JP6489676B2 - Biological nitrogen fixation regulator and its use - Google Patents
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Landscapes
- Breeding Of Plants And Reproduction By Means Of Culturing (AREA)
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- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Description
本明細書は、生物による窒素固定(生物窒素固定)を制御する因子及びその利用に関する。 The present specification relates to a factor that controls nitrogen fixation (biological nitrogen fixation) by an organism and use thereof.
作物の生産性は、大量の化学肥料に依存している。化学肥料は、高いエネルギーコストのかかる工業的な窒素固定、空気中に存在する窒素分子を安定な窒素化合物に変換するプロセスによって生産され、その過程で大量の化石燃料が消費されている。 Crop productivity depends on large amounts of chemical fertilizers. Chemical fertilizers are produced by industrial nitrogen fixation, which requires high energy costs, and a process of converting nitrogen molecules present in the air into stable nitrogen compounds, in which a large amount of fossil fuel is consumed.
限られた原核生物が窒素固定を行うことが知られている(生物窒素固定)。生物窒素固定とは、ニトロゲナーゼによって分子状窒素がアンモニアに変換される過程をいう。生物窒素固定には、ニトロゲナーゼの構造遺伝子のみならず、その活性中心となる金属クラスターの生合成や還元力供給などの多数の遺伝子が関わっていると考えられている(非特許文献1)。 It is known that limited prokaryotes perform nitrogen fixation (biological nitrogen fixation). Biological nitrogen fixation refers to a process in which molecular nitrogen is converted to ammonia by nitrogenase. Biological nitrogen fixation is considered to involve not only the structural gene of nitrogenase but also a large number of genes such as biosynthesis of metal clusters that are the active centers and supply of reducing power (Non-patent Document 1).
窒素固定を行う原核生物としては、例えば、Leptolyngbya boryana(L. boryana)が挙げられる。L. boryanaは、いわゆるシアノバクテリアであって、嫌気条件下でヘテロシストを形成せずに窒素固定を行う糸状性シアノバクテリアである。このシアノバクテリアは、ヘテロシストを形成しないため、同一細胞内において光合成と窒素固定とを行うという特徴も有している(非特許文献2)。 Examples of prokaryotes that perform nitrogen fixation include Leptolyngbya boryana (L. boryana). L. boryana is a so-called cyanobacteria that is a filamentous cyanobacteria that fixes nitrogen without forming heterocysts under anaerobic conditions. Since this cyanobacteria does not form heterocysts, it also has a feature of performing photosynthesis and nitrogen fixation in the same cell (Non-patent Document 2).
生物窒素固定能を植物体に付与することができれば、化学肥料への依存性を低減し、かつ化石エネルギー消費も低減できると考えられる。 If biological nitrogen fixation ability can be imparted to a plant body, it is considered that dependence on chemical fertilizer can be reduced and fossil energy consumption can also be reduced.
しかしながら、生物窒素固定を担う酵素ニトロゲナーゼの複雑な金属中心は、その生合成に多くの遺伝子の発現制御を必要とする。また、これら3つの金属中心は、酸素に曝されると数秒単位で破壊されるという脆弱性を有している。この脆弱性は酸素を発生する光合成との共存が問題となる。さらに、ニトロゲナーゼは大量のATPを消費するため、窒素枯渇条件以外では発現を抑制することも要請される。 However, the complex metal center of the enzyme nitrogenase responsible for biological nitrogen fixation requires the regulation of the expression of many genes for its biosynthesis. In addition, these three metal centers have a vulnerability that they are destroyed in units of seconds when exposed to oxygen. This vulnerability is problematic due to the coexistence with photosynthesis that generates oxygen. Furthermore, since nitrogenase consumes a large amount of ATP, it is also required to suppress its expression except under nitrogen depletion conditions.
本明細書は、光合成生物においてニトロゲナーゼを発現させて生物窒素固定を実現するための遺伝子を特定し、その遺伝子を非窒素固定生物への適用を提供する。 The present specification identifies a gene for realizing nitrogen fixation by expressing nitrogenase in a photosynthetic organism, and provides the application of the gene to a non-nitrogen fixation organism.
本発明者らは、窒素固定性シアノバクテリア、なかでも、L. boryanaは単一の細胞内で光合成と窒素固定とを共存させていることから、光合成生物への窒素固定能付与に適していると考えて着目した。本発明者らは、L. boryanaにおける窒素固定遺伝子クラスターの機能解析を行った。その結果、生物窒素固定に関与するいくつかの遺伝子を特定するとともに、窒素枯渇及び低酸素に関連して窒素固定を発現あるいは制御できる系を確立できるという知見を得た。こうした知見に基づき、本明細書の開示は、以下の手段を提供する。 The present inventors have found that nitrogen-fixing cyanobacteria, particularly L. boryana, is suitable for imparting nitrogen-fixing ability to photosynthetic organisms because photosynthesis and nitrogen fixation coexist in a single cell. I focused on it. The present inventors performed functional analysis of a nitrogen-fixing gene cluster in L. boryana. As a result, we have identified several genes involved in biological nitrogen fixation, and have found that a system capable of expressing or controlling nitrogen fixation in relation to nitrogen depletion and hypoxia can be established. Based on such knowledge, the disclosure of the present specification provides the following means.
(1) 以下の(a)〜(e):
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードする遺伝子の発現の活性化を備える、形質転換体。
(2) ニトロゲナーゼによる窒素固定が増強可能である、(1)に記載の形質転換体。
(3)低酸素及び窒素化合物枯渇によって誘導的に前記窒素固定が増強可能である、(2)に記載の形質転換体。
(4) さらに、シアノバクテリア由来の窒素固定遺伝子群から選択される1種又は2種以上の遺伝子の活性化を備える、(1)〜(3)のいずれかに記載の形質転換体。
(5) 前記窒素固定遺伝子群は、L. boryanaの窒素固定遺伝子群である、(4)に記載の形質転換体。
(6) さらに、以下の(f)〜(j)のいずれかに記載のタンパク質;
(f)配列番号4で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(g)配列番号4で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号3で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(h)配列番号4で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号4で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(i)配列番号3で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(j)配列番号3で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号4で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードする遺伝子の発現の活性化を備える、(1)〜(5)のいずれかに記載の形質転換体。
(7) 前記形質転換体は、光合成生物体である、(1)〜(6)のいずれかに記載の形質転換体。
(8) 前記光合成生物体は、シアノバクテリアである、(7)に記載の形質転換体。
(9) 前記光合成生物体は、植物体である、(7)に記載の形質転換体。
(10) 以下の(a)〜(e):
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む、形質転換ベクター。
(11) (1)〜(9)のいずれかに記載の形質転換体の製造方法であって、
宿主生物細胞に、以下の(a)〜(e):
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを導入して形質転換する工程、
を備える、製造方法。
(12) 窒素固定を利用して有用物質を生産する方法であって、
(1)〜(9)のいずれかに記載の形質転換体に窒素を固定させて、前記形質転換体を生育又は増殖させて有用物質を生産する工程、
を備える、生産方法。
(13) 前記形質転換体は、光合成生物体である、(12)に記載の生産方法。
(14) 前記光合成生物体は、シアノバクテリア又は植物体である、(12)に記載の生産方法。
(15) 窒素固定を利用して生物体を生産する方法であって、
前記生物体としての(1)〜(9)のいずれかに記載の形質転換体に窒素を固定させて、前記形質転換体を生育又は増殖させる工程、
を備える、生産方法。
(16) 低酸素及び窒素枯渇条件下で作動可能な転写制御因子のスクリーニング方法であって、
以下の(b)、(c)及び(e):
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質から選択される1種又は2種以上の被験タンパク質をコードする遺伝子で形質転換された非窒素固定生物体における低酸素及び窒素化合物枯渇条件下での前記被験タンパク質による1又は2以上の窒素固定遺伝子の発現増強を評価する工程、
を備える、スクリーニング方法。
(1) The following (a) to (e):
(A) protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) amino acid having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and represented by SEQ ID NO: 2 A protein functionally equivalent to a protein comprising the sequence (c) having an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, A protein functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by (d) a protein having an amino acid sequence encoded by the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) a base sequence represented by SEQ ID NO: 1 A protein encoded by a nucleotide sequence having 50% or more identity and functionally identical to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 Comprising the activation of expression of the gene encoding any protein selected from a protein, a transformant.
(2) The transformant according to (1), wherein nitrogen fixation by nitrogenase can be enhanced.
(3) The transformant according to (2), wherein the nitrogen fixation can be inductively enhanced by hypoxia and nitrogen compound depletion.
(4) The transformant according to any one of (1) to (3), further comprising activation of one or more genes selected from a group of nitrogen-fixing genes derived from cyanobacteria.
(5) The transformant according to (4), wherein the nitrogen-fixing gene group is a nitrogen-fixing gene group of L. boryana.
(6) Furthermore, the protein according to any one of the following (f) to (j);
(F) a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 (g) an amino acid having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 and represented by SEQ ID NO: 3 A protein functionally equivalent to a protein comprising the sequence (h) having an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4; SEQ ID NO: 4 A protein functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by (i) a protein having an amino acid sequence encoded by the base sequence represented by SEQ ID NO: 3 (j) a base sequence represented by SEQ ID NO: 3 A protein encoded by a nucleotide sequence having 50% or more identity and functionally identical to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 A protein comprising the activation of expression of a gene encoding, (1) The transformant according to any one of - (5).
(7) The transformant according to any one of (1) to (6), wherein the transformant is a photosynthetic organism.
(8) The transformant according to (7), wherein the photosynthetic organism is a cyanobacteria.
(9) The transformant according to (7), wherein the photosynthetic organism is a plant.
(10) The following (a) to (e):
(A) protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) amino acid having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and represented by SEQ ID NO: 2 A protein functionally equivalent to a protein comprising the sequence (c) having an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, A protein functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by (d) a protein having an amino acid sequence encoded by the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) a base sequence represented by SEQ ID NO: 1 A protein encoded by a nucleotide sequence having 50% or more identity and functionally identical to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 Comprising a polynucleotide encoding any of the proteins selected from the proteins, transformation vectors.
(11) A method for producing a transformant according to any one of (1) to (9),
In the host organism cell, the following (a) to (e):
(A) protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) amino acid having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and represented by SEQ ID NO: 2 A protein functionally equivalent to a protein comprising the sequence (c) having an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, A protein functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by (d) a protein having an amino acid sequence encoded by the base sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) a base sequence represented by SEQ ID NO: 1 A protein encoded by a nucleotide sequence having 50% or more identity and functionally identical to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 Step of transforming by introducing a polynucleotide encoding any of the proteins selected from the proteins,
A manufacturing method comprising:
(12) A method for producing useful substances using nitrogen fixation,
(1) A process for producing a useful substance by fixing nitrogen to the transformant according to any one of (9) and growing or proliferating the transformant,
A production method comprising:
(13) The production method according to (12), wherein the transformant is a photosynthetic organism.
(14) The production method according to (12), wherein the photosynthetic organism is a cyanobacteria or a plant.
(15) A method for producing organisms using nitrogen fixation,
A step of growing or proliferating the transformant by fixing nitrogen to the transformant according to any one of (1) to (9) as the organism;
A production method comprising:
(16) A screening method for transcriptional regulators operable under hypoxia and nitrogen depletion conditions,
The following (b), (c) and (e):
(B) a protein having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and functionally equivalent to a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (c) The amino acid sequence represented by No. 2 has an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids, and is functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID No. 2. Protein (e) is a protein encoded by a base sequence having 50% or more identity with the base sequence represented by SEQ ID NO: 1, and is functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 Hypoxia and nitrogenation in non-nitrogen-fixed organisms transformed with a gene encoding one or more test proteins selected from various proteins Step of evaluating the test one or more enhanced expression of nitrogen fixation genes by proteins in object depleted conditions,
A screening method comprising:
本明細書の開示は、生物窒素固定を制御する因子及びその利用に関する。本明細書に開示される因子、すなわち、配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質及びこれと機能的に同等なタンパク質の、生物による窒素固定に関する窒素固定遺伝子群の発現制御や特定条件下での所望の遺伝子の発現制御への利用に関する。 The disclosure herein relates to factors that control biological nitrogen fixation and uses thereof. Factors disclosed in the present specification, that is, expression control of nitrogen-fixing genes related to nitrogen fixation by organisms and specific conditions of the protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and a protein functionally equivalent thereto The present invention relates to the use for controlling the expression of a desired gene.
本開示の窒素固定を制御する因子(以下、単に本制御因子という。)は、ニトロゲナーゼを含む窒素固定遺伝子群の発現を活性化することができる。また、本制御因子は、低酸素及び窒素枯渇条件下で所望の遺伝子の発現を活性化することもできる。 The factor that controls nitrogen fixation according to the present disclosure (hereinafter, simply referred to as this regulator) can activate the expression of a group of nitrogen-fixing genes including nitrogenase. The regulatory factor can also activate expression of a desired gene under hypoxic and nitrogen depletion conditions.
本発明者らによれば、本制御因子は、L. boryanaにおいて窒素枯渇条件下において誘導的に合成される転写因子である。本明細書における開示を拘束するものではないが、本制御因子は、窒素枯渇条件下において誘導的に合成され、さらに、低酸素条件下において活性型に変換されて、特定のプロモーターに作用して当該プロモーターの制御下にある遺伝子の発現を活性化すると考えられる。L. boryanaにおいては、このプロモーターの制御下にニトロゲナーゼを構成する遺伝子群が連結されているため、ニトロゲナーゼ等の発現が増強され、この結果、窒素固定が増強されると推論される。 According to the inventors, this regulator is a transcription factor that is inducibly synthesized under nitrogen depletion conditions in L. boryana. Although not limiting the disclosure herein, the regulator is inducibly synthesized under nitrogen depletion conditions, and further converted to an active form under hypoxic conditions to act on specific promoters. It is thought to activate the expression of genes under the control of the promoter. In L. boryana, since the gene group which comprises nitrogenase is connected under the control of this promoter, the expression of nitrogenase and the like is enhanced, and as a result, it is inferred that nitrogen fixation is enhanced.
ニトロゲナーゼによる窒素固定には、ATPが必要である。必要なATPは低酸素条件下において本制御因子が低酸素下での光合成及び呼吸関連酵素群を活性化することで、ATPを供給することができる、と推論される。 ATP is required for nitrogen fixation by nitrogenase. It is inferred that the necessary ATP can supply ATP by activating the photosynthesis and respiration-related enzyme group under hypoxia under the hypoxic condition.
上記のとおり、本開示によれば、本制御因子を利用することで、窒素固定を増強することができる。すなわち、本制御因子が作用するプロモーターに作動可能に窒素固定遺伝子群を連結することで、窒素固定遺伝子群を発現させることができる。 As described above, according to the present disclosure, nitrogen fixation can be enhanced by using this control factor. That is, a nitrogen-fixed gene group can be expressed by operably linking the nitrogen-fixed gene group to a promoter on which this regulatory factor acts.
また、本開示によれば、本制御因子を利用することで、特定条件下、典型的には、低酸素及び窒素枯渇条件下で、所望の遺伝子の発現を増強することができる。すなわち、本制御因子が作用するプロモーターに作動可能に所望の遺伝子群を連結することで、低酸素及び窒素枯渇条件下等で当該遺伝子を発現させることができる。 In addition, according to the present disclosure, expression of a desired gene can be enhanced by using this regulatory factor under specific conditions, typically under hypoxia and nitrogen depletion conditions. That is, by linking a desired gene group operably to a promoter on which this regulatory factor acts, the gene can be expressed under hypoxia and nitrogen depletion conditions.
本明細書において、低酸素条件とは、嫌気ジャー(BBL GasPak anaerobic systems, BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ, USA、およびこれに相当する密閉できるジャー)内おいて酸素消費剤(Gas Generation Kit Anaerobic System, Oxoid, Basingstroke, Hants, UK、およびこれに相当する酸素消費剤)によってジャー内の酸素を完全に消費した条件であって、かつ、シアノバクテリア細胞の光合成による酸素発生は阻害しないという条件をいう。なお、ここで光合成による酸素発生を阻害しない条件とは、例えば、40 μmolphotonm-2 s-1程度であってもよいが、100μmol μmolphoton m-2 s-1程度まででもよい。 As used herein, hypoxic conditions refer to an oxygen consuming agent (Gas Generation Kit Anaerobic System) in an anaerobic jar (BBL GasPak anaerobic systems, BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ, USA, and the equivalent sealable jar). , Oxoid, Basingstroke, Hants, UK, and the equivalent oxygen consuming agent) that completely consumes oxygen in the jar and does not inhibit oxygen generation by photosynthesis in cyanobacterial cells . Here, the condition that does not inhibit oxygen generation by photosynthesis may be, for example, about 40 μmol photon m −2 s −1 , or may be up to about 100 μmol μmol photon m −2 s −1 .
また、本明細書において、窒素枯渇条件とは、通常は培地に窒素源として加える硝酸カリウム(KNO3)などの硝酸塩を実質的に含有しない培地で生育させる条件をいう。なお、実質的に含有しない、とは、硝酸塩が添加されていない培地に対して硝酸塩を添加しないことをいう。不可避不純物としての硝酸塩は許容されうる。 Further, in this specification, the nitrogen depletion condition refers to a condition of growing in a medium that does not substantially contain a nitrate such as potassium nitrate (KNO 3 ) that is usually added to the medium as a nitrogen source. In addition, it does not contain substantially means not adding nitrate with respect to the culture medium to which nitrate is not added. Nitrate as an inevitable impurity is acceptable.
以下では、本開示の代表的かつ非限定的な実施形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。また、以下に開示される追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された本制御因子及びその利用を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。 Hereinafter, representative and non-limiting embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. This detailed description is intended merely to provide those skilled in the art with details for practicing the preferred embodiments of the present invention and is not intended to limit the scope of the present disclosure. Additionally, the additional features and inventions disclosed below can be used separately from or in conjunction with other features and inventions to provide further improved control factors and uses thereof.
また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本開示を実施する際に必須のものではなく、特に本開示の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記及び下記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本開示の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。 Further, the combinations of features and steps disclosed in the following detailed description are not essential in carrying out the present disclosure in the broadest sense, and are particularly only for explaining representative specific examples of the present disclosure. It is described. Moreover, various features of the representative embodiments described above and below, as well as those described in the independent and dependent claims, are described herein in providing additional and useful embodiments of the present disclosure. They do not have to be combined in the specific examples given or in the order listed.
本明細書及び/又はクレームに記載された全ての特徴は、実施形態及び/又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。 All the features described in this specification and / or the claims, apart from the configuration of the features described in the embodiments and / or the claims, are individually disclosed as limitations on the original disclosure and the specific matters claimed. And are intended to be disclosed independently of each other. Further, all numerical ranges and group or group descriptions are intended to disclose intermediate configurations thereof as a limitation to the original disclosure and claimed subject matter.
