JP5787341B2 - Screening method for terpene synthase gene - Google Patents

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本発明は、テルペン合成酵素遺伝子のスクリーニング方法に関する。   The present invention relates to a method for screening a terpene synthase gene.

テルペンは最初精油に含まれるC10H16の分子式をもつ炭化水素のことであったが、テルペンと呼ばれる対象が拡大し、現在では(C5H8)nの組成の炭化水素及びそれから導かれる含酸素/含窒素化合物並びに不飽和度を異にする物も意味するようになった。拡張された範囲のものをテルペノイドと称する場合も多い。上記分子式のnの数が2のものをモノテルペン、3をセスキテルペン、4をジテルペン、6をトリテルペン、8をテトラテルペン、および多数のものをポリテルペンと称する。自然界には既知/未知を含めて百万超のテルペンがあると言われている。これら全てのテルペン化合物はイソペンテニル二リン酸(以下、IPP)という共通の前駆体からテルペン合成経路を介して合成される。IPPは、アセチルCoAを出発物とするメバロン酸経路や、ピルビン酸を出発物とする非メバロン酸経路を経て合成される(非特許文献1,2)。これら経路で合成されたIPPおよびその構造異性体であるジメチルアリル二リン酸 (以下、DMAPP) にプレニルトランフェラーゼが作用することにより、ゲラニル二リン酸、ファルネシル二リン酸、ゲラニルゲラニル二リン酸などの鎖状アルコール二リン酸エステルが生成される。これらの生成物を基質としてテルペン合成酵素の作用によりテルペンが合成されるが、これらの酵素は鎖状のテルペンを与えるほか、閉環、ヒドリドやアルキル基転位、水やアミンの付加、脱水素、酸素官能基導入、脱炭酸反応を行い、多種多様な骨格を持つテルペンを生成する。 Terpenes were originally hydrocarbons with the molecular formula of C 10 H 16 contained in essential oils, but the object called terpenes expanded, and now they are derived from hydrocarbons with the composition of (C 5 H 8 ) n Oxygen / nitrogen compounds as well as those with different degrees of unsaturation have come to be understood. The expanded range is often referred to as a terpenoid. In the above molecular formula, those having n of 2 are referred to as monoterpenes, 3 as sesquiterpenes, 4 as diterpenes, 6 as triterpenes, 8 as tetraterpenes, and many as polyterpenes. It is said that there are over 1 million terpenes in nature, including known / unknown. All these terpene compounds are synthesized from a common precursor called isopentenyl diphosphate (hereinafter IPP) via a terpene synthesis route. IPP is synthesized via a mevalonic acid pathway starting from acetyl CoA or a non-mevalonic acid pathway starting from pyruvic acid (Non-patent Documents 1 and 2). When prenyl transferase acts on IPP synthesized through these pathways and its structural isomer, dimethylallyl diphosphate (DMAPP), geranyl diphosphate, farnesyl diphosphate, geranylgeranyl diphosphate, etc. A chain alcohol diphosphate is produced. Terpenes are synthesized by the action of terpene synthase using these products as substrates. These enzymes give chain terpenes, ring closure, hydride and alkyl group rearrangement, addition of water and amines, dehydrogenation, oxygen Performs functional group introduction and decarboxylation to produce terpenes with various skeletons.

テルペンの中には、香料、防虫剤、アロマオイルとしての工業価値を有するものに加え、抗菌/免疫賦活/精神安定/抗マラリアなど、様々な薬理活性を有するものが多いがその殆どが未知である。   Many terpenes have various pharmacological activities such as antibacterial / immunostimulatory / mental stability / antimalarial in addition to those with industrial value as perfumes, insect repellents, and aroma oils, but most of them are unknown. is there.

テルペンにはさまざまな生理機能があることから、その合成酵素遺伝子の探索が盛んである。しかし、テルペン生合成に係わる合成酵素をコードする遺伝子の全てを網羅的に取得する方法は提案されていない。
現在のところ、既知のテルペン合成酵素遺伝子と有意なホモロジーをもつ遺伝子をゲノムデータベースからテルペン合成酵素遺伝子であると推定し、それらの活性をひとつひとつLC-MSやGC-MSを用いて同定し認定するという手法がとられている(非特許文献3)。
Since terpenes have various physiological functions, they are actively searching for their synthase genes. However, there has not been proposed a method for comprehensively obtaining all genes encoding synthases involved in terpene biosynthesis.
At present, genes that have significant homology with known terpene synthase genes are estimated from genome databases to be terpene synthase genes, and their activities are identified and certified using LC-MS and GC-MS one by one. (Non-Patent Document 3).

さらにテルペン化合物の殆どは無色であり、その合成酵素の活性は、色の濃淡などで直接判定するハイスループットスクリーニングが実施できなかった。
つまり、自然界には、膨大なテルペン化合物があり、その合成酵素遺伝子も膨大であり、未知のテルペンも莫大に存在する。しかしながら、テルペン合成酵素を網羅的に一挙取得することは不可能であり、とくに未知のテルペン分子をつくる合成酵素の機能は、簡単に同定することはできない。
また、既知のテルペン合成酵素遺伝子とホモロジーが低い遺伝子は、そもそもテルペン合成酵素遺伝子と推定されないため、従来のホモロジーに基づいたスクリーニングでは探し漏らしてしまう事情がある。
Furthermore, most of the terpene compounds are colorless, and high-throughput screening that directly determines the activity of the synthase based on color shading cannot be performed.
That is, in the natural world, there are an enormous amount of terpene compounds, an enormous amount of synthase genes, and an enormous number of unknown terpenes. However, it is impossible to comprehensively acquire terpene synthases, and in particular, the function of a synthase that produces an unknown terpene molecule cannot be easily identified.
In addition, a gene having a low homology with a known terpene synthase gene is not presumed to be a terpene synthase gene in the first place.

一方、テルペン合成酵素遺伝子の多くは植物由来であるため、大腸菌や酵母などの宿主では発現量が低く、発現する酵素の安定性や活性も低い。つまりコドン利用(codon usage)の非最適化、翻訳後修飾の欠如、会合パートナーの不在などによって、本来の活性を発揮できない場合が多い。また、テルペン合成酵素は、酵素活性が高くないものが多い。これらが、テルペン合成酵素の生物・大量生産系の構築の大きな足かせとなっている。   On the other hand, since many terpene synthase genes are derived from plants, the expression level is low in hosts such as Escherichia coli and yeast, and the stability and activity of the expressed enzyme are also low. In other words, in many cases, the original activity cannot be exhibited due to non-optimization of codon usage, lack of post-translational modification, absence of an association partner, and the like. Many terpene synthases do not have high enzyme activity. These have become a major impediment to the construction of biological and mass production systems for terpene synthase.

Goldstein, J.L. et al.; Nature 343,425-430(1990)Goldstein, J.L. et al .; Nature 343,425-430 (1990) Hunter, W.N.; J Biol Chem 282,21573-21577(2007)Hunter, W.N .; J Biol Chem 282, 21573-21577 (2007) Mijts, B.N. et al.; Chem Biol 12,453-460(2005)Mijts, B.N. et al .; Chem Biol 12,453-460 (2005)

自然界の既知および未知のテルペンを生物生産できるようにするためには、まず、その合成酵素の遺伝子を取得する必要があり、そのスクリーニング方法の開発が必要である。また、テルペンの生物・大量生産系の構築のためには、宿主により発現される酵素の活性を大きく改良することが必要であり、酵素活性の高いテルペン合成酵素変異体のスクリーニング方法の開発が必要である。   In order to be able to biologically produce known and unknown terpenes in nature, it is first necessary to obtain the gene for the synthase and to develop a screening method for it. In addition, for the construction of terpene organisms and mass production systems, it is necessary to greatly improve the activity of enzymes expressed by the host, and the development of screening methods for terpene synthase mutants with high enzyme activity is necessary. It is.

すなわち、本発明の課題は、テルペン合成酵素遺伝子の一般的な、そして組織的なスクリーニング方法、および、酵素活性の高いテルペン合成酵素変異体取得のための一般的な手法を提供することである。   That is, an object of the present invention is to provide a general and systematic screening method for a terpene synthase gene and a general technique for obtaining a terpene synthase mutant having high enzyme activity.

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を行い、百万を超えるほどあるといわれるテルペン化合物もすべてイソペンテニル二リン酸という共通の前駆体からテルペン合成経路を介して合成される点に着目した。そして、合成されたテルペン(プロダクト)を指標にするのではなく、得ようとするテルペン合成酵素の「基質消費能」に基づき、テルペン合成酵素をスクリーニングする方法、および、酵素活性の高いテルペン合成酵素変異体をスクリーニングする方法を開発した。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems, and that all terpene compounds, which are said to have more than 1 million, are also synthesized from a common precursor called isopentenyl diphosphate via a terpene synthesis route. Pay attention. Then, instead of using the synthesized terpene (product) as an index, a method for screening terpene synthase based on the “substrate consumption ability” of the terpene synthase to be obtained, and a terpene synthase with high enzyme activity A method for screening mutants has been developed.

具体的には、テルペン合成酵素群の基質と同じ基質を原料とする、種々の色素の生合成経路を細胞内に構築する。これらの細胞にテルペン合成酵素遺伝子を導入すると、基質の一部を色素合成経路から奪うため、細胞あたりの色素合成量が減少する。結果、細胞色の退色としてテルペン合成酵素の活性が可視化される。すなわち、より薄い色を示す細胞に導入した被検遺伝子を選択することにより、テルペン合成酵素を同定することができる。   Specifically, biosynthetic pathways of various dyes are constructed in the cell using the same substrate as the substrate of the terpene synthase group. When a terpene synthase gene is introduced into these cells, part of the substrate is taken away from the pigment synthesis pathway, and the amount of pigment synthesis per cell is reduced. As a result, the activity of the terpene synthase is visualized as cell color fading. That is, the terpene synthase can be identified by selecting a test gene introduced into a cell having a lighter color.

すなわち、本発明は、以下からなる。
1.被検遺伝子を色素合成可能な細胞に導入し、色素合成量の低下を検出することを特徴とする、テルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。
2.色素合成量の低下が、色素合成に関与する酵素の基質がテルペン合成酵素により消費されることによる色素合成量の低下である、前項1に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。
3.細胞が大腸菌または酵母である前項1または2に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。
4.色素合成可能な細胞が色素合成に関与する酵素遺伝子またはその変異体により形質転換された細胞である前項1〜3のいずれか一に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。
5.色素合成に関与する酵素遺伝子がジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子、デヒドロスクアレン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子、ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子、フィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子及びゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子から選ばれる少なくとも1つまたはその変異体である前項4に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。
6.前項1〜5のいずれか一に記載のスクリーニング方法に使用する、色素合成に関与する酵素の遺伝子またはその変異体により形質転換された色素合成可能細胞。
7.ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子若しくはその変異体、および/またはデヒドロスクアレン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子若しくはその変異体により形質転換された色素合成可能細胞。
8.ゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子またはその変異体によりさらに形質転換された前項7に記載の色素合成可能細胞。
9.フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子若しくはその変異体、および/またはフィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子若しくはその変異体により形質転換された色素合成可能細胞。
10.ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子またはその変異体によりさらに形質転換された前項9に記載の色素合成可能細胞。
11.前項6〜10のいずれか一に記載の色素合成可能細胞を含むテルペン合成酵素遺伝子またはその変異体のスクリーニング用キット。
12.配列番号2に示すデヒドロスクアレン不飽和化酵素(CrtN)変異体をコードする遺伝子。
13.ファルネシル二リン酸合成酵素変異体FDSY81Aの121番目のアミノ酸のスレオニン、および/または、157番目のアミノ酸のバリンが変異したことを特徴とするファルネシル二リン酸合成酵素変異体。
14.121番目のアミノ酸スレオニンがアラニンもしくはセリンに変異し、および/または、157番目のアミノ酸のバリンがアラニンに変異したことを特徴とする前項13に記載のファルネシル二リン酸合成酵素変異体。
15.前項13又は14に記載のファルネシル二リン酸合成酵素変異体をコードする遺伝子。
That is, this invention consists of the following.
1. A method for screening a terpene synthase gene and / or a mutant thereof, which comprises introducing a test gene into a cell capable of pigment synthesis and detecting a decrease in the amount of pigment synthesis.
2. The decrease in the amount of dye synthesis is a decrease in the amount of dye synthesis due to the consumption of the substrate of the enzyme involved in the dye synthesis by the terpene synthase. Screening method.
3. 3. The screening method for the terpene synthase gene and / or mutant thereof according to item 1 or 2, wherein the cell is Escherichia coli or yeast.
4). The method for screening a terpene synthase gene and / or a mutant thereof according to any one of items 1 to 3, wherein the cell capable of pigment synthesis is a cell transformed with an enzyme gene involved in pigment synthesis or a mutant thereof. .
5. Enzyme genes involved in pigment synthesis are diapophytoene synthase (CrtM) gene, dehydrosqualene desaturase (CrtN) gene, geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene, phytoene synthase (CrtB) gene, phytoene dehydration 5. A method for screening a terpene synthase gene and / or a mutant thereof according to item 4 above, which is at least one selected from an enzyme (CrtI) gene and a geranyl diphosphate synthase (GPS) gene or a variant thereof.
6). 6. A dye-synthesizable cell transformed with a gene of an enzyme involved in dye synthesis or a mutant thereof used for the screening method according to any one of 1 to 5 above.
7). A dye-synthesizable cell transformed with a diapophytoene synthase (CrtM) gene or a variant thereof, and / or a dehydrosqualene desaturase (CrtN) gene or a variant thereof.
8). 8. The dye-synthesizable cell according to item 7, which is further transformed with a geranyl diphosphate synthase (GPS) gene or a mutant thereof.
9. A pigment-synthesizable cell transformed with a phytoene synthase (CrtB) gene or a variant thereof, and / or a phytoene dehydrogenase (CrtI) gene or a variant thereof.
10. 10. The dye-synthesizable cell according to item 9, which is further transformed with a geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene or a mutant thereof.
11. A kit for screening for a terpene synthase gene or a mutant thereof comprising the pigment-synthesizable cell according to any one of 6 to 10 above.
12 A gene encoding a dehydrosqualene desaturase (CrtN) mutant shown in SEQ ID NO: 2.
13. A farnesyl diphosphate synthase mutant characterized in that the threonine at the 121st amino acid and / or the valine at the 157th amino acid of the FDS Y81A mutant of farnesyl diphosphate synthase is mutated.
14. The farnesyl diphosphate synthase mutant according to item 13 above, wherein the 121st amino acid threonine is mutated to alanine or serine and / or the 157th amino acid valine is mutated to alanine.
15. 15. A gene encoding the farnesyl diphosphate synthase mutant according to item 13 or 14.

本発明は、生産物であるテルペンの種類、つまりテルペンの構造にかかわらず、また、配列未知の検体群(ライブラリ)からの配列による絞り込みに頼らず、テルペン合成酵素遺伝子のスクリーニングを可能とし、該酵素を網羅的に一挙取得する方法を提供できる。
本発明によれば、既知/未知問わず、あらゆるテルペン合成酵素の活性を、その生産物の種類に関わらず、基質消費能に基づいて可視化できる。さらに本発明により、視認可能な色素の利用による色スクリーニングが可能となり、多数の検体を対象としたハイスループット・スクリーニングが可能になる。
The present invention enables screening of terpene synthase genes regardless of the type of terpene that is a product, that is, the structure of the terpene, and without relying on narrowing down by sequences from a sample group (library) whose sequence is unknown, A method for comprehensively obtaining enzymes can be provided.
According to the present invention, the activity of any terpene synthase, whether known or unknown, can be visualized based on the substrate consumption ability regardless of the type of the product. Furthermore, the present invention enables color screening by using a visible dye, and enables high-throughput screening for a large number of specimens.

