquid is collected by centrifugation to obtain a crude enzyme solution.

(濃縮・精製方法)
本酵素の濃縮は、エバポレーター、凍結乾燥などでそのまま水分を蒸発させてもよく、エタノールや硫酸アンモニウム・硫酸ナトリウムなどによって沈殿(塩析)させてもよい。例えば、硫酸アンモニウムを添加し、酵素を濃縮する場合、粗酵素液に硫酸アンモニウムを90%飽和となるように溶解した際の沈殿物、好ましくは、硫酸アンモニウムを10%以上となるよう添加し沈殿物を除去し、80%飽和まで濃度を上げて沈殿を回収させたもの、さらに好ましくは30%以上の飽和濃度で沈殿物を除去し、75%以下の濃度で沈殿を回収すると当該酵素が濃縮され好ましい。
(Concentration / purification method)
Concentration of this enzyme may be carried out by evaporating the water as it is with an evaporator or freeze-drying, or may be precipitated (salted out) with ethanol, ammonium sulfate, sodium sulfate or the like. For example, when ammonium sulfate is added and the enzyme is concentrated, the precipitate when ammonium sulfate is dissolved to 90% saturation in the crude enzyme solution, preferably ammonium sulfate is added to 10% or more to remove the precipitate. It is preferable that the precipitate is recovered by raising the concentration to 80% saturation, more preferably, the precipitate is removed at a saturation concentration of 30% or more, and the precipitate is recovered at a concentration of 75% or less, whereby the enzyme is concentrated.

純度の高い酵素を得るために、さらに精製を行ってもよい。本酵素の精製は、タンパク質の精製に利用される定法に従い、透析、限外濾過、液体クロマトグラフィー、電気泳動法、膜分離法、遠心分離法など、いかなる方法も利用できる。例えば、液体クロマトグラフィーでは、イオン交換クロマトグラフィー、疎水クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィー、吸着クロマトグラフィー、逆相クロマトグラフィーなどを単独あるいは組み合わせて実施できる。本酵素の精製には、陰イオン交換クロマトグラフィーによる分離と疎水クロマトグラフィーによる分離の組み合わせがよく、さらにゲル濾過クロマトグラフィー分離すると純度が最も好ましい。イオン交換クロマトグラフィーは繰り返し使用すると純度が上がり好ましい。また、本酵素に対する抗体を調製し、イムノクロマトグラフィ−(アフィニティ−クロマトグラフィー)により本酵素を直接高純度に精製することができる。   Further purification may be performed in order to obtain a highly pure enzyme. For the purification of this enzyme, any method such as dialysis, ultrafiltration, liquid chromatography, electrophoresis, membrane separation, and centrifugation can be used according to a conventional method used for protein purification. For example, in liquid chromatography, ion exchange chromatography, hydrophobic chromatography, gel filtration chromatography, adsorption chromatography, reverse phase chromatography and the like can be carried out alone or in combination. For the purification of this enzyme, a combination of separation by anion exchange chromatography and separation by hydrophobic chromatography is good, and further purity is most preferred by gel filtration chromatography separation. Ion exchange chromatography is preferred because of its increased purity when used repeatedly. In addition, an antibody against the enzyme can be prepared, and the enzyme can be directly purified to high purity by immunochromatography (affinity-chromatography).

(UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼの製造方法)
本酵素の製造は、既に述べたように植物体から抽出してもよく、アミノ酸配列の情報に従ってタンパク質を合成してもよいが、DNA 配列を利用し、遺伝子操作で組換えタンパク質を得るのが効率よく好ましい。例えば、配列番号4に示すcDNAを発現ベクターとともに大腸菌や枯草菌、酵母、カビなどの遺伝子組換え系が確立された微生物に組み込み大量生産することができる。あるいは、特定部位で発現するベクターとともに植物体に導入し、特定部位に高発現させ、本酵素を分離する方法で製造することができる。その他、昆虫や動物細胞などに組み込んで生産することも可能である。
(Method for producing UDP-L-Ara pyrophosphorylase)
As described above, this enzyme may be extracted from a plant body, or a protein may be synthesized according to amino acid sequence information. A recombinant protein may be obtained by genetic manipulation using a DNA sequence. Efficiently preferred. For example, the cDNA shown in SEQ ID NO: 4 can be mass-produced by incorporating the cDNA shown in SEQ ID NO: 4 together with an expression vector into a microorganism having established a genetic recombination system such as Escherichia coli, Bacillus subtilis, yeast, and mold. Alternatively, the enzyme can be produced by introducing it into a plant together with a vector that is expressed at a specific site, allowing it to be highly expressed at a specific site, and separating this enzyme. In addition, it can also be produced by incorporating it into insect or animal cells.

(UDP-糖の製造方法)
次に本酵素を用いたUDP-糖の製造方法を説明する。基本的には、本酵素以外に、目的とするUDP-糖に対応した1リン酸とUTP を添加し、酵素の至適条件で反応させることにより、UDP-糖を製造することができる。例えば、UDP-Glc を製造する場合は、本酵素以外にUTP とGlc 1-P を添加し反応させてUDP-Glc を得る。UDP-L-Ara を製造する場合は、本酵素以外にUTP とL-Ara 1-P を添加し反応させてUDP-L-Ara を得る。この他、同様に作用させて、UDP-ガラクトース(UDP-Gal) 、UDP-グルクロン酸(UDP-GlcA)、UDP-キシロース(UDP-Xyl) を得ることができる。本酵素は、多種類の糖1リン酸とUTP からUDP-糖を生成するので、単一の糖1リン酸を基質として、それぞれのUDP-糖を製造することが可能であり、また、2種類以上の糖1リン酸を添加して、2種類以上のUDP-糖を同時に合成してもよい。合成法は、具体的にはpH 4〜9 、好ましくはpH 6〜7 前後、反応温度は、 4〜60℃、好ましくは30〜45℃の酵素反応に最適な条件にて、本酵素、酵素活性に必要なMg2+やMn2+存在下、UTP および糖1リン酸を添加し、数分から数時間反応させる。酵素反応液には牛アルブミンタンパク質などを酵素の安定剤として添加使用してもよい。反応終了後は、加熱やpHを変化させて酵素を失活させることもできる。
(UDP-sugar production method)
Next, a method for producing UDP-sugar using this enzyme will be described. Basically, in addition to this enzyme, a monophosphate corresponding to the target UDP-sugar and UTP are added and reacted under the optimum conditions of the enzyme to produce UDP-sugar. For example, when producing UDP-Glc, in addition to this enzyme, UTP and Glc 1-P are added and reacted to obtain UDP-Glc. When producing UDP-L-Ara, in addition to this enzyme, UTP and L-Ara 1-P are added and reacted to obtain UDP-L-Ara. In addition, UDP-galactose (UDP-Gal), UDP-glucuronic acid (UDP-GlcA), and UDP-xylose (UDP-Xyl) can be obtained in the same manner. Since this enzyme produces UDP-sugars from a variety of sugar monophosphates and UTP, it is possible to produce each UDP-sugar using a single sugar monophosphate as a substrate. Two or more types of UDP-sugars may be synthesized simultaneously by adding more than one type of sugar monophosphate. The synthesis method is specifically pH 4-9, preferably around pH 6-7, and the reaction temperature is 4-60 ° C., preferably 30-45 ° C. under the optimum conditions for the enzyme reaction. In the presence of Mg 2+ and Mn 2+ necessary for the activity, UTP and sugar monophosphate are added and reacted for several minutes to several hours. Bovine albumin protein or the like may be added to the enzyme reaction solution as an enzyme stabilizer. After completion of the reaction, the enzyme can be inactivated by heating or changing the pH.