(本制御因子)
本制御因子は、配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質又は当該タンパク質と機能的に同等なタンパク質である。
(This control factor)
This control factor is a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 or a protein functionally equivalent to the protein.
配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質である本制御因子は、名古屋大学保存系統であるL. boryana IAM-M101及びその変異株であるL. boryana IAM-M101 dg5、L. boryana sp.PCC6306において見出されている。なお、名古屋大学保存系統であるL. boryana IAM-M101及びその変異株であるL. boryana IAM-M101 dg5は、国立大学法人名古屋大学大学院生命農学研究科(日本国愛知県名古屋市千種区不老町1番)より分譲可能である。 This regulatory factor, which is a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, is L. boryana IAM-M101, which is a conserved strain of Nagoya University, and L. boryana IAM-M101 dg5, L. boryana sp. Found in PCC6306. In addition, L. boryana IAM-M101, which is a conserved strain of Nagoya University, and L. boryana IAM-M101 dg5, which is a mutant of the strain, are a part of the Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University It can be sold from No. 1).
本発明者らによれば、既に記載したように、本制御因子は、L. boryanaの窒素固定遺伝子群(クラスター)においてニトロゲナーゼを構成するタンパク質をコードする遺伝子の発現制御を担う転写因子である。そして、低酸素及び窒素枯渇条件下で特定プロモーターに作用して、その制御下にある遺伝子の発現を促進することができる。 According to the present inventors, as already described, this regulatory factor is a transcription factor responsible for controlling the expression of a gene encoding a protein constituting nitrogenase in a nitrogen-fixing gene group (cluster) of L. boryana. And it can act on a specific promoter under hypoxia and nitrogen depletion conditions to promote the expression of the gene under its control.
本制御因子としては、既に開示されているもののほか、配列番号2で表されるアミノ酸配列と一定の関係を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等であるタンパク質であってもよい。 In addition to those already disclosed, this regulator has an amino acid sequence having a certain relationship with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and is functional with a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2. It may be a protein equivalent to
かかる本制御因子の他の一態様としては、配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有していることが好ましく、より好ましくは55%以上であり、さらに好ましくは60%以上であり、より好ましくは65%以上の同一性を有しており、70%以上の同一性、好ましくは75%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは85%以上、一層好ましくは90%以上、より一層好ましくは95%以上、さらに一層好ましくは97%以上、さらに好ましくは98%以上、最も好ましくは99%以上の同一性のアミノ酸配列を有していることが好ましい。 As another aspect of the present control factor, it preferably has an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, more preferably 55% or more, More preferably 60% or more, more preferably 65% or more identity, 70% or more identity, preferably 75% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 85% or more. More preferably 90% or more, still more preferably 95% or more, still more preferably 97% or more, still more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more. preferable.
本制御因子の他の一態様は、さらに、配列番号2で表されるアミノ酸配列とアラインメントしたとき、当該アミノ酸配列の第9位〜第20位における第1のCysモチーフ(CxxCxxCxxxCP)及び第39位〜第45位における第2のCysモチーフ(CxxCx8CxxxC)のそれぞれのモチーフをこれらに対応する部位に備えているタンパク質であることが好ましい。これらのモチーフは、配列番号2で表されるアミノ酸配列のBLAST等を利用したホモログ検索により見出されている。 In another aspect of the present regulatory factor, when aligned with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, the first Cys motif (CxxCxxCxxxCP) and the 39th position at positions 9 to 20 of the amino acid sequence It is preferable that the protein is provided with the respective motifs of the second Cys motifs (CxxCx8CxxxC) at the 45th position at the corresponding sites. These motifs have been found by homolog search using BLAST of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2.
本制御因子の他の一態様は、さらに、配列番号2で表されるアミノ酸配列とアラインメントしたとき、当該アミノ酸配列の第485位〜第534位におけるDNA結合モチーフ(へリックス-ターン-ヘリックスモチーフ)を、これらに対応する部位に備えているタンパク質であることが好ましい。これらのモチーフは、配列番号2で表されるアミノ酸配列のBLAST等を利用したホモログ検索により見出されている。 In another aspect of the present regulatory factor, when aligned with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, a DNA binding motif (helix-turn-helix motif) at positions 485 to 534 of the amino acid sequence Is preferably a protein provided at a site corresponding to these. These motifs have been found by homolog search using BLAST of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2.
なお、本明細書において、アミノ酸配列又は塩基配列において「同一性」とは、比較される配列間において、各々の配列を構成するアミノ酸残基又は塩基の一致の程度の意味で用いられる。このとき、アミノ酸配列については、ギャップの存在及びアミノ酸の性質が考慮される(Wilbur, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 80:726-730 (1983))。同一性の計算には、市販のソフトであるBLAST(Altschul: J. Mol. Biol. 215:403-410 (1990))、FASTA(Peasron: Methods in Enzymology 183:63-69 (1990))等を用いることができる。「同一性」の数値はいずれも、当業者に公知の相同性検索プログラムを用いて算出される数値であればよく、例えば、全米バイオテクノロジー情報センター(NCBI)の相同性アルゴリズムBLAST(Basic local alignment search tool)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/においてデフォルト(初期設定)のパラメーターを用いることにより、算出することができる。 In the present specification, “identity” in an amino acid sequence or a base sequence is used to mean the degree of coincidence of amino acid residues or bases constituting each sequence between compared sequences. At this time, regarding the amino acid sequence, the existence of a gap and the nature of the amino acid are considered (Wilbur, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 80: 726-730 (1983)). For the calculation of identity, commercially available software such as BLAST (Altschul: J. Mol. Biol. 215: 403-410 (1990)), FASTA (Peasron: Methods in Enzymology 183: 63-69 (1990)) and the like are used. Can be used. Any numerical value of “identity” may be a numerical value calculated using a homology search program known to those skilled in the art. For example, the homology algorithm BLAST (Basic local alignment) of the National Center for Biotechnology Information (NCBI) search tool) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/, using default (initial setting) parameters.
配列番号2で表されるアミノ酸配列等に基づくと、以下のタンパク質が本制御因子の態様に含まれる。 Based on the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, etc., the following proteins are included in the embodiment of the present regulatory factor.
配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等とは、低酸素及び窒素枯渇条件下において、後述する特定プロモーターに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現を促進する機能を実質的に同程度維持することを意味している。機能的に同等か否かは、シアノバクテリア等において、比較対象となるタンパク質をコードする遺伝子及び特定プロモーターの制御下に適当なレポーター遺伝子等を発現可能に保持させて、低酸素及び窒素枯渇条件下における当該レポーター遺伝子の発現レベルを評価することなどによって決定できる。すなわち、当該レポーター遺伝子の発現レベルが低酸素及び窒素枯渇条件下において増強されているとき、その遺伝子がコードするタンパク質は、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等であると決定できる。 Functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 is the expression of a gene that is operably linked to the specific promoter described below under hypoxia and nitrogen depletion conditions This means that the function that promotes the maintenance of substantially the same level. Whether it is functionally equivalent or not is determined under conditions of hypoxia and nitrogen depletion in cyanobacteria and the like by allowing a gene encoding the protein to be compared and an appropriate reporter gene to be expressed under the control of a specific promoter. For example, by evaluating the expression level of the reporter gene. That is, when the expression level of the reporter gene is enhanced under hypoxia and nitrogen depletion conditions, the protein encoded by the gene is functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2. Can be determined.
また、本制御因子の他の一態様は、配列番号2で表されるアミノ酸配列において、1又は複数個のアミノ酸の挿入、置換、欠失及び付加されたアミノ酸配列を有して配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質をコードするものであってもよい。こうしたタンパク質は、例えば、1〜30個、好ましくは1〜20個、より好ましくは1〜10個、さらに好ましくは1〜5個、一層好ましくは1〜2個のアミノ酸の挿入、置換、欠失及び付加を備えることができる。これの置換は、保存的置換であることが好ましい。 Another aspect of the present regulatory factor is that the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 has an amino acid sequence in which one or more amino acids are inserted, substituted, deleted and added, and is represented by SEQ ID NO: 2. It may encode a protein functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented. Such proteins have, for example, 1 to 30, preferably 1 to 20, more preferably 1 to 10, more preferably 1 to 5, more preferably 1 to 2 amino acid insertions, substitutions and deletions. And additions can be provided. This substitution is preferably a conservative substitution.
ここで「保存的置換」とは、タンパク質の機能を実質的に改変しないように、1または複数個のアミノ酸残基を、別の化学的に類似したアミノ酸残基で置換えることを意味する。例えば、ある疎水性残基を別の疎水性残基によって置換する場合、ある極性残基を同じ電荷を有する別の極性残基によって置換する場合などが挙げられる。このような置換を行うことができる機能的に類似のアミノ酸は、アミノ酸毎に当該技術分野において公知である。具体例を挙げると、非極性(疎水性)アミノ酸としては、アラニン、バリン、イソロイシン、ロイシン、プロリン、トリプトファン、フェニルアラニン、メチオニンなどが挙げられる。極性(中性)アミノ酸としては、グリシン、セリン、スレオニン、チロシン、グルタミン、アスパラギン、システインなどが挙げられる。陽電荷をもつ(塩基性)アミノ酸としては、アルギニン、ヒスチジン、リジンなどが挙げられる。また、負電荷をもつ(酸性)アミノ酸としては、アスパラギン酸、グルタミン酸などが挙げられる。 As used herein, “conservative substitution” means substitution of one or more amino acid residues with another chemically similar amino acid residue so as not to substantially alter the function of the protein. For example, when a certain hydrophobic residue is substituted by another hydrophobic residue, a certain polar residue is substituted by another polar residue having the same charge, and the like. Functionally similar amino acids that can make such substitutions are known in the art for each amino acid. Specific examples include non-polar (hydrophobic) amino acids such as alanine, valine, isoleucine, leucine, proline, tryptophan, phenylalanine, and methionine. Examples of polar (neutral) amino acids include glycine, serine, threonine, tyrosine, glutamine, asparagine, and cysteine. Examples of positively charged (basic) amino acids include arginine, histidine, and lysine. Examples of negatively charged (acidic) amino acids include aspartic acid and glutamic acid.
さらに、本制御因子の他の一態様としては、配列番号2で表されるアミノ酸配列をコードするDNA若しくはその一部又はこれらと相補的な塩基配列を有するDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズする相補性を有するDNAによってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質であってもよい。 Furthermore, as another embodiment of the present regulatory factor, it hybridizes under stringent conditions with DNA encoding the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 or a part thereof, or DNA having a base sequence complementary thereto. And a protein functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2.
「ストリンジェントな条件下」とは、当業者が通常使用し得るハイブリダイゼーション緩衝液中で、温度が40℃〜70℃、好ましくは60℃〜65℃などで反応を行い、塩濃度が15〜300mmol/L、好ましくは15〜60mmol/Lなどの洗浄液中で洗浄する方法に従って行なうことができる。温度、塩濃度は使用するプローブの長さに応じて適宜調整することが可能である。さらに、ハイブリダイズしたものを洗浄するときの条件は、0.2または2×SSC、0.1%SDS、温度20℃〜68℃で行うことができる。ストリンジェント(high stringency)な条件にするかマイルド(low stringency)な条件にするかは、洗浄時の塩濃度または温度で差を設けることができる。塩濃度でハイブリダイズの差を設ける場合には、ストリンジェント洗浄バッファー(high stringency wash buffer)として0.2×SSC、0.1%SDS、マイルド洗浄バッファー(low stringency wash buffer)として2×SSC、0.1%SDSで行うことができる。また、温度でハイブリダイズの差を設ける場合には、ストリンジェントの場合は68℃、中等度(moderate stringency)の場合は42℃、マイルドの場合は室温(20℃〜25℃)でいずれの場合も0.2×SSC、0.1%SDSで行えばよい。 “Stringent conditions” means that the reaction is carried out at a temperature of 40 ° C. to 70 ° C., preferably 60 ° C. to 65 ° C. in a hybridization buffer that can be usually used by those skilled in the art. It can be carried out according to a method of washing in a washing solution such as 300 mmol / L, preferably 15 to 60 mmol / L. The temperature and salt concentration can be appropriately adjusted according to the length of the probe used. Furthermore, the conditions for washing the hybridized material can be 0.2 or 2 × SSC, 0.1% SDS, and a temperature of 20 ° C. to 68 ° C. Whether the conditions are stringent (high stringency) or mild (low stringency), there can be a difference depending on the salt concentration or temperature at the time of washing. When providing a difference in hybridization at the salt concentration, 0.2 × SSC, 0.1% SDS as a stringent wash buffer, 2 × SSC as a mild string wash buffer, This can be done with 0.1% SDS. In addition, in the case of providing the difference in hybridization by temperature, in the case of stringent, 68 ° C, in the case of moderate stringency, 42 ° C, in the case of mild, at any room temperature (20 ° C-25 ° C) May be performed with 0.2 × SSC and 0.1% SDS.
本制御因子の他の一態様は、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする塩基配列と一定の同一性を有する塩基配列からなるDNAによってコードされ、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等であるタンパク質であってもよい。かかる態様の本制御因子は、例えば、配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列からなるDNAによってコードされていることが好ましい。より好ましくは55%以上の同一性であり、さらに好ましくは60%以上の同一性であり、より好ましくは65%以上の同一性であり、さらに好ましくは70%以上、より好ましくは75%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは85%以上、一層好ましくは90%以上、より一層好ましくは95%以上、さらに一層好ましくは97%以上、さらに好ましくは98%以上、最も好ましくは99%以上の同一性を有していることが好ましい。 Another embodiment of the present regulatory factor is encoded by DNA consisting of a base sequence having a certain identity with the base sequence encoding the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and is represented by SEQ ID NO: 2 It may be a protein that is functionally equivalent to a protein comprising an amino acid sequence. The control factor of this embodiment is preferably encoded by, for example, a DNA comprising a base sequence having 50% or more identity with the base sequence represented by SEQ ID NO: 1. More preferably 55% or more identity, still more preferably 60% or more identity, more preferably 65% or more identity, still more preferably 70% or more, more preferably 75% or more, More preferably 80% or more, still more preferably 85% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more, still more preferably 97% or more, still more preferably 98% or more, and most preferably 99% or more. It is preferable that they have the same identity.
上記各種態様のタンパク質をコードする本遺伝子は、例えば、配列番号1等の配列に基づいて設計したプライマーを用いて、イネ科植物等から抽出したDNA、各種cDNAライブラリ又はゲノムDNAライブラリ等由来の核酸を鋳型としたPCR増幅を行うことにより、核酸断片として得ることができる。また、上記ライブラリ等由来の核酸を鋳型とし、本遺伝子の一部であるDNA断片をプローブとしてハイブリダイゼーションを行うことにより、核酸断片として得ることができる。あるいは本遺伝子は、化学合成法等の当技術分野で公知の各種の核酸配列合成法によって、核酸断片として合成してもよい。 The gene encoding the protein of the above various embodiments is, for example, a nucleic acid derived from DNA extracted from gramineous plants using primers designed based on the sequence of SEQ ID NO: 1 or the like, various cDNA libraries or genomic DNA libraries It can be obtained as a nucleic acid fragment by PCR amplification using as a template. Further, it can be obtained as a nucleic acid fragment by performing hybridization using a nucleic acid derived from the above library or the like as a template and a DNA fragment which is a part of this gene as a probe. Alternatively, this gene may be synthesized as a nucleic acid fragment by various nucleic acid sequence synthesis methods known in the art such as chemical synthesis methods.
また、上記各種態様のタンパク質をコードする本遺伝子は、例えば、配列番号2で表されるアミノ酸の配列をコードするDNA(たとえば、配列番号1で表される塩基配列からなる)を、慣用の突然変異誘発法、部位特異的変異法、エラープローンPCRを用いた分子進化的手法等によって改変することによって取得することができる。このような手法としては、Kunkel法又は Gapped duplex法等の公知手法又はこれに準ずる方法が挙げられ、例えば部位特異的突然変異誘発法を利用した変異導入用キット(例えばMutant-K(TAKARA社製)やMutant-G(TAKARA社製))などを用いて、あるいは、TAKARA社のLA PCR in vitro Mutagenesis シリーズキットを用いて変異が導入される。 In addition, the present gene encoding the protein of the above-described various embodiments may, for example, convert DNA encoding the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (for example, consisting of the base sequence represented by SEQ ID NO: 1) into a conventional sudden It can be obtained by modification by a mutagenesis method, a site-specific mutagenesis method, a molecular evolution method using error-prone PCR, or the like. As such a technique, a known technique such as the Kunkel method or the Gapped duplex method, or a similar method can be mentioned. For example, a mutation introduction kit using site-directed mutagenesis (for example, Mutant-K (manufactured by TAKARA) ), Mutant-G (manufactured by TAKARA)), or the like, or the LA PCR in vitro Mutagenesis series kit from TAKARA.
そのほか、当業者であれば、Molecular Cloning(Sambrook, J. et al., Molecular Cloning :a Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, 10 Skyline Drive Plainview, NY (1989))等を参照することにより、例えば、配列番号1又は2等の公知配列に基づいて、各種態様のタンパク質をコードする本遺伝子を取得することができる。 In addition, those skilled in the art should refer to Molecular Cloning (Sambrook, J. et al., Molecular Cloning: a Laboratory Manual 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, 10 Skyline Drive Plainview, NY (1989)). Thus, for example, based on a known sequence such as SEQ ID NO: 1 or 2, the present gene encoding proteins of various aspects can be obtained.
(形質転換体)
本明細書に開示される形質転換体(以下、単に本形質転換体ともいう。)は、本制御因子をコードする遺伝子(以下、単に本遺伝子ともいう。)の発現の活性化を備えている。
(Transformant)
The transformant disclosed in the present specification (hereinafter also simply referred to as the present transformant) has activation of the expression of a gene encoding the regulatory factor (hereinafter also simply referred to as the present gene). .
形質転換体のための宿主としては特に限定されないが、本制御因子が窒素固定を増強するものであること、同時に、低酸素及び窒素枯渇条件下で遺伝子の発現を促進するものであることから、非窒素固定生物であることが好ましい。また、本制御因子が、光合成と共存される窒素固定に関連していることから、光合成生物であることが好ましい。より好ましくは酸素発生型の光合成生物である。 Although the host for the transformant is not particularly limited, the present regulatory factor enhances nitrogen fixation, and at the same time promotes gene expression under hypoxia and nitrogen depletion conditions. A non-nitrogen-fixing organism is preferred. Moreover, since this control factor is related to nitrogen fixation coexisting with photosynthesis, it is preferably a photosynthetic organism. More preferred is an oxygen-generating photosynthesis organism.