本発明はまた、共導入する色素合成経路の種類を選択することによって、1)ファルネシル二リン酸(以下、C15PP)を原料とするセスキテルペン/トリテルペン合成酵素の探索、2)ゲラニルゲラニル二リン酸(以下、C20PP)を原料とするジテルペン/テトラテルペン合成酵素の探索、3)ゲラニル二リン酸(以下、C10PP)を原料とするモノテルペンの合成酵素の探索をそれぞれ独立に行うことができ、それぞれの酵素の最適化や変異を入れた酵素変異体のスクリーニングなど、更に細かなスクリーニング対応を可能にする。
加えるに、従来の構造(配列)の類似性からのアプローチ(たとえば非特許文献1、非特許文献3)とは異なり、機能面からのアプローチに基づく方法であることに特徴がある。つまり、本発明に係るスクリーニング方法は酵素活性に基づく手法なので、配列ホモロジーの低いテルペン合成酵素遺伝子も漏れることなく取得できる。
The present invention also enables selection of the type of dye synthesis pathway to be co-introduced by 1) searching for sesquiterpene / triterpene synthase using farnesyl diphosphate (hereinafter C15PP) as a raw material, 2) geranylgeranyl diphosphate ( In the following, search for diterpene / tetraterpene synthase using C20PP as a raw material, 3) search for monoterpene synthase using geranyl diphosphate (hereinafter C10PP) as a raw material, Enables more detailed screening support, such as enzyme optimization and screening of mutants with mutations.
In addition, unlike conventional approaches (for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 3) based on similarity in structure (array), the method is based on a functional approach. That is, since the screening method according to the present invention is a technique based on enzyme activity, terpene synthase genes with low sequence homology can be obtained without leakage.

本発明に係るスクリーニング方法では、宿主細胞、例えば大腸菌などの中で、より活性の高いテルペン合成酵素をコードする遺伝子が、高いスコアを示す。したがって、本発明に係るスクリーニング方法により、より活性の高い酵素をコードする遺伝子、つまり価値あるテルペン合成酵素を取得することができる。
例えば、既知のテルペン合成酵素遺伝子の変異体を大量に作成し、該変異体をトランスフェクションした宿主を使用して、酵素活性の高い、酵素の安定性の高い、又は発現量の高い変異体をスクリーニングできる。
In the screening method according to the present invention, a gene encoding a more active terpene synthase in a host cell such as E. coli shows a high score. Therefore, a gene encoding a more active enzyme, that is, a valuable terpene synthase can be obtained by the screening method according to the present invention.
For example, a large number of mutants of known terpene synthase genes are prepared, and a host into which the mutants are transfected is used to produce mutants with high enzyme activity, high enzyme stability, or high expression levels. Can be screened.

図1はテルペン合成経路を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a terpene synthesis route. 図2は3種類のテルペン合成活性の可視化機構を示した図である。CrtM/CrtNを発現する大腸菌(B)で、テルペンの合成酵素の遺伝子を共発現させると、黄色色素の合成経路から基質(C15PP)を奪うため、細胞色は白くなりテルペン合成活性を可視化できる。同様に、C20PPを消費するジテルペン合成遺伝子の発現は、CrtE/CrtB/CrtIを発現する大腸菌(C)の色をピンク色から白化するため、テルペン合成活性を可視化できる。C10PPを消費するモノテルペン合成遺伝子の発現は、GPS/CrtM/CrtN発現株(A)の色を黄から白にするため、テルペン合成活性を可視化できる。FIG. 2 is a diagram showing the visualization mechanism of three types of terpene synthesis activity. When E. coli (B) expressing CrtM / CrtN is co-expressed with a terpene synthase gene, the substrate (C15PP) is deprived from the yellow pigment synthesis pathway, and the cell color becomes white and the terpene synthesis activity can be visualized. Similarly, the expression of the diterpene synthesis gene that consumes C20PP whitens the color of Escherichia coli (C) expressing CrtE / CrtB / CrtI from pink so that the terpene synthesis activity can be visualized. Since the expression of the monoterpene synthesis gene that consumes C10PP changes the color of the GPS / CrtM / CrtN expression strain (A) from yellow to white, the terpene synthesis activity can be visualized. 図3はスクアレン合成酵素の活性を色素合成細胞を使用して測定した結果を示した図である。スクアレン合成酵素(図中、Sqswtと表示)およびその不活性変異体(図中、SqsY171Sと表示)を、CrtMおよびCrtNを発現する大腸菌(b)またはCrtM、CrtNおよびイソペンテニル二リン酸イソメラーゼ(idi)を発現する大腸菌(c)に導入し、色素合成量の分析を行った。図中、「null」は、SqswtおよびSqsY171Sを導入していない対照を意味する。大腸菌ペレットを(a)に示す(実施例1)。FIG. 3 shows the results of measuring the activity of squalene synthase using pigment synthesizing cells. Squalene synthase (shown as Sqs wt in the figure) and its inactive mutant (shown as Sqs Y171S in the figure), E. coli (b) expressing CrtM and CrtN or CrtM, CrtN and isopentenyl diphosphate isomerase It was introduced into Escherichia coli (c) expressing (idi), and the amount of dye synthesis was analyzed. In the figure, “null” means a control in which Sqs wt and Sqs Y171S are not introduced. The E. coli pellet is shown in (a) (Example 1). 図4はCrtN変異体を用いたC15PPスクリーニング細胞の細胞色の変化を示した図である(実施例2)。FIG. 4 shows changes in cell color of C15PP screening cells using the CrtN mutant (Example 2). 図5はゲラニオール合成酵素の活性を色素合成細胞を使用して測定した結果を示した図である。CrtMおよびCrtNを発現する大腸菌(b)またはCrtM、CrtNおよびイソペンテニル二リン酸イソメラーゼ(idi)を発現する大腸菌(c)に、ゲラニオール合成酵素(図中、GESFullと表示)およびその不活性変異体(図中、GESc-endと表示)を導入し、色素合成量の分析を行った。図中、「null」は、GESFullおよびGESc-endを導入していない対照を意味する。これらの大腸菌ペレットを(a)に示す(実施例3)。FIG. 5 shows the results of measuring the activity of geraniol synthase using pigment synthesizing cells. Geraniol synthase (shown as GES Full in the figure) and its inactive mutation in E. coli expressing CrtM and CrtN (b) or E. coli expressing CrtM, CrtN and isopentenyl diphosphate isomerase (idi) (c) The body (indicated as GES c-end in the figure) was introduced, and the amount of dye synthesis was analyzed. In the figure, “null” means a control in which GES Full and GES c-end are not introduced. These E. coli pellets are shown in (a) (Example 3). 図6は、pAC-EBI-idiを導入した大腸菌に、FDSY81Aを親として作製した変異体ライブラリの遺伝子を導入し共発現させた後、寒天培地上に撒布してコロニー形成させた図である(実施例5)。親となるFDSY81A自体が弱いゲラニルファルネシル二リン酸合成酵素(CP25PP)の活性を持つため、うすいピンク色のコロニーを形成する。白いコロニーは、そのゲラニルファルネシル二リン酸合成酵素活性が高い変異体を発現しているクローンである。FIG. 6 is a diagram showing colonies formed by introducing and co-expressing a mutant library gene prepared using FDS Y81A as a parent into Escherichia coli into which pAC-EBI-idi has been introduced, and then distributing the genes on an agar medium. (Example 5). Since the parent FDS Y81A itself has weak geranyl farnesyl diphosphate synthase (CP25PP) activity, it forms a light pink colony. White colonies are clones expressing mutants with high geranyl farnesyl diphosphate synthase activity. 図7は、FDSY81Aとそのアミノ酸置換体のC25PP合成能を示すものである:具体的には、基質選択性を緩めたカロテノイド合成酵素(CrtM)の変異体と大腸菌に共発現系させたときに蓄積されるカロテノイドの骨格スペクトルを表す(実施例5)。FIG. 7 shows the C25PP synthesizing ability of FDS Y81A and its amino acid substitution product: specifically, when a mutant of carotenoid synthase (CrtM) with reduced substrate selectivity is co-expressed in E. coli. (Example 5) which represents the skeleton spectrum of the carotenoid accumulated in. 図8左図は、大腸菌由来のファルネシル二リン酸合成酵素(FDS:ispA)と人工阻害剤との複合体の結晶構造を示し、ゲラニルファルネシル二リン酸(C25PP)合成活性が増強された変異体に見いだされたアミノ酸変異をその構造の上に示したものである。図8右図は、FDS、FDSY81A及びその変異体のC20PP消費活性示す(実施例6)。The left figure of FIG. 8 shows the crystal structure of a complex of E. coli-derived farnesyl diphosphate synthase (FDS: ispA) and an artificial inhibitor, and a mutant with enhanced geranyl farnesyl diphosphate (C25PP) synthesis activity. The amino acid mutation found in is shown on the structure. The right figure of FIG. 8 shows C20PP consumption activity of FDS, FDS Y81A, and its variant (Example 6). 図9は、5-エピアリストロケン合成酵素(TEAS)遺伝子含有ベクター(Ptrc-TEAS)を示す。(実施例7)FIG. 9 shows a 5-epiallystroken synthase (TEAS) gene-containing vector (Ptrc-TEAS). (Example 7) 図10はTEASのC15PP消費活性示す。pUC18Nm-TEASをpAC-MNwt(左)あるいはpAC-EBI(右)と共発現し、細胞色および色素合成量を検定した(実施例7)。FIG. 10 shows C15PP consumption activity of TEAS. pUC18Nm-TEAS was coexpressed with pAC-MNwt (left) or pAC-EBI (right), and the cell color and the amount of dye synthesis were tested (Example 7). 図11はTEAS及びその不活性体のC15PP消費活性示す。pUC18Nm-TEASをpAC-MNwtと共発現し、細胞色および色素合成量を検定した(実施例7)。FIG. 11 shows C15PP consumption activity of TEAS and its inactive form. pUC18Nm-TEAS was co-expressed with pAC-MNwt and assayed for cell color and dye synthesis (Example 7). 図12はTEAS及びその不活性体のC15PP消費活性示す。pUC18Nm-TEASをpAC-EBIと共発現し、細胞色および色素合成量を検定した(実施例7)。FIG. 12 shows C15PP consumption activity of TEAS and its inactive form. pUC18Nm-TEAS was coexpressed with pAC-EBI and assayed for cell color and pigment synthesis (Example 7). 図13はタキサジエン合成酵素(TS)のC15PP消費活性示す。pUC18Nm-TSをpAC-MNwtと共発現し、細胞色および色素合成量を検定した(実施例8)。FIG. 13 shows C15PP consumption activity of taxadiene synthase (TS). pUC18Nm-TS was co-expressed with pAC-MNwt and assayed for cell color and dye synthesis (Example 8). 図14はタキサジエン合成酵素(TS)のC20PP消費活性示す。pUC18Nm-TS を pAC-EBIと共発現し、細胞色および色素合成量を検定した(実施例8)。FIG. 14 shows C20PP consumption activity of taxadiene synthase (TS). pUC18Nm-TS was co-expressed with pAC-EBI and assayed for cell color and pigment synthesis (Example 8). 図15はKafTomライブラリの中から選抜された3つのDNAの(a)C15PPおよび (b)C20PPカロテノイド消費機能を示す。(a)はpAC-MN+、(b)はpAC-EBI+であり、棒グラフはn=4の平均値であり、エラーバーはn=4の標準偏差である(実施例9)。FIG. 15 shows (a) C15PP and (b) C20PP carotenoid consumption functions of three DNAs selected from the KafTom library. (a) is pAC-MN +, (b) is pAC-EBI +, the bar graph is the average value of n = 4, and the error bar is the standard deviation of n = 4 (Example 9).

本発明は、テルペン合成酵素(例えば、モノテルペン、セスキテルペン、ジテルペン、セスタテルペン、トリテルペン、テトラテルペン合成酵素等)の探索を行うため、同一の基質(例えば、ゲラニル二リン酸(以下、C10PP)、ファルネシル二リン酸(以下、C15PP)、ゲラニルゲラニル二リン酸(以下、C20PP)等)から色素を合成することができる細胞にテルペン合成酵素遺伝子を導入し発現させて、基質の消費を競合させ、色素合成量の低下を検出することによる、テルペン合成酵素遺伝子のスクリーニング方法に関する。
さらに、本発明は、テルペン合成酵素遺伝子を色素合成可能な細胞に導入し、色素合成量の低下を検出することによる、活性の高いテルペン合成酵素の遺伝子またはその変異体をスクリーニングする方法に関する。
Since the present invention searches for terpene synthases (for example, monoterpenes, sesquiterpenes, diterpenes, sesterterpenes, triterpenes, tetraterpene synthases, etc.), the same substrate (for example, geranyl diphosphate (hereinafter referred to as C10PP)) is used. Introducing a terpene synthase gene into cells capable of synthesizing pigments from farnesyl diphosphate (hereinafter C15PP), geranylgeranyl diphosphate (hereinafter C20PP, etc.), competing for substrate consumption, The present invention relates to a screening method for a terpene synthase gene by detecting a decrease in the amount of dye synthesis.
Furthermore, the present invention relates to a method for screening a highly active terpene synthase gene or a variant thereof by introducing a terpene synthase gene into a cell capable of dye synthesis and detecting a decrease in the amount of dye synthesis.

「テルペン」は、テルペノイド、イソプレノイドとも呼ばれている。本発明の「テルペン」は広い意味で使用されているテルペンを対象とする。イソプレンを構成単位とする炭化水素で、植物や昆虫、菌類などによって作り出される生体物質である。もともと精油の中から大量に見つかった一群の炭素10個の化合物に与えられた名称であり、そのため炭素10個を基準として体系化されている。テルペンは、メバロン酸経路および非メバロン酸経路から生合成される。なお、これらの経路は生物種により異なっている。   “Terpenes” are also called terpenoids and isoprenoids. The “terpene” of the present invention is a terpene used in a broad sense. It is a hydrocarbon with isoprene as a structural unit and is a biological material produced by plants, insects, fungi, and the like. It is the name given to a group of 10 carbon compounds originally found in large quantities in essential oils, and is therefore organized based on 10 carbons. Terpenes are biosynthesized from the mevalonate and non-mevalonate pathways. These pathways differ depending on the species.

「テルペン合成酵素」とは、テルペン合成に関わる酵素である。
テルペンは生体内でメバロン酸またはピルビン酸から生合成される。テルペンの生合成の第一段階はイソプレン単位の生成であり、メバロン酸経路または非メバロン酸(MEP)経路からイソペンテニル二リン酸(IPP)およびジメチルアリル二リン酸(DMAPP)が合成され、この2つがイソプレン単位の起源である2つのC5分子(C5PP)である。
A “terpene synthase” is an enzyme involved in terpene synthesis.
Terpenes are biosynthesized from mevalonic acid or pyruvate in vivo. The first step in the biosynthesis of terpenes is the generation of isoprene units, and isopentenyl diphosphate (IPP) and dimethylallyl diphosphate (DMAPP) are synthesized from the mevalonate or non-mevalonate (MEP) pathway. Two are the two C5 molecules (C5PP) from which the isoprene unit originates.