また、本発明の酵素は、PPi の存在下では、UTP と糖1リン酸からUDP-糖を得る反応の逆反応、すなわち、UDP-糖をUTP と糖1リン酸に加水分解する反応が進行する。そこで、UDP-糖の合成においては、ピロフォスファターゼ活性を有する酵素、例えば酵母由来の酵素を添加してPPi を消失させ、逆反応の進行を抑制することが望ましい。   In the presence of PPi, the enzyme of the present invention undergoes the reverse reaction of the reaction of obtaining UDP-sugar from UTP and sugar monophosphate, that is, the reaction of hydrolyzing UDP-sugar to UTP and sugar monophosphate. To do. Therefore, in the synthesis of UDP-sugar, it is desirable to add an enzyme having pyrophosphatase activity, for example, an enzyme derived from yeast to eliminate PPi and suppress the progress of the reverse reaction.

以下に本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。しかしながら、これらの実施例により本発明の技術的範囲が限定されるべきものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the technical scope of the present invention should not be limited by these examples.

実施例1:(UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼの抽出・単離・精製)
市販のエンドウ豆苗を入手し、25℃にて光照射下、1日間、グロースチャンバーで保持し訓化した後、酵素の抽出に用いた。粗酵素は、小林らの方法(Plant Cell Physiol. 43, 1259-1265 (2002))を若干修正して調製した。全ての操作は 0〜4 ℃にて行った。訓化した上胚軸と葉を含むエンドウ豆苗 1 kg をカッターで細かく切断し、2倍量の抽出緩衝液(20 mM リン酸カリウム(pH6.9))、1 mM DTTおよび 1 mM EDTAとともにホモジナイザーで破砕した。得られた破砕液を三重のナイロンメッシュにより濾過し、遠心分離(1500×g、15 min. )にて上清液1.8 L を得て粗酵素液とした。粗酵素液に硫酸アンモニウムを40%濃度となるまで添加し、pHが6.9 になるように飽和炭酸ナトリウム溶液を加え調整した。氷上で30分間静置後、懸濁液を12,000×gで30分間遠心分離した。上清を回収し、さらに70%になるように硫酸アンモニウムを加えた。この時、懸濁液のpHが6.9 になるように調整した。氷上で30分間静置後、遠心分離にて沈殿を回収、120 mlの陰イオン交換クロマトグラフィー用の緩衝液 (20 mM リン酸カリウム緩衝液(pH 6.9), 1 mM DTT) に懸濁し、同じ緩衝液に対して一晩透析した。得られた硫安分画物を 4℃で保存した。なお、UDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を測定したところ、硫安分画物は、粗酵素液に比べ比活性が2.8 倍に上昇していた。
Example 1: (Extraction, isolation and purification of UDP-L-Ara pyrophosphorylase)
A commercially available pea seedling was obtained, held in a growth chamber for 1 day under light irradiation at 25 ° C. and habituated, and then used for enzyme extraction. The crude enzyme was prepared by slightly modifying the method of Kobayashi et al. (Plant Cell Physiol. 43, 1259-1265 (2002)). All operations were performed at 0-4 ° C. 1 kg of pea seedling containing conditioned hypocotyls and leaves is cut finely with a cutter and doubled with extraction buffer (20 mM potassium phosphate (pH 6.9)), 1 mM DTT and 1 mM EDTA It was crushed with a homogenizer. The obtained crushed liquid was filtered through a triple nylon mesh, and 1.8 L of supernatant was obtained by centrifugation (1500 × g, 15 min.) To obtain a crude enzyme solution. Ammonium sulfate was added to the crude enzyme solution until the concentration reached 40%, and a saturated sodium carbonate solution was added to adjust the pH to 6.9. After standing on ice for 30 minutes, the suspension was centrifuged at 12,000 × g for 30 minutes. The supernatant was collected and ammonium sulfate was added to 70%. At this time, the pH of the suspension was adjusted to 6.9. After standing for 30 minutes on ice, the precipitate is collected by centrifugation and suspended in 120 ml of anion exchange chromatography buffer (20 mM potassium phosphate buffer (pH 6.9), 1 mM DTT). Dialyzed overnight against buffer. The obtained ammonium sulfate fraction was stored at 4 ° C. In addition, when UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity was measured, the specific activity of the ammonium sulfate fraction was increased 2.8 times compared to the crude enzyme solution.

次に得られた硫安分画物(40−70%飽和硫酸アンモニウム沈殿画分)を、下記のようにしてクロマト分離にて酵素を精製した。その結果を図1−A、B、CおよびDに示した。   Next, the enzyme was purified by chromatographic separation of the obtained ammonium sulfate fraction (40-70% saturated ammonium sulfate precipitation fraction) as follows. The results are shown in FIGS. 1-A, B, C and D.