本形質転換体の宿主としては、例えば、特に限定しないで、各種の原核生物及び真核生物が挙げられるが、好ましくは、シアノバクテリアなどの光合成原核生物が挙げられる。シアノバクテリアとしては、Anabaena sp. PCC 7120などの窒素固定シアノバクテリアであってもよいが、Synechocystis sp. PCC 6803やSynechococcus elongatus PCC 7942などの非窒素固定シアノバクテリアであることがより好ましい。 Examples of the host of the transformant include, but are not particularly limited to, various prokaryotes and eukaryotes, and preferably include photosynthetic prokaryotes such as cyanobacteria. The cyanobacteria may be nitrogen-fixed cyanobacteria such as Anabaena sp. PCC 7120, but more preferably non-nitrogen-fixed cyanobacteria such as Synechocystis sp. PCC 6803 and Synechococcus elongatus PCC 7942.
また、宿主としての真核生物としては、光合成性であり非窒素固定性を考慮すると、植物体であることが好ましい。植物としては、特に限定しないで、各種の単子葉及び双子葉植物体が挙げられる。典型的には、穀物、野菜及び果実などの作物となる植物体であることが好ましい。 Further, the eukaryote as the host is preferably a plant body in consideration of photosynthesis and non-nitrogen fixation. Examples of plants include, but are not limited to, various monocotyledonous and dicotyledonous plants. Typically, it is preferably a plant that is a crop such as cereals, vegetables and fruits.
植物細胞としては特に制限はなく、例えば、シロイヌナズナ、イネ、トウモロコシ、ジャガイモ、タバコなどの細胞が挙げられるが、好ましくは、双子葉植物であり、さらに好ましくはイネ科植物である。イネ科植物としては、イネ、コムギ、オオムギ、トウモロコシ、ソルガム等が挙げられる。また、植物細胞には、懸濁培養細胞等の培養細胞の他、プロトプラスト、カルスも含まれる。また、植物細胞には、苗条原基、多芽体、毛状根などのほか、葉の切片等の植物体中の細胞も含まれる。 The plant cell is not particularly limited, and examples thereof include cells of Arabidopsis, rice, corn, potato, tobacco, etc., preferably dicotyledonous plants, and more preferably grasses. Examples of gramineous plants include rice, wheat, barley, corn, sorghum and the like. In addition to cultured cells such as suspension cultured cells, plant cells include protoplasts and callus. Plant cells include shoot primordia, multi-buds, hairy roots and the like, as well as cells in plant bodies such as leaf sections.
本制御因子をコードする遺伝子は、各種態様の本制御因子をコードすることができる。遺伝子は、DNA又はRNAなどのポリヌクレオチドを介して本制御因子をコードする遺伝情報を塩基配列として有するものであればよい。概して、遺伝子はDNAで構築される。本遺伝子は、本制御因子をコードするものであればよく、cDNAのほか、ゲノムDNA等であってもよい。 The gene encoding this regulatory factor can encode the regulatory factor of various embodiments. The gene may be any gene as long as it has genetic information encoding the regulatory factor via a polynucleotide such as DNA or RNA. In general, genes are constructed of DNA. This gene only needs to encode this regulatory factor, and may be genomic DNA or the like in addition to cDNA.
本遺伝子の発現の活性化とは、本遺伝子が保有する遺伝子情報に基づくタンパク質としての本制御因子の合成が促進されることをいう。したがって、本遺伝子が宿主において本来的に合成されており本制御因子が本来的に合成される場合には、本制御因子の合成がさらに増大することを意味し、また、本遺伝子が宿主において本来的に合成されない場合には、本制御因子の合成が新たに付与されることを意味する。 Activation of the expression of this gene means that the synthesis of this regulatory factor as a protein based on the gene information possessed by this gene is promoted. Therefore, when this gene is originally synthesized in the host and this regulator is originally synthesized, it means that the synthesis of this regulator is further increased. If not synthesized, it means that the synthesis of this control factor is newly given.
本遺伝子の発現の活性化を備えるとは、概して、本遺伝子を発現可能とする発現カセットを、宿主染色体上あるいは宿主染色体外において保持されていることを意味している。いう。 The provision of activation of expression of this gene generally means that an expression cassette capable of expressing the gene is held on the host chromosome or outside the host chromosome. Say.
本形質転換体において、本遺伝子は、構成的に発現されるように保持されていてもよいし、何らかの要因によって誘導的に発現されるように保持されていてもよい。シアノバクテリアや植物体において、所望の遺伝子を構成的に発現させるためのプロモーターは当業者においては公知であり、当業者であれば、こうしたプロモーターの制御下に本遺伝子を連結することができる。また、本遺伝子を誘導的に発現させる場合において、当業者であれば、所望の誘導要因に応じてプロモーターを適宜選択することができる。 In the present transformant, the gene may be retained so as to be constitutively expressed, or may be retained so as to be inducibly expressed by some factor. Promoters for constitutively expressing a desired gene in cyanobacteria and plants are known to those skilled in the art, and those skilled in the art can link this gene under the control of such a promoter. Moreover, when this gene is expressed in an inductive manner, those skilled in the art can appropriately select a promoter according to a desired inducing factor.
例えば、シアノバクテリアでは、psbA2プロモーター、rbcプロモーター、cpcプロモーターや、E. coliの発現ベクターに由来するtrcプロモーターが挙げられる。 For example, in cyanobacteria, the psbA2 promoter, the rbc promoter, the cpc promoter, and the trc promoter derived from an E. coli expression vector can be mentioned.
また、植物体では、構成的に発現させるためのプロモーターとしては、例えば、カリフラワーモザイクウイルスの35Sプロモーター(Odell et al. 1985 Nature 313:810)、イネのアクチンプロモーター(Zhang et al.1991 Plant Cell 3:1155)、トウモロコシのユビキチンプロモーター(Cornejo et al. 1993 Plant Mol.Biol. 23:567)などが挙げられる。また、本遺伝子を、誘導的に発現させるためのプロモーターとしては、例えば糸状菌・細菌・ウイルスの感染や侵入、低温、高温、乾燥、紫外線の照射、特定の化合物の散布などの外因によって発現することが知られているプロモーターなどが挙げられる。このようなプロモーターとしては、例えば、イネキチナーゼ遺伝子のプロモーター(Xu et al. 1996 Plant Mol.Biol.30:387)やタバコのPRタンパク質遺伝子のプロモーター(Ohshima et al. 1990 Plant Cell 2:95)、イネの「lip19」遺伝子のプロモーター(Aguan et al. 1993 Mol.GenGenet. 240:1)、イネの「hsp80」遺伝子と「hsp72」遺伝子のプロモーター(Van Breusegem et al. 1994 Planta 193:57)、シロイヌナズナの「rab16」遺伝子のプロモーター(Nundy et al. 1990 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 87:1406)、パセリのカルコン合成酵素遺伝子のプロモーター(Schulze-Lefert et al. 1989 EMBO J. 8:651)、トウモロコシのアルコールデヒドロゲナーゼ遺伝子のプロモーター(Walker et al. 1987 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 84:6624)などが挙げられる。 Moreover, in a plant body, as a promoter for constitutive expression, for example, cauliflower mosaic virus 35S promoter (Odell et al. 1985 Nature 313: 810), rice actin promoter (Zhang et al. 1991 Plant Cell 3 : 1155), corn ubiquitin promoter (Cornejo et al. 1993 Plant Mol. Biol. 23: 567) and the like. In addition, promoters for inducibly expressing this gene are expressed by external factors such as infection and invasion of filamentous fungi, bacteria and viruses, low temperature, high temperature, drying, ultraviolet irradiation, and spraying of specific compounds. Examples of such promoters are known. Examples of such promoters include rice chitinase gene promoter (Xu et al. 1996 Plant Mol. Biol. 30: 387) and tobacco PR protein gene promoter (Ohshima et al. 1990 Plant Cell 2:95), Rice “lip19” promoter (Aguan et al. 1993 Mol.GenGenet. 240: 1), rice “hsp80” and “hsp72” promoters (Van Breusegem et al. 1994 Planta 193: 57), Arabidopsis Promoter of the “rab16” gene (Nundy et al. 1990 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 1406), Parsley chalcone synthase gene promoter (Schulze-Lefert et al. 1989 EMBO J. 8: 651) And the promoter of corn alcohol dehydrogenase gene (Walker et al. 1987 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84: 6624).
また、植物体で本制御因子を発現させる場合において、葉緑体において発現させることが好ましい。この場合、例えば、リボゾームRNAオペロンのrrnプロモーターを備えたpHK20(Kuroda and Maliga (2001) Nucleic Acids Res 24:970-975)などのプラスチド発現ベクターを、植物体の幼葉などの組織に対してパーティクルガンによって植物細胞に導入し、相同組換えを介して葉緑体DNAの特定部位に発現ベクターが挿入された形質転換体を得ることができる(Lu et al. (2013) PNAS E623-E632)。 Moreover, when expressing this control factor in a plant body, it is preferable to make it express in a chloroplast. In this case, for example, a plastid expression vector such as pHK20 (Kuroda and Maliga (2001) Nucleic Acids Res 24: 970-975) equipped with the rrn promoter of the ribosomal RNA operon is applied to tissues such as young leaves of plants. A transformant in which an expression vector is inserted into a specific site of chloroplast DNA can be obtained through homologous recombination by introduction into a plant cell by cancer (Lu et al. (2013) PNAS E623-E632).
本制御因子が本来的に由来する生物において本制御因子の発現を制御するプロモーターを用いることもできる。例えば、L. boryanaにおいて本制御因子は窒素枯渇条件において誘導的に発現されるため、本制御因子のコード領域の上流にある領域をプロモーター領域として利用してもよい。 A promoter that controls the expression of this regulatory factor in an organism from which this regulatory factor is originally derived can also be used. For example, in L. boryana, this regulatory factor is inducibly expressed under nitrogen depletion conditions, so a region upstream of the coding region of this regulatory factor may be used as the promoter region.
本形質転換体においては、本遺伝子を1又は2以上保持していてもよい。これらは同じプロモーターによって作動可能とされていてもよいし、異なるプロモーターによって作動可能とされていてもよい。 In the present transformant, one or more of this gene may be retained. These may be operable by the same promoter or may be operable by different promoters.
本形質転換体は、本遺伝子を発現可能に保持することで、本遺伝子の産物である本制御因子を用いて所望の遺伝子を発現させるための宿主(材料)として好適である。すなわち、本制御因子が作用するプロモーターの制御下に連結される外来性のあるいは内在性の遺伝子の発現カセットを本形質転換体に導入し保持させることで、当該遺伝子の発現を調節することが可能となる。特に、低酸素及び窒素枯渇条件下でこれらの遺伝子の発現を誘導し、促進することができる。 The present transformant is suitable as a host (material) for expressing a desired gene using the present regulatory factor, which is a product of the present gene, by retaining the present gene in an expressible manner. In other words, the expression of an exogenous or endogenous gene linked under the control of a promoter that acts on this regulator can be introduced and retained in this transformant to regulate the expression of that gene. It becomes. In particular, the expression of these genes can be induced and promoted under hypoxic and nitrogen depleted conditions.
本形質転換体は、さらに、本遺伝子の産物である本制御因子が作用可能な1又は2以上の遺伝子を発現可能に保持することができる。かかる形質転換体によれば、本制御因子が作用するプロモーターを介して当該プロモーターの制御下に連結された外来性のあるいは内在性の遺伝子の発現を調節することが可能となる。特に、低酸素及び窒素枯渇条件下でこれらの遺伝子の発現を誘導し、促進することができる。 The transformant can further retain one or more genes capable of acting on the control factor, which is a product of the gene, so that the gene can be expressed. According to such a transformant, it is possible to regulate the expression of an exogenous or endogenous gene linked under the control of the promoter via the promoter on which this control factor acts. In particular, the expression of these genes can be induced and promoted under hypoxic and nitrogen depleted conditions.
本制御因子が作用するプロモーター(調節領域)は、例えば、L. boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB-nifP遺伝子間領域1255 bp(配列番号5)に含まれている。2のプロモーターがこの領域に含まれており、互いに作用する向きが反対方向である。1つは、例えば、nifB遺伝子の上流側の1223bpの領域(配列番号6)であり、他の1つは、例えば、nifP遺伝子の上流側にある315bpの領域(配列番号7)である。 The promoter (regulatory region) on which this regulatory factor acts is included, for example, in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of L. boryana. Two promoters are included in this region, and the direction of mutual action is the opposite direction. One is, for example, a 1223 bp region (SEQ ID NO: 6) upstream of the nifB gene, and the other is a 315 bp region (SEQ ID NO: 7) upstream of the nifP gene, for example.
これらの遺伝子の上流領域を本制御因子が作用するプロモーターとして用いることで、低酸素及び窒素枯渇条件下でこれらプロモーターの制御下にある所望の遺伝子を発現させることができる。なお、本制御因子が作用するプロモーターは、上に示したプロモーターと機能的に同等であって、塩基の置換、欠失、挿入及び/又は付加等があってもよい。こうした改変プロモーターは、L. boryana以外のシアノバクテリア等の窒素固定遺伝子群からスクリーニングにより取得することができる。 By using the upstream region of these genes as a promoter to which this regulator acts, a desired gene under the control of these promoters can be expressed under hypoxia and nitrogen depletion conditions. The promoter on which this regulatory factor acts is functionally equivalent to the promoter shown above, and may include base substitution, deletion, insertion and / or addition. Such modified promoters can be obtained by screening from nitrogen-fixing genes such as cyanobacteria other than L. boryana.
こうしたプロモーターの制御下に連結される遺伝子は、特に限定されないが、既述のように窒素固定遺伝子とすることができる。窒素固定遺伝子としては、当業者であれば適宜選択できるが、例えば、シアノバクテリアにおける窒素固定遺伝子を利用できる。なかでも、L. boryanaについて本発明者らが見出している以下の遺伝子が挙げられる。これらの遺伝子はニトロゲナーゼの構成タンパク質及びニトロゲナーゼの活性に関わるタンパク質をコードしている。窒素固定を意図する場合には、これらのうち、少なくともnifD、nifK及びnifHを備えることが好ましい。より好ましくは、nifP、nifW及びnifZの各遺伝子から選択される1種又は2種以上を備えることが好ましい。さらに好ましくは、nifN、nifE及びnifBから選択される1種又は2種以上を備えることが好ましい。他に、nifX、nifS、nifU、nifV、nifT、fdxN、fdxH、fdxB、feoA、hesA、hesBから選択される1種又は2種以上を備えることが好ましい。 The gene linked under the control of such a promoter is not particularly limited, but can be a nitrogen-fixing gene as described above. The nitrogen-fixing gene can be appropriately selected by those skilled in the art. For example, a nitrogen-fixing gene in cyanobacteria can be used. Among these, the following genes found by the present inventors for L. boryana are mentioned. These genes encode nitrogenase constituent proteins and proteins involved in nitrogenase activity. When nitrogen fixation is intended, it is preferable to include at least nifD, nifK, and nifH among these. More preferably, it is preferable to include one or more selected from each gene of nifP, nifW and nifZ. More preferably, it is preferable to include one or more selected from nifN, nifE and nifB. In addition, it is preferable to include one or more selected from nifX, nifS, nifU, nifV, nifT, fdxN, fdxH, fdxB, feoA, hesA, and hesB.
本形質転換体は、さらに、chlRタンパク質をコードする遺伝子を発現可能に保持することができる。本発明者らによれば、かかる遺伝子は、L. boryanaにおいて構成的に発現され、かつ低酸素条件下でクロロフィル・ヘム・ビリン色素の生合成に関わる遺伝子の発現を誘導する。これらのタンパク質は、低酸素条件下での光合成や呼吸に関わると考えられ、低酸素及び窒素枯渇条件下での窒素固定のためのATP供給に寄与すると考えられる。L. BoryanaにおけるchlR遺伝子の塩基配列及び当該遺伝子によってコードされるアミノ酸配列は配列番号3及び配列番号4でそれぞれ表される。ChlR遺伝子の発現には、psbA2プロモーター、rbcプロモーター、cpcプロモーターや、E. coliの発現ベクターに由来するtrcプロモーター等を用いることができる。 The transformant can further retain a gene encoding a chlR protein so that the gene can be expressed. According to the inventors, such genes are constitutively expressed in L. boryana and induce the expression of genes involved in the biosynthesis of chlorophyll heme bilin pigments under hypoxic conditions. These proteins are thought to be involved in photosynthesis and respiration under hypoxic conditions, and are thought to contribute to ATP supply for nitrogen fixation under hypoxic and nitrogen depleting conditions. The base sequence of the chlR gene in L. Boryana and the amino acid sequence encoded by the gene are represented by SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4, respectively. For the expression of ChlR gene, psbA2 promoter, rbc promoter, cpc promoter, trc promoter derived from E. coli expression vector, and the like can be used.
なお、これらの各種遺伝子についても、それぞれ特定の配列番号で表されるアミノ酸配列と一定の関係を有し、当該アミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等のタンパク質をコードする遺伝子を用いることができる。 As for these various genes, genes that have a certain relationship with the amino acid sequence represented by the specific sequence number and that encode a protein functionally equivalent to the protein comprising the amino acid sequence can be used. .
以上のとおり、本形質転換体は、これらの本制御因子、さらには本制御因子に加えて窒素固定遺伝子などの所望の遺伝子を発現可能に保持することができる。これらの遺伝子の発現にあたって必要な要素、例えば、プロモーターやターミネーター等などの要素は必要に応じて適宜備えられる。 As described above, the present transformant can retain these regulatory factors, and in addition to the regulatory factors, a desired gene such as a nitrogen-fixing gene can be expressed. Elements necessary for the expression of these genes, for example, elements such as promoters and terminators are appropriately provided as necessary.
(形質転換ベクター及び形質転換体の製造)
かかる形質転換体は、本明細書に開示される形質転換ベクターを用いて宿主の種類に応じて当業者に公知の手法で作製されうる。本明細書に開示される形質転換ベクター(以下、単に、本形質転換ベクターともいう。)は、本制御因子をコードするポリヌクレオチドを含むことができる。本形質転換体ベクターは、宿主に窒素固定化能を付与するのに好適であるほか、低酸素及び窒素枯渇条件下で所望の遺伝子を付与するのに好適である。ポリヌクレオチドは、DNAであってもRNAであってもよいが、概してDNAであることが好ましい。
(Production of transformation vector and transformant)
Such a transformant can be prepared by a technique known to those skilled in the art depending on the type of host using the transformation vector disclosed in the present specification. The transformation vector disclosed herein (hereinafter also simply referred to as the present transformation vector) can contain a polynucleotide encoding the present regulatory factor. This transformant vector is suitable not only for conferring nitrogen fixing ability to a host but also for conferring a desired gene under hypoxia and nitrogen depletion conditions. The polynucleotide may be DNA or RNA, but is generally preferably DNA.
本形質転換ベクターは、本制御因子を発現するための発現カセットを備えることができる。本制御因子は、構成的発現のためのプロモーターの制御下にあってもよい。 The present transformation vector can comprise an expression cassette for expressing the present regulatory factor. This regulatory factor may be under the control of a promoter for constitutive expression.
