JP6071878B2 - 誘導性プロモーターの制御 - Google Patents
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Description
組換え微生物内における異種ポリペプチド生産における重要な側面は、ターゲットのポリペプチドをコード化する異種核酸配列の発現の制御に使用されるプロモーターの選択である。
本発明の要約
本発明は、細菌性宿主細胞を提供することにより、これらのカーボンカタボリズムの制御メカニズムを使用し、その際、第二炭素源の代謝に関係する遺伝子の発現を制御するプロモーターは、相応の炭素源の不在では不活性化せず、かつその際、前記プロモーターは単にカーボン・カタボライト・リプレッションの制御下にある。
フルクトース−6−ホスフェートへの異性化は、一度炭素源が細胞に輸送された場合に、炭素源のカタボリズムにおける第一工程である。炭素源の異性化の中断又は遅れとは、この炭素源を長期間誘導できることを意味する。従って、誘導性炭素源の量を減らすことができる。
本明細書で使用されているように、以下の定義は本発明の解釈を用意にするために提供される。
a)ポリペプチドの発現を可能にする条件下に培養し、本発明の遺伝子改変した細菌性宿主細胞を、プロモーターに作動的に連結したポリペプチドをコード化する核酸配列を含んでいるベクターで形質転換し、その際、前記ベクターのプロモーターは、転写調節タンパク質に特異的な炭素源の不在で不活性化できない転写調節タンパク質により制御され、かつ
b)ポリペプチドを細胞から又は細胞培養から回収する。
特記されない限り、以下の材料と方法を使用した:
細菌株及び増殖条件
大腸菌JM109(Yanisch−Perron C等、Gene33、1985、103〜119)及び枯草菌3NA、non−sporulating B.subtilis strain,with a mutation in the spoOA gene,(Michel J.F.等、J.Appl.Bacteriol.33,1970,220〜227)をクローニング及び発現するために主な宿主として使用した。発酵実験に使用した更なる株は、枯草菌3NAミュータント株TQ281(spoOA ΔmanA::ermc)(Sun T等、J.Bacteriol.192,2010,2128〜2139)及びTQ356(spoOAΔmanP::ermc)(以下II参照、実施例4,b)であった。株をLB培地中37℃で増殖させた(Bertoni G.,J.Bacteriol.62,1951,293〜300)。
全ての化学物質はSigma−Aldrich社(タウフキルヘン、ドイツ)、Fluka社(ブーフス、ドイツ)又はMarck社(ダルムシュタット、ドイツ)から得られた。合成DNAオリゴヌクレオチドは、Eurofins MWG Operon(エベルスブルク、ドイツ)から購入した。制限酵素及びDNA変性酵素は、Roche Applied Science(マンハイム、ドイツ)又はNew England Biolabs.(フランクフルト、ドイツ)から購入した。PCRは、MJ Research Inc.社(ウォルサム、マサチューセッツ、米国)のMiniCycler TMにおいてFerments社(ザンクト・レオン=ロート、ドイツ)の高い正確性のDNAポリメラーゼを用いて進めた。
大腸菌及び枯草菌からの又はアガロースゲルからのDNA単離は、キアゲン社(ヒルデン、ドイツ)又はロシュ社(マンハイム、ドイツ)のDNA調製キットを用いて生産者により記載されているように実施した。標準の分子技術は実施例の全体を通して使用された。
試験すべき細胞0.1mlをZ−バッファー900μl及びトルエン10μlで37℃で30分間処理した。β−ガラクトシダーゼ活性は、22℃でo−ニトロフェニル−β−ガラクトピラノシドを用いてMiller法により決定した(Miller J. H.,1972, experiments in molecular genetics, Cold Spring Harbor,NY)。
マンノースオペロンのプロモーター領域を有するDNA断片の単離及びmanRプロモーターとmanPプロモーターの転写開始部位の決定。
例1によるプライマー伸長実験では、manPプロモーターの転写開始部位は、manRとmanPの開始の間のイタリック体領域の3’−末端の近くに位置した。manPプロモーター領域、2.3kbのDNA断片をより詳細に決定するために、PCR増幅により徐々に短くし、得られた種々の長さの配列断片は、同じ基本的発現ベクターに戻ってクローン化し、かつ発現を調べた。
a)基本的発現ベクターの構築