テルペンの生合成の第二段階は、ジメチルアリル二リン酸(DMAPP)に次々にイソペンテニル二リン酸(IPP)が付加していくイソプレン単位の結合過程が挙げられ、これによって炭素数が5つずつ増えていく。
最初の段階はジメチルアリルトランストランスフェラーゼ (EC 2.5.1.1) によるIPP とDMAPPからのC10PPの合成で、これはモノテルペン生合成の出発物質となる。
ファルネシル二リン酸合成酵素(ファルネシル二リン酸シンターゼ)はIPPとC10PPを結合させてC15PPを合成する。これはセスキテルペン生合成に利用される。2分子のC15PPが結合するとスクアレンが生成し(スクアレン合成酵素)、コレステロールやフィトステロールといったトリテルペンへと変換されてゆく。
ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素はC15PPとIPPからジテルペンの基本骨格となるC20PPを合成する。さらに、2分子のC20PPが結合するとフィトエンが生成し、テトラテルペンであるカロテノイドの前駆物質となる。
The second step in the biosynthesis of terpenes is the coupling process of isoprene units in which isopentenyl diphosphate (IPP) is added to dimethylallyl diphosphate (DMAPP) one after the other, which results in five carbon atoms. It will increase gradually.
The first step is the synthesis of C10PP from IPP and DMAPP with dimethylallyltransferase (EC 2.5.1.1), which is the starting material for monoterpene biosynthesis.
Farnesyl diphosphate synthase (farnesyl diphosphate synthase) combines IPP and C10PP to synthesize C15PP. This is used for sesquiterpene biosynthesis. When two molecules of C15PP are bound, squalene is produced (squalene synthase) and converted to triterpenes such as cholesterol and phytosterols.
Geranylgeranyl diphosphate synthase synthesizes C20PP, the basic skeleton of diterpenes, from C15PP and IPP. Furthermore, when two molecules of C20PP are bound, phytoene is produced, which becomes a precursor of a carotenoid that is a tetraterpene.

テルペンの生合成の第三段階は、種々の骨格の生成である。イソプレン単位結合により合成されたそれぞれの炭素数のテルペンは、種々の骨格生成過程を経て各テルペンが生合成される。この生合成経路にも種々の酵素が関与している。   The third step in terpene biosynthesis is the generation of various skeletons. Each terpene having each carbon number synthesized by the isoprene unit bond is biosynthesized through various skeleton formation processes. Various enzymes are also involved in this biosynthetic pathway.

本発明でスクリーニングが可能なテルペン合成酵素は、イソペンテニル二リン酸(IPP)やジメチルアリル二リン酸(DMAPP)から各テルペンまでの合成経路で関与する酵素であり、スクリーニングで用いる細胞が有する色素合成経路に関与する酵素と基質を共通にする。各種生物内に有している天然の酵素であってもよいし、変異体であってもよい。
共通の基質として、例えば、C15PP、C20PP、C10PPなどの鎖状アルコール二リン酸エステルが挙げられる。
The terpene synthase that can be screened in the present invention is an enzyme that is involved in the synthetic pathway from isopentenyl diphosphate (IPP) or dimethylallyl diphosphate (DMAPP) to each terpene, and is a pigment that cells used in the screening have The enzyme and substrate involved in the synthesis pathway are shared. It may be a natural enzyme possessed in various organisms or a mutant.
Examples of the common substrate include chain alcohol diphosphates such as C15PP, C20PP, and C10PP.

C15PPを基質とする酵素としては、γ-フムレン合成酵素、ファルネソール合成酵素、アリストロケン合成酵素、β-ファルネセン合成酵素、ノートカトン合成酵素、スクアレン合成酵素等が挙げられる。これらは、C15PPから二リン酸を脱離させ、生じたカルボカチオンに基質自身を攻撃させ、種々の炭化水素化合物(あるいは水酸化化合物)を生成する。スクアレン合成酵素はC15PPを2つhead-to-headで縮合させ、C30骨格をもつ炭化水素スクアレンを合成する。いずれの酵素反応においても、基質も、中間体も、そして生産物も無色透明であるため、それそのものの分析をハイスループットに行うのは困難であるが、本発明の方法を用いれば、スクアレン合成酵素の活性を細胞内で、非破壊的に測定することが可能である。   Examples of the enzyme using C15PP as a substrate include γ-humulene synthase, farnesol synthase, aristoloken synthase, β-farnesene synthase, notekaton synthase, squalene synthase and the like. These desorb diphosphate from C15PP and cause the resulting carbocation to attack the substrate itself to produce various hydrocarbon compounds (or hydroxide compounds). Squalene synthase synthesizes hydrocarbon squalene with C30 skeleton by condensing two C15PP head-to-head. In any enzyme reaction, since the substrate, the intermediate, and the product are colorless and transparent, it is difficult to analyze the substrate itself at high throughput. However, if the method of the present invention is used, squalene synthesis is performed. Enzyme activity can be measured non-destructively in cells.

C20PPを基質とする酵素としては、タキサジエン合成酵素、コパリル二リン酸合成酵素、カスベン合成酵素等が挙げられる。ジテルペンの中には生理活性をもつものが数多くあり、その合成酵素の遺伝子探索法は極めて重要である。これらの酵素反応においても、基質、生産物ともに無色透明である。   Examples of the enzyme using C20PP as a substrate include taxadiene synthase, coparyl diphosphate synthase, and kasbene synthase. Many diterpenes have physiological activity, and gene search methods for their synthases are extremely important. In these enzyme reactions, the substrate and the product are both colorless and transparent.

C10PPを基質とする酵素としては、ゲラニオール合成酵素、リモネン合成酵素、メントール合成酵素、ピネン合成酵素、ファルネシル二リン酸合成酵素(FDS)等が挙げられる。これらが触媒する酵素反応においても、基質、生産物ともに無色透明である。   Enzymes using C10PP as a substrate include geraniol synthase, limonene synthase, menthol synthase, pinene synthase, farnesyl diphosphate synthase (FDS), and the like. In the enzyme reaction catalyzed by these substances, both the substrate and the product are colorless and transparent.

本発明における「テルペン合成酵素遺伝子」とは、テルペン合成酵素をコードする遺伝子である。「その変異体」とは、テルペン合成酵素遺伝子のDNAがその一部のヌクレオチドの置換、欠失、付加などにより変異した遺伝子の概念である。自然界で生じた変異でもよいし、人工的になされた変異でもよい。
変異は、発現酵素の酵素活性、発現量又は安定性が高くなる変異が好ましい。また基質特異性を高めるような変異も好ましい。特に、酵素活性を高める変異が好ましい。
変異体のライブラリを作成し、そのライブラリから、その宿主において酵素活性、発現量又は安定性が高い変異体を本発明の方法により、スクリーニングできる。このようにして得た活性が高い酵素として、例えば、中度好熱細菌(Bacillus stearothermophilus)由来のファルネシル二リン酸合成酵素(BstFDS)の変異体であるBstFDSY81A(ゲラニルファルネシル二リン酸合成活性を持つ)(以下FDSY81A)を挙げることができる(Ohnuma, S. et al.; J Biol Chem 271,30748-30754 (1996))。また、さらに酵素活性の高いFDSY81Aの変異体を挙げることができる。
The “terpene synthase gene” in the present invention is a gene encoding terpene synthase. The “variant thereof” is a concept of a gene in which the DNA of a terpene synthase gene is mutated by substitution, deletion, addition or the like of a part of its nucleotides. It may be a naturally occurring mutation or an artificially made mutation.
The mutation is preferably a mutation that increases the enzyme activity, expression level or stability of the expressed enzyme. Also preferred are mutations that increase substrate specificity. In particular, mutations that increase enzyme activity are preferred.
A library of mutants is prepared, and mutants having high enzyme activity, expression level or stability in the host can be screened from the library by the method of the present invention. For example, BstFDS Y81A (geranyl farnesyl diphosphate synthesizing activity) is a mutant of farnesyl diphosphate synthase (BstFDS) derived from Bacillus stearothermophilus. (Hereinafter referred to as FDS Y81A ) (Ohnuma, S. et al .; J Biol Chem 271,30748-30754 (1996)). In addition, mutants of FDS Y81A having higher enzyme activity can be mentioned.

本発明における色素合成可能な細胞へ導入される被検遺伝子とは、テルペン合成酵素遺伝子若しくはその変異体を含むと考えられる遺伝子または遺伝子群である。天然の細胞から抽出した遺伝子、作製したライブラリーの遺伝子、化学合成遺伝子、PCR増幅遺伝子など由来は問わない。本発明は発現する酵素の基質消費能を指標とするため、未同定の遺伝子をスクリーニングすることができる。   The test gene introduced into the cell capable of dye synthesis in the present invention is a gene or a gene group considered to contain a terpene synthase gene or a variant thereof. It does not matter if it is derived from a natural cell, a gene from a library produced, a chemically synthesized gene, a PCR amplified gene, or the like. Since the present invention uses the substrate consumption ability of the expressed enzyme as an index, an unidentified gene can be screened.

被検遺伝子またはテルペン合成酵素遺伝子若しくはその変異体の、色素合成可能な細胞への導入は、遺伝子組み換え技術で用いられている常法によることができる。例えば、ベクターにスクリーニング対象の遺伝子を組み込み、細胞を形質転換する等である。   Introduction of a test gene or a terpene synthase gene or a mutant thereof into a cell capable of pigment synthesis can be performed by a conventional method used in gene recombination techniques. For example, a gene to be screened is incorporated into a vector and cells are transformed.

本発明で用いられる色素は、イソペンテニル二リン酸(IPP)を経由して生合成される色素およびその誘導体であり、色素合成に関与する酵素の基質がテルペン合成酵素の基質と共通する色素であれば制限されない。色素合成量の低下による色の変化の視認性が良い色素が好ましい。例えば、黄色より赤い色素の方が好ましい。色素合成に関与する酵素の変異体により生成された色素も好ましい。   The dye used in the present invention is a dye that is biosynthesized via isopentenyl diphosphate (IPP) and its derivatives, and the substrate of the enzyme involved in the dye synthesis is the same as the substrate of the terpene synthase. If there is no limit. A dye having good visibility of color change due to a decrease in the amount of dye synthesized is preferred. For example, a red pigment is preferable to yellow. Also preferred are dyes produced by mutants of enzymes involved in dye synthesis.

テルペンと基質を共有する(奪い合う)色素であれば、本手法は、自然界に知られるその他700超のカロテノイド、あるいは非天然骨格をもつ人工カロテノイド(Umeno, D. et al.; J Bacteriol 186, 1531-1536 (2004))によっても実施可能である。その他、特定のカロテノイド色素と結合することにより青色を呈するタンパク質、たとえばクラスタシアニン(Cianci, M. et al.; Proc Natl Acad Sci U S A 99, 9795-9800 (2002))なども有望である。望ましくは、視認性のよいカロテノイド色素(赤〜赤紫〜青紫)がよい。
本発明でカロテノイドとは、黄色ないし赤色または紫色の水不溶性のポリエン色素であり、炭素数40(C40)、C30、C45、C50のものを含む。C40のカロテノイドは、例えば、リコペン、βカロテン、アスタキサンチン、ルテイン、3,4,3',4'‐テトラデヒドロリコペン、トルレン等が挙げられる。C30(ジアポカロテノイド)としては、例えば、ジアポニューロスポレン、ジアポリコペン、ジアポリコペンジアール、スタフィロキサンチン等が挙げられる。
For dyes that share a substrate with terpenes, this method can be used to make more than 700 other carotenoids known in nature or artificial carotenoids with unnatural skeletons (Umeno, D. et al .; J Bacteriol 186, 1531 -1536 (2004)). In addition, proteins that exhibit a blue color by binding to specific carotenoid pigments, such as cluster cyanine (Cianci, M. et al .; Proc Natl Acad Sci USA 99, 9795-9800 (2002)) are also promising. Desirably, a carotenoid pigment having good visibility (red to reddish purple to bluish purple) is preferable.
In the present invention, the carotenoid is a yellow, red, or purple water-insoluble polyene pigment, and includes those having 40 (C40), C30, C45, and C50 carbon atoms. Examples of the carotenoid of C40 include lycopene, β-carotene, astaxanthin, lutein, 3,4,3 ′, 4′-tetradehydrolycopene, tolylene and the like. Examples of C30 (diapocarotenoid) include diaponenurosporene, diapolicopene, diapolicopene dial, staphyloxanthine, and the like.

色素合成に関与する酵素は、イソペンテニル二リン酸(IPP)やジメチルアリル二リン酸(DMAPP)から各色素までの合成経路で関与する酵素であり、直接の生成物が色素でない酵素を含む。また、色素合成に関与する酵素はテルペン合成経路で関与する酵素と基質を共通にする。各種生物内に有している天然の酵素であってもよいし、変異体でもよい。色素合成に関与する酵素を変異させることにより、視認性が良い色素を得ることができる。   Enzymes involved in dye synthesis are enzymes involved in the synthesis route from isopentenyl diphosphate (IPP) or dimethylallyl diphosphate (DMAPP) to each dye, and include enzymes whose direct products are not dyes. In addition, enzymes involved in dye synthesis share the same substrate as the enzyme involved in the terpene synthesis pathway. It may be a natural enzyme possessed in various organisms or a mutant. By mutating an enzyme involved in dye synthesis, a dye with good visibility can be obtained.

色素合成に関与する酵素遺伝子は、色素合成に関与する酵素をコードする遺伝子であり、「その変異体」とは、色素合成に関与する酵素遺伝子のDNAがその一部のヌクレオチドの置換、欠失、付加などにより変異した遺伝子の概念である。自然界で生じた変異でもよいし、人工的になされた変異でもよい。
変異は、発現される酵素の酵素活性、発現量又は安定性が高くなる変異が好ましい。また、酵素の生成物である色素をより鮮やかな色にする変異が好ましい。鮮やかな色にすることで、色素合成量の低下の検出、測定を容易にすることができる。
An enzyme gene involved in pigment synthesis is a gene that encodes an enzyme involved in pigment synthesis, and its “mutant” refers to substitution or deletion of a part of the nucleotide of the DNA of the enzyme gene involved in pigment synthesis. This is a concept of a gene mutated by addition or the like. It may be a naturally occurring mutation or an artificially made mutation.
The mutation is preferably a mutation that increases the enzyme activity, expression level or stability of the expressed enzyme. Moreover, the variation | mutation which makes the pigment | dye which is a product of an enzyme more vivid color is preferable. By making the color vivid, it is possible to easily detect and measure a decrease in the amount of dye synthesis.

好適な色素合成に関与する酵素遺伝子として、ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子、ジアポフィトエン脱水素酵素(CrtN)遺伝子、ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子、フィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子及びゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子、およびこれらの変異体を例示できる。細胞は、これら酵素遺伝子およびそれらの変異体から選ばれる少なくとも1つの遺伝子により形質転換される。
ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)は、C15PPを基質としてジアポフィトエンを合成する。ジアポフィトエン脱水素酵素(CrtN)は、ジアポフィトエンを基質として、ジアポニューロスポレンを合成する。ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)は、C15PPを基質としてC20PPを合成する。フィトエン合成酵素(CrtB)は、C20PPを基質としてフィトエンを合成する。フィトエン脱水素酵素(CrtI)は、フィトエンを基質として、リコペンを合成する。ゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)は、C5PPを基質としてC10PPを合成する。
Suitable enzyme genes involved in pigment synthesis include diapophytoene synthase (CrtM) gene, diapophytoene dehydrogenase (CrtN) gene, geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene, phytoene synthase (CrtB) gene Phytoene dehydrogenase (CrtI) gene and geranyl diphosphate synthase (GPS) gene, and variants thereof. The cell is transformed with at least one gene selected from these enzyme genes and variants thereof.
Diapophytoene synthase (CrtM) synthesizes diapophytoene using C15PP as a substrate. Diapophytoene dehydrogenase (CrtN) synthesizes diaponeurosporene using diapophytoene as a substrate. Geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) synthesizes C20PP using C15PP as a substrate. Phytoene synthase (CrtB) synthesizes phytoene using C20PP as a substrate. Phytoene dehydrogenase (CrtI) synthesizes lycopene using phytoene as a substrate. Geranyl diphosphate synthase (GPS) synthesizes C10PP using C5PP as a substrate.