まず、硫安分画物のタンパク質量約1152 mg をDEAE-Sepharose Fast Flowカラム(2.8 x 73cm:ファルマシア社製)に添加、吸着させ、 0〜0.5 M NaClを含む緩衝液 (20 mM リン酸カリウム緩衝液(pH 6.9), 1 mM DTT) にて溶出した。その結果を図1−Aに示した。UDP-Glc ピロフォスフォリラーゼ活性のある画分が2つ得られ、NaCl濃度が約90 mM で溶出される前ピークはUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を有しており本発明の酵素であると考えられた。前ピークを含む画分を陰イオン交換カラム精製画分とした。なお、陰イオン交換クロマトグラフィー精製画分のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性は、粗酵素液に比べ比活性が40倍に上昇していた。   First, add approximately 1152 mg of protein in the ammonium sulfate fraction to a DEAE-Sepharose Fast Flow column (2.8 x 73 cm, manufactured by Pharmacia), adsorb it, and buffer solution containing 0 to 0.5 M NaCl (20 mM potassium phosphate buffer). The solution was eluted with a solution (pH 6.9) and 1 mM DTT. The results are shown in FIG. Two fractions with UDP-Glc pyrophosphorylase activity are obtained, and the peak before elution at a NaCl concentration of about 90 mM has UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity. It was thought that. The fraction containing the previous peak was designated as an anion exchange column purified fraction. In addition, the specific activity of UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity of the fraction purified by anion exchange chromatography was 40 times higher than that of the crude enzyme solution.

さらに陰イオン交換カラム精製画分 (タンパク質量約57.71 mg) に30%となるように硫酸アンモニウムを添加し、30%の硫酸アンモニウム溶液で平衡化したButyl-TOYOPEARL 650Mカラム(2 x 19.5 cm :東ソー社製)にて疎水クロマトグラフィーを行った(図1−B)。硫酸アンモニウム濃度30〜0 %の直線的濃度勾配によって溶出させ、酵素活性を示す単一の画分を得て疎水クロマトグラフィー精製画分とし、 4℃で保存した。なお、図1−B〜図1−DにはUDP-Glc ピロフォスフォリラーゼ活性に対する酵素活性をモニタリングした結果のみを示した。疎水クロマト精製画分のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性は、粗酵素液に比べ比活性が430 倍であった。   Furthermore, a Butyl-TOYOPEARL 650M column (2 x 19.5 cm: manufactured by Tosoh Corporation) was prepared by adding ammonium sulfate to a purified anion-exchange column fraction (protein amount: 57.71 mg) to 30% and equilibrating with 30% ammonium sulfate solution. ) Was subjected to hydrophobic chromatography (FIG. 1-B). Elution was performed with a linear gradient of ammonium sulfate concentration of 30 to 0% to obtain a single fraction showing enzyme activity, which was purified by hydrophobic chromatography and stored at 4 ° C. In addition, only the result of having monitored the enzyme activity with respect to UDP-Glc pyrophosphorylase activity was shown to FIGS. The UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity of the hydrophobic chromatographically purified fraction was 430 times more specific than the crude enzyme solution.

疎水クロマト精製画分に80%となるように硫酸アンモニウムを添加、遠心分離にて沈殿を回収した。沈殿 (タンパク質量 1.262 mg)を2 mlの緩衝液 (20 mM リン酸カリウム緩衝液 (pH 6.9), 1 mM DTT 、100 mM NaCl)に溶解させ、Sephacryl S-200 カラム(2 x 112cm :ファルマシア社製)にてゲル濾過クロマトグラフィーを行い(結果は図1−C)、UDP-Glc ピロフォスフォリラーゼ活性を示す画分を得てゲル濾過クロマトグラフィー精製画分とした。なお、ゲル濾過クロマトグラフィー精製画分のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性は、粗酵素液に比べ比活性が400 倍であった。   Ammonium sulfate was added to the hydrophobic chromatographic purified fraction to 80%, and the precipitate was collected by centrifugation. The precipitate (protein amount 1.262 mg) was dissolved in 2 ml of buffer (20 mM potassium phosphate buffer (pH 6.9), 1 mM DTT, 100 mM NaCl), and a Sephacryl S-200 column (2 x 112 cm: Pharmacia) (The result is FIG. 1-C), a fraction showing UDP-Glc pyrophosphorylase activity was obtained, and the fraction was purified by gel filtration chromatography. The UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity of the gel filtration chromatography purified fraction was 400 times higher than that of the crude enzyme solution.

最後にゲル濾過クロマトグラフィー精製画分を再度、DEAE-Sepharose Fast Flowカラム(0.7 x 12cm:ファルマシア社製)に添加、吸着させ、 0〜0.5 M NaClを含む緩衝液 (20 mM リン酸カリウム緩衝液(pH 6.9), 1 mM DTT)にて溶出し(図1−D)、UDP-Glc ピロフォスフォリラーゼ活性を示す画分を得て、最終的なカラム精製画分とした。なお、最終的なカラム精製画分のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性は、粗酵素液に比べ比活性が1200倍で、収率は0.4 %であった。   Finally, the gel filtration chromatography purified fraction is again added to the DEAE-Sepharose Fast Flow column (0.7 x 12 cm: Pharmacia), adsorbed, and a buffer solution containing 0 to 0.5 M NaCl (20 mM potassium phosphate buffer solution). (pH 6.9), 1 mM DTT) (FIG. 1-D), a fraction showing UDP-Glc pyrophosphorylase activity was obtained and used as the final column purified fraction. The UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity of the final column purified fraction was 1200 times higher in specific activity than the crude enzyme solution, and the yield was 0.4%.

エンドウ豆苗から本発明のUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼを精製した各段階での酵素活性、収率を表1にまとめて示した。
Table 1 summarizes the enzyme activity and yield at each stage where the UDP-L-Ara pyrophosphorylase of the present invention was purified from pea seedlings.


最終的なカラム精製画分をSDS-PAGE解析した。SDS-PAGEはLaemmli の方法(Leammli,1970) に従って行った。ゲルのアクリルアミド濃度は12%とした。分子量マーカーとして、フォスフォリラーゼb(94 kDa)、BSA (67 kDa)、オボアルブミン(43 kDa)、カルボニックアンヒドラーゼ(30 kDa)、大豆トリプシンインヒビター(20 kDa)、α−ラクトアルブミン(14 kDa)を用いた。タンパク質の染色は銀染色法で行った。精製酵素は単一バンドとして観察され、分子量は67 kDaと算出された(図2参照)。   The final column purified fraction was analyzed by SDS-PAGE. SDS-PAGE was performed according to the method of Laemmli (Leammli, 1970). The acrylamide concentration of the gel was 12%. As molecular weight markers, phosphorylase b (94 kDa), BSA (67 kDa), ovalbumin (43 kDa), carbonic anhydrase (30 kDa), soybean trypsin inhibitor (20 kDa), α-lactalbumin (14 kDa) ) Was used. Protein staining was performed by silver staining. The purified enzyme was observed as a single band, and the molecular weight was calculated to be 67 kDa (see FIG. 2).