レポーター遺伝子としてプロモーターの無いlacZを有する発現ベクターを構築した。枯草菌と大腸菌の両方で複製できるシャトルベクターとして発現ベクターを設計し、かつpSUN272.1と名付けた。
上記a)で得られたプラスミドpSUN279.2とpSUN272.1を枯草菌3NAに挿入した。後者のプラスミドはバックグランドコントロールとして役立った。一方のプラスミド又はもう一方のプラスミドを有する枯草菌3NA株をスペクチノマイシン含有LB培地中で増殖させ、かつ指数増殖フェーズでは、0.2%マンノース又は0.2%マンノース+0.2%グルコース、又は無糖(非誘導型コントロール)のいずれかを誘導のための培地に添加した。1時間後に、細胞のβ−ガラクトシダーゼ活性の誘導をミラーアッセイにより決定した。結果は図8に記載されている。
c)manPプロモーター領域の位置決め
pSUN284.1の短くしたDNA断片に加えて、manPのプロモーター領域を位置決めするために、PCRによりmanPプロモーターの転写開始部位の上流にある種々の箇所で短くしたDNA断片を増幅し、かつこの断片を図5に示されているようなpSUN272.1に挿入することにより、更に短くした配列断片を2.3kbのDNA断片から調製した。
a)cre配列の同定
フィルミクテスにおける殆どのCCRは、カタボライト制御タンパク質A(CcpA)により媒介されるので、各々の結合部位(cre配列)の調査は、全体のマンノースオペロンでクローンマネージャープログラムにおいてDNAアライメント機能を用いて実施された。アライメントにはcreコンセンサス配列5’−WWTGNAARCGNWWWCAWW−3’を使用した。manRのプロモーター領域では、図4に示されているように、1つだけの推定のcre配列が見出され、これは−10ボックスの下流に位置している。
b)manRプロモーターの発現効率の評価
manRプロモーターの発現効率を評価するために、上記のようにpSUN284.1のような発現ベクターを構築し、かつそれをpSUN291と名付けた。このために、推定のmanR−プロモーターとmanRの約600塩基対上流を含むDNA断片を、プライマーs5208/s5209と、直線化したプラスミドDNApSUN279.2を鋳型として用いて増幅させ、かつKpnIとAf/IIIで消化し、かつライゲーションすることによりプラスミドpSUN272.1中のlacZの前に挿入した。DNA配列は図4に示されている。
c)manRプロモーター領域の位置決め
実験2c)のように、manRのプロモーター領域の更なる位置決めのために、pSUN291に含まれているようなDNA配列から種々の長さのDNA断片を、manRプロモーターの転写開始部位の上流の種々の位置で結合するプライマー(プライマーs5932及びs5933)及びlacZ遺伝子の下流で結合するプライマー(s5934)を用いてDNAをPCR増幅することにより調製した(図4)。
実験4:形質転換
a)発現ベクターとしてのプラスミドPMW168.1の構築
図5に示されているような及び実験2cで使用されたプラスミドpSUN284.1中に導入されたmanPプロモーター領域の核酸配列を使用し、プラスミドpMW168.1を以下に記載するように構築し、かつ宿主としての枯草菌3NAに導入した。
b1)manPを欠失するための挿入ベクター
挿入ベクターpSUN356.7を使用して、胞子形成欠損枯草菌NAの染色体においてマンノースオペロンからのマンノースに特異的なEIIをコード化する遺伝子manPを欠失し、かつ得られた株を枯草菌TQ356と名付けた(spo0A manP::ermC)。選択マーカーとしてエリスロマイシン耐性カセットを使用した。
更に、胞子形成欠損枯草菌3NAの染色体において、枯草菌TQ281(spo0A3、manA::ermC)で生じる挿入ベクターpSUN281と一緒に、マンノースオペロンからmanAが欠損した枯草菌ノックアウトミュータントを生産した(SunT等、supra参照)。
上記b1)とb2)による枯草菌TQ356と枯草菌TQ281は、それぞれ上記a1)で得られたプラスミドpMW168.1で形質転換した。
a)最小グルコース(MG):
(NH4)SO4 2.0g
KH2PO4 6.0g
K2HPO4 14.0g
クエン酸ナトリウム 1.0g
MgSO4*7H2O 0.2g
グルコース(20〜50%ストック溶液として別個に) 5.0g
b)培地I:
MG 9.50ml
カザミノ酸(1%ストック溶液) 0.20ml
MgSO4(1Mストック溶液) 0.05ml
c)培地II:
MG 8.00ml
カザミノ酸(1%ストック溶液) 0.10ml
MgSO4(1Mストック溶液) 0.05ml