本形質転換ベクターは、既に説明した1又は2以上の窒素固定遺伝子など所望の遺伝子を発現可能に備えていてもよい。これらの所望の遺伝子は、例えば、L. boryanaに内在するようなクラスター形態であるいは独立して、本制御因子が作用するプロモーターの制御下に備えられていてもよい。 The present transformation vector may be provided with a desired gene such as one or more nitrogen-fixing genes already described. These desired genes may be provided, for example, in the form of a cluster inherent in L. boryana or independently, under the control of a promoter on which this regulatory factor acts.
本制御因子を宿主において発現可能に備える本形質転換ベクターとともに、既に説明した1又は2以上の窒素固定遺伝子など所望の遺伝子を発現可能に備える形質転換ベクターをキットとして組み合わせることができる。この形質転換ベクターには、本制御因子が作用するプロモーターの制御下に1又は2以上の所望の遺伝子を備えることができる。 A transforming vector that can express a desired gene such as one or two or more nitrogen-fixed genes already described can be combined as a kit with the present transforming vector that can express the control factor in a host. This transformation vector can be provided with one or more desired genes under the control of a promoter on which this regulatory factor acts.
なお、窒素固定遺伝子以外の所望の遺伝子としては、例えば、各種の有用物質あるいは当該有用物質を生産するための1又は2以上の酵素をコードするものであってもよい。例えば、医薬成分として有用なタンパク質(例えばインターフェロン、インスリン、エリスロポエチン、ヒト成長ホルモン、各種サイトカイン)、試薬として有用なタンパク質(例えばDNA/RNAポリメラーゼ、プロテアーゼ、制限酵素)、蛍光タンパク質(例えばGFP、DsRed、フィコシアニン)、バイオプラスチック製造関連タンパク質(例えばポリヒドロキシアルカン酸(PHA)、ポリヒドロキシ酪酸(PHB)又はポリヒドロキシ吉草酸(PHV)合成酵素)、アミノ酸合成酵素、バイオ燃料関連合成酵素(例えばトリグリセリド、脂肪酸(ステアリン酸若しくはオレイン酸など)又は炭化水素(アルカン/アルケン)合成酵素、水素生産酵素)、抗菌活性物質合成酵素、機能性物質合成酵素(機能性物質としては、例えばγ-リノレン酸、ドコサヘキサエン酸(DHA)、エイコサペンタエン酸、β-カロテン、アスタキサンチンがある)などをコードする遺伝子が挙げられ、特に、バイオ燃料関連合成酵素遺伝子が好ましい。こうした有用物質等をコードする遺伝子は、GenBankなどの既存のデータベースに登録されている塩基配列又はアミノ酸配列の情報から設計したプライマー又はプローブを利用して、PCR法又はハイブリダイゼーション法などの公知の方法により取得することができる。 In addition, as a desired gene other than the nitrogen-fixing gene, for example, one or two or more enzymes for producing various useful substances or the useful substances may be encoded. For example, proteins useful as pharmaceutical ingredients (eg, interferon, insulin, erythropoietin, human growth hormone, various cytokines), proteins useful as reagents (eg, DNA / RNA polymerase, protease, restriction enzyme), fluorescent proteins (eg, GFP, DsRed, Phycocyanin), bioplastic production related proteins (eg polyhydroxyalkanoic acid (PHA), polyhydroxybutyric acid (PHB) or polyhydroxyvaleric acid (PHV) synthase), amino acid synthases, biofuel related synthases (eg triglycerides, fatty acids) (Such as stearic acid or oleic acid) or hydrocarbon (alkane / alkene) synthase, hydrogen producing enzyme), antibacterial active substance synthase, functional substance synthase (for example, γ-linolenic acid, docosahexaene Acid (DHA), eicosapentaenoic acid, β-carotene, and astaxanthin) and the like, and biofuel-related synthase genes are particularly preferable. A gene encoding such a useful substance is a known method such as a PCR method or a hybridization method using a primer or probe designed from information on the base sequence or amino acid sequence registered in an existing database such as GenBank. It can be obtained by.
なお、こうした所望の遺伝子は、必ずしも本制御因子が作用するプロモーターの制御下に備えられていなくてもよい。本形質転換ベクターにより宿主に窒素固定能が付与されて、効率的な生育又は増殖が可能な形態であれば、当該生育等に伴い、こうした有用物質を効率的に増産できるからである。 Such a desired gene does not necessarily have to be provided under the control of a promoter on which this regulatory factor acts. This is because, if the transformation vector imparts a nitrogen fixing ability to the host and allows efficient growth or proliferation, the production of such useful substances can be efficiently increased along with the growth.
形質転換ベクターは、宿主の種類等に応じて、概して、1つ以上のエンハンサー若しくはサイレンサー、オペレーター、プロモーター、ターミネーター、ポリアデニル化シグナル、1つ以上の薬剤耐性遺伝子、外来遺伝子を挿入するためのクローニング部位などを含むことができる。 A transformation vector is generally a cloning site for inserting one or more enhancers or silencers, operators, promoters, terminators, polyadenylation signals, one or more drug resistance genes, foreign genes, depending on the type of host, etc. Etc. can be included.
薬剤耐性遺伝子としては、以下に限定されるものではないが、クロラムフェニコール耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子、ハイグロマイシン耐性遺伝子、カナマイシン耐性遺伝子、アンピシリン耐性遺伝子、スペクチノマイシン耐性遺伝子などが挙げられる。 Examples of drug resistance genes include, but are not limited to, chloramphenicol resistance gene, neomycin resistance gene, hygromycin resistance gene, kanamycin resistance gene, ampicillin resistance gene, spectinomycin resistance gene and the like.
形質転換ベクターは、特にその形態を特定しないで、各種形態を採ることができる。DNA断片であってもよいが、典型的にはプラスミドベクターであるが、例えば、ウイルスベクターなどの非プラスミドベクターも使用できる。また好ましくは、形質転換ベクターは、複数の宿主細胞に適合させるためのシャトルベクターである。例えば、大腸菌及びシアノバクテリアのいずれの細胞にも導入可能であり、これらの宿主細胞中で外来遺伝子を発現し得るベクターが挙げられる。このようなシャトルベクターは大腸菌を用いて大量に複製することが可能である。 The transformation vector can take various forms without particularly specifying the form. Although it may be a DNA fragment, it is typically a plasmid vector, but for example, non-plasmid vectors such as viral vectors can also be used. Also preferably, the transformation vector is a shuttle vector for adapting to a plurality of host cells. For example, vectors that can be introduced into any cell of E. coli and cyanobacteria and can express foreign genes in these host cells can be mentioned. Such shuttle vectors can be replicated in large quantities using E. coli.
形質転換ベクターをシアノバクテリアに適用する場合、シアノバクテリアで高効率に遺伝子を発現させ得る限り、母体となるベクターの由来は特に限定されない。例えば、シアノバクテリアで使用されるベクターであるpVZ321(Zinchenko VV, Piven IV, Melnik VA, Shestakov SV (1999) Genetika 35:291-296)、pMB1(Kreps S, Ferino F, Mosrin C, Gerits J, Mergeay M, Thuriaux P (1990) Mol. Gen. Genet. 221:129-133)、RSF1010(Meyer R (2009) Plasmid 62:57-70)などの公知のベクターを利用することができる。 When the transformation vector is applied to cyanobacteria, the origin of the parent vector is not particularly limited as long as the gene can be expressed efficiently in cyanobacteria. For example, vectors used in cyanobacteria, pVZ321 (Zinchenko VV, Piven IV, Melnik VA, Shestakov SV (1999) Genetika 35: 291-296), pMB1 (Kreps S, Ferino F, Mosrin C, Gerits J, Mergeay) Known vectors such as M, Thuriaux P (1990) Mol. Gen. Genet. 221: 129-133) and RSF1010 (Meyer R (2009) Plasmid 62: 57-70) can be used.
また、形質転換ベクターを植物体に適用する場合、例えば、プラスミドpBI121、pBI221、pBI101(いずれもClontech社製)などを利用することができる。 When the transformation vector is applied to a plant body, for example, plasmids pBI121, pBI221, pBI101 (all of which are manufactured by Clontech) can be used.
宿主に対して本形質転換ベクターを用いて、宿主に応じた公知の形質転換法を用いることで、本形質転換体を得ることができる。シアノバクテリアの形質転換法としては、例えば、自然形質転換法及びエレクトロポレーション法を使用することができる。また、接合伝達法を用いることができる。自然形質転換法とは、シアノバクテリアと形質転換体ベクターとを混合するだけで遺伝子導入が可能な方法である。エレクトロポレーション法とは、シアノバクテリアと形質転換体ベクターの混合溶液に電気パルスをかけることで、遺伝子導入を行う方法である。接合伝達法とは、導入したい遺伝子を挿入したプラスミドを大腸菌に形質転換した後、その大腸菌とシアノバクテリアを混合し遺伝子導入を行う方法である。これらの方法は、当業者であれば適宜実施することができる。また、形質転換体を選択するには、形質転換ベクターに保持させた薬剤耐性遺伝子等を用いることができる。 This transformant can be obtained by using this transformation vector for a host and using a known transformation method according to the host. As a transformation method of cyanobacteria, for example, natural transformation method and electroporation method can be used. Further, a junction transmission method can be used. The natural transformation method is a method in which gene introduction is possible only by mixing cyanobacteria and a transformant vector. The electroporation method is a method for introducing a gene by applying an electric pulse to a mixed solution of cyanobacteria and a transformant vector. The conjugation transfer method is a method in which a plasmid into which a gene to be introduced is inserted is transformed into E. coli, and then the E. coli and cyanobacteria are mixed to introduce the gene. Those skilled in the art can appropriately implement these methods. Moreover, in order to select a transformant, the drug resistance gene etc. which were hold | maintained at the transformation vector can be used.
植物体(植物細胞、植物組織、葉緑体等)へのベクターの導入は、ポリエチレングリコール法、電気穿孔法(エレクトロポーレーション)、アグロバクテリウムを介する方法、パーティクルガン法など当業者に公知の種々の方法を用いることができる。例えば、ポリエチレングリコールによるプロトプラストへ遺伝子導入(Datta,S.K. (1995) In Gene Transfer To Plants(Potrykus I and Spangenberg Eds.) pp66-74)、電気パルスによるプロトプラストへ遺伝子導入(Toki et al. (1992) Plant Physiol. 100, 1503-1507)、パーティクルガン法により細胞へ遺伝子を直接導入(Christou et al. (1991) Bio/technology, 9: 957-962.)およびアグロバクテリウムを介して遺伝子を導入(Hiei et al. (1994) Plant J. 6: 271-282.)等の各種方法が挙げられる。また、転換植物細胞からの植物体の再生は、植物細胞の種類に応じて当業者に公知の方法で行うことが可能である(Toki et al. (1995) Plant Physiol. 100:1503-1507参照)。例えば、イネであればFujimuraら(Plant Tissue Culture Lett. 2:74 (1995))の方法が挙げられ、トウモロコシであればShillitoら(Bio/Technology 7:581 (1989))の方法やGorden-Kammら(Plant Cell 2:603(1990))が挙げられ、ジャガイモであればVisserら(Theor.Appl.Genet 78:594 (1989))の方法が挙げられ、タバコであればNagataとTakebe(Planta 99:12(1971))の方法が挙げられ、シロイヌナズナであればAkamaら(Plant Cell Reports12:7-11 (1992))の方法が挙げられる。 Introduction of a vector into a plant body (plant cell, plant tissue, chloroplast, etc.) is known to those skilled in the art such as polyethylene glycol method, electroporation method (electroporation), Agrobacterium-mediated method, particle gun method, etc. Various methods can be used. For example, gene transfer to protoplasts using polyethylene glycol (Datta, SK (1995) In Gene Transfer To Plants (Potrykus I and Spangenberg Eds.) Pp66-74), gene transfer to protoplasts using electric pulses (Toki et al. (1992) Plant Physiol. 100, 1503-1507), gene transfer directly into cells by particle gun method (Christou et al. (1991) Bio / technology, 9: 957-962.) And gene transfer via Agrobacterium (Hiei et al. (1994) Plant J. 6: 271-282.). In addition, regeneration of plant bodies from converted plant cells can be performed by methods known to those skilled in the art depending on the type of plant cells (see Toki et al. (1995) Plant Physiol. 100: 1503-1507). ). For example, the method of Fujimura et al. (Plant Tissue Culture Lett. 2:74 (1995)) can be cited for rice, and the method of Shillito et al. (Bio / Technology 7: 581 (1989)) or Gorden-Kamm for maize. (Plant Cell 2: 603 (1990)), for potatoes the method of Visser et al. (Theor.Appl.Genet 78: 594 (1989)), for tobacco, Nagata and Takebe (Planta 99 : 12 (1971)), and for Arabidopsis, the method of Akama et al. (Plant Cell Reports 12: 7-11 (1992)) is used.
形質転換植物細胞からの植物体の再生は、植物細胞の種類に応じて当業者に公知の方法で行うことが可能である(Toki et al. (1995) Plant Physiol. 100:1503-1507参照)。例えば、イネにおいては、形質転換植物体を作出する手法については、ポリエチレングリコールによりプロトプラストへ遺伝子導入し、植物体(インド型イネ品種が適している)を再生させる方法(Datta,S.K. (1995) In Gene Transfer To Plants(Potrykus I and Spangenberg Eds.) pp66-74)、電気パルスによりプロトプラストへ遺伝子導入し、植物体(日本型イネ品種が適している)を再生させる方法(Toki et al. (1992) Plant Physiol. 100, 1503-1507)、パーティクルガン法により細胞へ遺伝子を直接導入し、植物体を再生させる方法(Christou et al. (1991) Bio/technology, 9: 957-962.)およびアグロバクテリウムを介して遺伝子を導入し、植物体を再生させる方法(Hiei et al. (1994) Plant J. 6: 271-282.)など、いくつかの技術が既に確立し、本願発明の技術分野において広く用いられている。本発明においては、これらの方法を好適に用いることができる。 Regeneration of the plant body from the transformed plant cell can be performed by a method known to those skilled in the art depending on the type of plant cell (see Toki et al. (1995) Plant Physiol. 100: 1503-1507). . For example, in rice, a method for producing a transformed plant is a method of regenerating a plant (indian rice varieties are suitable) by introducing a gene into protoplasts using polyethylene glycol (Datta, SK (1995) In Gene Transfer To Plants (Potrykus I and Spangenberg Eds.) Pp66-74), Gene transfer to protoplasts by electric pulses to regenerate plants (Japanese rice varieties are suitable) (Toki et al. (1992) Plant Physiol. 100, 1503-1507), a method of directly introducing a gene into a cell by the particle gun method to regenerate a plant body (Christou et al. (1991) Bio / technology, 9: 957-962.) And Agrobacterium Some technologies have already been established, such as a method for introducing a gene via a um and regenerating a plant (Hiei et al. (1994) Plant J. 6: 271-282.). Widely used. In the present invention, these methods can be suitably used.
ゲノム上に本遺伝子が組み込まれた形質転換植物体が得られれば、該植物体から有性生殖または無性生殖により子孫を得ることが可能である。また、該植物体やその子孫あるいはクローンから繁殖材料(例えば、種子、果実、切穂、塊茎、塊根、株、カルス、プロトプラスト等)を得て、それらを基に該植物体を量産することも可能である。本明細書の開示には、既に説明した(1)本遺伝子が導入された植物細胞、(2)該細胞を含む植物体のほか、(3)該植物体の子孫およびクローン、並びに(4)該植物体、その子孫、およびクローンの繁殖材料が含まれる。 If a transformed plant in which the present gene is integrated on the genome is obtained, offspring can be obtained from the plant by sexual reproduction or asexual reproduction. It is also possible to obtain a propagation material (for example, seeds, fruits, cuttings, tubers, tuberous roots, strains, callus, protoplasts, etc.) from the plant body, its descendants or clones, and mass-produce the plant body based on them. Is possible. The disclosure of the present specification includes (1) a plant cell into which the present gene has been introduced, (2) a plant containing the cell, (3) progeny and clones of the plant, and (4) The plant body, its progeny, and clonal propagation material are included.
(窒素固定を利用して有用物質を生産する方法)
本明細書に開示される窒素固定を利用して有用物質を生産する方法は、本形質転換体に窒素を固定させて、本形質転換体を生育又は増殖させて有用物質を生産する工程、を備えることができる。本生産方法によれば、生物窒素固定を利用して窒素肥料の利用を低減又は回避して、効率的に、しかも環境汚染や温暖化への影響を抑制しつつ有用物質を生産できる。
(Method of producing useful substances using nitrogen fixation)
The method for producing a useful substance using nitrogen fixation disclosed in the present specification includes the step of fixing nitrogen to the transformant and growing or proliferating the transformant to produce a useful substance. Can be provided. According to this production method, the use of biological nitrogen can be used to reduce or avoid the use of nitrogen fertilizer, and to produce useful substances efficiently while suppressing the influence on environmental pollution and global warming.
本形質転換体は、必要な窒素固定遺伝子を備えて、本制御因子が作用するプロモーターの制御下に窒素固定遺伝子を発現できるようになっていることが好ましい。形質転換体は、光合成生物であることが好適である。光合成生物であると太陽エネルギーを利用できるからである。 It is preferable that the present transformant is provided with a necessary nitrogen-fixing gene so that the nitrogen-fixing gene can be expressed under the control of a promoter on which this regulatory factor acts. The transformant is preferably a photosynthetic organism. This is because solar energy can be used for photosynthetic organisms.
本形質転換体の生育又は増殖条件は特に限定しないで、宿主の種類に応じた条件を採用できる。地球上の自然の24時間周期条件下で生育等してもよいし、人工的な条件であってもよい。窒素固定を増強するには、低酸素及び窒素枯渇条件による生育工程を含めることが好ましい。低酸素及び窒素枯渇条件下での生育工程は特に限定しないが、1日あたり12時間〜24時間程度とすることができる。低酸素及び窒素枯渇条件は、人工的に付与することができるほか、植物体の部位や生育環境等によっては人工的に付与しなくても生じる場合がある。したがって、地球上の自然の24時間周期条件で生育しても部分的には低酸素及び窒素枯渇条件下での生育工程が成立する。例えば、植物体の維管束鞘細胞のような組織深部の細胞においては、低酸素及び窒素枯渇条件となる場合がある。植物深部の組織においては光合成を行わない夜間において低酸素条件となり、施肥などがなされない状況で成育させることで恒常的な窒素枯渇条件となるからである。 The growth or proliferation conditions of the transformant are not particularly limited, and conditions according to the type of host can be adopted. It may grow under natural 24-hour periodic conditions on the earth, or may be artificial conditions. In order to enhance nitrogen fixation, it is preferable to include a growth step with hypoxia and nitrogen depletion conditions. The growth process under low oxygen and nitrogen depletion conditions is not particularly limited, but can be about 12 to 24 hours per day. The hypoxia and nitrogen depletion conditions can be artificially imparted, and may occur without being artificially imparted depending on the plant part, the growth environment, and the like. Therefore, even if it grows on the natural 24-hour periodic condition on the earth, the growth process is partially established under conditions of low oxygen and nitrogen depletion. For example, a deep tissue cell such as a vascular sheath cell of a plant may be in a condition of hypoxia and nitrogen depletion. This is because the tissue in the deep part of the plant is in a hypoxic condition at night when photosynthesis is not performed, and is grown under conditions where fertilization is not performed, resulting in a constant nitrogen depletion condition.