実施例2:精製酵素によるUDP-糖の合成
実施例1で得た精製酵素を用いてUDP-糖の合成を行った。精製酵素を 1 mM のUTP およびGlc 1-P と25℃にて反応させたところ、図3−Aの黒丸に示すように反応時間とともにUDP-Glc が生成したが、一定量で平衡状態に達し、生成量は添加量のおよそ3割であった。また、図3−Aの白丸で示すように精製した酵素とPPi の共存下において反応させた場合、PPi により逆反応が生じ、UDP-Glc の量はおよそ3割となった。そこで、精製酵素を1 mMのUTP およびGlc 1-P と25℃にて反応させた系に酵母由来のピロフォスファターゼを添加し、PPi をリン酸へ分解させたところ、図3−Bに示したように添加したGlc 1-P の99.7%がUDP-Glc に変換され、効率よくUDP-Glc が製造できた。
Example 2: Synthesis of UDP-sugar using purified enzyme UDP-sugar was synthesized using the purified enzyme obtained in Example 1. When purified enzyme was reacted with 1 mM UTP and Glc 1-P at 25 ° C, UDP-Glc was formed with the reaction time as shown by the black circle in Fig. 3-A. The production amount was about 30% of the addition amount. Further, as shown by the white circle in FIG. 3-A, when the reaction was carried out in the presence of the purified enzyme and PPi, the reverse reaction occurred by PPi, and the amount of UDP-Glc was about 30%. Thus, when pyrophosphatase derived from yeast was added to a system in which the purified enzyme was reacted with 1 mM UTP and Glc 1-P at 25 ° C., PPi was decomposed into phosphate, which is shown in FIG. Thus, 99.7% of the added Glc 1-P was converted to UDP-Glc, and UDP-Glc could be produced efficiently.

また、合成に対する金属イオンの影響を検討した。その結果、表2に示すように、UDP-糖の合成にはMg2+, Mn2+, Zn2+の何れかの金属イオンの存在が必須であり、最適濃度は 1〜5 mMであった。また、最適pHと最適温度は、図4−AおよびBに示したように、pH 6.5〜7.5 、最適温度は45℃であった。 In addition, the influence of metal ions on the synthesis was investigated. As a result, as shown in Table 2, the presence of any metal ion of Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ is essential for the synthesis of UDP-sugar, and the optimum concentration is 1 to 5 mM. It was. The optimum pH and optimum temperature were pH 6.5 to 7.5 and the optimum temperature was 45 ° C. as shown in FIGS.

1 mMのGlc 1-P とUTP 、精製酵素の反応系にヌクレオチド3リン酸(ATP 、CTP 、GTP 、ITP )やPPi を添加し、合成反応への影響を検討したところ、表3に示したヌクレオチド3リン酸では合成反応の阻害は起こらず、PPi で強く阻害される結果であった。   Nucleotide triphosphate (ATP, CTP, GTP, ITP) and PPi were added to the reaction system of 1 mM Glc 1-P and UTP, and purified enzyme, and the influence on the synthesis reaction was examined. Nucleotide triphosphate did not inhibit the synthesis reaction, but was strongly inhibited by PPi.

次に、精製酵素の基質特異性を検討した。精製酵素のGlc 1-P への活性を、100 %とすると、Glc 1-P への活性は、116.2 %、GlcA 1-Pへの活性は、71.3%、L-Ara 1-P への活性は、70.5%、Xyl 1-P への活性は、35.9%、GlcNAc 1-Pへの活性は、4.3 %であり、精製酵素は、複数の基質に作用し、UDP-糖を合成する能力があることが判った。   Next, the substrate specificity of the purified enzyme was examined. Assuming that the activity of the purified enzyme to Glc 1-P is 100%, the activity to Glc 1-P is 116.2%, the activity to GlcA 1-P is 71.3%, and the activity to L-Ara 1-P 70.5%, activity to Xyl 1-P is 35.9%, activity to GlcNAc 1-P is 4.3%, and the purified enzyme has the ability to act on multiple substrates and synthesize UDP-sugars. It turns out that there is.

さらに精製酵素のKm値とVmaxは表4にまとめて示した。UTP とPPi に対するKm値は、0.048 mMおよび0.25 mM であり、ヒトやポテト由来のもの(0.058-0.33 mM や0.11-2.4 mM )に比較的類似していた。しかし、Glc 1-P とUDP-Glc に対する精製酵素のKm値は、0.34 mM と0.34 mM であり、ヒトやポテト由来のもの(0.14-0.18 mM や0.04-0.12 mM) に比較すると有意に高値を示す特徴が見出された。精製酵素のVmaxは、UTP に対して 81 μmol/min./mg-protein 、グルコース1リン酸に対して106 μmol/min./mg-protein であり、基質濃度を0.05〜0.2 mMに設定した場合に決定されたポテト由来酵素のVmax、すなわちUTP に対して 94 μmol/min./mg-protein 、Glc 1-P に対して 64 μmol/min./mg-protein に類似していた。しかし、精製酵素のUDP-Glc とPPi に対するVmaxは145 μm ol/min./mg-protein、164 μmol/min./mg-protein であり、ポテト由来酵素の890 μmol/min./mg-protein 、827 μmol/min./mg-protein に比較すると低い値であった。   Further, the Km value and Vmax of the purified enzyme are summarized in Table 4. The Km values for UTP and PPi were 0.048 mM and 0.25 mM, which were relatively similar to those derived from humans and potatoes (0.058-0.33 mM and 0.11-2.4 mM). However, the Km values of purified enzymes for Glc 1-P and UDP-Glc are 0.34 mM and 0.34 mM, which are significantly higher than those derived from humans and potatoes (0.14-0.18 mM and 0.04-0.12 mM). The features shown were found. Vmax of purified enzyme is 81 μmol / min. / Mg-protein for UTP, 106 μmol / min. / Mg-protein for glucose monophosphate, and substrate concentration is set to 0.05-0.2 mM It was similar to the Vmax of the potato-derived enzyme determined in 1), ie 94 μmol / min. / Mg-protein for UTP and 64 μmol / min. / Mg-protein for Glc 1-P. However, Vmax for purified enzymes UDP-Glc and PPi is 145 μmol / min. / Mg-protein and 164 μmol / min. / Mg-protein, and 890 μmol / min. / Mg-protein of potato-derived enzyme, The value was low compared to 827 μmol / min. / Mg-protein.