形質転換はAnagnostopulos等のプロトコール"Requirememnts for transformation in Bacillus subtilis"J.Bacteriol.(1961)81:741〜746に倣って実施した。各細菌株の単独のコロニーを5mlの培地Iに入れて、かつローラー中、37℃で一晩インキュベートした。オーバーナイト培養した物1ml(1と2の間のOD600)をバッフル付き三角フラスコ100ml中の培地II8mlに移し、かつ37℃で85分間インキュベートした。次に、コンピテント細胞1mlをシュッテ社(Schuett Company)の試験管に移し、かつ各々の挿入ベクターと混合した。コンピテント細胞と混合する前に、挿入ベクターを重要では無い部位でシングルカッターで切断しておいた。得られた混合物をイソプロパノールにより沈殿させ、かつ室温で少なくとも2時間ライゲーションした。
5.1 材料と方法
特記されない限り一般に発酵実験にも標準の分子技術が使用された。
発酵に使用した培地の組成物
オーバーナイト培養と予備培養#1は、0.02%(w/v)カザミノ酸(BD DifcoTM、Sparks、米国、メリーランド)ならびにプラスミド選択のための100μgmL-1スペクチノマイシン及び株選択のための5μgmL-1エリスロマイシン(TQ281とTQ356の場合)を補充したSpizizenの最小塩培地(SMM)(Spizizen J.,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.44,1958,1072〜1078)中で実施した。予備培養#2と発酵培地(バッチ)を、次のものから成るWilms等(WilmsB等、Biotechnol.Bioeng73,2001,95〜103)により変性した無機培地を用いて実施した:1.0gL-1(NH4)2−H−クエン酸塩、2.0gL-1gNa2SO4、2.68gL-1Na4SO4、0.5gL-1NH4Cl、14.6gL-1K2HPO4、4.0gL-1Na2HPO4×2H2O、1.0gL-1MgSO4×7H2O、3mlL-1微量元素溶液(TES)、予備培養#2のための5gL-1グルコース及びバッチ培地用の25gL-1グルコース。TESは0.5gL-1CaCl2、0.18gL-1ZnSO4×7H2O、0.1gL-1MgSO4×H2O、10.05gL-1Na2−EDTA、8.35gL-1FeCl3、0.16gL-1CuSO4×5H2O、及び0.18gL-1CoCl2×6H2Oを含有している。高細胞密度発酵のための供給培地は、KLF反応器を使用した場合には200gL-1グルコース、7.89gL-1MgSO4×7H2O、TES40mL-1及び63.36gL-1(NH4)2HPO4を含有していた。pHを3.3に調節し、全ての成分の溶解性を確実にした。30リットルの反応器を使用した場合には2つの別々の供給培地を使用した。1番目の培地は、654.76gL-1グルコース×H2O、23.5gL-1MgSO4×7H2O、TES120mL-1を含有し、2番目の培地は396gL-1(NH4)2HPO4を含有していた。manPプロモーターを誘導するために、20%(w/v)D−マンノース溶液、又は次のもの:200mL-1マンノース、7.89gL-1MgSO4×7H2O、TES40mL-1及び63.36gL-1(NH4)2HPO4を含有している別々の供給溶液を使用した。
LBアガールプレートからの単独のコロニーをSMM5ml中で接種し、かつ37℃で少なくとも14時間一晩インキュベートした。SMM25mlを250ml振盪フラスコに移し、オーバーナイト培養を接種し、600nm(OD600)で0.05の光学密度を達成した(予備培養#1)。37℃で5時間インキュベートした後に、20mlの予備培養#1を使用して、予備培養#2の200mlを1000ml振盪フラスコ中の培地に接種した(予備培養#2)。更に37℃で7時間インキュベートした後に、バッチ培養培地を予備培養#2で接種した。
F(t)=[(μset/Yx/s)+m]×[(Cx0/V0)/Cs0]×exp(μset×t)
[式中、
F(Lh-1)は、供給速度であり、
μset(h-1)は所望の特定の増殖速度であり、
m(gg-1h-1)は、特定の維持係数(=0.04gg-1h-1)であり、
Yx/sは特定のバイオマス/基質収率係数(グルコースには約0.5)であり、
Cx0(gL-1)は、供給開始時のバイオマス濃度であり、
V0(L)は、供給開始時の反応器の体積であり、
Cs0(gL-1)は、供給溶液中へのグルコースの濃度であり、かつ
t(h)は供給開始後の時間である]