本発明はまた、黄色ブドウ球菌由来のジアポフィトエン不飽和化酵素(CrtN)の変異体およびその遺伝子に関する。野生型のジアポフィトエン不飽和化酵素(CrtN)は黄色の色素ジアポニューロスポレンを主に合成するが(Raisig, A. et al.; Biochim Biophys Acta1533, 164-170 (2001))、CrtN変異体は、赤色のジアポリコペンを合成する。このような改良により、視認性が良くなり、S/N比、定量性、信頼性の全てが飛躍的に向上する。
具体的には、CrtNの209番目のアミノ酸のグルタミン酸をグリシンに、242番目のアスパラギンをセリンに、286番目のメチオニンをバリンに変異したことを特徴とするCrtN変異体(配列番号2)である。このCrtN変異体酵素が、赤色のジアポリコペンを合成する(図4)。
当該CrtN変異体をコードする遺伝子として、例えば配列番号1の配列が挙げられる。黄色ブドウ球菌由来のジアポフィトエン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子は黄色ブドウ球菌 S.aureus (ATCC 35556) ゲノムから入手することができ、遺伝子の置換は種々の部位特異的変異法により行うことができる。
The present invention also relates to a mutant of diapophytoene desaturase (CrtN) derived from Staphylococcus aureus and a gene thereof. Wild-type diapophytoene desaturase (CrtN) mainly synthesizes the yellow pigment diaponeurosporene (Raisig, A. et al .; Biochim Biophys Acta1533, 164-170 (2001)), but CrtN The mutant synthesizes a red diapolicopene. Such improvements improve visibility and dramatically improve all of the S / N ratio, quantitativeness, and reliability.
Specifically, it is a CrtN mutant (SEQ ID NO: 2) characterized by mutating glutamic acid at the 209th amino acid of CrtN to glycine, 242st asparagine to serine, and 286th methionine to valine. This CrtN mutant enzyme synthesizes red diapolicopene (FIG. 4).
Examples of the gene encoding the CrtN mutant include the sequence of SEQ ID NO: 1. The diapophytoene desaturase (CrtN) gene from Staphylococcus aureus can be obtained from the S. aureus (ATCC 35556) genome and can be replaced by various site-specific mutation methods it can.

本発明で用いる、色素合成可能な細胞は、上記色素合成に関与する酵素により色素を生合成することができる細胞であれば制限されない。天然の細胞でも、遺伝子組み換えにより形質転換されている細胞でもよい。遺伝子組み換え細胞は、遺伝子組み換えの操作に簡便な細胞である、大腸菌、枯草菌、酵母などが挙げられる。   The cells capable of dye synthesis used in the present invention are not limited as long as the cells can biosynthesize pigments with the enzymes involved in the dye synthesis. Natural cells or cells transformed by genetic recombination may be used. Examples of the genetically modified cells include Escherichia coli, Bacillus subtilis, and yeast, which are simple cells for genetic engineering.

本発明で用いる好ましい色素合成可能な細胞は、色素合成に関与する酵素遺伝子またはその変異体により形質転換されている細胞である。また、さらにイソペンテニル二リン酸イソメラーゼ(idi)遺伝子により、Idiを細胞に導入し、イソプレノイド経路を強化した細胞が好ましい。   A preferable cell capable of dye synthesis used in the present invention is a cell transformed with an enzyme gene involved in pigment synthesis or a mutant thereof. Further, cells in which Idi is introduced into cells by an isopentenyl diphosphate isomerase (idi) gene to enhance the isoprenoid pathway are preferred.

好適には、本発明で用いる色素合成可能な細胞は、ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子若しくはその変異体、および/またはデヒドロスクアレン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子若しくはその変異体により形質転換された細胞である。その色素合成可能細胞は、C15PPを基質として、ジアポニューロスポレン(黄色)ジアポリコペン(赤色)等を生成し、細胞が黄色や赤色等になる(図2)。CrtM遺伝子とCrtN遺伝子またはそれらの変異体は、同一のベクターに組み込まれていてもよいし、別のベクターに組み込まれていてもよい。   Preferably, the dye-synthesizable cell used in the present invention is transformed with a diapophytoene synthase (CrtM) gene or a variant thereof, and / or a dehydrosqualene desaturase (CrtN) gene or a variant thereof. Cells. The pigment-synthesizable cell produces diaponeurosporene (yellow) diapolicopene (red) or the like using C15PP as a substrate, and the cells become yellow or red (FIG. 2). The CrtM gene and the CrtN gene or their mutants may be incorporated into the same vector or may be incorporated into different vectors.

好適な別の実施態様は、CrtM遺伝子若しくはその変異体、および/またはCrtN遺伝子若しくはその変異体に加えさらにゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子またはその変異体により形質転換された細胞である。その色素合成可能な細胞は、C10PPを基質として、ジアポニューロスポレン(黄色)ジアポリコペン(赤色)等を生成し、細胞が黄色や赤色等になる。CrtM遺伝子、CrtN遺伝子およびGPS遺伝子またはそれらの変異体は、同一のベクターに組み込まれていてもよいし、別のベクターに組み込まれていてもよい。   Another preferred embodiment is a cell transformed with a CrtM gene or variant thereof, and / or a CrtN gene or variant thereof, in addition to a geranyl diphosphate synthase (GPS) gene or variant thereof. The cells capable of dye synthesis produce diaponeurosporene (yellow) diapolicopene (red) or the like using C10PP as a substrate, and the cells become yellow or red. The CrtM gene, CrtN gene and GPS gene or their variants may be incorporated into the same vector, or may be incorporated into different vectors.

好適な別の実施態様は、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子若しくはその変異体、および/またはフィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子若しくはその変異体により形質転換された細胞である。その色素合成可能細胞は、C20PPを基質として、リコペン(赤色)等を生成し、細胞がピンク色等になる。CrtB遺伝子及びCrtI遺伝子またはそれらの変異体は、同一のベクターに組み込まれていてもよいし、別のベクターに組み込まれていてもよい。   Another preferred embodiment is a cell transformed with a phytoene synthase (CrtB) gene or variant thereof, and / or a phytoene dehydrogenase (CrtI) gene or variant thereof. The pigment-synthesizable cell produces lycopene (red) or the like using C20PP as a substrate, and the cell becomes pink or the like. The CrtB gene and the CrtI gene or variants thereof may be incorporated into the same vector or may be incorporated into different vectors.

好適な別の実施態様は、CrtB遺伝子若しくはその変異体、および/またはCrtI遺伝子若しくはその変異体に加えさらにゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子またはその変異体により形質転換された細胞である。その色素合成可能細胞は、C20PPを基質として、リコペン(赤色)等を生成し、細胞がピンク色等になる。特にC20PPを合成しない宿主(例えば大腸菌)にはCrtE遺伝子の導入が必要になる。CrtB遺伝子、CrtI遺伝子及びCrtE遺伝子またはそれらの変異体は、同一のベクターに組み込まれていてもよいし、別のベクターに組み込まれていてもよい。   Another preferred embodiment is a cell transformed with the CrtB gene or variant thereof, and / or the CrtI gene or variant thereof, in addition to a geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene or variant thereof. The pigment-synthesizable cell produces lycopene (red) or the like using C20PP as a substrate, and the cell becomes pink or the like. In particular, introduction of the CrtE gene is necessary for hosts that do not synthesize C20PP (for example, E. coli). The CrtB gene, the CrtI gene and the CrtE gene or their mutants may be incorporated into the same vector or into different vectors.

本発明における「色素合成量の低下」は、細胞における色素生合成の量が低下し、細胞中の色素量が減少することである。試料中にテルペン合成酵素遺伝子が存在し、色素生合成に関与する酵素の基質がテルペン合成酵素により奪われることにより、色素合成量が低下する。すなわち、本発明に係る方法において、被検遺伝子を導入した色素合成可能な細胞における色素合成量を、被検遺伝子を導入していない色素合成可能な細胞における色素合成量と比較し、色素合成量が低下した細胞を選択し、その細胞に導入された被検遺伝子をテルペン合成酵素遺伝子であると決定する。言い換えれば、本発明に係る方法において、色素細胞における色素合成量の低下をもたらす被検遺伝子を選択することにより、テルペン合成酵素遺伝子を得ることができる。   In the present invention, “decrease in the amount of dye synthesis” means that the amount of dye biosynthesis in the cells decreases and the amount of dye in the cells decreases. The terpene synthase gene is present in the sample, and the substrate of the enzyme involved in pigment biosynthesis is deprived by the terpene synthase, thereby reducing the amount of pigment synthesis. That is, in the method according to the present invention, the amount of dye synthesis in a cell capable of synthesizing a dye into which a test gene has been introduced is compared with the amount of dye synthesis in a cell capable of synthesizing the dye not into which the test gene has been introduced. Is selected, and the test gene introduced into the cell is determined to be a terpene synthase gene. In other words, in the method according to the present invention, a terpene synthase gene can be obtained by selecting a test gene that causes a decrease in the amount of dye synthesis in the pigment cells.

色素合成量の低下を検出する方法、又は色素合成量の低下を測定する方法は、視認により実施できる。また、各種測定機器、マイクロプレートリーダー、分光光度計、測色光度計などの各種測定機器により検出できる。
本発明の方法を用いれば、細胞を破壊することなく、テルペン合成酵素の活性を検出又は測定することができる。具体的には、視認によるときは、細胞のコロニーをプレート上に作成し、コロニー色を観察する。視認によるものであれば、0.5-1.0mm直径のコロニーを形成させ、目視により探索する。
スループットをあげる必要があるときは、低倍率拡大鏡などを用い、より小さなコロニーを密集させる手法を用いることができる。また、画像解析ソフトウエアを用いることによって、コロニー色の強弱を定量化したり、コロニーピッカーを用いてスクリーニング全般を半自動化することもできる。
The method for detecting the decrease in the amount of dye synthesis or the method for measuring the decrease in the amount of dye synthesis can be carried out by visual recognition. Moreover, it can detect with various measuring instruments, such as various measuring instruments, a microplate reader, a spectrophotometer, and a colorimetric photometer.
By using the method of the present invention, the activity of terpene synthase can be detected or measured without destroying cells. Specifically, when visual recognition is performed, a colony of cells is created on a plate and the colony color is observed. If it is by visual inspection, colonies with a diameter of 0.5-1.0 mm are formed and searched by visual inspection.
When it is necessary to increase the throughput, it is possible to use a technique of densely gathering smaller colonies using a low-magnification magnifier or the like. Further, by using image analysis software, the intensity of colony color can be quantified, or the entire screening can be semi-automated using a colony picker.

本発明は、本発明のスクリーニング方法に使用する色素合成に関与する酵素の遺伝子またはその変異体により形質転換された色素合成可能細胞に関する。   The present invention relates to a dye-synthesizable cell transformed with a gene of an enzyme involved in dye synthesis or a mutant thereof used in the screening method of the present invention.

色素合成可能細胞として、ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子およびジアポフィトエン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子またはそれらの変異体により形質転換された色素合成可能細胞を例示できる。当該色素合成可能細胞を用いて、CrtMの基質であるC15PPを基質とするテルペン合成酵素の遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。また、CrtNの基質であるジアポフィトエンを基質とするテルペン合成酵素遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。
当該色素合成可能細胞は、CrtMおよびCrtNまたはそれらの変異体により、ジアポニューロスポレン(黄色)ジアポリコペン(赤)等を生成し、黄色、赤色等の有色になる。被検体中に基質を共通にする酵素の遺伝子が存在すると、酵素が基質を奪い合うことにより、当該宿主における色素合成量が減少し、脱色又は色が薄くなる。
Examples of the pigment-synthesizable cell include pigment-synthesizable cells transformed with a diapophytoene synthase (CrtM) gene and a diapophytoene desaturase (CrtN) gene or mutants thereof. Using the cell capable of dye synthesis, a terpene synthase gene using C15PP, which is a substrate of CrtM, as a substrate can be detected, and the enzyme activity can be measured. In addition, a terpene synthase gene using diapophytoene, which is a substrate of CrtN, as a substrate can be detected, and the enzyme activity can be measured.
The dye-synthesizable cell produces diaponeurosporene (yellow) diapolicopene (red) or the like by CrtM and CrtN or a mutant thereof, and becomes colored such as yellow or red. If an enzyme gene having a common substrate is present in the subject, the amount of dye synthesis in the host decreases due to the enzyme competing for the substrate, and decolorization or lightness is reduced.

色素合成可能細胞としてまた、ジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子、ジアポフィトエン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子及びゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子またはそれらの変異体により形質転換された色素合成可能細胞を例示できる。当該色素合成可能細胞を用いて、C10PPを基質とするテルペン合成遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。C10PPが細胞内に蓄積されないような細胞(例えば大腸菌)ではC10PPを基質とするテルペン合成遺伝子が被検体中に存在していても、基質を奪い合うことができないため、色の変化を生じない可能性が高い。そこで、GPS遺伝子を細胞内に導入し、細胞内にC10PPを蓄積せしめ、奪い合わせることにより、C10PPを基質とするテルペン合成酵素遺伝子を検出することが可能になる。C10PPを基質とするテルペン合成酵素遺伝子の存在により、細胞色が脱色又は薄くなる。   Pigment transformed with diapophytoene synthase (CrtM) gene, diapophytoene desaturase (CrtN) gene and geranyl diphosphate synthase (GPS) gene or a variant thereof Synthesizeable cells can be exemplified. Using the dye-synthesizable cell, a terpene synthesis gene using C10PP as a substrate can be detected, and its enzyme activity can be measured. In cells where C10PP does not accumulate in cells (for example, E. coli), even if a terpene synthesis gene with C10PP as a substrate is present in the sample, it may not be able to compete for the substrate, so there may be no color change Is expensive. Therefore, a terpene synthase gene using C10PP as a substrate can be detected by introducing a GPS gene into the cell, accumulating C10PP in the cell, and competing with it. Due to the presence of the terpene synthase gene using C10PP as a substrate, the cell color is decolorized or lightened.

さらに、色素合成可能細胞として、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子およびフィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子またはそれらの変異体により形質転換された色素合成可能細胞を例示できる。
当該色素合成可能細胞を用いて、CrtBの基質であるC20PPを基質とするテルペン合成遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。また、CrtIの基質であるフィトエンを基質とするテルペン合成遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。
当該色素合成可能細胞は、CrtBおよびCrtIまたはそれらの変異体により、リコペン(赤色)等を生成し赤色等になる。被検体中に基質を共通にする酵素の遺伝子が存在すると、酵素が基質を奪い合うことにより、当該宿主における色素合成量が減少し、脱色又は色が薄くなる。
Further, examples of cells capable of dye synthesis include cells capable of pigment synthesis transformed by a phytoene synthase (CrtB) gene and a phytoene dehydrogenase (CrtI) gene or a mutant thereof.
Using the cell capable of dye synthesis, a terpene synthesis gene using C20PP as a substrate of CrtB as a substrate can be detected, and the enzyme activity can be measured. Further, a terpene synthesis gene using phytoene as a substrate for CrtI can be detected, and the enzyme activity can be measured.
The dye-synthesizable cell produces lycopene (red) or the like and becomes red or the like by CrtB and CrtI or a mutant thereof. If an enzyme gene having a common substrate is present in the subject, the amount of dye synthesis in the host decreases due to the enzyme competing for the substrate, and decolorization or lightness is reduced.