実施例3:アミノ酸配列の解析
実施例1で得た最終的なカラム精製品 10 μgにV8プロテアーゼ(和光純薬社製)を添加、25℃、15分間、反応させた後、SDS-PAGEで分離、PVDF膜(Osmonics社製)へ転写し、N末端配列を決定した。なお、ペプチドシーケンサーはHPG1000(ヒューレットパッカード社製) を用いた。
酵素処理で得られた31,000 Da のポリペプチド鎖のN末端配列は、YNQLDPLxRASGYPD であった。8番目のxは検出できなかった。この配列を基に、DDBJ BLAST検索、及びTAIR BLAST検索を行った。得られた配列は、機能が知られていないシロイナズナ(Arabidopsis thaliana)のオープンリーディングフレーム At5g52560中に見出されるYNQLDPLLRASGFPD と86.7%相同であった。また、シロイナズナと同様に機能が知られていないイネのcDNA配列AK064009中に見出されるYNQLDPLLRASGHPD と86.7%相同であった。
Example 3: Analysis of amino acid sequence After adding 10 μg of the final column purified product obtained in Example 1, V8 protease (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and reacting at 25 ° C. for 15 minutes, SDS-PAGE was performed. Separation and transfer to a PVDF membrane (manufactured by Osmonics) determined the N-terminal sequence. The peptide sequencer used was HPG1000 (manufactured by Hewlett Packard).
The N-terminal sequence of the 31,000 Da polypeptide chain obtained by the enzyme treatment was YNQLDPLxRASGYPD. The 8th x could not be detected. Based on this sequence, DDBJ BLAST search and TAIR BLAST search were performed. The resulting sequence was 86.7% homologous to YNQLDPLLRASGFPD found in the Arabidopsis thaliana open reading frame At5g52560 of unknown function. Moreover, it was 86.7% homologous to YNQLDPLLRASGHPD found in the cDNA sequence AK064009 of rice whose function is not known as in the case of Shironazuna.

実施例4:cDNAクローニングとcDNA解析
エンドウ種子を発芽させ7日間生育させた上軸胚、葉、根を含む材料を液体窒素で凍結、破砕後、全RNA をRNA 抽出キットISOGEN(日本ジーン社製)にて抽出し、逆転写酵素(ReverTraAce-α:Toyobo社製)とオリゴ(dT)アダプターのプライマー(5'-GCGACATCATCGAATTCCGATGTTTTTTTTTTTTTTT-3')より1本鎖cDNAを得た。
この1本鎖cDNAをテンプレートに2つのプライマー、F−1(5'-CAYGGNCAYGGNGARGT-3') とR−1(5'-GGRTARTCYTGCATCATRCAYTC-3') にてdegenerate-PCRを行った(条件:変性0.5 min. 94 ℃、アニーリング 0.5 min. 45℃、伸長 1.5 min. 75℃、35サイクル)。
得られた増幅cDNAをpGEM T-Easy ベクター(Promega 社製)にてサブクローニングしDNA 配列を決定した。DNA シーケンサーはABI310(アプライドバイオシステムズ社製)を用いた。
Example 4: cDNA cloning and cDNA analysis Materials containing upper axis embryos, leaves, and roots germinated from pea seeds and grown for 7 days were frozen in liquid nitrogen and crushed, and then total RNA was extracted from RNA extraction kit ISOGEN (produced by Nippon Gene Co., Ltd.) ), And a single-stranded cDNA was obtained from reverse transcriptase (ReverTraAce-α: manufactured by Toyobo) and oligo (dT) adapter primer (5′-GCGACATCATCGAATTCCGATGTTTTTTTTTTTTTTT-3 ′).
Using this single-stranded cDNA as a template, degenerate-PCR was performed using two primers, F-1 (5'-CAYGGNCAYGGNGARGT-3 ') and R-1 (5'-GGRTARTCYTGCATCATRCAYTC-3') (condition: denaturation 0.5 min. 94 ° C, annealing 0.5 min. 45 ° C, elongation 1.5 min. 75 ° C, 35 cycles).
The obtained amplified cDNA was subcloned with the pGEM T-Easy vector (Promega) to determine the DNA sequence. ABI310 (Applied Biosystems) was used as the DNA sequencer.

遺伝子の3'領域は、一本鎖cDNAをテンプレートに2つのプライマー(5'-GGCTCACCCACTCTGATGGG-3'及び5'-GCGACATCATCGAATTCCGATG-3')にて増幅した(条件:変性 0.5 min. 94℃、アニーリング 0.5 min. 55℃、伸長 2.0 min. 72℃、30サイクル)。
遺伝子の5'領域は、5'RACEキット(インビトロゲン社製)を用いて、2つのプライマー(5'-CCATACTTTCAGAATACCGC-3'及び5'-AGAACCCATTTCAACCCGGC-3')にて増幅した。
本酵素をコードする領域は、ポリメラーゼKOD-plus(東洋紡社製)を用いて増幅し、DNA 配列を決定した。
The 3 ′ region of the gene was amplified with two primers (5′-GGCTCACCCACTCTGATGGG-3 ′ and 5′-GCGACATCATCGAATTCCGATG-3 ′) using single-stranded cDNA as a template (conditions: denaturation 0.5 min. 94 ° C., annealing 0.5 min. 55 ° C, elongation 2.0 min. 72 ° C, 30 cycles).
The 5 ′ region of the gene was amplified with two primers (5′-CCATACTTTCAGAATACCGC-3 ′ and 5′-AGAACCCATTTCAACCCGGC-3 ′) using a 5′RACE kit (Invitrogen).
The region encoding this enzyme was amplified using polymerase KOD-plus (manufactured by Toyobo), and the DNA sequence was determined.