によりバイオリアクターに供給した。0.1h-1の特定の供給速度μは、非特異的でかつ不所望の副生成物の生産を回避するように、かつ酸素制限を回避するように選択された。
生産した組換えeGFPの発現率をリアルタイムで追跡するために、蛍光プローブ(Mikropack HPX−2000,High Power Xenon Lightsource; Ocean Optics,Inc.;S2000 fibre optic Spectrometer;米国、ダニーディン、フロリダ)をバイオリアクター内で使用した。励起波長は485nmであったのに対して、発光は535nmで検出され、かつSpectra Suiteソフトウェアパッケージ(Ocean Optics、米国、ダニーディン、フロリダ)によりオンラインで記録された。蛍光灯は光学フィルターを通して0.6の強さで繋いだ。プローブの積分時間は50ミリ秒であった。ソフトウェアは4000カウントまでの値しか数えることができなかったので、より高い値に達する直前に積分時間を徐々に減らした。従って、後から蛍光カントを相応の減少係数と掛けて、50m秒に相応する値を得た。測定値は、特定の反応器の体積に特異的であった。
ベクターpMW168.1の安定性は、ハーウッドとカッティング(Harwood and Cutting)による、プラスミド含有細胞のフラクションを測定することにより決定した(HarwoodC.R.等、Molecular Biological Methods for Bacillus,1990,John Wiley&Sons Ltd.,英国、チチェスター)。
粗細胞抽出物は、以下のように得られた:1010細胞を回収し、かつ遠心分離した。ペレット化した細胞を50mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.5)1mlで再懸濁し、かつ超音波を用いて可溶化した(Heat Systems−Ultrasonics,Inc.,model W−385 sonicator,Farmingdale、米国、ニューヨーク;3×30秒、50%デューティサイクル)。
枯草菌3NA/pMW168.1を用いるマンノース発現系をフェドバッチ発酵で試験した。1つのセットアップを予め記載したように使用した(Korz等、Wilms等、supra)。
単独の炭素源としてのマンノースおいて増殖できないmanA欠失株TQ281(SunT等、supra)を更なる発酵実験に選択した。pMW168.1で形質転換した枯草菌TQ281は、振盪フラスコ実験において、D−マンノースに対して感度を示した。
枯草菌ΔmanP株TQ356は、PmanPからの非誘導的条件下に構成的な発現を示し、ならびにグルコースが存在した場合にはCCR効果を示した(Sun R等、supra)。この株は、pMW168.1で形質転換されていて、むしろ小さな蛍光コロニーを生じた。選択培地に0.5%(w/v)グルコースを添加した後に、コロニーの増殖が標準化された。振盪フラスコ実験では、グルコースが消費された場合に高い発現レベルが達成された(データ表示なし)。
5.2〜5.4で実施した発酵の結果は以下の表にまとめてある。
SA:インデューサー(マンノース)の単独の添加;
EF:インデューサー(マンノース)の指数関数的供給;
Al:自動的誘導;
final:発酵プロセスの最後で;
LF:30リットルの実験室用発酵装置;
KLF:3.7リットルの小さな実験室用発酵装置;
Δtfb:フェドバッチ時間/期間、
final:発酵の最後で;
Cx、final:細胞乾燥質量(濃度);
Xfinal:完全な細胞乾燥質量;
cP、final:産生物の濃度;
PeGFP、final:完全な産生物(eGFP);
YP/X:細胞乾燥質量1g当たりの産生物:
rP:特定の生産率;
qP:体積の生産率。
発酵5.2〜5.4では、マンノースプロモーターPmanPを含んでいるベクターpMW168.1中で枯草菌の発現系を使用してeGFPの発現を促進した。プロモーターPmanPは、D−マンノースの添加において活性化される強いプロモーターであることが判明した。
Claims (10)
- 組換え細菌性宿主細胞において異種ポリペプリドを生産する方法であって、
前記組換え細菌性宿主細胞は、
カーボン・カタボライト・リプレッション及びホスホエノールピルビン酸−炭水化物・ホスホトランスフェラーゼ系に課され、かつ
i)細菌性宿主細胞のゲノムにおいて、転写調節タンパク質に特異的であるホスホリル基転移酵素EIIをコード化する遺伝子を欠失することによって、又は
ii)細菌性宿主細胞のゲノムにおいて、転写調節タンパク質をコード化する遺伝子を、前記遺伝子により発現される転写調節タンパク質が酵素EIIから移されたホスホリル基に結合できないように遺伝子改変することによって、