本形質転換体の窒素固定能を増強し生育等させることで、効率的な生育が可能となり、本形質転換体が有用物質を生産する場合、有用物資を効率的に生産することができる。有用物質は、形質転換体の宿主において本来的に生産されるもののほか、遺伝的改変によって生産されるものが含まれる。 By enhancing and growing the nitrogen fixing ability of the transformant, efficient growth becomes possible. When the transformant produces a useful substance, a useful substance can be efficiently produced. Useful substances include those produced by genetic modification in addition to those originally produced in the transformant host.
(窒素固定を利用して生物体を生産する方法)
本明細書に開示される窒素固定を利用して生物体を生産する方法は、前記生物体としての本形質転換体に窒素を固定させて、形質転換体を生育又は増殖させる工程、を備えることができる。本生産方法によれば、生物窒素固定を利用して窒素肥料の利用を低減又は回避して、効率的に、しかも環境汚染や温暖化への影響を抑制しつつ生物体を生産できる。本形質転換体が、シアノバクテリアや植物体であるとき、それ自体が有用である場合には、栄養源や有用作物を効率的に増産できるので有用である、また、これらのシアノバクテリアや植物体が有用物質を生産する場合であっても抽出後の残部の生物体も有用である。
(Method of producing organisms using nitrogen fixation)
The method for producing an organism using nitrogen fixation disclosed in the present specification comprises a step of growing or growing the transformant by fixing nitrogen to the transformant as the organism. Can do. According to this production method, biological nitrogen fixation can be used to reduce or avoid the use of nitrogen fertilizer, and to efficiently produce a living organism while suppressing the influence on environmental pollution and global warming. When the transformant is cyanobacteria or a plant, it is useful because it can effectively increase the production of nutrient sources and useful crops. Also, these cyanobacteria and plants are useful. Even when producing useful substances, the remaining organisms after extraction are also useful.
本生産方法においても、本形質転換体の生育又は増殖条件は特に限定しないで、宿主の種類に応じた条件を採用できる。地球上の自然の24時間周期条件下で生育等してもよいし、人工的な条件であってもよい。窒素固定を増強するには、有用物質の生産方法と同様、低酸素及び窒素枯渇条件による生育工程を含めることが好ましい。 Also in this production method, the growth or proliferation conditions of the transformant are not particularly limited, and conditions according to the type of host can be employed. It may grow under natural 24-hour periodic conditions on the earth, or may be artificial conditions. In order to enhance nitrogen fixation, it is preferable to include a growth step under conditions of low oxygen and nitrogen depletion, as in the production method of useful substances.
本明細書の開示によれば、低酸素及び窒素枯渇条件下で作動可能な転写制御因子のスクリーニング方法が提供される。本スクリーニング方法は、
以下の(b)、(c)及び(e):
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と50%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1又は複数個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と50%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、配列番号2で表されるアミノ酸配列からなるタンパク質と機能的に同等なタンパク質から選択される1種又は2種以上の被験タンパク質をコードする遺伝子で形質転換された非窒素固定生物体における低酸素及び窒素枯渇条件下での前記被験タンパク質による1又は2以上のレポーター遺伝子の発現増強を評価する工程、を備えることができる。
According to the disclosure of the present specification, a screening method for transcriptional regulators operable under hypoxia and nitrogen depletion conditions is provided. This screening method
The following (b), (c) and (e):
(B) a protein having an amino acid sequence having 50% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 and functionally equivalent to a protein comprising the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (c) The amino acid sequence represented by No. 2 has an amino acid sequence having substitution, deletion, insertion or addition of one or more amino acids, and is functionally equivalent to the protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID No. 2. Protein (e) is a protein encoded by a base sequence having 50% or more identity with the base sequence represented by SEQ ID NO: 1, and is functionally equivalent to a protein consisting of the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 Hypoxia and nitrogen depletion in non-nitrogen-fixed organisms transformed with a gene encoding one or more test proteins selected from various proteins Wherein the step of assessing the enhanced expression of one or more reporter gene by the test protein under conditions, can be provided with.
本スクリーニング方法によれば、低酸素及び窒素枯渇条件下で作動可能な転写制御因子であるタンパク質をスクリーニングできる。この制御因子は、低酸素及び窒素枯渇条件下で転写を制御(促進)することができるほか、窒素固定に有用である。 According to this screening method, a protein that is a transcriptional regulatory factor that can operate under hypoxia and nitrogen depletion conditions can be screened. This regulator can regulate (promote) transcription under hypoxia and nitrogen depletion conditions, and is useful for nitrogen fixation.
発現増強を評価するためのレポーター遺伝子としては、ルシフェラーゼ等、当業者に公知のレポーター遺伝子を適宜選択して用いることができる。非窒素生物固定生物体としては、シアノバクテリアや植物体等、特に限定しないで用いることができる。レポーター遺伝子を制御可能に連結するプロモーターとしては、既に説明したL. boryanaで見出されたプロモーターを利用できる。なお、このスクリーニング方法に準じて、予め低酸素及び窒素枯渇条件下で作用する転写制御因子を用いて、種々の塩基配列を被験塩基配列としてのプロモーターとして用いて、低酸素及び窒素枯渇条件下でのレポーター遺伝子の発現増強を評価することで、特定の転写制御因子が作用するプロモーターをスクリーニングできる。 As a reporter gene for evaluating expression enhancement, a reporter gene known to those skilled in the art such as luciferase can be appropriately selected and used. Non-nitrogen biofixed organisms can be used without particular limitation, such as cyanobacteria and plants. The promoter found in L. boryana already described can be used as the promoter for operably linking the reporter gene. In accordance with this screening method, transcription regulators that act under hypoxia and nitrogen depletion conditions in advance, various base sequences as promoters as test base sequences, under hypoxia and nitrogen depletion conditions By evaluating the enhanced expression of the reporter gene, it is possible to screen for a promoter that acts on a specific transcriptional regulatory factor.
以下、本開示を具現化した具体例について説明するが、以下の具体例は本開示を限定するものではない。 Hereinafter, specific examples embodying the present disclosure will be described, but the following specific examples do not limit the present disclosure.
本実施例では、L. boryanaの窒素固定遺伝子群の塩基配列を決定した。 In this example, the base sequence of the nitrogen-fixing gene group of L. boryana was determined.
(使用したシアノバクテリアの菌株と培養条件)
実験には嫌気条件下で窒素固定を行う糸状性シアノバクテリアLeptolyngbya boryana (旧名Plectonema boryanum) と窒素固定能をもたない単細胞性シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803 (Syn. 6803) を用いた。L. boryanaについては、完全暗所での従属栄養的生育能の高いdg5株を野生型として用いた。両株の培養にはBG-11培地 (Rippka et al. 1979, J Gen Microbiol 111: 1-61) を用いた。寒天培地は1.5% (w/v)の寒天 (BactoAgar, Difco)を加えて調製した。BG-11培地のpHはL. boryanaが7.5、Syn. 6803が8.2となるように20 mM HEPES-KOHにより調整した。通常の継代培養には窒素源として10 mM KNO3を含む培地(以下硝酸培地とする)を用いたが、窒素固定誘導処理の際には硝酸などの窒素化合物を含まない培地(以下無窒素培地とする)を用いた。嫌気条件下での培養は嫌気パック(酸素消費剤) (Gas Generating Kit Anaerobic System, Oxioid, Basingstoke, Hants, UK) を入れた嫌気ジャー (BBL GasPak anaerobic systems, BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ) の中で行った (Aoki et al. 2012, J Biol Chem 287:13500-13507)。
(Cyanobacterial strains used and culture conditions)
In the experiment, a filamentous cyanobacterium Leptolyngbya boryana (formerly Plectonema boryanum) that fixes nitrogen under anaerobic conditions and a unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (Syn. 6803) that does not have nitrogen fixing ability were used. For L. boryana, the dg5 strain having high heterotrophic growth ability in a completely dark place was used as a wild type. BG-11 medium (Rippka et al. 1979, J Gen Microbiol 111: 1-61) was used for culture of both strains. The agar medium was prepared by adding 1.5% (w / v) agar (BactoAgar, Difco). The pH of the BG-11 medium was adjusted with 20 mM HEPES-KOH so that L. boryana was 7.5 and Syn. 6803 was 8.2. For normal subculture, a medium containing 10 mM KNO 3 (hereinafter referred to as nitric acid medium) was used as a nitrogen source, but a medium not containing nitrogen compounds such as nitric acid (hereinafter referred to as nitrogen-free) was used during the nitrogen fixation induction treatment. Medium). Cultivation under anaerobic conditions is in an anaerobic jar (BBL GasPak anaerobic systems, BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ) with an anaerobic pack (oxygen consuming agent) (Gas Generating Kit Anaerobic System, Oxioid, Basingstoke, Hants, UK) (Aoki et al. 2012, J Biol Chem 287: 13500-13507).
(L. boryanaゲノムDNAの抽出と遺伝子ウォーキング)
L.boryanaのゲノムDNAはWillamsの方法にて行った(Williams 1988, Methods Enzymol., eds Packer L & Glazer AN, Academic Press, vol 167: 766-778)。Fujitaらが既に報告していたnifUHD遺伝子 (Fujita et al. 1991, Plant Cell Physiol 32: 1093-1106) から両方向に向かって連続したinverse PCRによる遺伝子ウォーキングを行った。L. boryanaのゲノムDNA 230 ngをBglII、EcoRI、HindIIIまたはXbaIで完全に消化した。熱処理によって制限酵素を失活させた後にエタノール沈殿によってDNAを回収し、15 μlの蒸留水に溶解した。これらのDNA断片をDNA Ligation Kit (Mighty Mix; Takara, Kyoto, Japan) によって環状化してinverse PCRの鋳型とした。inverse PCRで断片が増幅されなかった場合には縮重プライマーによるゲノムPCRで未知領域の増幅を行った。増幅はnested PCRによって行い、酵素はKOD FX Neo polymerase (TOYOBO, Osaka, Japan) を用いた。増幅された断片は Wizard SV Gel and PCR Clean-UP System (Promega, Madison, WI, USA) によって精製し、ABI3100 sequencer (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA)を用いて塩基配列を決定した。各PCRに用いたプライマーと増幅した領域を図8A〜8Cに示した。塩基配列を決定した50 kb領域の遺伝子配置を図1に、各遺伝子の詳細を図9A〜9Bに示す。
(L. boryana genomic DNA extraction and gene walking)
The genomic DNA of L. boryana was performed by the method of Willams (Williams 1988, Methods Enzymol., Eds Packer L & Glazer AN, Academic Press, vol 167: 766-778). The gene walking by the inverse PCR which continued in both directions from the nifUHD gene (Fujita et al. 1991, Plant Cell Physiol 32: 1093-1106) which had already been reported by Fujita et al. 230 ng of genomic DNA of L. boryana was completely digested with BglII, EcoRI, HindIII or XbaI. After inactivating the restriction enzyme by heat treatment, DNA was collected by ethanol precipitation and dissolved in 15 μl of distilled water. These DNA fragments were circularized with a DNA Ligation Kit (Mighty Mix; Takara, Kyoto, Japan) and used as templates for inverse PCR. When the fragment was not amplified by inverse PCR, the unknown region was amplified by genomic PCR using degenerate primers. Amplification was performed by nested PCR, and the enzyme was KOD FX Neo polymerase (TOYOBO, Osaka, Japan). The amplified fragment was purified by Wizard SV Gel and PCR Clean-UP System (Promega, Madison, Wis., USA), and the nucleotide sequence was determined using ABI3100 sequencer (Applied Biosystems, Foster City, CA, USA). The primers used for each PCR and the amplified region are shown in FIGS. The gene arrangement of the 50 kb region for which the base sequence was determined is shown in FIG. 1, and details of each gene are shown in FIGS. 9A to 9B.
なお、図8A〜8C中の注記を以下に示す。
1断片番号。番号はnifUHD断片を0としてその上流側方向をU、下流側方向をDとして順次番号を振った。
2次のDNA断片を得るために用いた方法。inverse PCR(インバースPCR)もしくはdegenerate PCR(縮重プライマーによるPCR。For inverse PCR)。インバースPCRにおいて用いた制限酵素を括弧内に示す。制限酵素のスター活性によって断片が得られたと推察される場合には*を付した。
3インバースPCRで得られた断片の長さではなく、制限酵素処理によって得られる断片の長さを示した。
4nif遺伝子クラスターのすぐ外側の2つの遺伝子を**で示す。
5非特異的増幅を低減するために連続する2回の入れ子PCR(nested PCR)を行った。
6U6断片の配列は、2.4-kb EcoRI断片の塩基配列としてすでに報告されている (Schrautemeimer et al, 1994, J Bacteriol 176: 1037-1046).
7U2断片は、ゲノムDNAを鋳型とするPCRで得られた。この時用いたプライマー7425nifE-r1 と 7425nifE-r2はCyanothece sp. PCC 7425の既知のnifE配列をもとに設計した。
Note that the notes in FIGS. 8A to 8C are shown below.
1 fragment number. Numbers were numbered sequentially with nifUHD fragment set to 0, U in the upstream direction, and D in the downstream direction.
The methods used to obtain second-order DNA fragments. Inverse PCR (inverse PCR) or degenerate PCR (PCR with degenerate primers. For inverse PCR). Restriction enzymes used in inverse PCR are shown in parentheses. An asterisk (*) was added when it was assumed that the fragment was obtained by the star activity of the restriction enzyme.
The length of the fragment obtained by the restriction enzyme treatment was shown, not the length of the fragment obtained by 3 inverse PCR.
4 The two genes just outside the nif gene cluster are marked with **.
5 Two consecutive nested PCRs were performed to reduce non-specific amplification.
The sequence of 6 U6 fragment has already been reported as the base sequence of the 2.4-kb EcoRI fragment (Schrautemeimer et al, 1994, J Bacteriol 176: 1037-1046).
The 7 U2 fragment was obtained by PCR using genomic DNA as a template. Primers 7425nifE-r1 and 7425nifE-r2 used at this time were designed based on the known nifE sequence of Cyanothece sp. PCC 7425.
また、図9A〜9B中の注記を以下に示す。
1 遺伝子名は、最も高いスコアを示した遺伝子の名前で示す。機能未知の推定遺伝子の遺伝子名は暫定的にorfNとしN はアミノ酸残基の数を示す。
2 +と-は遺伝子の方向(各々右方向、左方向)を示す(図1参照)。
3 最も高いスコアを示すタンパク質名。
4 最も高いスコアを示したタンパク質の起源となった生物名。
5 BLAST検索の結果に基づき、遺伝子を下記のようにグループ分けをした; S, すべてのシアノバクテリアで保存; A, すべての窒素固定性シアノバクテリアで保存; B, いくつかの窒素固定性シアノバクテリアで保存; C, いくつかのシアノバクテリアで保存(窒素固定性シアノバクテリアに限定されない); AC, すべての窒素固定性シアノバクテリアに保存され、かついくつかの非窒素固定性シアノバクテリアで保存D, L. boryana特有の遺伝子
6 Microcoleus chthonoplastesPCC 7420
7Anabaena variabilis ATCC 29413
8Fischerella sp. UTEX ‘LB1931’
9 Leptolyngbya boryana IAM M-101
10Nodularia spumigena CCY9414
In addition, notes in FIGS. 9A to 9B are shown below.
One gene name is indicated by the name of the gene showing the highest score. The gene name of the putative gene whose function is unknown is tentatively orfN, and N is the number of amino acid residues.
2 + and − indicate gene directions (right direction and left direction, respectively) (see FIG. 1).
3 Protein name showing the highest score.
4 Name of the organism that originated the protein with the highest score.
5 Based on BLAST search results, genes were grouped as follows; S, stored in all cyanobacteria; A, stored in all nitrogen-fixing cyanobacteria; B, some nitrogen-fixing cyanobacteria C, stored in some cyanobacteria (not limited to nitrogen-fixing cyanobacteria); AC, stored in all nitrogen-fixing cyanobacteria, and stored in some non-nitrogen-fixing cyanobacteria D, L. boryana peculiar gene
6 Microcoleus chthonoplastesPCC 7420
7 Anabaena variabilis ATCC 29413
8 Fischerella sp. UTEX 'LB1931'
9 Leptolyngbya boryana IAM M-101
10 Nodularia spumigena CCY9414
本実施例では、nif遺伝子破壊株を作製し、機能欠損を評価した。
(dg5株の遺伝子破壊に用いたプラスミドの構築)
11種類のプラスミドpNK1〜pNK11は全て同様の方法により構築した。すなわち、プラスミドpUCK192のカナマイシン耐性カセットの両端に、L. boryanaのゲノムを鋳型として増幅した標的遺伝子の上流及び下流領域のPCR断片を挿入した。使用したプライマーと制限酵素は図10A及び図10Bに示した。なお、pUCK192は、pMC19(Fujita et al. 1992, Plant Cell Physiology, 33: 81-92)のカナマイシン耐性カートリッジ(BamHI断片)をpUC19のBamH部位に挿入したプラスミドである。
In this example, nif gene disruption strains were prepared and functional defects were evaluated.
(Construction of plasmid used for gene disruption of dg5 strain)
All 11 types of plasmids pNK1 to pNK11 were constructed by the same method. That is, PCR fragments of the upstream and downstream regions of the target gene amplified using the L. boryana genome as a template were inserted into both ends of the kanamycin resistance cassette of plasmid pUCK192. The primers and restriction enzymes used are shown in FIGS. 10A and 10B. PUCK192 is a plasmid in which a kanamycin resistant cartridge (BamHI fragment) of pMC19 (Fujita et al. 1992, Plant Cell Physiology, 33: 81-92) is inserted into the BamH site of pUC19.
なお、図10A〜10B中の注記を以下に示す。
1プラスミド名は、欠損株名にちなんで命名した。
2遺伝子欠損株単離用のプラスミドは、ターゲット遺伝子の3’-領域, カナマイシン耐性カートリッジおよびターゲット遺伝子の5’-領域 から構成されている。3’- と 5’-領域はいずれもPCRで増幅した。
3Dは、PCRプライマーの方向性を示す; F, forward; and R, reverse.
4PCR断片をpUC192にサブクローニングする際に用いた制限酵素を示す。pUCK192は、pUC19のBamHI部位にカナマイシン耐性カートリッジを挿入したプラスミドである。
5エレクトロポレーション法に供する際にプラスミドを直線化するために用いた制限酵素。
Note that notes in FIGS. 10A to 10B are shown below.