本酵素のcDNAは配列番号4に示すとおりで、分子量は 66,040 kDa (600アミノ酸) であった。
エンドウ豆の一本鎖cDNAより得られた506 bpのPCR 産物には、ペプチド配列の解析結果で得られた配列 (YNQLDPLxRASGYPD)と一致する配列を含んでいた(図5−A参照)。精製酵素をコードする全長鎖のcDNAは、3'RACEと5'RACEの手法で得た。得られたcDNAは、PsUSP とした。PsUSP は、600 アミノ酸のポリペプチド鎖であり、分子量 66,040 Daと算出された。PsUSP より得たペプチド配列には、シグナル配列、ミトコンドリアターゲッティング配列、クロロプラスト移行配列、を含んでいなかった。iPSORTによる分析によって本酵素は細胞質に存在すると考えられた。計算された等電点は5.82であった。PsUSP から推測されたアミノ酸配列は、At5g52560 から得られるアミノ酸配列と77%、AK064009から得られるアミノ酸配列と72%一致した。また、ポテト由来のUDP-Glc ピロフォスフォリラーゼやヒト由来のUDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼに対してともにアミノ酸配列のレベルで15%相同であった。また、PsUSP から推測されたアミノ酸配列は、ピロフォスフォリラーゼに共通していると考えられている領域とウリジン結合部位(Val-123 、Lsy-137 、Val-233 、Tyr-257 )を含んでいる。
The cDNA of this enzyme was as shown in SEQ ID NO: 4, and its molecular weight was 66,040 kDa (600 amino acids).
The 506 bp PCR product obtained from the single-stranded cDNA of pea contained a sequence that matched the sequence obtained from the peptide sequence analysis (YNQLDPLxRASGYPD) (see FIG. 5-A). The full-length cDNA encoding the purified enzyme was obtained by 3'RACE and 5'RACE techniques. The obtained cDNA was designated as PsUSP. PsUSP is a polypeptide chain of 600 amino acids and was calculated to have a molecular weight of 66,040 Da. The peptide sequence obtained from PsUSP did not contain a signal sequence, a mitochondrial targeting sequence, or a chloroplast translocation sequence. Analysis by iPSORT indicated that the enzyme was present in the cytoplasm. The calculated isoelectric point was 5.82. The amino acid sequence deduced from PsUSP was 77% identical to the amino acid sequence obtained from At5g52560 and 72% identical to the amino acid sequence obtained from AK064009. Both potato-derived UDP-Glc pyrophosphorylase and human-derived UDP-GlcNAc pyrophosphorylase were 15% homologous at the amino acid sequence level. In addition, the amino acid sequence deduced from PsUSP contains a region thought to be common to pyrophosphorylases and a uridine binding site (Val-123, Lsy-137, Val-233, Tyr-257). Yes.

さらに、既存のUDP-グルコースピロフォスフォリラーゼおよびUDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼとの比較を行い、無根系統樹を作製したところ、PsUSP は、At5g52560 とAK064009とともにUDP-Glc ピロフォスフォリラーゼやヒト由来のUDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼとは異なるグループに属することが判った(図5−B参照)。   In addition, a comparison between the existing UDP-glucose pyrophosphorylase and UDP-GlcNAc pyrophosphorylase was performed to produce a rootless phylogenetic tree. PsUSP, together with At5g52560 and AK064009, produced UDP-Glc pyrophosphorylase and human Of UDP-GlcNAc pyrophosphorylase was found to belong to a different group (see FIG. 5-B).

実施例5:組換え酵素の発現と精製
実施例4で得たcDNAをもとにcoding領域をクローニングした。coding領域は、制限酵素BamHI とSacIの認識部位を含む S-1(5-GGATCCATGGCTTCCTCCCTCGG-3 )と A-1(5-GAGCTCTCTATATTCTTTGCGCAC-3)にて増幅し、得られたcDNA断片をpGEM 5zf+ ベクター(Promega 社製)にてサブクローニングしDNA 配列を決定した。次に得られたDNA 断片は、発現ベクターpET32a(Novagen 社製)のBamHI とSacI領域に導入し、組換えタンパク質は、N末端で6xHis-tagsとチオレドキシンの融合タンパク質として得られるよう設計した。DNA 断片を組み込んだ発現ベクターpET32aを導入した大腸菌は10℃にて培養し、0.5 mMイソプロピル−β-D- チオガラクトピラノシドで24時間処理して組換え融合タンパク質を誘導した。菌体を集菌後、0.5 mMフェニルメチルスルフォニルフルオライド、0.2 %卵白リゾチームを含む 25 mMリン酸カリウム緩衝液(pH 8.0)にて溶菌させた。組換え融合タンパク質は、Chelating-SepharoseFF カラム(アマシャムバイオサイエンス社製)に加え、50 mM のイミダゾールを含む 50 mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.2)で洗浄後、250 mMイミダゾールを含む 50 mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH 7.2)で溶出させた。500 mlの培養液から 5 mg の精製した酵素を融合タンパク質として得た。融合タンパク質の 1 mg に 0.1 unit のトロンビン(Novagen 社製)を添加、20℃にて24時間反応させて、融合タンパク質からチオレドキシンと6xヒスチジンを消化し、透析、DEAE-SepharoseFFカラムにて精製(0-300 mM NaCl にて溶出)し、精製した組換え酵素を得た。
Example 5: Expression and purification of recombinant enzyme The coding region was cloned based on the cDNA obtained in Example 4. The coding region was amplified with S-1 (5-GGATCCATGGCTTCCTCCCTCGG-3) and A-1 (5-GAGCTCTCTATATTCTTTGCGCAC-3) containing recognition sites for restriction enzymes BamHI and SacI, and the resulting cDNA fragment was pGEM 5zf + vector ( The DNA sequence was determined by subcloning with Promega. Next, the obtained DNA fragment was introduced into the BamHI and SacI regions of the expression vector pET32a (Novagen), and the recombinant protein was designed to be obtained as a fusion protein of 6xHis-tags and thioredoxin at the N-terminus. Escherichia coli into which the expression vector pET32a incorporating the DNA fragment was introduced was cultured at 10 ° C. and treated with 0.5 mM isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside for 24 hours to induce a recombinant fusion protein. After the cells were collected, the cells were lysed with 25 mM potassium phosphate buffer (pH 8.0) containing 0.5 mM phenylmethylsulfonyl fluoride and 0.2% egg white lysozyme. The recombinant fusion protein was washed with a 50 mM sodium phosphate buffer (pH 7.2) containing 50 mM imidazole in addition to a Chelating-SepharoseFF column (Amersham Biosciences), followed by 50 mM phosphate containing 250 mM imidazole. Elute with sodium buffer (pH 7.2). 5 mg purified enzyme was obtained as a fusion protein from 500 ml culture. 0.1 unit of thrombin (Novagen) was added to 1 mg of the fusion protein and reacted at 20 ° C for 24 hours to digest thioredoxin and 6x histidine from the fusion protein, followed by dialysis and purification on a DEAE-SepharoseFF column (0 Elution with -300 mM NaCl) to obtain a purified recombinant enzyme.