さらにまた、色素合成可能細胞として、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子、フィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子及びゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子またはそれらの変異体により形質転換された色素合成可能細胞を例示できる。当該色素合成可能細胞を用いて、C20PPを基質とするテルペン合成遺伝子を検出し、そして、その酵素活性を測定することができる。C20PPを合成しない細胞(例えば大腸菌)を宿主とする場合は、ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子をさらに導入することにより、C20PPを基質とするテルペン合成酵素遺伝子を検出することが可能になる。C20PPを基質とするテルペン合成酵素遺伝子の存在により、細胞色が脱色又は薄くなる。   Furthermore, as a cell capable of pigment synthesis, a cell capable of pigment synthesis transformed by a phytoene synthase (CrtB) gene, a phytoene dehydrogenase (CrtI) gene and a geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene or a variant thereof. Can be illustrated. Using the dye-synthesizable cell, a terpene synthesis gene using C20PP as a substrate can be detected, and its enzyme activity can be measured. When cells that do not synthesize C20PP (such as E. coli) are used as hosts, it is possible to detect terpene synthase genes using C20PP as a substrate by further introducing a geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene. . Due to the presence of the terpene synthase gene using C20PP as a substrate, the cell color is decolorized or lightened.

上記色素合成可能細胞は、常法により製造することができる。例えば、色素合成酵素遺伝子を、購入またはPCRなどにより常法により調製し、その遺伝子を宿主に適する発現ベクターに常法により組み込み、目的のベクターを選択し、そのベクターにより宿主細胞を常法により形質転換することにより得られる。色素合成遺伝子を二種類以上組み込むときは、同一の発現ベクターに組み込み形質転換に使用するか、異なるベクターに組み込み共形質転換する。
用いる宿主細胞は、制限されないが、培養時間の短縮やクローニングの容易さを考えれば、大腸菌、枯草菌、酵母などが好ましい。特に大腸菌、酵母が好ましく、好適な大腸菌としては、Escherichia coli XL1-Blueのようなクローニング株、HB101やBL21などの発現株に加え、テルペン前駆体の合成量が豊富な遺伝子ノックアウト株、たとえばJW1750 ΔgdhA (glutamate dehydrogenase欠損)、JW0110 ΔaceE(pyruvate dehydrogenase欠損)(Baba,T. et al.; Mol Syst Biol 2, 2006 0008 (2006))等が挙げられ、好適な酵母としては、標準的な発芽酵母、INVSc1(invitrogen)、YPH499(stratagene)等が挙げられる。
好適なベクターは、特に制限はなく、一般に用いられているベクターでよい。例えば、宿主が大腸菌であるときは、pUC18、pACYC184、などに由来するものが挙げられ、宿主が枯草菌であるときはpUB110、pE194、pC194、pHY300PLK DNAなどが、宿主が酵母であるときは、pRS303、YEp213、TOp2609等が挙げられる。
The dye-synthesizable cell can be produced by a conventional method. For example, a pigment synthase gene is purchased or prepared by PCR or the like in a conventional manner, the gene is incorporated into an expression vector suitable for the host by a conventional method, a target vector is selected, and a host cell is transformed with the vector by a conventional method. Obtained by conversion. When two or more types of pigment synthesizing genes are incorporated, they are used for transformation into the same expression vector, or are incorporated into different vectors and cotransformed.
The host cell to be used is not limited, but Escherichia coli, Bacillus subtilis, yeast and the like are preferable in view of shortening of the culture time and ease of cloning. In particular, Escherichia coli and yeast are preferable, and suitable Escherichia coli includes cloning strains such as Escherichia coli XL1-Blue, expression strains such as HB101 and BL21, and gene knockout strains with abundant terpene precursor synthesis, such as JW1750 ΔgdhA (glutamate dehydrogenase deficiency), JW0110 ΔaceE (pyruvate dehydrogenase deficiency) (Baba, T. et al .; Mol Syst Biol 2, 2006 0008 (2006)) and the like. INVSc1 (invitrogen), YPH499 (stratagene), etc. are mentioned.
A suitable vector is not particularly limited, and a commonly used vector may be used. For example, when the host is E. coli, examples include those derived from pUC18, pACYC184, etc., when the host is Bacillus subtilis, pUB110, pE194, pC194, pHY300PLK DNA, etc., when the host is yeast, pRS303, YEp213, TOp2609 and the like.

本発明は、また、テルペン合成酵素遺伝子又はその変異体のスクリーニング用キットに関する。
本発明に係るキットは、色素合成可能細胞を含むものであり得る。色素合成可能細胞は、冷凍保存してバイアル内に封入したものが好適である。あるいは、本発明に係るキットは、所望の細胞を色素合成可能細胞に形質転換するための色素合成酵素遺伝子発現ベクターを構成要素として含むものであり得る。
さらに、上記本発明に係るキットは、被検遺伝子用の発現ベクター、クローニング酵素セット、メタゲノムソース、あるいは配列データベースをもとに作製された(候補)遺伝子ライブラリ、マイクロプレート、イソプレノイド経路(テルペン上流経路)の強化された菌株、培地や添加剤などのスクリーニングに有用な物質や器具(画像スキャナや測色光度計、色見本、コロニピッカー)などをキットの構成要素として加えることができる。
The present invention also relates to a screening kit for a terpene synthase gene or a variant thereof.
The kit according to the present invention may contain cells capable of pigment synthesis. The dye-synthesizable cells are preferably those stored frozen and enclosed in a vial. Alternatively, the kit according to the present invention may contain a pigment synthase gene expression vector for transforming desired cells into pigment-synthesizable cells as a component.
Furthermore, the kit according to the present invention includes a (candidate) gene library, microplate, isoprenoid pathway (terpene upstream pathway) prepared based on an expression vector for a test gene, a cloning enzyme set, a metagenome source, or a sequence database. ) -Enhanced strains, substances and instruments useful for screening such as culture media and additives (image scanners, colorimetric photometers, color samples, colony pickers), etc. can be added as components of the kit.

本発明はさらにまた、本発明に係るスクリーニング方法で取得されたファルネシル二リン酸合成酵素(FDS)の変異体に関する。FDSはC15PP合成酵素であるが、当該変異体はゲラニルファルネシル二リン酸(C25PP)を合成する活性をもつ酵素である。
好ましい変異体は、中度好熱細菌(Bacillus Stearothermophilus)由来のBstFDSのアミノ酸81番チロシン(Y)がアラニン(A)へ置換したFDSY81Aのさらなる変異体である。FDSY81Aの121番のスレオニン(T)が変異した酵素、又は、157番のバリン(V)が変異した酵素を挙げることができる。好ましい121番のスレオニン(T)の変異は、アラニン(A)またはセリン(S)への変異であり、好ましい157番のバリン(V)の変異はアラニン(A)への変異である。
The present invention further relates to a variant of farnesyl diphosphate synthase (FDS) obtained by the screening method according to the present invention. FDS is a C15PP synthase, but the mutant is an enzyme having an activity of synthesizing geranyl farnesyl diphosphate (C25PP).
A preferred variant is a further variant of FDS Y81A in which amino acid 81 tyrosine (Y) of BstFDS from Bacillus Stearothermophilus is replaced with alanine (A). Examples thereof include an enzyme in which threonine (T) at position 121 of FDS Y81A is mutated or an enzyme in which valine (V) at position 157 is mutated. A preferred mutation of threonine (T) at No. 121 is a mutation to alanine (A) or serine (S), and a preferred mutation of valine (V) at No. 157 is a mutation to alanine (A).

テルペノイド群は、モノ(C10)、セスキ(C15)、ジ(C20)、セスタ(C25)、トリ(C30)、テトラ(C40)など骨格によって分類される。セスタテルペンは、真菌や海洋生物に報告が増えつつあるが、その種類は他に比べ少なく、その遺伝子が未知である。更にはC25PPの供給経路を構築した例もなく、生物生産の例はまだ一つもない。
ここで得られた中度好熱細菌(Bacillus Stearothermophilus)由来のFDS変異体は、大腸菌に最も効率よいC25PP供給能力を与えセスタテルペンの細胞生産系の提供に有用である。直鎖C25イソプレノイド膜は、古細菌などの膜主成分として使われているが、その合成遺伝子は未知である。C25PPは高度高熱菌のものがTachibanaらによって報告されているが(Tachibana, A et al; Eur J Biochem 267, 321-328 (2000))、その大腸菌での活性は非常に弱いものであった。これらの変異体によって、C25PPへの効率よい供給経路が初めて得られることとなった。
Terpenoids are classified by skeletons such as mono (C10), sesqui (C15), di (C20), sesta (C25), tri (C30), tetra (C40). Sesterterpenes are increasingly reported to fungi and marine organisms, but their types are less than others, and their genes are unknown. Furthermore, there is no example of establishing a supply route for C25PP, and there is no example of biological production yet.
The obtained FDS mutant derived from Bacillus Stearothermophilus gives the most efficient C25PP supply ability to E. coli and is useful for providing a cell production system for sesterterpenes. The linear C25 isoprenoid membrane is used as the main component of membranes such as archaea, but its synthetic gene is unknown. C25PP has been reported by Tachibana et al. (Tachibana, A et al; Eur J Biochem 267, 321-328 (2000)), but its activity in Escherichia coli was very weak. These mutants were the first to provide an efficient supply route to C25PP.

本発明の理解を深めるために、以下の実施例により更に詳細に本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   In order to deepen the understanding of the present invention, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

<スクアレン合成酵素のC15PP消費によるCrtM/CrtN色素合成量低下>
スクアレン合成酵素は2つのC15PPをhead-to-headで縮合させ、C30骨格をもつ炭化水素スクアレンを合成する酵素である。基質も、中間体も、そして生産物も無色透明であるため、それらの分析をハイスループットに行うことは困難である。
しかしスクアレン合成酵素の基質と同一の基質に作用して色素合成する大腸菌を使用して、スクアレン合成酵素の活性を大腸菌内で非破壊的に測定することができた。
<Reduction of CrtM / CrtN dye synthesis due to C15PP consumption of squalene synthase>
Squalene synthase is an enzyme that synthesizes hydrocarbon squalene having a C30 skeleton by condensing two C15PPs head-to-head. Since the substrate, the intermediate, and the product are both colorless and transparent, their analysis is difficult to perform at high throughput.
However, the activity of squalene synthase could be measured non-destructively in E. coli by using E. coli that acts on the same substrate as that of squalene synthase to synthesize pigment.

(1)色素合成可能な細胞の調製
CrtM遺伝子とCrtN遺伝子を含む大腸菌発現用プラスミドpAC-MNwtを、常法により大腸菌(Escherichia coli)XL1-Blueに導入し、カロテノイド(ジアポニューロスポレン)合成可能細胞を得た。pAC-MNwtは、黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)のゲノムよりCrtMおよびCrtN遺伝子(GEN Bank ID: 1125277および1125276)をPCR増幅し、lacP下流において大腸菌発現用プラスミド(pAmod(Schmidt-Dannert, C. et al.; Nat Biotechnol 18, 750-753(2000)))に組み込み作製した。
また、CrtM遺伝子とCrtN遺伝子およびイソペンテニル二リン酸イソメラーゼ(idi)遺伝子(GEN Bank ID:949020)を含む大腸菌発現用プラスミドpAC-MNwt-idiを、常法により大腸菌(Escherichia coli)XL1-Blueに導入し、より多くのカロテノイド(ジアポニューロスポレン)を合成する細胞を得た。pAC-MNwt-idiは、大腸菌のゲノムからPCR増幅したidiをlacP/Oの制御下に配置したかたちで上記pAC-MNwtに組み込んだ。
(1) Preparation of cells capable of dye synthesis
The E. coli expression plasmid pAC-MNwt containing the CrtM gene and the CrtN gene was introduced into Escherichia coli XL1-Blue by a conventional method to obtain cells capable of synthesizing carotenoids (diaponeurosporen). pAC-MNwt is obtained by PCR amplification of CrtM and CrtN genes (GEN Bank ID: 1125277 and 1125276) from the genome of Staphylococcus aureus, and a plasmid for expression of E. coli (pAmod (Schmidt-Dannert, C. et al.) downstream of lacP. al .; Nat Biotechnol 18, 750-753 (2000))).
In addition, E. coli expression plasmid pAC-MNwt-idi containing CrtM gene, CrtN gene and isopentenyl diphosphate isomerase (idi) gene (GEN Bank ID: 949020) was transferred to Escherichia coli XL1-Blue by a conventional method. The cells were synthesized to synthesize more carotenoids (diaponeurosporene). pAC-MNwt-idi was incorporated into pAC-MNwt in the form of PCR amplified idi from the E. coli genome placed under the control of lacP / O.

(2)ヒトスクアレン合成酵素遺伝子の調製
本来膜タンパク質であるスクアレン合成酵素を、大腸菌内で封入体を創らせずに発現させる(可溶性を上げる)ためには、この酵素の膜ドメインを切除することが重要である。そこでヒト由来のスクアレン合成酵素(全長417アミノ酸)のN末端30アミノ酸とC末端47アミノ酸を欠失させた全長340アミノ酸からなるスクアレン合成酵素hSqSwtをコードする遺伝子を得た(Thompson, J.F.et al.; Arch Biochem Biophys 350, 283-290(1998))。
さらに、スクアレン合成酵素hSqSwtの171番目のチロシンをセリンに置換したアミノ酸置換体hSqSY171Sをコードする遺伝子を得た。具体的には、hSqSWTをテンプレートとして、部位特異的変異導入法によりY171のコドンTAC (チロシン:Y)をAGC (セリン:S) に置換したhSqSY171Sをコードする遺伝子を得た。hSqSY171Sは触媒部位を壊した不活性変異体である(Gu,P. et al.; J Biol Chem 273, 12515-12525(1998))。これらを大腸菌発現用プラスミドpUC18Nm(Umeno, D. et al.; J Bacteriol 184,6690-6699 (2002))に挿入し、pUC-hSqSwtおよびpUC-hSqSY171Sを得た。
(2) Preparation of human squalene synthase gene In order to express squalene synthase, which is originally a membrane protein, in E. coli without creating inclusion bodies (to increase solubility), the membrane domain of this enzyme must be excised. is important. Therefore, a gene encoding squalene synthase hSqS wt consisting of 340 amino acids lacking the N-terminal 30 amino acids and the C-terminal 47 amino acids of human-derived squalene synthase (total length 417 amino acids) was obtained (Thompson, JFet al. Arch Biochem Biophys 350, 283-290 (1998)).
Furthermore, a gene encoding an amino acid substitution product hSqS Y171S in which the 171st tyrosine of squalene synthase hSqS wt was substituted with serine was obtained. Specifically, using hSqS WT as a template, a gene encoding hSqS Y171S in which the codon TAC (tyrosine: Y) of Y171 was replaced with AGC (serine: S) by site-directed mutagenesis was obtained. hSqS Y171S is an inactive mutant with a broken catalytic site (Gu, P. et al .; J Biol Chem 273, 12515-12525 (1998)). These were inserted into Escherichia coli expression plasmid pUC18Nm (Umeno, D. et al .; J Bacteriol 184, 6690-6699 (2002)) to obtain pUC-hSqS wt and pUC-hSqS Y171S .