1 Plasmid name was named after the defective strain.
A plasmid for isolating two gene-deficient strains consists of a 3′-region of the target gene, a kanamycin resistance cartridge, and a 5′-region of the target gene. Both 3'- and 5'-regions were amplified by PCR.
3 D shows the direction of the PCR primers; F, forward; and R, reverse.
4 Shows the restriction enzyme used when subcloning the PCR fragment into pUC192. pUCK192 is a plasmid in which a kanamycin resistance cartridge is inserted into the BamHI site of pUC19.
5 Restriction enzyme used to linearize the plasmid when subjected to electroporation.
(nif遺伝子破壊株の単離)
dg5株の二重相同組換えを介した遺伝子欠損株の単離のために、遺伝子破壊用プラスミドをエレクトロポレーション法によって細胞に導入し形質転換を行った (Fujita et al. 1992, Plant Cell Physiol, 33: 81-92)。形質転換には、構築した遺伝子破壊用プラスミドを図10A及び図10Bに示した制限酵素によりゲノムとの相同領域の外側で切断して直鎖状にしたものを用いた。硝酸寒天培地(30°C)で光合成的に生育させたdg5の細胞を滅菌水でボトルトップフィルター(0.22μm)に回収し、その後吸引ろ過により水を除いた。この操作を計3回行うことで細胞懸濁液に含まれる塩を除いた。この細胞を0.5-2.0 mlの冷却した滅菌水に再懸濁し、これをエレクトロポレーションに供するコンピテントセルとした。
コンピテントセル50 μlと直鎖化した各DNA断片10 μlを混合し、電圧1410 V、抵抗250 Ω、静電容量25 μF、電極間距離1 mmの設定で減衰パルス処理を行った(Gene Pulser XcellTM, Bio-Rad)。パルス処理した細胞を350 μlのBG-11 (20 mM HEPES-KOH; pH 7.5含有) を加えて回収し、ナイロン膜(Amersham HybondTM-N+, GE Healthcare)を載せたBG-11寒天培地に広げた。30℃、光強度2 μmol photon m-2s-1で2日間生育させた後、ナイロン膜とともにカナマイシン(終濃度15 mg/L)を添加したBG-11寒天培地に移し、光強度50 μmol photon m-2 s-1照射下で薬剤耐性株の選抜を行った。
2週間後、カナマイシン耐性株として選抜されたnif遺伝子破壊株を各々NK1 (nifD, nifK欠損)、NK2 (nifZ, nifT欠損)、NK3 (orf206a欠損)、NK4 (cnfR欠損)、NK5 (coxB2, coxA2欠損)、NK6 (orf159-orf108欠損)、NK7 (nifP-orf99欠損)、NK8 (nifX欠損)、NK9 (hesA-mop欠損)、NK10 (orf118, orf332欠損)、NK11 (chlR欠損)と命名した。これらの変異株における遺伝子破壊は、細胞から直接DNA断片を増幅するコロニーPCRによって確認された。
(Isolation of nif gene disruption strain)
In order to isolate a gene-deficient strain via double homologous recombination of dg5 strain, a plasmid for gene disruption was introduced into cells by electroporation (Fujita et al. 1992, Plant Cell Physiol , 33: 81-92). For transformation, the constructed plasmid for gene disruption was cleaved outside the homologous region with the genome with the restriction enzymes shown in FIGS. 10A and 10B and linearized. The dg5 cells grown photosynthesis on a nitrate agar medium (30 ° C.) were collected in a bottle top filter (0.22 μm) with sterilized water, and then water was removed by suction filtration. The salt contained in the cell suspension was removed by performing this operation three times in total. The cells were resuspended in 0.5-2.0 ml of chilled sterilized water, which was used as a competent cell for electroporation.
Competent cells (50 μl) and linearized DNA fragments (10 μl) were mixed and subjected to attenuation pulse treatment with a voltage of 1410 V, resistance of 250 Ω, capacitance of 25 μF, and electrode distance of 1 mm (Gene Pulser Xcell ™ , Bio-Rad). Collect the pulsed cells by adding 350 μl of BG-11 (20 mM HEPES-KOH; containing pH 7.5) and spread it on a BG-11 agar medium with nylon membrane (Amersham Hybond TM -N +, GE Healthcare). It was. After growing for 2 days at 30 ° C, light intensity 2 μmol photon m -2 s -1 , transferred to BG-11 agar medium supplemented with kanamycin (final concentration 15 mg / L) with nylon membrane, light intensity 50 μmol photon Drug-resistant strains were selected under irradiation with m −2 s −1 .
Two weeks later, the nif gene-disrupted strains selected as kanamycin resistant strains were NK1 (nifD, nifK deficient), NK2 (nifZ, nifT deficient), NK3 (orf206a deficient), NK4 (cnfR deficient), NK5 (coxB2, coxA2). Deficiency), NK6 (orf159-orf108 deficiency), NK7 (nifP-orf99 deficiency), NK8 (nifX deficiency), NK9 (hesA-mop deficiency), NK10 (orf118, orf332 deficiency), NK11 (chlR deficiency). Gene disruption in these mutants was confirmed by colony PCR that amplifies DNA fragments directly from the cells.
(cnfR相補株NK4CSの作製)
cnfR相補のためのプラスミドpPBHcnfRSはプラスミドpPBHLI18から構築した。pPBHLI18はT5プロモーターとそれに続くChlL-6xHisタンパク質コード領域およびpPBH202由来のターミネーターを含むプラスミドである(Yamamoto et al. 2009, Plant Cell Physiol, 50: 1663-1673)。cnfRのコード領域をL. boryanaのゲノムDNAを鋳型としたPCRによって増幅した。用いたプライマーはSphIサイト(一重線)とStrep-tag配列(後の一重線)を含むPbpatB-f12SphI; GCATTGCATGCCGGCTAGCTGGAGCCACCCGCAGTTCGAAAAAGGCGCCTACAAAATTTCTGGTGACと BamHIサイト(一重線)を含むPbpatB-r9BamHI; CCTATCGGATCCAGATAATCAGTCCATCである。得られた断片をSphIとBamHIで処理し、同じ酵素で処理してChlL-6xHis領域を切り出したプラスミドに挿入した。このようにして得られたpPBHcnfRSはpQE-60(QIAGEN)に由来するtrcプロモーターによってN末端側にStrep-tagが付加されたCnfRを発現する。上記のエレクトロポレーション法によりこのプラスミドをNK4株に導入した。ただしpPBHcnfRSはL. boryanaの細胞内でプラスミドとして保持されるので、制限酵素処理による直鎖化は行わなかった。形質転換された細胞の選抜にはクロラムフェニコール(終濃度15 mg/L)を使用した。
(Preparation of cnfR complementary strain NK4CS)
Plasmid pPBHcnfRS for cnfR complementation was constructed from plasmid pPBHLI18. pPBHLI18 is a plasmid containing a T5 promoter followed by a ChlL-6xHis protein coding region and a terminator derived from pPBH202 (Yamamoto et al. 2009, Plant Cell Physiol, 50: 1663-1673). The coding region of cnfR was amplified by PCR using L. boryana genomic DNA as a template. Is CCTATC GGATCC AGATAATCAGTCCATC; PbpatB-r9BamHI containing GCATT GCATGC CG GCTAGCTGGAGCCACCCGCAGTTCGAAAAAGGCGC CTACAAAATTTCTGGTGAC and BamHI sites (singlet); PbpatB-f12SphI comprising using primers SphI site (singlet) and Strep-tag sequence (singlet after) . The obtained fragment was treated with SphI and BamHI and then treated with the same enzyme to insert the ChlL-6xHis region into the excised plasmid. The thus obtained pPBHcnfRS expresses CnfR with the Strep-tag added to the N-terminal side by the trc promoter derived from pQE-60 (QIAGEN). This plasmid was introduced into the NK4 strain by the electroporation method described above. However, since pPBHcnfRS is retained as a plasmid in L. boryana cells, it was not linearized by restriction enzyme treatment. Chloramphenicol (final concentration 15 mg / L) was used for selection of transformed cells.
(遺伝子欠損株の生育比較)
硝酸寒天培地、好気条件で2日間培養した野生株及び変異株を白金耳によって蒸留水に回収し、OD730を1.0にそろえた細胞懸濁液を調製した。これを6 μlずつ硝酸または無窒素寒天培地にスポットした。培養は好気または嫌気条件、40 μmol photon m-2 s-1の連続光、30°Cで4日間行った。NK1〜NK11の生育比較は図2に示す。
(Growth comparison of gene-deficient strains)
Wild strains and mutant strains cultured for 2 days in nitric acid agar medium and aerobic conditions were collected in distilled water using a platinum loop to prepare a cell suspension with an OD 730 of 1.0. 6 μl of this was spotted on nitric acid or nitrogen-free agar medium. The culture was performed under aerobic or anaerobic conditions, continuous light of 40 μmol photon m −2 s −1 at 30 ° C. for 4 days. Comparison of growth of NK1 to NK11 is shown in FIG.
図2に示すように、嫌気及び無窒素条件においてNK4株においては、ニトロゲナーゼ活性が全く観察されなかった。 As shown in FIG. 2, no nitrogenase activity was observed in the NK4 strain under anaerobic and nitrogen-free conditions.
(L. boryana遺伝子発現解析)
寒天培地上で生育させたL. boryanaの細胞を回収し、Minamizakiらの方法 (Miamizaki et al. 2008, J Biol Chem 283:2684-2692) によってRNAを抽出した。これを鋳型としてランダムヘキサマーとReverTra Ace (TOYOBO)を用いて逆転写反応を行い、一本鎖cDNAを合成した。1サンプルあたり13 ng のtotal RNAに相当するcDNAを鋳型として1.5 UのKOD Plus polymerase (TOYOBO)によるPCR (総量15 μl) を行った。各遺伝子に特異的なプライマーは図11A〜11Bに示した。RNAポリメラーゼのαサブユニットをコードする遺伝子であるrpoAを内部標準とした。増幅されたDNA断片(反応液6 μl)を2% (w/v) のアガロースゲルで電気泳動し、GelRed (Biotium, Hayward, CA, USA) により染色して可視化した。結果は図3に示す。
(L. boryana gene expression analysis)
L. boryana cells grown on an agar medium were collected, and RNA was extracted by the method of Minamizaki et al. (Miamizaki et al. 2008, J Biol Chem 283: 2684-2692). Using this as a template, reverse transcription reaction was performed using random hexamers and ReverTra Ace (TOYOBO) to synthesize single-stranded cDNA. PCR (total amount 15 μl) was performed with 1.5 U KOD Plus polymerase (TOYOBO) using cDNA corresponding to 13 ng of total RNA per template as a template. Primers specific to each gene are shown in FIGS. The internal standard was rpoA, which is a gene encoding the α subunit of RNA polymerase. The amplified DNA fragment (6 μl of the reaction solution) was electrophoresed on a 2% (w / v) agarose gel and stained with GelRed (Biotium, Hayward, CA, USA) for visualization. The results are shown in FIG.
図11A〜11B中の注記を以下に示す。
1番号は図9A〜〜9Bと図1に示した遺伝子番号に対応している。
2RT-PCRで得られた断片の長さを示す。
3 RT-PCRのサイクル数を示す。
The notes in FIGS. 11A-11B are shown below.
The number 1 corresponds to the gene numbers shown in FIGS. 9A to 9B and FIG.
2 Indicates the length of the fragment obtained by RT-PCR.
3 Indicates the number of RT-PCR cycles.
図3に示すように、野生型において、cnfR遺伝子は、嫌気・無窒素条件下において、強くcnfR遺伝子の発現が誘導されていることがわかった。また、野生型において、嫌気・無窒素条件下において、窒素固定遺伝子の主要なメンバー(mop、fdxB、hesA、nifW、nifN、nifE、nifP、nifB、nifS、nifH、nifD、nifK、nifV、nifZ、ocxB2、orf206b)の発現が誘導されていることがわかった。一方、cnfR遺伝子を欠損した場合において、窒素固定遺伝子の主要なメンバーの転写物が検出されなかった。このことは、これらのメンバーがcnfRタンパク質により制御されていることが考えられた。 As shown in FIG. 3, in the wild type, it was found that the expression of the cnfR gene was strongly induced under anaerobic and nitrogen-free conditions. In the wild type, under anaerobic / nitrogen-free conditions, major members of the nitrogen-fixing gene (mop, fdxB, hesA, nifW, nifN, nifE, nifP, nifB, nifS, nifH, nifD, nifK, nifV, nifZ, It was found that the expression of ocxB2, orf206b) was induced. On the other hand, when the cnfR gene was deleted, transcripts of major members of the nitrogen fixation gene were not detected. This suggests that these members are regulated by the cnfR protein.
(In vivoニトロゲナーゼ活性測定)
ニトロゲナーゼの活性は、アセチレンからエチレンへの還元反応によって測定した。硝酸を含む培地で2日間生育させたL. boryanaの野生株または変異株を、白金耳を用いて蒸留水に回収しOD730=6.0の細胞懸濁液とした。これを400 μlずつ硝酸または無窒素寒天培地にまき、嫌気、50 μmol photon m-2 s-1の連続光、30°Cで12 h 培養した。寒天培地上に1.5 mlの液体BG-11培地を滴下し、コンラージ棒を用いて細胞を懸濁し、1 mlの懸濁液(OD730は約3となる)を密栓できる8-ml バイアル瓶に封入した。液体培地の窒素条件は培養に用いた寒天培地と同じとした。この回収作業は嫌気チャンバー(model A, COY Laboratory Products, Grass Lake, MI, USA)で行った。バイアル瓶内部の気相を混合ガス (10% acetylene in argon; as standard gas; Japan Fine Products, Oyama, Japan) で置換し、50 μmol photon m-2 s-1の光照射下、30°Cで10 minインキュベートした。気相部分をサンプリングしガスクロマトグラフィー により生成したエチレンをFIDで検出し定量した(GC-2014AF, Shimadzu, Kyoto)。カラムは Porapak N column (0.3 m × 3 mm) を使用し、カラム温度は40°Cとした (Gavini and Burgess, 1992, J Biol Chem 267: 21179-21186)。この条件下ではエチレンは0.8 minに溶出される。エチレンの定量後に細胞懸濁液を回収し、OD730の正確な値を測定し、一定OD730の活性補正値を得た。ニトロゲナーゼ活性の結果は図2に示す。
(In vivo nitrogenase activity measurement)
The activity of nitrogenase was measured by a reduction reaction from acetylene to ethylene. A wild strain or mutant strain of L. boryana grown in a medium containing nitric acid for 2 days was recovered in distilled water using a platinum loop to obtain a cell suspension having an OD 730 = 6.0. 400 μl of this was plated on nitric acid or nitrogen-free agar medium and cultured for 12 h at 30 ° C. with anaerobic, continuous light of 50 μmol photon m −2 s −1 . Drop 1.5 ml of liquid BG-11 medium on the agar medium, suspend the cells using a large rod, and place in an 8-ml vial that can be sealed with 1 ml of suspension (OD 730 is about 3). Enclosed. The nitrogen condition of the liquid medium was the same as that of the agar medium used for the culture. This collection operation was performed in an anaerobic chamber (model A, COY Laboratory Products, Grass Lake, MI, USA). The gas phase inside the vial was replaced with a mixed gas (10% acetylene in argon; as standard gas; Japan Fine Products, Oyama, Japan), and at 30 ° C under 50 μmol photon m -2 s -1 light irradiation. Incubated for 10 min. The gas phase was sampled and ethylene produced by gas chromatography was detected and quantified by FID (GC-2014AF, Shimadzu, Kyoto). The column was a Porapak N column (0.3 m × 3 mm), and the column temperature was 40 ° C. (Gavini and Burgess, 1992, J Biol Chem 267: 21179-21186). Under these conditions, ethylene is eluted at 0.8 min. After quantification of ethylene, the cell suspension was collected and the exact value of OD 730 was measured to obtain a constant OD 730 activity correction value. The results of nitrogenase activity are shown in FIG.
図2に示すように、窒素固定条件(嫌気及び無窒素条件)の生育とエチレン生成速度がよく相関していた。以上の結果から、cnfR遺伝子産物が窒素固定遺伝子の複数のメンバーの発現を窒素固定条件下で強く促進することがわかった。 As shown in FIG. 2, the growth under nitrogen fixation conditions (anaerobic and nitrogen-free conditions) and the ethylene production rate correlated well. These results indicate that the cnfR gene product strongly promotes the expression of multiple nitrogen fixation gene members under nitrogen fixation conditions.
(Syn.6803レポーターアッセイ用変異株の単離)
レポーターアッセイに用いたSyn. 6803はゲノム上の中立部位1 (psbA2 (slr1311) コード領域内) からエフェクターであるCnfRを発現させ、中立部位2 (ssr1880コード領域内) に挿入したL. boryana のnifBプロモーターに作用させることでレポーターであるluxAB遺伝子を発現させる。
(Isolation of mutant for Syn.6803 reporter assay)
Syn. 6803 used in the reporter assay expressed CnfR, an effector, from neutral site 1 (in the psbA2 (slr1311) coding region) on the genome and inserted into neutral site 2 (in the ssr1880 coding region) nifB of L. boryana The luxAB gene, which is a reporter, is expressed by acting on a promoter.