得られた組換え酵素をSDS-PAGE解析した。SDS-PAGEは精製酵素と同様に実施した。その結果、単一バンドが観察され、分子量は 70,000 Daと算出された(図6参照)。天然抽出酵素の分子量 67,000 Daに比較すると分子量は大きいが、これはpET32aベクターに挿入されたPsUSP 配列とトロンビン認識サイトの間のDNA 配列に由来すると考えられる。   The obtained recombinant enzyme was analyzed by SDS-PAGE. SDS-PAGE was performed in the same manner as the purified enzyme. As a result, a single band was observed, and the molecular weight was calculated to be 70,000 Da (see FIG. 6). Compared to the molecular weight of the natural extract enzyme, 67,000 Da, the molecular weight is large, but this is thought to be derived from the DNA sequence between the PsUSP sequence inserted into the pET32a vector and the thrombin recognition site.

実施例6:組換え酵素によるUDP-糖の製造
50 mM MOPS-KOH緩衝液(pH 7.0)、5 mM MgCl2、0.01%BSA 、1 mM L-Ara 1-P、1 mM UTP、1 unit/ml のピロフォスファターゼ(酵母由来)を含む溶液に 0.4 unit/mlとなるように精製した組換え酵素を添加し、最終的に 50 mlの溶液を、35℃、24時間反応させた。L-Ara 1-P からUDP-L-Ara への変換率はHPLCで分析したところ、84%であった。反応終了後、charcoalカラム(4.8 x 10cm:和光純薬社製)に吸着させ、反応産物は、0.1 M のアンモニア水溶液を含む70%エタノールで溶出した。溶出液からUDP-L-Ara を単離するためWhatman 3MM 濾紙を用いたペパークロマトグラフィーを実施した。1−ブタノール/エタノール/水の7:4:2 溶液で塩類を除去してから、エタノール/1 M 酢酸アンモニウムの溶液(5:2 、pH 6.8)で展開、8 mgの精製UDP-L-Ara を得た。得られたUDP-L-Ara は、NMR にて構造を確認した(1H- は 600 MHz、13C-は 150 MHz、31P-は 243 MHz)。1H -NMR (δ=3.75ppm)、13C-NMR (δ=67.4ppm)では内部標準としてジオキサンを、31P-NMR (δ=0.0ppm )では内部標準としてリン酸を用いて、PFG-COSY、PFG-HMQC、PFG-HMBCを測定し、報告されているUDP-L-Ara のNMR スペクトル(Pauly M. et al, Anal. Biochem. 278, 69-73, 2000 、 Ernst C. et al, J. Org. Chem., 68, 5780-5783, 2003 )と比較した。その結果、両者は一致して、L-Ara 1-P とUTP を基質とし、組換え酵素によって得られる産物がUDP-L-Ara であることを確認した。
Example 6: Production of UDP-sugars with recombinant enzymes
In a solution containing 50 mM MOPS-KOH buffer (pH 7.0), 5 mM MgCl 2 , 0.01% BSA, 1 mM L-Ara 1-P, 1 mM UTP, 1 unit / ml pyrophosphatase (derived from yeast) Recombinant enzyme purified to unit / ml was added, and finally 50 ml of the solution was reacted at 35 ° C. for 24 hours. The conversion rate from L-Ara 1-P to UDP-L-Ara was 84% as analyzed by HPLC. After completion of the reaction, it was adsorbed on a charcoal column (4.8 × 10 cm: manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the reaction product was eluted with 70% ethanol containing 0.1 M aqueous ammonia solution. Pepper chromatography using Whatman 3MM filter paper was performed to isolate UDP-L-Ara from the eluate. Salts were removed with a 7: 4: 2 solution in 1-butanol / ethanol / water, then developed with a solution of ethanol / 1 M ammonium acetate (5: 2, pH 6.8), 8 mg of purified UDP-L-Ara Got. The structure of the obtained UDP-L-Ara was confirmed by NMR ( 1 H- was 600 MHz, 13 C- was 150 MHz, 31 P- was 243 MHz). In 1 H -NMR (δ = 3.75 ppm) and 13 C-NMR (δ = 67.4 ppm), dioxane was used as an internal standard, and in 31 P-NMR (δ = 0.0 ppm), phosphoric acid was used as an internal standard. COZY, PFG-HMQC, PFG-HMBC were measured, and the reported NMR spectra of UDP-L-Ara (Pauly M. et al, Anal. Biochem. 278, 69-73, 2000, Ernst C. et al, J. Org. Chem., 68, 5780-5783, 2003). As a result, both agreed and confirmed that the product obtained by the recombinant enzyme was UDP-L-Ara with L-Ara 1-P and UTP as substrates.

次に、組換え酵素の基質特異性を検討した。その結果を精製酵素と比較して表5に示した。組換え酵素の活性は、UDP-Glc ピロフォスフォリラーゼ活性を100 %とすると、UDP-Gal ピロフォスフォリラーゼ活性は、138.9 %、UDP -GlcAピロフォスフォリラーゼ活性は、62.2%、UDP-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性は、74.8%、UDP-Xyl ピロフォスフォリラーゼ活性は、28.2%、UDP-GlcNAcピロフォスフォリラーゼ活性は、0.2 %であった。
組換え酵素は、精製酵素と同様、複数の基質に作用し、UDP-糖を合成する能力があることが判った。
Next, the substrate specificity of the recombinant enzyme was examined. The results are shown in Table 5 in comparison with the purified enzyme. Assuming that UDP-Glc pyrophosphorylase activity is 100%, the recombinant enzyme activity is 138.9% for UDP-Gal pyrophosphorylase activity, 62.2% for UDP-GlcA pyrophosphorylase activity, and UDP-Ara The pyrophosphorylase activity was 74.8%, the UDP-Xyl pyrophosphorylase activity was 28.2%, and the UDP-GlcNAc pyrophosphorylase activity was 0.2%.
As with the purified enzyme, the recombinant enzyme was found to have the ability to act on multiple substrates and synthesize UDP-sugars.