(3)細胞色の観察
pAC-MNwt、あるいはpAC-MNwt-idiを持つ大腸菌XL1-Blueを、pUC-hSqSwt又はpUC-hSqSY171Sで形質転換し、30℃で液体培養してペレット細胞色を比較した。コントロールは pUC18Nmを使用した。
pAC-MNwtを持つ大腸菌XL1-BlueをpUC-hSqSwtで形質転換した細胞の細胞色は対照(pUC18Nm)を導入したものより、有意に黄色が脱色し、薄い黄色となった。pAC-MNwtを持つ大腸菌XL1-BlueをpUC-hSqSY171Sで形質転換した細胞の細胞色は、対照(pUC18Nm)を導入したものと比較して変化がなかった(図3(a))。
(3) Observation of cell color
pAC-MN wt, or pAC-MN wt -idi Escherichia coli XL1-Blue with, was transformed with pUC-hSqS wt or pUC-hSqS Y171S, it was compared pellet cells color and liquid culture at 30 ° C.. As a control, pUC18Nm was used.
The cell color of cells transformed with pUC-hSqS wt of Escherichia coli XL1-Blue having pAC-MN wt was significantly more decolorized and lighter than that of the control (pUC18Nm). The cell color of the cells transformed with pUC-hSqS Y171S of E. coli XL1-Blue having pAC-MN wt was not changed compared to the cells into which the control (pUC18Nm) was introduced (FIG. 3 (a)).

(4)カロテノイド(ジアポニューロスポレン)合成量の比較
ペレット細胞色の観察と同時に、液体培養におけるカロテノイド合成量(TB培地、2mL)を測定した(pAC-MNwtおよびpAC-MNwt-idi)。結果を図3(b)および図3(c)に示した。
(4) Comparison of carotenoid (diaponeurosporene) synthesis amount Simultaneously with observation of pellet cell color, the carotenoid synthesis amount (TB medium, 2 mL) in liquid culture was measured (pAC-MNwt and pAC-MNwt-idi). The results are shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c).

野生型のスクアレン合成酵素hSqSwtをCrtMおよびCrtNと共発現させた場合、その色素合成量は、対照に比べ、明らかに少なくなった(図3(b)および(c))。これは、色素合成に使われるはずのC15PPがスクアレン合成に使われたからである。
アミノ酸置換体hSqSY171Sは、触媒部位を壊した不活性変異体である。このような変異体遺伝子の発現は、色素合成には殆ど影響なく、対照と同じレベルであった。
これらより、CrtM-CrtNによって創られる色素は、C15PP消費能力のある酵素の活性によって減少し、それが細胞色の減退として可視化できた。
なお、idi遺伝子の導入によってイソプレノイド経路を強化した場合(図3(c))、細胞のC15PPの実質濃度が上昇し、色素合成量も上がった。より強いテルペン合成酵素活性の検索には、CrtM遺伝子、CrtN遺伝子およびidi遺伝子を導入した細胞を用いるのが好適である。
When wild-type squalene synthase hSqS wt was co-expressed with CrtM and CrtN, the amount of dye synthesis was clearly reduced compared to the control (FIGS. 3 (b) and (c)). This is because C15PP, which should be used for dye synthesis, was used for squalene synthesis.
The amino acid substitution product hSqS Y171S is an inactive mutant with a broken catalytic site. The expression of such mutant genes had almost no effect on pigment synthesis and was at the same level as the control.
From these, the dye created by CrtM-CrtN was reduced by the activity of the C15PP-consuming enzyme, which could be visualized as a decrease in cell color.
When the isoprenoid pathway was enhanced by the introduction of the idi gene (Fig. 3 (c)), the substantial concentration of C15PP in the cells increased and the amount of dye synthesis also increased. For the search for stronger terpene synthase activity, it is preferable to use cells into which the CrtM gene, CrtN gene and idi gene have been introduced.

<CrtN遺伝子変異体;合成色素の改良>
C20PPの消費活性はリコペンの色の退色、すなわち赤から白への明確な色変化を測定するため、正確で迅速なスクリーニングが可能である。これに対し、C15PPの消費活性は、ジアポニューロスポレンの色の退色、すなわち黄から白への退色度によって検出、測定するため、視認性が悪く、擬陽性が頻発するという問題があった。そこで、C15PPを、黄色ではなく鮮やかな赤色の色素に変換する経路を得るべく、CrtN(デヒドロスクアレン不飽和化酵素)にタンパク質工学的な改造を施した。
具体的には、CrtN遺伝子に変異PCR(マンガン法)でランダムな遺伝子変異を導入し、ライブラリ化した。CrtM遺伝子と共に大腸菌用発現プラスミド(pUC)に組み込んで、細胞色が赤くなるものを得た。得られた遺伝子変異体の塩基配列は配列番号1(アミノ酸配列は配列番号2)に示す配列であった。
<CrtN gene mutant; improvement of synthetic pigment>
C20PP consumption activity measures lycopene color fading, that is, a clear color change from red to white, allowing accurate and rapid screening. On the other hand, the consumption activity of C15PP is detected and measured based on the color fading of diaponenurosporene, that is, the degree of fading from yellow to white, so that there is a problem that visibility is poor and false positives frequently occur. Therefore, protein engineering was applied to CrtN (dehydrosqualene desaturase) to obtain a route to convert C15PP into a bright red pigment instead of yellow.
Specifically, random gene mutations were introduced into the CrtN gene by mutation PCR (manganese method) to create a library. Incorporated into the expression plasmid for Escherichia coli (pUC) together with the CrtM gene, a cell with red cell color was obtained. The nucleotide sequence of the obtained gene variant was the sequence shown in SEQ ID NO: 1 (amino acid sequence is SEQ ID NO: 2).

得られた遺伝子変異体を、CrtM遺伝子と共に大腸菌用発現プラスミドpAmodに組み込み、pAC-MN赤変異体を得た。このプラスミドを常法により大腸菌XL1-Blueに導入したところC15PPを、黄色ではなく鮮やかな赤色の色素に変換する経路(図4)を有する細胞を得た。
この改良によって、テルペン合成酵素遺伝子スクリーニング技術における、S/N比、定量性、信頼性の全てが飛躍的に向上した。
The obtained gene mutant was incorporated into the E. coli expression plasmid pAmod together with the CrtM gene to obtain a pAC-MN red mutant . When this plasmid was introduced into Escherichia coli XL1-Blue by a conventional method, cells having a pathway (FIG. 4) for converting C15PP into a bright red pigment instead of yellow were obtained.
This improvement has dramatically improved the S / N ratio, quantification, and reliability of terpene synthase gene screening technology.

<ゲラニオール合成酵素によるCrtM/CrtN色素合成量低下>
ゲラニオール合成酵素(GES)は、モノテルペン合成酵素の一種であり、ゲラニル二リン酸から香料ゲラニオールを合成する。基質も生産物も無色透明である。
スイートバジル由来GES遺伝子(Iijima, Y. et al.; Plant Physiol134,370-379 (2004))、及び、同遺伝子のカルボキシル末端ドメイン(287〜567)あるいはN末端部(計286アミノ酸)欠失体(不活性体)の遺伝子(上記GES遺伝子のC末端部分のみをPCR増幅し、pUCベクターに組み込んだもの)を、大腸菌発現用プラスミド(pUC18Nm)に常法により組み込み、pUC-GESFull及びpUC-GESC-endを得た。
pAC-MNwt 、pAC-MNwt-idiまたはpAC-MN赤変異体をもつ大腸菌XL1-BlueにpUC-GESFullまたはpUC-GESC-endを導入した。
コロニーを形成させたところ、pUC-GESFullを導入したコロニーは、対照(pUC18Nm)を導入したものより、有意に色が薄いコロニーとして観察された。
また、CrtN変異体の遺伝子を含有するプラスミドpAC-MN赤変異体を用いた場合は、その活性の有無の視認性が格段に改良された。
同時に、液体培養(TB 2mL、30℃、48h) の後、カロテノイド成分をアセトン1mLで抽出し、吸収スペクトルから細胞あたりのカロテノイド合成量を算出した。有意な色素合成量の低下が観察された(図5)。
<Reduction of CrtM / CrtN dye synthesis by geraniol synthase>
Geraniol synthase (GES) is a kind of monoterpene synthase, which synthesizes the fragrance geraniol from geranyl diphosphate. Both the substrate and the product are clear and colorless.
GES gene derived from sweet basil (Iijima, Y. et al .; Plant Physiol134, 370-379 (2004)) and the carboxyl terminal domain (287-567) or N-terminal part (total 286 amino acids) of the same gene The (inactive) gene (only the C-terminal part of the above GES gene was PCR amplified and incorporated into a pUC vector) was incorporated into an E. coli expression plasmid (pUC18Nm) by a conventional method, and pUC-GES Full and pUC- Got GES C-end .
pUC-GES Full or pUC-GES C-end was introduced into E. coli XL1-Blue carrying pAC-MNwt, pAC-MNwt-idi or pAC-MN red mutant .
When colonies were formed, colonies into which pUC-GES Full had been introduced were observed as lighter colonies than those into which the control (pUC18Nm) was introduced.
Further, when the plasmid pAC-MN red mutant containing the CrtN mutant gene was used, the visibility of the presence or absence of the activity was significantly improved.
At the same time, after liquid culture (TB 2 mL, 30 ° C., 48 h), the carotenoid component was extracted with 1 mL of acetone, and the amount of carotenoid synthesis per cell was calculated from the absorption spectrum. A significant decrease in the amount of dye synthesis was observed (FIG. 5).

<モノテルペン合成酵素のC10PP消費によるGPS/CrtM/CrtN色素合成量低下>
大腸菌のファルネシル二リン酸合成酵素(FDS)はC10PPを殆どリリースすることなく、C5PPをC15PPに変換してしまう可能性がある。このとき、たとえモノテルペン合成活性(C10PP消費活性)があっても、それが奪うべきC10PPは細胞に蓄積されないので、色変化として検出できないという問題が発生する場合がある。
この問題を解決するため、この内因性のFDSとは別に、上記BstFDSのS82F変異体を作成した。この酵素変異体は、上記BstFDSの82番目のセリンがフェニルアラニンに置換されており、ゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)としての機能を示す(特開平11−169178)。大腸菌由来のFDSについて、同様のことが試行され、これが大腸菌内に導入したモノテルペン活性を高めたという報告がある(Reiling, K.K. et al.; Biotechnol Bioeng 87, 200-212 (2004))。
<Reduction of GPS / CrtM / CrtN dye synthesis due to C10PP consumption of monoterpene synthase>
E. coli farnesyl diphosphate synthase (FDS) may convert C5PP to C15PP with little release of C10PP. At this time, even if there is a monoterpene synthesis activity (C10PP consumption activity), the C10PP that it should deprive is not accumulated in the cells, so there may be a problem that it cannot be detected as a color change.
To solve this problem, the S82F mutant of BstFDS was created separately from this endogenous FDS. This enzyme mutant has a function as a geranyl diphosphate synthase (GPS) in which the 82st serine of the BstFDS is substituted with phenylalanine (Japanese Patent Laid-Open No. 11-169178). The same thing was tried about FDS derived from E. coli, and it has been reported that this increased the monoterpene activity introduced into E. coli (Reiling, KK et al .; Biotechnol Bioeng 87, 200-212 (2004)).

BstFDSS82Fを導入した細胞では、C10PPが、C5PP(ジメチルアリル二リン酸)を基質として合成され、C10PPが細胞内に多量に蓄積する。このC10PPは、内因性のFPS(ispA)によってC15PPに変換され、次いでCrtMおよびそれに続くCrtNによって色素が蓄積する。このとき、C10PPを消費するモノテルペン合成酵素があれば、C10PPを経由した前駆体(C15PP)の一部は色素合成に使われなくなるため、細胞色が退色する。 In cells into which BstFDS S82F has been introduced, C10PP is synthesized using C5PP (dimethylallyl diphosphate) as a substrate, and C10PP accumulates in a large amount in the cell. This C10PP is converted to C15PP by endogenous FPS (ispA), and then the dye accumulates by CrtM followed by CrtN. At this time, if there is a monoterpene synthase that consumes C10PP, part of the precursor (C15PP) via C10PP will not be used for dye synthesis, and the cell color will fade.

<C25PP(ゲラニルファルネシル二リン酸)合成酵素のスクリーニング/C20PP消費によるCrtE/CrtB/CrtI色素合成量低下>
FDS(ファルネシル二リン酸合成酵素)はジメチルアリル二リン酸とゲラニル二リン酸を結合させてC15PPを合成する酵素である。一方、FDSの81位のアミノ酸チロシンをアラニンに置換したFDSY81AはC15PPではなく、C20PP/C25PPの混合物を与える。プロダクト特異性を更にC25PPに対して高くした変異体を得るために、FDSY81Aを親としたライブラリを作成し、20消費活性(C25PP合成能)に対する機能スクリーニングを行った。
<Screening of C25PP (geranyl farnesyl diphosphate) synthase / CrtE / CrtB / CrtI dye synthesis reduction by C20PP consumption>
FDS (farnesyl diphosphate synthase) is an enzyme that synthesizes C15PP by combining dimethylallyl diphosphate and geranyl diphosphate. On the other hand, FDS Y81A in which amino acid tyrosine at position 81 of FDS is substituted with alanine gives a mixture of C20PP / C25PP, not C15PP. In order to obtain mutants with higher product specificity for C25PP, a library with FDS Y81A as a parent was created and screened for function for 20 consumption activity (C25PP synthesis ability).

(1)C20PPを消費するCrtE/CrtB/CrtI発現大腸菌(色素合成可能細胞)の調製
CrtE遺伝子、CrtB遺伝子、及びCrtI遺伝子及びidi遺伝子を含む大腸菌発現用プラスミドpAC-EBI-idiを調製した。具体的には、土壌細菌(Pantoea ananatis, DSM30080)のゲノムから CrtE, CrtBおよびCrtI遺伝子をPCR増幅し、lacP/O下流において大腸菌用発現プラスミド(pAmod)に組み込み pAC-EBIを得た。このpAC-EBIに大腸菌ゲノムからPCR増幅したidiをlacP/O下流において組み込み 、pAC-EBI-idiを得た。
常法によりpAC-EBI-idiを大腸菌XL1-Blueに導入し、カロテノイド(リコペン)合成可能細胞を得た。なお、大腸菌はC20PPを合成しないため、C15PPからC20PPの合成を触媒するCrtEを導入することが必要である。
(1) Preparation of CrtE / CrtB / CrtI-expressing Escherichia coli (cells capable of dye synthesis) that consumes C20PP
A plasmid pAC-EBI-idi for expression of E. coli containing CrtE gene, CrtB gene, CrtI gene and idi gene was prepared. Specifically, CrtE, CrtB and CrtI genes were PCR amplified from the genome of soil bacteria (Pantoea ananatis, DSM30080), and incorporated into an expression plasmid for E. coli (pAmod) downstream of lacP / O to obtain pAC-EBI. In this pAC-EBI, idi amplified by PCR from the E. coli genome was incorporated downstream of lacP / O to obtain pAC-EBI-idi.
PAC-EBI-idi was introduced into E. coli XL1-Blue by a conventional method to obtain a carotenoid (lycopene) -synthesizeable cell. Since Escherichia coli does not synthesize C20PP, it is necessary to introduce CrtE that catalyzes the synthesis of C20PP from C15PP.