誘導性第二炭素源の不在で第二炭素源により誘導可能なプロモーターに特異的な転写調節タンパク質を不活性化できないように改変されており、かつ
前記組換え細菌性宿主細胞が、前記プロモーターに作動的に連結したポリペプチドをコード化する異種核酸配列を有するベクターを含む当該方法において、
誘導性第二炭素源を含まず、組換え細菌性宿主細胞のための第一炭素源を含む細胞培養培地内で、細菌性宿主細胞を増殖させる工程と、
第一炭素源の濃度をカーボン・カタボライト・リプレッションに必要なレベルより下に低下することにより、誘導性第二炭素源の不在で前記ポリペプチドの発現を誘導する工程と、
ポリペプチドを細胞から又は細胞培養から回収する工程と、
を含む、当該方法。 - i)の場合には、ベクターには、前記プロモーターを制御する転写調節タンパク質をコード化する遺伝子が組み込まれている;又は
ii)の場合には、ベクターには、前記酵素EIIから移されたホスホリル基に結合できない転写調節タンパク質をコード化する細菌性宿主細胞の遺伝子操作された遺伝子が組み込まれている、請求項1に記載の方法。 - 細菌性宿主細胞は、桿菌、クロストリジウム菌及び大腸菌から選択される、請求項1または2記載の方法。
- 培養培地はカザミノ酸を含んでいる、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第一炭素源は、カーボン・カタボライト・リプレッションの誘導なしに、細菌性宿主細胞の予め決められた増殖率を維持するのに十分な量で培養に添加される、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 炭素源誘導性プロモーターはマンノースオペロンのプロモーターであり、かつ誘導性炭素源はマンノースである、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
- プロモーターは、マンノースオペロンのPmanP又はPmanRプロモーターである、請求項6に記載の方法。
- i)細菌性宿主細胞のゲノムにおいて、ManPをコード化する遺伝子を欠失する、又は
ii)細菌性宿主細胞のゲノムにおいて、転写調節タンパク質ManRをコード化する遺伝子を、前記遺伝子により発現されるManRが前記酵素EIIから移されたホスホリル基に結合できないように遺伝子改変する、請求項7に記載の方法。 - 炭素源のそのカタボリズムが、カーボン・カタボライト・リプレッション及びホスホエノールピルビン酸−炭水化物・ホスホトランスフェラーゼ系の制御下にある組換え細菌性宿主細胞であって、
該細胞は、細菌性宿主細胞のゲノムにおいて、転写調節タンパク質に特異的なホスホリル基転移酵素EIIをコード化する遺伝子を欠失することにより、第一炭素源とは異なる誘導性第二炭素源の不在で、第二炭素源により誘導可能なプロモーターに特異的な前記転写調節タンパク質を不活性化できないように改変されており、かつ、
該細胞は、ベクターを含み、当該ベクターは、細菌性宿主細胞が不活性化できないように遺伝子改変されている前記転写調節タンパク質によって制御されているプロモーターと、このプロモーターに作動的に連結されたポリペプチドをコード化する異種核酸配列と、前記転写調節タンパク質をコード化する遺伝子とを含む、組換え細菌性宿主細胞。 - 炭素源のそのカタボリズムがカーボン・カタボライト・リプレッション及びホスホエノールピルビン酸−炭水化物・ホスホトランスフェラーゼ系の制御下にある組換え細菌性宿主細胞であって、
該細胞は、転写調節タンパク質をコード化する遺伝子を細菌性宿主細胞のゲノムにおいて遺伝子改変することによって、遺伝子改変された当該遺伝子により発現される転写調節タンパク質が、前記転写調節タンパク質に特異的である酵素EIIにより移されたホスホリル基に結合できないようにされて、第一炭素源とは異なる誘導性第二炭素源の不在で、第二炭素源により誘導可能なプロモーターに特異的な転写調節タンパク質を不活性化できないように遺伝子改変されており、ここで前記遺伝子改変された遺伝子は前記組換え細菌性宿主細胞のゲノムに存在しており、かつ、
該組換え細菌性宿主細胞は、ベクターを含み、当該ベクターは、細菌性宿主細胞が不活性化できないように遺伝子改変されている転写調節タンパク質によって制御されているプロモーターと、このプロモーターに作動的に連結されたポリペプチドをコード化する異種核酸配列と、前記酵素EIIにより移されたホスホリル基に結合できないように遺伝子改変された転写調節タンパク質をコード化する遺伝子とを含む、組換え細菌性宿主細胞。
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