実施例7:シロイヌナズナAt5g52560 組換えタンパク質の作製
実施例4、5、6と同様に操作し、シロイヌナズナAt5g52560 組換えタンパク質(以下、AT5G52560)を調製した。At5g52560 はpET32aベクターに導入し、チオレドキシンタグ(Trx) 、ヒスチジンタグ(His) との融合タンパク質として発現させ、ニケッルキレートカラム(Chelating Sepharose) で精製した。その後、トロンビン(Novagen) で消化し、タグを外した。At5g52560 組換えタンパク質の酵素活性を調べたところ、精製酵素と同様なUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を示した。また、組換えタンパク質はTrx-His を外してもその活性に影響がないことが分かった。
Example 7 Production of Arabidopsis At5g52560 Recombinant Protein An Arabidopsis At5g52560 recombinant protein (hereinafter referred to as AT5G52560) was prepared in the same manner as in Examples 4, 5, and 6. At5g52560 was introduced into a pET32a vector, expressed as a fusion protein with a thioredoxin tag (Trx) and a histidine tag (His), and purified with a nickel chelate column (Chelating Sepharose). Thereafter, the tag was removed by digestion with thrombin (Novagen). When the enzyme activity of the At5g52560 recombinant protein was examined, it showed UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity similar to that of the purified enzyme. It was also found that the recombinant protein had no effect on its activity even when Trx-His was removed.

実施例8:イネAK064009組換えタンパク質の作製
実施例4、5、6と同様に操作し、イネ(Oryza sativa)より得られた機能未知遺伝子AK064009より組換えタンパク質を調製した。トロンビン(Novagen) で消化し、タグを外した組換えタンパク質の酵素活性を調べたところ、精製酵素と同様なUDP-L-Ara ピロフォスフォリラーゼ活性を示した。
Example 8 Production of Rice AK064009 Recombinant Protein A recombinant protein was prepared from a function-unknown gene AK064009 obtained from rice (Oryza sativa) in the same manner as in Examples 4, 5, and 6. When the enzyme activity of the recombinant protein digested with thrombin (Novagen) and without the tag was examined, it showed the same UDP-L-Ara pyrophosphorylase activity as the purified enzyme.

図1−Aは、実施例1で得られた硫安分画物の陰イオン交換クロマトグラムであり、図1−Bは、図1−Aの前ピークを含む陰イオン交換カラム精製画分の疎水クロマトグラムであり、図1−Cは、図1−Bの疎水クロマト精製画分のゲル濾過クロマトグラムであり、図1−Dは、図1−Cのゲル濾過精製画分のクロマトグラムである。FIG. 1-A is an anion exchange chromatogram of the ammonium sulfate fraction obtained in Example 1, and FIG. 1-B is the hydrophobicity of the purified anion exchange column containing the previous peak of FIG. 1-A. 1-C is a gel filtration chromatogram of the hydrophobic chromatographic purification fraction of FIG. 1-B, and FIG. 1-D is a chromatogram of the gel filtration purification fraction of FIG. 1-C. . 図2は、実施例1で得られた最終的なカラム精製画分のSDS-PAGE解析図である。FIG. 2 is an SDS-PAGE analysis diagram of the final column purified fraction obtained in Example 1. 図3−Aは、PPi 存在下のUDP-Glc 量と反応時間との関係を示すグラフであり、図3−Bは、ピロフォスファターゼ(酵母由来)を添加した場合のUDP-Glc 量と反応時間との関係を示すグラフである。Fig. 3-A is a graph showing the relationship between the amount of UDP-Glc in the presence of PPi and the reaction time, and Fig. 3-B shows the amount of UDP-Glc and the reaction time when pyrophosphatase (derived from yeast) is added. It is a graph which shows the relationship. 図4−Aは、酵素活性とpHとの関係を示すグラフであり、図4−Bは、酵素活性と温度との関係を示すグラフである。FIG. 4-A is a graph showing the relationship between enzyme activity and pH, and FIG. 4-B is a graph showing the relationship between enzyme activity and temperature. 図5−Aは、ペプチド配列の解析図であり、図5−Bは、無根系統樹である。FIG. 5-A is an analysis diagram of peptide sequences, and FIG. 5-B is a rootless phylogenetic tree. 図6は、実施例5で得られた組換え酵素のSDS-PAGE解析図である。6 is an SDS-PAGE analysis diagram of the recombinant enzyme obtained in Example 5. FIG.

Claims (4)

配列番号1に示すアミノ酸配列と同一のアミノ酸配列または配列番号1に示すアミノ酸配列において一部のアミノ酸が欠失、置換または付加されたアミノ酸配列からなり、ピロフォスフォリラーゼ活性を有するポリペプチドおよび/または酵素タンパク質。   A polypeptide having a pyrophosphorylase activity comprising the same amino acid sequence as shown in SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence in which a part of the amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and / or Or enzyme protein. エンドウ豆 (Pisum sativum L.) から得られることを特徴とする請求項1記載のポリペプチドおよび/または酵素タンパク質。 Pea (Pisum sativum L.) or al obtained that according to claim 1, wherein the polypeptide and / or enzyme protein. 配列番号4に示すcDNA配列と同一のcDNA配列または配列番号4に示すcDNA配列において一部の塩基が欠失、置換または付加された塩基配列からなり、配列番号1に示すアミノ酸配列よりなるポリペプチドおよび/または酵素タンパク質ピロフォスフォリラーゼ活性を有することを特徴とするポリペプチドおよび/または酵素タンパク質をコードするDNA 。 A polypeptide comprising the same cDNA sequence as shown in SEQ ID NO: 4 or a base sequence in which a part of bases is deleted, substituted or added in the cDNA sequence shown in SEQ ID NO: 4, and comprising the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1 and / or DNA encoding the polypeptide and / or enzyme protein characterized by having a pyro phosphorylase activity of the enzyme protein. 配列番号1、2および3に示すいずれかのアミノ酸配列と同一のアミノ酸配列または配列番号1、2および3に示すいずれかのアミノ酸配列において一部のアミノ酸が欠失、置換または付加されたアミノ酸配列からなり、ピロフォスフォリラーゼ活性を有するポリペプチドおよび/または酵素タンパク質を用いることを特徴とするUDP-糖の製造方法。   The same amino acid sequence as any of the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 1, 2 and 3, or an amino acid sequence in which some amino acids are deleted, substituted or added in any of the amino acid sequences shown in SEQ ID NOs: 1, 2 and 3 A method for producing UDP-sugar, comprising using a polypeptide having pyrophosphorylase activity and / or an enzyme protein.
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