(2)中度好熱細菌(バチラス属)由来変異FDS遺伝子ライブラリの作成
中度好熱菌(バチラス属)由来のFDS遺伝子について変異体ライブラリを作成した。具体的には、FDSY81A遺伝子(ATCCから入手した精製ゲノムDNA(ATCC 12980D-5)から該当遺伝子をPCR増幅したもの。GENE BankID:13293、文献:Koyama T, et al.,J. Biochem., 133(3), 355-63 (1993) )に変異PCR(マンガン法)(Cadwell, R.C. et al.; PCR Methods Appl 2, 28-33 (1992))で遺伝子変異を導入し、大腸菌用発現プラスミド(pUC18Nm)に組み込み変異体ライブラリ(以下EP-PCRライブラリという。)を得た。
(2) Preparation of mutant FDS gene library derived from moderately thermophilic bacterium (Bacillus genus) A mutant library was prepared for the FDS gene derived from moderately thermophilic bacterium (genus Bacillus). Specifically, the FDS Y81A gene (PCR-amplified from the purified genomic DNA (ATCC 12980D-5) obtained from ATCC. GENE BankID: 13293, literature: Koyama T, et al., J. Biochem., 133 (3), 355-63 (1993)), introduced mutation into the mutant PCR (manganese method) (Cadwell, RC et al .; PCR Methods Appl 2, 28-33 (1992)) An integrated mutant library (hereinafter referred to as EP-PCR library) was obtained in (pUC18Nm).

(3)ライブラリ遺伝子のCrtE/CrtB/CrtI発現大腸菌への導入とスクリーニング
pAC-EBI-idiを持つXL1-Blueに、これらライブラリの遺伝子を挿入した大腸菌発現用プラスミドpUC18Nm(上述)をトランスフェクションし、37℃でコロニーを形成させた後、室温に静置してコロニー色を観察した(図6)。同時に、液体培養におけるカロテノイド合成量(TB培地,2mL)も測定した。
白いコロニを選択することにより、ゲラニルファルネシル二リン酸合成活性、すなわちC20PPからC25PPを合成する活性をもつC25PP合成酵素変異体を3つ取得した。それらの酵素変異体の配列は、以下のとおりであった。
(3) Introduction and screening of CrtE / CrtB / CrtI-expressing E. coli library genes
XL1-Blue with pAC-EBI-idi was transfected with plasmid pUC18Nm (described above) containing the genes of these libraries and colonies were formed at 37 ° C, then allowed to stand at room temperature and colony color Was observed (FIG. 6). At the same time, the amount of carotenoid synthesis in liquid culture (TB medium, 2 mL) was also measured.
By selecting white colonies, three C25PP synthase mutants having activity for synthesizing geranyl farnesyl diphosphate, ie, synthesizing C25PP from C20PP, were obtained. The sequences of these enzyme variants were as follows:

2つの変異体は、81番アミノ酸の置換に加え、121番のスレオニン(T)がアラニン(A)またはセリン(S)に変異したものであり、もうひとつは、81番アミノ酸の置換に加え、157番のバリン(V)がアラニン(A)に変異しているFDSであった。 In addition to the substitution of amino acid 81, the two mutants are those in which threonine (T) at 121 is mutated to alanine (A) or serine (S), and the other is the substitution of amino acid 81, It was FDS in which 157 valine (V) was mutated to alanine (A).

(4)スクリーニング前後の遺伝子の解析
1. 上記EP-PCRライブラリを大腸菌に導入し、LBプレート培地にコロニー形成させ、無作為に7つ選んで配列を決定した。
(4) Gene analysis before and after screening
1. The above-mentioned EP-PCR library was introduced into Escherichia coli, colonized on LB plate medium, and 7 randomly selected sequences were determined.

2.同じライブラリを、pAC-EBIをもつ大腸菌株に導入した。プレート上の白いコロニから変異体DNAを抽出し、その配列を読んだ。
2. The same library was introduced into an E. coli strain carrying pAC-EBI. Mutant DNA was extracted from the white colonies on the plate and the sequence was read.

塩基配列レベルでの遺伝子変異の数は、スクリーニング前には6.9ヌクレオチド変異/geneであったが、スクリーニング後の変異数は、平均3.0変異/geneと下がっていた。また、スクリーニング前の変異体には、non-synonymous変異や構造内部にnon-trivialな(化学的な性質の大きく異なるアミノ酸への置換)が沢山ある一方、スクリーニング後の変異体は殆どの変異が表層に集中していた。
従って、スクリーニング(白コロニーを拾うこと)により、C20PP消費機能を保持した酵素が選択され、機能/構造の保持に対して有害な変異が生じている酵素は除去されることが強く示唆される。なお、スクリーニング後のタンパク質のコア部分に見いだされた4つの変異は全てTrivial mutationsであった。

The number of gene mutations at the nucleotide sequence level was 6.9 nucleotide mutations / gene before screening, but the average number of mutations after screening dropped to 3.0 mutations / gene. In addition, mutants before screening have many non-synonymous mutations and non-trivial (substitution with amino acids with greatly different chemical properties) inside the structure, while mutants after screening have most mutations. Concentrated on the surface.
Therefore, it is strongly suggested that screening (picking white colonies) selects for an enzyme that retains the C20PP consumption function and removes an enzyme that has a mutation that is detrimental to the function / structure retention. All four mutations found in the core part of the protein after screening were Trivial mutations.

(5)新規C25PP合成酵素変異体のC25PP合成能
C20消費活性スコアの上昇がみられた3つのFDS81変異体は、Y81Aに加えてT121AあるいはV157Aの変異を有していた。
そこで、得られた3つのFDS81変異体の遺伝子10-1、50-1、50-2とCrtM26/38遺伝子との共発現を試みた。
CrtMは、C15PP→C30カロテノイド骨格を合成する酵素であるが、F26A/W38A変異を導入した変異体M26/38は、C15, C20, C25までの様々な骨格をもつプレニル2リン酸を基質として、C30, C35, C40, C45, C50と多様な骨格のカロテノイドを生じる。FDSのC25PP合成能が上がっているならば(細胞内のC25/C20比が上がれば)、それを反映して、C50カロテノイドのピーク比も高まると期待された。実際、50-2(残基157に変異)が特に高いC50カロテノイド合成機能を示した。酵素変異体の乾燥菌体重量(DCW)当たりのカロテノイド合成量を図7に示す。
ここで得られた50-2は、大腸菌に効率よいC25PP供給能力を与え、セスタテルペンの細胞生産系の構築に重要であると考えられる。これらの変異体によって、C25PPへの効率よい供給経路が初めて得られることとなった。
(5) C25PP synthesis ability of novel C25PP synthase mutants
The three FDS81 mutants that showed an increase in C20 consumption activity score had T121A or V157A mutations in addition to Y81A.
Thus, co-expression of the obtained three FDS81 mutant genes 10-1, 50-1, 50-2 and the CrtM 26/38 gene was attempted.
CrtM is an enzyme that synthesizes the C15PP → C30 carotenoid skeleton. Mutant M 26/38 introduced with the F26A / W38A mutation uses prenyl diphosphates with various skeletons up to C15, C20, and C25 as substrates. , C30, C35, C40, C45, C50 and various skeleton carotenoids are produced. If FDS's ability to synthesize C25PP increases (if the intracellular C25 / C20 ratio increases), it is expected that the peak ratio of C50 carotenoids will also increase. In fact, 50-2 (mutated to residue 157) showed a particularly high C50 carotenoid synthesis function. The amount of carotenoid synthesis per dry cell weight (DCW) of the enzyme mutant is shown in FIG.
The 50-2 obtained here gives E. coli an efficient C25PP supply capacity, and is thought to be important for the construction of a cell production system for sesterterpenes. These mutants were the first to provide an efficient supply route to C25PP.

<新規C25PP合成酵素変異体の作製、スクリーニング及びC20PP消費能>
3つのアミノ酸置換(Y81A, V157A, T121A)を単独又は組み合わせて7種類の遺伝子変異体を作出し、それらのC20PP消費活性を比較した。
<Creation of new C25PP synthase mutant, screening and C20PP consumption ability>
Seven types of gene variants were created by combining three amino acid substitutions (Y81A, V157A, T121A) alone or in combination, and their C20PP consumption activity was compared.

1.部位特異的変異導入法(SDM)を用いて、Y81A, V157A, T121A の全ての組み合わせで変異体を作製し、pUC18Nmベクターに組み込んだ。
2.大腸菌(XL1 Blue)にpAC-EBI-idiと共形質転換し、コロニーを形成させた。
3.コロニーから LB(Carb/Cm) 500μLへ植菌して培養した(37℃、16h、n=4)。
4.この培養液 10μLを TB(Carb/Cm) 2mLへ植菌して培養した(30℃、48h)。
5.大腸菌を遠心集菌し、細胞内の脂溶性画分をアセトン1mLで抽出した。
6.抽出液300μLの吸光スペクトルを測定し、極大吸収波長での吸光度から色素量を算出した。
1. Using site-directed mutagenesis (SDM), mutants were prepared with all combinations of Y81A, V157A, and T121A and incorporated into the pUC18Nm vector.
2. E. coli (XL1 Blue) was cotransformed with pAC-EBI-idi to form colonies.
3. The colony was inoculated into LB (Carb / Cm) 500 μL and cultured (37 ° C., 16 h, n = 4).
4). 10 μL of this culture solution was inoculated into 2 mL of TB (Carb / Cm) and cultured (30 ° C., 48 h).
5. E. coli was collected by centrifugation, and the intracellular fat-soluble fraction was extracted with 1 mL of acetone.
6). The absorption spectrum of 300 μL of the extract was measured, and the amount of dye was calculated from the absorbance at the maximum absorption wavelength.

野生型のFDSを加えると、リコペン(C40カロテノイド)の合成量が400→600μg/gDCWと50%も向上した。これはC20PPの前駆体であるC15PPを沢山供給できるからである。一方Y81A単独変異体を入れると、その合成量は1/4ほどになった。Y81A単独変異体は、いままでC25PPの供給路として採用してきた変異体である。
T121Aの変異は本研究で新規にみつかったアミノ酸変異である。V157Aの変異は1996年のOhnuma論文でアミノ酸変異として既に報告されているものである。これら単独では、色素合成量(C40カロテノイド合成能)はむしろ上昇した。これはT121A-V157A変異体でも同様であった。
一方、V157A変異又はT121A変異が、Y81Aの変異と組み合わせられると、色素(C40カロテノイド)は細胞内に全く蓄積せず、極めて強力なC20PP消費活性を示した(図8)。
When wild-type FDS was added, the synthesis amount of lycopene (C40 carotenoid) was improved by 50% from 400 to 600μg / gDCW. This is because a large amount of C15PP, which is a precursor of C20PP, can be supplied. On the other hand, when the Y81A single mutant was added, the synthesis amount became about 1/4. Y81A single mutant is a mutant that has been adopted as a C25PP supply channel.
The mutation of T121A is an amino acid mutation newly found in this study. The V157A mutation was previously reported as an amino acid mutation in the 1996 Ohnuma paper. These alone increased the amount of pigment synthesis (C40 carotenoid synthesis ability) rather. The same was true for the T121A-V157A mutant.
On the other hand, when the V157A mutation or the T121A mutation was combined with the Y81A mutation, the dye (C40 carotenoid) did not accumulate at all in the cells and showed very strong C20PP consumption activity (FIG. 8).

<セスキテルペン合成酵素TEASのスクリーニング>
本実施例では、セスキテルペン合成酵素であるTEASを用いて、本スクリーニング系をセスキテルペン合成酵素活性の可視化に用いることが出来ることを示す。
セスキテルペン合成酵素として、タバコ(Nicotiana tabacum)由来の5-エピアリストロケン合成酵素(TEAS)を用いた。この酵素の主生成物である(+)-5-エピアリストロケンは、タバコのファイトアレキシンであるカプシジオールの前駆体として知られる。TEASは植物由来のセスキテルペンの中で初めて遺伝子が同定された酵素であり、その扱いやすさから、これまで様々な生化学および構造的な研究がなされてきた(Back K and Chappel J, J Biol Chem. 270 (1995) 7375-7381, Back K et al. Arch Biochem Biophys 315 (1994) 527-532, Mathis JR et al. Biochemistry 36(1997) 8340-8348)。
<Screening of sesquiterpene synthase TEAS>
This example shows that this screening system can be used for visualization of sesquiterpene synthase activity using TEAS which is a sesquiterpene synthase.
As the sesquiterpene synthase, 5-epiallystroken synthase (TEAS) derived from tobacco (Nicotiana tabacum) was used. The main product of this enzyme, (+)-5-epiaristroken, is known as the precursor of capsidiol, a tobacco phytoalexin. TEAS is the first plant-derived sesquiterpene for which genes have been identified, and various biochemical and structural studies have been conducted for its ease of use (Back K and Chappel J, J Biol Chem. 270 (1995) 7375-7381, Back K et al. Arch Biochem Biophys 315 (1994) 527-532, Mathis JR et al. Biochemistry 36 (1997) 8340-8348).

(1)TEAS遺伝子の合成とベクターへの組み込み
Mr.Gene(GENEART)に依頼し、Nicotiana tabacum由来のTobacco 5-epi-アリストロケン合成酵素(TEAS)の遺伝子(1,653bps)を大腸菌にコドン最適化し、その上流にTrcプロモータを付したものを全合成した(Ptrc-TEAS)(図9)。Ptrc-TEASにXba IおよびXho I制限酵素処理をおこない、pUC18Nmベクターへ組み込んだ(pUC18Nm-TEAS)。
(1) Synthesis of TEAS gene and integration into vector
We asked Mr. Gene (GENEART) to codon-optimize the Tobacco 5-epi-Aristolokene synthase (TEAS) gene (1,653 bps) derived from Nicotiana tabacum in Escherichia coli and added a Trc promoter upstream of it. Synthesized (Ptrc-TEAS) (FIG. 9). Ptrc-TEAS was treated with Xba I and Xho I restriction enzymes and incorporated into a pUC18Nm vector (pUC18Nm-TEAS).

(2)TEASによる色素合成量の低下
1.大腸菌(XL1 Blue)にPtrc-TEASとpAC-MNwtまたはpAC-EBIと共形質転換し、コロニー形成させた。
2.コロニーからLB(Carb/Cm) 500μLへ植菌して培養した(37℃、16h、n=4)。
3.この培養液10μLをTB(Carb/Cm/IPTG 0.1mM)2mLへ植菌して培養した(30℃、pAC-MN:24h培養、pAC-EBI:48h培養)。
4.大腸菌を遠心集菌し、細胞内の脂溶性画分をアセトン1mLで抽出した。
5.抽出液 300μLの吸光スペクトルを測定し、極大吸収波長での吸光度から色素量を算出した。
(2) Decrease in the amount of dye synthesized by TEAS E. coli (XL1 Blue) was cotransformed with Ptrc-TEAS and pAC-MNwt or pAC-EBI to form colonies.
2. The colony was inoculated into LB (Carb / Cm) 500 μL and cultured (37 ° C., 16 h, n = 4).
3. 10 μL of this culture solution was inoculated into 2 mL of TB (Carb / Cm / IPTG 0.1 mM) and cultured (30 ° C., pAC-MN: 24 h culture, pAC-EBI: 48 h culture).
4). E. coli was collected by centrifugation, and the intracellular fat-soluble fraction was extracted with 1 mL of acetone.
5. The absorption spectrum of 300 μL of the extract was measured, and the amount of dye was calculated from the absorbance at the maximum absorption wavelength.

セスキテルペン合成酵素であるTEASは、C15PPの消費活性を示すはずである。その大腸菌活性は非常に低いという報告(0.24μg/L;Martin VJJ et al. Biotechnol Bioeng. 75 (2001) 497-503)があったが、実際に細胞内でC30カロテノイド経路とともに発現させてみると、ほぼ完全に色素合成は抑えられ、その活性は容易に視認できた(図10)。   TEAS, a sesquiterpene synthase, should exhibit C15PP consumption activity. There was a report that its E. coli activity was very low (0.24μg / L; Martin VJJ et al. Biotechnol Bioeng. 75 (2001) 497-503). When actually expressed in the cell together with the C30 carotenoid pathway, Dye synthesis was almost completely suppressed, and the activity was easily visible (FIG. 10).