(エフェクター導入用プラスミドの作製)
Syn. 6803のゲノムDNAを鋳型としてプライマー6803psbA2-f1とslr1312-r1EcoRIでPCRを行い、psbA2遺伝子の下流slr1312を含む領域(1697 bp)を増幅した。この断片とプラスミドpUC19をEcoRIとKpnIで処理し、ライゲーションして得られたものをp6803EF1とした。同様にプライマーsll1212-r1SphIと6803psbA2-r1SalIで増幅したpsbA2上流領域(1389 bp)をSalIとSphIによってp6803EF1に挿入し、p6803EF2を得た。さらに、pUCK192からBamHIとSalIによって切り出したカナマイシン耐性カセットをp6803EF2のpsbA2上流領域と下流領域の間に逆向きに挿入し、p6803EF3とした。L. boryanaのcnfR遺伝子がE. coliの人工プロモーターtrcで制御されるプラスミドpPtrc-cnfRは、p6803EF3のカナマイシン耐性遺伝子コード領域の上流側にPtrc-cnfR断片を挿入することにより構築した。Ptrc-cnfR断片を作製するために2段階のPCRを行った。まずL. boryanaのゲノムDNAを鋳型とし、プライマーPbtrc-patB-f1とPbhypo1-f2 を用いて増幅したものを、断片A (1,755 bp) とする。一方、Ptrcを有するE. coliの発現ベクターpNF4-Pbpor (辻本・藤田, 未発表、trcプロモーターとしてE. coliの発現ベクターpQE-60(QIAGEN)のプロモーター配列(塩基番号7-112; 106 bp)を有する) を鋳型とし、プライマーp7とPtrc-patB-r1を用いて増幅したものを断片B (1,393 bp) とする。次に同じmol数の断片Aと断片Bを鋳型とし、プライマー6803por-f3SacIとPbpatB-r9BamHIを用いて増幅した。増幅した断片 (1,807 bp) をSacIおよびBamHI処理 を行った後、ライゲーションによりp6803EF3のSacIおよびBamHIサイトに連結し、プラスミドpPtrc-cnfRを構築した。このプラスミドのtrcプロモーターとcnfR遺伝子にPCRエラーが存在しないことはシークエンスにより確認された。
(Preparation of effector introduction plasmid)
PCR was carried out with primers 6803psbA2-f1 and slr1312-r1EcoRI using Syn. 6803 genomic DNA as a template to amplify a region (1697 bp) containing slr1312 downstream of the psbA2 gene. This fragment and plasmid pUC19 were treated with EcoRI and KpnI and ligated to obtain p6803EF1. Similarly, psbA2 upstream region (1389 bp) amplified with primers sll1212-r1SphI and 6803psbA2-r1SalI was inserted into p6803EF1 with SalI and SphI to obtain p6803EF2. Furthermore, a kanamycin resistance cassette excised from pUCK192 with BamHI and SalI was inserted in the reverse direction between the psbA2 upstream region and the downstream region of p6803EF2 to obtain p6803EF3. The plasmid pP trc -cnfR in which the cnfR gene of L. boryana is controlled by the E. coli artificial promoter trc was constructed by inserting a P trc -cnfR fragment upstream of the kanamycin resistance gene coding region of p6803EF3. Two steps of PCR were performed to generate the P trc -cnfR fragment. First, a fragment A (1,755 bp) obtained by amplification using L. boryana genomic DNA as a template and primers Pbtrc-patB-f1 and Pbhypo1-f2 is used. On the other hand, E. coli expression vector pNF4-Pbpor with P trc (Enomoto, Fujita, unpublished, E. coli expression vector pQE-60 (QIAGEN) promoter sequence as trc promoter (base number 7-112; 106 bp )) Is used as a template, and the product amplified using primer p7 and Ptrc-patB-r1 is designated as fragment B (1,393 bp). Next, using the same mol number of fragment A and fragment B as templates, amplification was performed using primers 6803por-f3SacI and PbpatB-r9BamHI. The amplified fragment (1,807 bp) was treated with SacI and BamHI and then ligated to the SacI and BamHI sites of p6803EF3 to construct plasmid pP trc -cnfR. The absence of PCR errors in the trc promoter and cnfR gene of this plasmid was confirmed by sequencing.
エフェクター導入用プラスミドの作製に使用したプライマーの塩基配列は以下の通りである。 The base sequences of the primers used for the preparation of the effector introduction plasmid are as follows.
6803psbA2-f1; GATCTACCCCATTGGTCAAGGCTC
slr1312-r1EcoRI; GCTTGACCGAATTCCACATAGAGTTGG
sll1212-r1SphI; GTCCTTGGCATGCCCCAATCCCGCT
6803psbA2-r1SalI; GTTGGTAGAGGTCGACCCACTGAC
Pbtrc-patB-f1; GAGGAGAAATTAAGCATGGCGTACAAAATTTCTGG
Pbhypo1-f2; GACTGCTTAGGCAAATGCTCAATGG
p7; CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC
Ptrc-patB-r1; CCAGAAATTTTGTACGCCATGCTTAATTTCTCCTC
6803por-f3SacI; TGTGCGAGCTCCTAAAGAATGGCAAAG
PbpatB-r9BamHI; CCTATCGGATCCAGATAATCAGTCCATC
6803psbA2-f1; GATCTACCCCATTGGTCAAGGCTC
slr1312-r1EcoRI; GCTTGACCGAATTCCACATAGAGTTGG
sll1212-r1SphI; GTCCTTGGCATGCCCCAATCCCGCT
6803psbA2-r1SalI; GTTGGTAGAGGTCGACCCACTGAC
Pbtrc-patB-f1; GAGGAGAAATTAAGCATGGCGTACAAAATTTCTGG
Pbhypo1-f2; GACTGCTTAGGCAAATGCTCAATGG
p7; CGCCAGGGTTTTCCCAGTCACGAC
Ptrc-patB-r1; CCAGAAATTTTGTACGCCATGCTTAATTTCTCCTC
6803por-f3SacI; TGTGCGAGCTCCTAAAGAATGGCAAAG
PbpatB-r9BamHI; CCTATCGGATCCAGATAATCAGTCCATC
(レポーター導入用プラスミドの作製)
Syn. 6803のゲノムDNAを鋳型として、プライマー6803ndhB-f1PstIとssl0410-r1XhoIによりssl0410の上流領域を増幅した。これをPstIとXhoIで処理した後、スペクチノマイシン耐性カセットを持つプラスミドであるpPbBU3 (pUC19のマルチクローニング部位に、中立部位3の上流配列 (slr2030) とスペクチノマイシン耐性カートリッジとpsbA2プロモーターに連結したnifHとカナマイシン耐性カートリッジのPstIから上流の部分断片を有するプラスミド;辻本・藤田, 未発表)をPstIとXhoIで処理した断片とライゲーションした。これにより得られたプラスミドをp6803RP1とした。次にプライマー6803ndhB-f2KpnIとslr0251-f1SacIで増幅したssl0410下流断片をKpnIとSacIで処理し、同様に処理したp6803RP1とライゲーションしてp6803RP2を得た。さらに発光細菌Vibrio harveyiのluxABを有するL. boryanaのシャトルベクターpKTL21 (Terauchi et al. 2005, Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives, Edited by van der Est, A. and Diner, B., Allen Press, vol. 2, pp. 729-730) を鋳型とし、プライマーluxA-f1BglIIとluxAB-r1BamHIを用いてluxABの断片を増幅した。これをBamHIとBglIIで処理し、p6803RP2のスペクチノマイシン耐性カセット上流に存在するBglIIサイトに逆向きに挿入した。こうして得られたプラスミドをpEmpty-luxABとした。L. boryana nifBの上流にはnifPが逆向きにコードされており、その遺伝子間領域は1,255 bpである。nifBのプロモーター領域として翻訳開始点の上流1,223 bpに相当する領域をプライマーPbnifB-f5KpnIとPbnifB-r8BglIIで増幅した。この断片をKpnIとBglIIで処理し、pEmpty-luxABのluxAコード領域上流にあるKpnIサイトとBglIIサイトに挿入した。得られたプラスミドをpPnifB-luxAB1とした。このプラスミドのnifBプロモーターとluxAB遺伝子にPCRエラーが存在しないことはシークエンスにより確認された。
(Preparation of reporter introduction plasmid)
Using the genomic DNA of Syn. 6803 as a template, the upstream region of ssl0410 was amplified by primers 6803ndhB-f1PstI and ssl0410-r1XhoI. This was treated with PstI and XhoI, and then ligated to pPbBU3 (pUC19 multicloning site, upstream sequence of neutral site 3 (slr2030), spectinomycin resistance cartridge, and psbA2 promoter, a plasmid with a spectinomycin resistance cassette. A plasmid having a partial fragment upstream from PstI of a nifH and kanamycin resistant cartridge; Enomoto and Fujita, unpublished) was ligated with a fragment treated with PstI and XhoI. The plasmid thus obtained was designated as p6803RP1. Next, the downstream fragment of ssl0410 amplified with primers 6803ndhB-f2KpnI and slr0251-f1SacI was treated with KpnI and SacI, and ligated with similarly treated p6803RP1 to obtain p6803RP2. Furthermore, L. boryana shuttle vector pKTL21 (Terauchi et al. 2005, Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives, Edited by van der Est, A. and Diner, B., Allen Press, vol. 2, pp. 729-730) as a template, and the luxAB fragment was amplified using primers luxA-f1BglII and luxAB-r1BamHI. This was treated with BamHI and BglII, and inserted in the reverse direction into the BglII site existing upstream of the spectinomycin resistance cassette of p6803RP2. The plasmid thus obtained was designated as pEmpty-luxAB. Upstream of L. boryana nifB, nifP is encoded in the reverse direction, and its intergenic region is 1,255 bp. A region corresponding to 1,223 bp upstream of the translation start point as a promoter region of nifB was amplified with primers PbnifB-f5KpnI and PbnifB-r8BglII. This fragment was treated with KpnI and BglII and inserted into the KpnI and BglII sites upstream of the luxA coding region of pEmpty-luxAB. The obtained plasmid was designated as pP nifB -luxAB1. The absence of PCR errors in the nifB promoter and luxAB gene of this plasmid was confirmed by sequencing.
使用したプライマーの塩基配列は以下の通りであった。
6803ndhB-f1PstI; GTAACGTCTGCAGCGCAACTCAATGC
ssl0410-r1XhoI; CCCAAGATCTCGAGCTTTAAATCGG
6803ndhB-f2KpnI; TTGGTTGGTACCTCGCTGGCAGG
slr0251-f1SacI; AGGGGTTTCGAGCTCCCCTACGGAAAC
luxA-f1BglII; GATCCAGATCTATGAAATTTGGAAACTTCC
luxAB-r1BamHI; GCTGAGGATCCCATGAAAATCAAGTC
PbnifB-f5KpnI; GCTATGGTACCTGGTCTGCTTTGC
PbnifB-r8BglII; GAGGGTGGTAGATCTCATTGAATTTCGG
The base sequences of the primers used were as follows.
6803ndhB-f1PstI; GTAACGTCTGCAGCGCAACTCAATGC
ssl0410-r1XhoI; CCCAAGATCTCGAGCTTTAAATCGG
6803ndhB-f2KpnI; TTGGTTGGTACCTCGCTGGCAGG
slr0251-f1SacI; AGGGGTTTCGAGCTCCCCTACGGAAAC
luxA-f1BglII; GATCCAGATCTATGAAATTTGGAAACTTCC
luxAB-r1BamHI; GCTGAGGATCCCATGAAAATCAAGTC
PbnifB-f5KpnI; GCTATGGTACCTGGTCTGCTTTGC
PbnifB-r8BglII; GAGGGTGGTAGATCTCATTGAATTTCGG
(Syn.6803へのエフェクターとレポーターの導入)
硝酸寒天培地で2日間培養したSyn. 6803野生株を白金耳によって回収し、蒸留水に懸濁してOD730=1.0に調整した。懸濁液300 μlにp6803EF3またはpPtrc-cnfRを1 μg加え、ナイロン膜を載せた寒天培地に広げた。30℃、光強度2 μmol photon m-2s-1で1日間生育させた後、ナイロン膜とともにカナマイシン (終濃度15 mg/L) を添加した寒天培地に移し、光強度50 μmol photon m-2 s-1照射下で薬剤耐性株の選抜を行った。2週間後、カナマイシン耐性株として選抜された株をそれぞれNEF株およびTcnfR株とした。これらの株はカナマイシン存在下で継代培養を繰り返すことで全てのゲノムコピーが変異型に置き換えられたものである。さらに、同様の方法でNEF株およびTcnfR株それぞれに対してpPnifB-luxAB1を導入し、スペクチノマイシン (終濃度15 mg/L) により選抜したものをそれぞれN-B1株、T-B1株として単離した。N-B1株はエフェクターを持たないネガティブコントロール株である。
(Introduction of effector and reporter to Syn.6803)
Syn. 6803 wild strain cultured for 2 days in nitrate agar medium was collected with a platinum loop, suspended in distilled water and adjusted to OD 730 = 1.0. 1 μg of p6803EF3 or pP trc -cnfR was added to 300 μl of the suspension and spread on an agar medium on which a nylon membrane was placed. After growing at 30 ° C and light intensity of 2 μmol photon m -2 s -1 for 1 day, transfer to an agar medium supplemented with kanamycin (final concentration 15 mg / L) together with nylon membrane, and light intensity of 50 μmol photon m -2 Drug-resistant strains were selected under s -1 irradiation. Two weeks later, the strains selected as kanamycin resistant strains were designated as NEF strain and TcnfR strain, respectively. These strains were obtained by repeating subculture in the presence of kanamycin and replacing all genome copies with mutants. Furthermore, pP nifB -luxAB1 was introduced into the NEF and TcnfR strains in the same manner, and those selected with spectinomycin (final concentration 15 mg / L) were designated as N-B1 and T-B1 strains, respectively. Isolated. The N-B1 strain is a negative control strain having no effector.
(ルシフェラーゼ活性測定)
発現したLuxAB(ルシフェラーゼ)の活性は蛍光基質であるn-decanalとの反応で生じる生物発光を検出することによって定量した。
好気・連続光 (50 μmol photon m-2 s-1) のもと、Syn. 6803 N-B1およびT-B1を硝酸寒天培地において3 日間前培養を行った。それらの細胞を白金耳によって硝酸または無窒素寒天培地に植菌して、好気または嫌気・連続光 (50 μmol photon m-2s-1) 照射下で14時間培養した。培養後、マイクロスパーテルで細胞を回収し、OD730=0.1の懸濁液1 mlを調製した。実験操作は好気、30℃にて行った。また、0.1% n-decanal 1ml を作製し、超音波洗浄機 (モデル3210J, Branson, Danbury, CT, USA) で30℃、10 分間ソニケーションによりエマルジョン化した。この溶液20 μlを細胞懸濁液に添加し、発光させた。ルシフェラーゼによる発光量はAQUACOSMOS/VIM (Hamamatsu Photonics, Hamamatsu, Japan) により検出した。ルシフェラーゼ活性の結果を図4に示す。
(Luciferase activity measurement)
The activity of the expressed LuxAB (luciferase) was quantified by detecting bioluminescence generated by the reaction with n-decanal which is a fluorescent substrate.
Under aerobic / continuous light (50 μmol photon m −2 s −1 ), Syn. 6803 N-B1 and T-B1 were precultured in nitrate agar for 3 days. The cells were inoculated into nitric acid or nitrogen-free agar medium with platinum loops and cultured under aerobic or anaerobic / continuous light (50 μmol photon m −2 s −1 ) irradiation for 14 hours. After culturing, the cells were collected with a micro spatula to prepare 1 ml of a suspension with an OD 730 = 0.1. The experimental operation was performed aerobically at 30 ° C. In addition, 1 ml of 0.1% n-decanal was prepared and emulsified by sonication at 30 ° C. for 10 minutes with an ultrasonic cleaner (Model 3210J, Branson, Danbury, CT, USA). 20 μl of this solution was added to the cell suspension and allowed to emit light. The amount of luminescence by luciferase was detected by AQUACOSMOS / VIM (Hamamatsu Photonics, Hamamatsu, Japan). The results of luciferase activity are shown in FIG.
図4に示すように、cnfR遺伝子を構成的に発現させているにも関わらず、嫌気・無窒素条件下でのみルシフェラーゼ発光が認められた。このことから、cnfR遺伝子は、嫌気・無窒素条件下においてのみnifプロモーターに作用して当該プロモーター制御下の遺伝子を発現させることがわかった。 As shown in FIG. 4, although the cnfR gene was constitutively expressed, luciferase luminescence was observed only under anaerobic and nitrogen-free conditions. This indicates that the cnfR gene acts on the nif promoter only under anaerobic and nitrogen-free conditions to express the gene under the promoter control.
本実施例では、Syn. 6803に対して構成的にL. boryana由来のcnfR遺伝子を発現させるとともにnifBプロモーターの制御下にL. boryana由来の窒素固定遺伝子クラスターを導入した変異株を作製した。 In this example, a mutant strain in which a cnfR gene derived from L. boryana was constitutively expressed in Syn. 6803 and a nitrogen-fixing gene cluster derived from L. boryana was introduced under the control of the nifB promoter was prepared.
(Syn.6803 nif遺伝子発現株の単離)
Syn. 6803 CnfR-Nif株はゲノム上の中立部位1からtrcプロモーターによってCnfRを発現させ、それによって中立部位3 (slr2030とslr2031の遺伝子間領域) に挿入したL. boryana nifクラスターのfdxBからnifTを含む20,763 bpの領域の遺伝子群を窒素固定条件下で発現させるように構築した株である。導入したnifクラスターは20 kb以上の大きな断片であるため、5つのサブ断片に分割してfdxBの側から順次導入した(図5〜図7)。
(Isolation of Syn.6803 nif gene expression strain)
Syn. 6803 CnfR-Nif strain expresses CnfR from the neutral site 1 on the genome by the trc promoter, thereby inserting nifT from fdxB of the L. boryana nif cluster inserted into neutral site 3 (intergenic region of slr2030 and slr2031). It is a strain constructed to express a gene group in the 20,763 bp region containing it under nitrogen fixation conditions. Since the introduced nif cluster is a large fragment of 20 kb or more, it was divided into five subfragments and introduced sequentially from the fdxB side (FIGS. 5 to 7).
(nifクラスター導入用プラスミドの作製)
Syn. 6803ゲノム中立部位3の上流領域をプライマーsll1910-f2XbaIとslr2030-r1XhoIで増幅し、pUCK19sacB2にXbaIとXhoIを用いて挿入した。pUCK19sacB2はpUCK192由来のカナマイシン耐性カセットとsacB遺伝子を持つプラスミドである。得られたプラスミドはpNSsacB1と名付けた。なお、sacBは、スクロースを分解し細胞にとって有毒なレバンを生成するレバンスクラーゼをコードしており、遺伝子操作のネガティブマーカーとして使用する。次に中立部位3の下流領域をプライマーslr2031-f3SacIとslr1133-r2SacIで増幅し、pNSsacB1のSacIサイトに挿入したものをpNSsacB2とした。さらにpNSsacB2からKpnI処理によってsacB遺伝子を抜いたものをpNSkmRとした。このプラスミドでは中立部位3にカナマイシン耐性カセットがslr2030およびslr2031の転写方向に対して逆方向に挿入された形になっている。また、KpnIとXhoIで処理することによってカナマイシン耐性カセットとsacB遺伝子をまとめて抜いたpNSsacB2に対して、pNSsacB2からプライマーKmR-f2XhoIとKmR-r2KpnIで増幅したカナマイシン耐性カセットまたはp6803RP1からプライマーSpeR-f2XhoIとSpeR-r3KpnIで増幅したスペクチノマイシン耐性カセットをそれぞれ挿入することでpNSkmFとpNSspeFを得た。前者はカナマイシン耐性カセット、後者はスペクチノマイシン耐性カセットが、slr2030およびslr2031の転写方向に対してそれぞれ順方向に挿入されている。
(Preparation of plasmid for nif cluster introduction)
The upstream region of Syn. 6803 genomic neutral site 3 was amplified with primers sll1910-f2XbaI and slr2030-r1XhoI, and inserted into pUCK19sacB2 using XbaI and XhoI. pUCK19sacB2 is a plasmid having a kanamycin resistance cassette derived from pUCK192 and the sacB gene. The resulting plasmid was named pNSsacB1. Note that sacB encodes levansucrase that degrades sucrose to produce levan toxic to cells, and is used as a negative marker for genetic manipulation. Next, the downstream region of neutral site 3 was amplified with primers slr2031-f3SacI and slr1133-r2SacI, and the one inserted into the SacI site of pNSsacB1 was designated as pNSsacB2. Furthermore, pNSkmR was obtained by removing the sacB gene from pNSsacB2 by KpnI treatment. In this plasmid, the kanamycin resistance cassette is inserted in the neutral site 3 in the reverse direction to the transcription direction of slr2030 and slr2031. In addition, for pNSsacB2 from which kanamycin resistance cassette and sacB gene were removed by treatment with KpnI and XhoI, the kanamycin resistance cassette amplified with primers KmR-f2XhoI and KmR-r2KpnI from pNSsacB2 or the primer SpeR-f2XhoI from p6803RP1 PNSkmF and pNSspeF were obtained by inserting the spectinomycin resistance cassette amplified with SpeR-r3KpnI, respectively. The former has a kanamycin resistance cassette and the latter has a spectinomycin resistance cassette inserted in the forward direction with respect to the transcription directions of slr2030 and slr2031, respectively.