(3)TEASの不活性体と色素合成量
1.PCRを用いた部位特異的変異法を用いて、TEASのD303(GAT)または R443(CGT)をA(GCG)に置換して、pUC18Nm-TEASD303Aおよび pUC18Nm-TEASR443Aを作製した。
2.大腸菌(XL1 Blue)に各種TEASプラスミドとpAC-MNwtまたはpAC-EBIと共形質転換し、コロニー形成させた。
3.コロニーから LB(Carb/Cm)500μLへ植菌して培養した(37℃、16h、n=4)。
4.この培養液 10μLを TB(Carb/Cm/IPTG 0.1 mM)2 mLへ植菌して培養した(30℃、pAC-MN:24h培養、pAC-EBI:48h培養)。
5.大腸菌を遠心集菌し、細胞内の脂溶性画分をアセトン1mLで抽出した。
6.抽出液 300μLの吸光スペクトルを測定し、極大吸収波長での吸光度から色素量を算出した。
(3) Inactive form of TEAS and amount of dye synthesis PUC18Nm-TEAS D303A and pUC18Nm-TEAS R443A were prepared by substituting A (GCG) for D303 (GAT) or R443 (CGT) of TEAS using site-directed mutagenesis using PCR.
2. E. coli (XL1 Blue) was co-transformed with various TEAS plasmids and pAC-MNwt or pAC-EBI to form colonies.
3. The colony was inoculated into 500 μL of LB (Carb / Cm) and cultured (37 ° C., 16 h, n = 4).
4). 10 μL of this culture solution was inoculated into 2 mL of TB (Carb / Cm / IPTG 0.1 mM) and cultured (30 ° C., pAC-MN: 24 h culture, pAC-EBI: 48 h culture).
5. E. coli was collected by centrifugation, and the intracellular fat-soluble fraction was extracted with 1 mL of acetone.
6). The absorption spectrum of 300 μL of the extract was measured, and the amount of dye was calculated from the absorbance at the maximum absorption wavelength.

TEAS変異体は不活性であった(図11、図12)。TEASによる反応の第1ステップは、FPPのリン酸基が脱離して、カルボカチオンを形成することである。このリン酸基脱離反応は、Mg2+がリン酸基と結合することで起きる。TEASのD303はFPPの近傍にMg2+を保持する。R443 は、1)FPP のリン酸基と直接結合、また2)水を介して Mg2+を保持する役割をもつアミノ酸である。これらをAに置換すると、Mg2+とリン酸基が結合できず、TEAS変異体は不活性になったと考えられる。 The TEAS mutant was inactive (FIGS. 11 and 12). The first step of the TEAS reaction is the elimination of the phosphate group of FPP to form a carbocation. This phosphate group elimination reaction occurs when Mg 2+ binds to a phosphate group. TEAS D303 retains Mg 2+ in the vicinity of FPP. R443 is an amino acid that plays a role of 1) directly binding to the phosphate group of FPP and 2) retaining Mg 2+ via water. When these were substituted with A, Mg 2+ and phosphate groups could not be bound, and the TEAS mutant was considered to be inactive.

<タキサジエン合成酵素(TS)のスクリーニング>
本実施例では、ジテルペン合成酵素であるタキサジエン合成酵素(TS)を用いて、本スクリーニング系をジテルペン合成酵素活性の可視化に用いることが出来ることを示す。
C20PP基質消費活性を確認するため、イチイ(Taxus brevifolia)由来のジテルペン環化酵素であるタキサジエン合成酵素(TS)を用いた。タキサジエン合成酵素はタキソール(パクリタキセル)生合成経路の最初の反応を触媒する酵素である。タキソールは抗腫瘍作用を持つことで知られ、近年ではアルツハイマー病等の神経変性疾患治療としても有用であるという報告もある。タキソールの化学合成は極めて収率が悪く(最高0.4%;Walji AM and MacMillan EWC. SYNLETT.10 (2007) 1477-1489)、さらには植物から得られる量も微量でありスケールアップが難しいことから、微生物の代謝工学を用いた生合成が注目されている(Ajikumar PK et al. Science 330 (2010) 70-75, Dejong JM et al.Biotechnol Bioeng. 93 (2006) 212-24)。
<Screening of taxadiene synthase (TS)>
This example shows that this screening system can be used for visualization of diterpene synthase activity using taxadiene synthase (TS), which is a diterpene synthase.
Taxadiene synthase (TS), a diterpene cyclase from yew (Taxus brevifolia), was used to confirm C20PP substrate consumption activity. Taxadiene synthase is an enzyme that catalyzes the initial reaction of the taxol (paclitaxel) biosynthetic pathway. Taxol is known to have an antitumor action, and in recent years, it has been reported that it is useful as a treatment for neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease. The chemical synthesis of taxol has a very poor yield (up to 0.4%; Walji AM and MacMillan EWC. SYNLETT.10 (2007) 1477-1489). Furthermore, the amount obtained from plants is very small and difficult to scale up. Biosynthesis using metabolic engineering of microorganisms has attracted attention (Ajikumar PK et al. Science 330 (2010) 70-75, Dejong JM et al. Biotechnol Bioeng. 93 (2006) 212-24).

Mr. Gene(GENEART)に依頼し、N末端を59残基削った Taxus brevifolia由来の タキサジエン合成酵素(TS)の遺伝子を大腸菌にコドン最適化して全合成した(Ptrc-TS)。
Ptrc-TSに Xba Iおよび Xho I制限酵素処理をおこない、pUC18Nmベクターへ組み込んだ(pUC18Nm-TS)。
タキサジエン合成酵素は N末端にplastidへの輸送ペプチド配列がある。その配列を削ることで、大腸菌内でのタキサジエン合成酵素の可溶性が高くなる。
We commissioned Mr. Gene (GENEART) to perform total synthesis of Taxus brevifolia-derived taxadiene synthase (TS) gene with 59 residues at the N-terminus by codon optimization in E. coli (Ptrc-TS).
Ptrc-TS was treated with Xba I and Xho I restriction enzymes and incorporated into a pUC18Nm vector (pUC18Nm-TS).
Taxadiene synthase has a transport peptide sequence to plastid at the N-terminus. By cutting the sequence, the solubility of taxadiene synthase in E. coli is increased.

1.大腸菌(XL1 Blue)にpUC18Nm-TSとpAC-MNwtまたはpAC-EBIと共形質転換し、コロニー形成させた。
2.コロニーからLB(Carb/Cm)500μLへ植菌して培養した(37℃、16h、n=4)。
3.この培養液10μLをTB(Carb/Cm/IPTG 0.1 mM)2mLへ植菌して培養した(30℃、pAC-MN:24h培養、pAC-EBI:48h培養)。
4.大腸菌を遠心集菌し、細胞内の脂溶性画分をアセトン1 mLで抽出した。
5.抽出液 300μLの吸光スペクトルを測定し、極大吸収波長での吸光度から色素量を算出した。
1. E. coli (XL1 Blue) was co-transformed with pUC18Nm-TS and pAC-MNwt or pAC-EBI to form colonies.
2. The colony was inoculated into LB (Carb / Cm) 500 μL and cultured (37 ° C., 16 h, n = 4).
3. 10 μL of this culture solution was inoculated into 2 mL of TB (Carb / Cm / IPTG 0.1 mM) and cultured (30 ° C., pAC-MN: 24 h culture, pAC-EBI: 48 h culture).
4). E. coli was collected by centrifugation, and the intracellular fat-soluble fraction was extracted with 1 mL of acetone.
5. The absorption spectrum of 300 μL of the extract was measured, and the amount of dye was calculated from the absorbance at the maximum absorption wavelength.

pAC-MNwtと共形質転換した細胞の液体培養のペレットを肉眼で見ると、黄色が若干薄かった(C15消費能、図13)。pAC-EBIと共形質転換した細胞の液体培養のペレットは肉眼でも写真でも色差がはっきりとわかった(C20消費能、図14)。   When the liquid culture pellet of the cells co-transformed with pAC-MNwt was observed with the naked eye, the yellow color was slightly light (C15 consumption ability, FIG. 13). The liquid culture pellets of cells cotransformed with pAC-EBI clearly showed a color difference between the naked eye and the photograph (C20 consumption ability, FIG. 14).

<トマトcDNAからのテルペン合成酵素遺伝子のスクリーニング>
本発明の方法を未同定のDNAに対して適用した。
1.セスキテルペン合成酵素(kaurene synthase, taxadiene synthase, copalyl synathase)をQuetyにしてかずさDNA研究所のトマトcDNAライブラリ:KaFTom(http://www.pgb.kazusa.or.jp/kaftom/)内をBLAST検索したところ、AK327297、AK324962、AK321354の3つがヒットした。
2.検索にかかった上の3つから、最長 ORFを与える配列に対してPCR増幅し、pUC18Nmに組み込んだ。( )内はそのORFから推定されるポリペプチドのアミノ酸長を示す。
LEFL2026E14(773 aa)AK327297
LEFL1089AH03(551 aa)AK324962
LEFL1023CC09(381 aa)AK321354
3.これらのプラスミドを、大腸菌(XL1 Blue)にpAC-MNまたはpAC-EBIと共形質転換し、コロニー形成させた。
4.コロニーからLB(Carb/Cm)500μLへ植菌して培養した(37℃、16h、n=6)。
5.この培養液10μLをTB(Carb/Cm/IPTG 0.1mM) 2mLへ植菌して培養した(30℃、48h)。
6.大腸菌を遠心集菌し、細胞内の脂溶性画分をアセトン1mLで抽出した。
7.抽出液 300μLの吸光スペクトルを測定し、極大吸収波長での吸光度から蓄積する色素量を算出した。
<Screening of terpene synthase gene from tomato cDNA>
The method of the present invention was applied to unidentified DNA.
1. Blast search in Kazusa DNA Research Institute's tomato cDNA library: KaFTom (http://www.pgb.kazusa.or.jp/kaftom/) with sesquiterpene synthase (kaurene synthase, taxadiene synthase, copalyl synathase) as Quety As a result, AK327297, AK324962, and AK321354 were hit.
2. From the top 3 of the search, the sequence giving the longest ORF was PCR amplified and incorporated into pUC18Nm. The numbers in parentheses indicate the amino acid length of the polypeptide estimated from the ORF.
LEFL2026E14 (773 aa) AK327297
LEFL1089AH03 (551 aa) AK324962
LEFL1023CC09 (381 aa) AK321354
3. These plasmids were cotransformed with pAC-MN or pAC-EBI in E. coli (XL1 Blue) to form colonies.
4). The colony was inoculated into LB (Carb / Cm) 500 μL and cultured (37 ° C., 16 h, n = 6).
5. 10 μL of this culture solution was inoculated into 2 mL of TB (Carb / Cm / IPTG 0.1 mM) and cultured (30 ° C., 48 h).
6). E. coli was collected by centrifugation, and the intracellular fat-soluble fraction was extracted with 1 mL of acetone.
7). The absorption spectrum of 300 μL of the extract was measured, and the amount of dye accumulated was calculated from the absorbance at the maximum absorption wavelength.

C15Pスクリーニング系において、E14のみが強い活性(カロテノイド色素の蓄積量の減少)を示したが、それ以外については、殆ど活性に変化がなかった。一方、C20PPの消費能スクリーニングにおいては、ごく僅かながら合成量が下がっていた。このことから、このE14 遺伝子は、セスキテルペン合成酵素であることが強く示唆される(図15)。
このE14をQueryにしてBlast検索すると、表のとおりの結果を得た。こうして、本手法による遺伝子探索法としての有効性が示唆された。
In the C15P screening system, only E14 showed strong activity (decrease in the amount of accumulated carotenoid pigment), but there was almost no change in activity for other than that. On the other hand, in the C20PP consumption screening, the amount of synthesis decreased slightly. This strongly suggests that this E14 gene is a sesquiterpene synthase (FIG. 15).
A Blast search using E14 as a query yielded the results shown in the table. Thus, the effectiveness of this method as a gene search method was suggested.

本発明は、テルペン合成酵素遺伝子の一般的な、そして組織的探索法を提供する。高活性のテルペン合成酵素変異体の取得を可能とする。   The present invention provides a general and systematic search for terpene synthase genes. Enables acquisition of highly active terpene synthase mutants.

Claims (5)

被検遺伝子を色素合成可能な細胞に導入し、色素合成量の低下を色素の退色を指標にして検出することを特徴とし、ここで該色素がイソペンテニル二リン酸(IPP)を経由して生合成される色素である、テルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。 A test gene is introduced into a cell capable of dye synthesis, and a decrease in the amount of dye synthesis is detected using the color fading as an index , wherein the dye passes through isopentenyl diphosphate (IPP). A method for screening a terpene synthase gene and / or a mutant thereof , which is a biosynthesized pigment . 色素合成量の低下が、色素合成に関与する酵素の基質がテルペン合成酵素により消費されることによる色素合成量の低下である、請求項1に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。   The terpene synthase gene and / or variant thereof according to claim 1, wherein the decrease in the amount of dye synthesis is a decrease in the amount of dye synthesis due to consumption of a substrate of an enzyme involved in dye synthesis by the terpene synthase. Screening method. 細胞が大腸菌または酵母である請求項1または2に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。   The method for screening a terpene synthase gene and / or a mutant thereof according to claim 1 or 2, wherein the cell is Escherichia coli or yeast. 色素合成可能な細胞が色素合成に関与する酵素遺伝子またはその変異体により形質転換された細胞である請求項1〜3のいずれか一に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。   The terpene synthase gene and / or its mutant screening according to any one of claims 1 to 3, wherein the cell capable of pigment synthesis is a cell transformed with an enzyme gene involved in pigment synthesis or a mutant thereof. Method. 色素合成に関与する酵素遺伝子がジアポフィトエン合成酵素(CrtM)遺伝子、デヒドロスクアレン不飽和化酵素(CrtN)遺伝子、ゲラニルゲラニル二リン酸合成酵素(CrtE)遺伝子、フィトエン合成酵素(CrtB)遺伝子、フィトエン脱水素酵素(CrtI)遺伝子及びゲラニル二リン酸合成酵素(GPS)遺伝子から選ばれる少なくとも1つまたはその変異体である請求項4に記載のテルペン合成酵素の遺伝子および/またはその変異体のスクリーニング方法。   Enzyme genes involved in pigment synthesis are diapophytoene synthase (CrtM) gene, dehydrosqualene desaturase (CrtN) gene, geranylgeranyl diphosphate synthase (CrtE) gene, phytoene synthase (CrtB) gene, phytoene dehydration 5. The method for screening a terpene synthase gene and / or a variant thereof according to claim 4, wherein the terpene synthase gene and / or a variant thereof are at least one selected from an enzyme (CrtI) gene and a geranyl diphosphate synthase (GPS) gene.
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JP3562280B2 (en) * 1997-12-16 2004-09-08 トヨタ自動車株式会社 Geranyl diphosphate synthase gene
JP2000245482A (en) * 1999-03-05 2000-09-12 Sozoteki Seibutsu Kogaku Kenkyusho:Kk Production of monoterpene and microorganism therefor
US7091031B2 (en) * 2004-08-16 2006-08-15 E. I. Du Pont De Nemours And Company Carotenoid hydroxylase enzymes
AU2006330064B2 (en) * 2005-04-18 2012-08-09 The Regents Of The University Of California Antimicrobial therapy for bacterial infections

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