L. boryanaのmopコード領域途中からnifXコード領域途中までの4,171 bp (mop’-fdxB-feoA-fdxH-hesB-hesA-nifW-orf70-orf155-nifX’)をプライマーPbmop-r5SalIとPbnifX-f1SacXhoで増幅し、SalIとXhoIで処理したDNA断片をpNSkmFの中立部位3上流領域とカナマイシン耐性カセットの間にあるXhoIサイトに挿入した。得られたプラスミドをpSeqNif1KFとした。また、nifWコード領域下流からnifPコード領域途中までの5,525 bpをプライマーPbnifW-r3SalIとPbnifP-f2XhoIで増幅した。pNSspeRをSalIとXhoIで処理することにより中立部位3上流領域を除き、同様に処理したPCR断片を代わりに挿入した。得られたプラスミドをpSeqNif2SFとした。さらに、nifEコード領域途中からfdxNコード領域途中までの5,405 bpをプライマーPbnifE-r5SalIとPbfdxN-r2XhoIで増幅し、SalIとXhoIで処理した。これをSalI処理によって中立部位3上流領域を除いたpNSkmRとライゲーションすることによってプラスミドpSeqNif3KRを得た。nifBコード領域途中からnifDコード領域途中までの6,066 bpをプライマーPbnifB-f9XhoIとPbnifD-r7SalIで増幅した。pNSspeRをSalIとXhoIで処理することによって中立部位3上流領域を除き、同様に処理したPCR断片を代わりに挿入した。得られたプラスミドをpSeqNif4SFとした。nifHコード領域途中からnifTコード領域下流までの5,797 bpをプライマーPbnifH-f3SalIとPbnifT-r6SalIで増幅した。pNSkmRをSalIで処理することによりの中立部位3上流領域を除き、同様にSalI処理したPCR断片と入れ換えることでプラスミドpSeqNif5KRを得た(図5)。これらのプラスミドのnifクラスター領域にPCRエラーが存在しないことはシークエンスによって確認された。 4,171 bp (mop'-fdxB-feoA-fdxH-hesB-hesA-nifW-orf70-orf155-nifX ') from the middle of the Mop coding region to the middle of the nifX coding region with primers Pbmop-r5SalI and PbnifX-f1SacXho The DNA fragment amplified and treated with SalI and XhoI was inserted into the XhoI site located between the neutral region 3 upstream region of pNSkmF and the kanamycin resistance cassette. The obtained plasmid was designated as pSeqNif1KF. Further, 5,525 bp from the downstream of the nifW coding region to the middle of the nifP coding region was amplified with the primers PbnifW-r3SalI and PbnifP-f2XhoI. pNSspeR was treated with SalI and XhoI to remove the neutral region 3 upstream region, and a similarly treated PCR fragment was inserted instead. The obtained plasmid was designated as pSeqNif2SF. Furthermore, 5,405 bp from the middle of the nifE coding region to the middle of the fdxN coding region was amplified with primers PbnifE-r5SalI and PbfdxN-r2XhoI, and treated with SalI and XhoI. The plasmid pSeqNif3KR was obtained by ligating this with pNSkmR excluding the neutral region 3 upstream region by SalI treatment. 6,066 bp from the middle of the nifB coding region to the middle of the nifD coding region was amplified with primers PbnifB-f9XhoI and PbnifD-r7SalI. By treating pNSspeR with SalI and XhoI, the neutral region 3 upstream region was removed, and a similarly treated PCR fragment was inserted instead. The obtained plasmid was designated as pSeqNif4SF. 5,797 bp from the middle of the nifH coding region to the downstream of the nifT coding region was amplified with primers PbnifH-f3SalI and PbnifT-r6SalI. Plasmid pSeqNif5KR was obtained by treating pNSkmR with SalI, excluding the neutral region 3 upstream region, and replacing it with a SalI-treated PCR fragment (FIG. 5). The absence of PCR error in the nif cluster region of these plasmids was confirmed by sequencing.
使用したプライマーの塩基配列は以下の通りであった。
sll1910-f2XbaI; GAAGGGAAGCGTCTAGAATTGTCGAGG
slr2030-r1XhoI; CTACAACTCGAGCCTATTGAACCAGC
slr2031-f3SacI; TTGTTGAGCTCCCACTTCTCCGGTG
slr1133-r2SacI; GAAATTACCGAGCTCGGTATTCCTGG
KmR-f2XhoI; CCACCGATCTCGAGAACGACAGC
KmR-r2KpnI; GGTTCAATAGGTACCGAGTGGGTG
SpeR-f2XhoI; GTACCAAGCTCTCGAGTAACATCAAG
SpeR-r3KpnI; GATTTAAAGCTCGGTACCAACTATTGC
Pbmop-r5SalI; AGCTAAGCCGTCGACTGAGGATTTCG
PbnifX-f1SacXho; CTCATTTTGAGCTCGAGCCAGTAAGATTG
PbnifW-r3SalI; GACAGAGAGTCGACACTCAGCGAAG
PbnifP-f2XhoI; CGAACAGCTCGAGGAGCAACTGC
PbnifE-r5SalI; GATCAGTGCAGTCGACAAGTCGAATAG
PbfdxN-r2XhoI; GAATGGCTCCTCTCGAGCAAACTGG
PbnifB-f9XhoI; TCACTATGCTCGAGATGCACGTTGC
PbnifD-r7SalI; GCAATCTGAGTCGACCCGAAGAAG
PbnifH-f3SalI; GACGTACTAGGTCGACGTTGTATGC
PbnifT-r6SalI; TGAACGAAGTCGACGTGAACGGGAC
The base sequences of the primers used were as follows.
sll1910-f2XbaI; GAAGGGAAGCGTCTAGAATTGTCGAGG
slr2030-r1XhoI; CTACAACTCGAGCCTATTGAACCAGC
slr2031-f3SacI; TTGTTGAGCTCCCACTTCTCCGGTG
slr1133-r2SacI; GAAATTACCGAGCTCGGTATTCCTGG
KmR-f2XhoI; CCACCGATCTCGAGAACGACAGC
KmR-r2KpnI; GGTTCAATAGGTACCGAGTGGGTG
SpeR-f2XhoI; GTACCAAGCTCTCGAGTAACATCAAG
SpeR-r3KpnI; GATTTAAAGCTCGGTACCAACTATTGC
Pbmop-r5SalI; AGCTAAGCCGTCGACTGAGGATTTCG
PbnifX-f1SacXho; CTCATTTTGAGCTCGAGCCAGTAAGATTG
PbnifW-r3SalI; GACAGAGAGTCGACACTCAGCGAAG
PbnifP-f2XhoI; CGAACAGCTCGAGGAGCAACTGC
PbnifE-r5SalI; GATCAGTGCAGTCGACAAGTCGAATAG
PbfdxN-r2XhoI; GAATGGCTCCTCTCGAGCAAACTGG
PbnifB-f9XhoI; TCACTATGCTCGAGATGCACGTTGC
PbnifD-r7SalI; GCAATCTGAGTCGACCCGAAGAAG
PbnifH-f3SalI; GACGTACTAGGTCGACGTTGTATGC
PbnifT-r6SalI; TGAACGAAGTCGACGTGAACGGGAC
(cnfR発現プラスミドの作製)
Syn. 6803のゲノム中立部位1においてtrcプロモーターからCnfRを発現させるためのプラスミドは以下のようにして構築した。上記のpPtrc-cnfRをSacIとSalIで処理することによってカナマイシン耐性カセットを除いた。また、pPbBU3を鋳型としてプライマーslr2030-f2SacIとPAII-nifH-r1で増幅したスペクチノマイシン耐性カセットをSacIとSalIで処理し、両者をライゲーションすることで薬剤耐性を変換したプラスミドpPtrc-cnfR2を得た。
(Preparation of cnfR expression plasmid)
A plasmid for expressing CnfR from the trc promoter at the genome neutral site 1 of Syn. 6803 was constructed as follows. The kanamycin resistance cassette was removed by treating the above pP trc -cnfR with SacI and SalI. In addition, the pectinomycin resistance cassette amplified with primers slr2030-f2SacI and PAII-nifH-r1 using pPbBU3 as a template was treated with SacI and SalI, and ligated to obtain plasmid pP trc -cnfR2 with converted drug resistance. It was.
使用したプライマーの塩基配列は以下の通りであった。
slr2030-f2SacI; GCAATGAGCTCAATGGAAGCAAATCCGAC
PAII-nifH-r1; CTAATATTTTCGTCAGACATTTGGTTATAATTCC
The base sequences of the primers used were as follows.
slr2030-f2SacI; GCAATGAGCTCAATGGAAGCAAATCCGAC
PAII-nifH-r1; CTAATATTTTCGTCAGACATTTGGTTATAATTCC
(Syn.6803へのnifクラスターおよびcnfRの導入)
Syn. 6803の形質転換は実施例3に示す方法で行った。プラスミドはpSeqNif1KFから順次得られた形質転換体に対して次のプラスミドをpSeqNif5KRまで導入し、最後にpPtrc-cnfR2を導入した(図6、図7)。まず、pSeqNif1KFによって中立部位3にnifクラスターの一端(mopの途中からnifXの途中までの領域)とカナマイシン耐性カセットが挿入した形質転換体SN1を単離した。次に、SeqNif1KFにカナマイシン耐性カセットと入れ替える形で第2のプラスミドpSeqNif2SFを導入しSN2を単離した。以下同様に順次カナマイシンとスペクチノマイシンを交互に使用し、nifクラスター全体(fdxBからnifTに至る20,763 bp)が導入されたカナマイシン耐性株SN5を得た(図6)。最後に、nif遺伝子群の発現をCnfRによって制御するために、中立部位1にpPtrc-cnfRを導入し、カナマイシン、スペクチノマイシン二重耐性のCnfR-Nif株を得た(図7)。
(Introduction of nif cluster and cnfR to Syn.6803)
Transformation of Syn. 6803 was performed by the method shown in Example 3. As for the plasmid, the following plasmid was introduced to pSeqNif5KR with respect to the transformant sequentially obtained from pSeqNif1KF, and finally pP trc -cnfR2 was introduced (FIGS. 6 and 7). First, transformant SN1 in which one end of the nif cluster (region from the middle of mop to the middle of nifX) and the kanamycin resistance cassette were inserted into neutral site 3 was isolated by pSeqNif1KF. Next, SN2 was isolated by introducing the second plasmid pSeqNif2SF into SeqNif1KF in the form of replacing the kanamycin resistance cassette. In the same manner, kanamycin and spectinomycin were alternately used in turn to obtain a kanamycin resistant strain SN5 into which the entire nif cluster (20,763 bp from fdxB to nifT) was introduced (FIG. 6). Finally, in order to control the expression of the nif gene group by CnfR, pP trc -cnfR was introduced into the neutral site 1 to obtain a CnfR-Nif strain resistant to kanamycin and spectinomycin (FIG. 7).
Claims (16)
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1個〜30個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質と機能的に同等なタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と90%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードする遺伝子を発現可能に備える、形質転換体。 The following (a) to (e):
(A) a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) having an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 under hypoxia and nitrogen depletion conditions L. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (c) having an amino acid sequence having 1 to 30 amino acid substitutions, deletions, insertions or additions in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and under hypoxia and nitrogen depletion conditions . Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana A protein functionally equivalent to a protein having activity (d) A protein having an amino acid sequence encoded by the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) 90% or more identical to the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 A protein encoded by a nucleotide sequence having sex, and under conditions of hypoxia and nitrogen depletion. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana A transformant comprising a gene encoding any protein selected from proteins having activity so that the gene can be expressed.
(f)配列番号4で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(g)配列番号4で表されるアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、L. boryanaにおいて構成的に発現され、かつ低酸素条件下でクロロフィル・ヘム・ビリン色素の生合成に関わる遺伝子の発現の誘導活性を有するタンパク質
(h)配列番号4で表されるアミノ酸配列において1個〜30個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、L. boryanaにおいて構成的に発現され、かつ低酸素条件下でクロロフィル・ヘム・ビリン色素の生合成に関わる遺伝子の発現の誘導活性を有するタンパク質
(i)配列番号3で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(j)配列番号3で表される塩基配列と90%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、L. boryanaにおいて構成的に発現され、かつ低酸素条件下でクロロフィル・ヘム・ビリン色素の生合成に関わる遺伝子の発現の誘導活性を有するタンパク質をコードする遺伝子の発現を発現可能に備える、請求項1〜5のいずれかに記載の形質転換体。 Furthermore, the protein according to any one of the following (f) to (j);
(F) a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 (g) having an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 and constitutively expressed in L. boriana A protein having an inducing activity of expression of a gene involved in biosynthesis of chlorophyll, heme, and bilin pigments under hypoxic conditions (h) substitution of 1 to 30 amino acids in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 4 Has an amino acid sequence having a deletion, insertion or addition, is constitutively expressed in L. boriana, and has an inducing activity of expression of a gene involved in biosynthesis of chlorophyll heme bilin dye under hypoxic conditions Protein (i) Protein (j) having the amino acid sequence encoded by the base sequence represented by SEQ ID NO: 3 Base represented by SEQ ID NO: 3 A protein encoded by a nucleotide sequence having 90% or more identity with the sequence, which is constitutively expressed in L. boriana and is involved in the biosynthesis of chlorophyll, heme, and villin pigments under hypoxic conditions The transformant according to any one of claims 1 to 5, which is capable of expressing a gene encoding a protein having expression-inducing activity.
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1個〜30個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と90%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む、形質転換ベクター。 The following (a) to (e):
(A) a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) having an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 under hypoxia and nitrogen depletion conditions L. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (c) having an amino acid sequence having 1 to 30 amino acid substitutions, deletions, insertions or additions in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and under hypoxia and nitrogen depletion conditions . Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (d) Protein having an amino acid sequence encoded by the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) Coded by a nucleotide sequence having 90% or more identity with the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 Of the L. protein under hypoxic and nitrogen depletion conditions. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana A transformation vector comprising a polynucleotide encoding any protein selected from proteins having activity.
宿主生物細胞に、以下の(a)〜(e):
(a)配列番号2で表されるアミノ酸配列を有するタンパク質
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1個〜30個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(d)配列番号1で表される塩基配列でコードされるアミノ酸配列を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と90%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
から選択されるいずれかのタンパク質をコードするポリヌクレオチドを導入して形質転換する工程、
を備える、製造方法。 A method for producing the transformant according to any one of claims 1 to 9,
In the host organism cell, the following (a) to (e):
(A) a protein having the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 (b) having an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2 under hypoxia and nitrogen depletion conditions L. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (c) having an amino acid sequence having 1 to 30 amino acid substitutions, deletions, insertions or additions in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and under hypoxia and nitrogen depletion conditions . Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (d) Protein having an amino acid sequence encoded by the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 (e) Coded by a nucleotide sequence having 90% or more identity with the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1 Of the L. protein under hypoxic and nitrogen depletion conditions. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Introducing a polynucleotide encoding any protein selected from proteins having activity, and transforming,
A manufacturing method comprising:
請求項1〜9のいずれかに記載の形質転換体に窒素を固定させて、前記形質転換体を生育又は増殖させて有用物質を生産する工程、
を備える、生産方法。 A method for producing useful substances using nitrogen fixation,
Fixing nitrogen to the transformant according to any one of claims 1 to 9 and growing or growing the transformant to produce a useful substance;
A production method comprising:
前記生物体としての請求項1〜9のいずれかに記載の形質転換体に窒素を固定させて、前記形質転換体を生育又は増殖させる工程、
を備える、生産方法。 A method of producing organisms using nitrogen fixation,
Fixing the nitrogen to the transformant according to any one of claims 1 to 9 as the organism, and growing or proliferating the transformant;
A production method comprising:
以下の(b)、(c)及び(e):
(b)配列番号2で表されるアミノ酸配列と90%以上の同一性を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(c)配列番号2で表されるアミノ酸配列において1個〜30個のアミノ酸の置換、欠失、挿入又は付加を有するアミノ酸配列を有し、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質
(e)配列番号1で表される塩基配列と90%以上の同一性を有する塩基配列によってコードされるタンパク質であって、低酸素及び窒素枯渇条件下においてL.boryanaの窒素固定遺伝子群のnifB−nifP遺伝子間領域1255bp(配列番号5)に含まれている2つのプロモーターのうちいずれかに作用して当該特定プロモーターによって作動可能に連結される遺伝子の発現の増強活性を有するタンパク質から選択される1種又は2種以上の被験タンパク質をコードする遺伝子で形質転換された非窒素固定生物体における低酸素及び窒素化合物枯渇条件下での前記被験タンパク質による1又は2以上の窒素固定遺伝子の発現増強を評価する工程、
を備える、スクリーニング方法。 A screening method for transcriptional regulators operable under hypoxia and nitrogen depletion conditions comprising:
The following (b), (c) and (e):
(B) having an amino acid sequence having 90% or more identity with the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and under conditions of hypoxia and nitrogen depletion; Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (c) having an amino acid sequence having 1 to 30 amino acid substitutions, deletions, insertions or additions in the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 2, and under hypoxia and nitrogen depletion conditions . Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana Protein having activity (e) A protein encoded by a nucleotide sequence having 90% or more identity with the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1, wherein L. Enhanced expression of genes operatively linked to the specific promoter by acting on one of the two promoters contained in the nifB-nifP intergenic region 1255 bp (SEQ ID NO: 5) of the nitrogen-fixing gene group of Boryana One or more of the test protein under hypoxia and nitrogen compound depletion conditions in a non-nitrogen-fixed organism transformed with a gene encoding one or more test proteins selected from proteins having activity Evaluating the enhanced expression of nitrogen fixation genes in
A screening method comprising:
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