JP6986973B2 - Method for synthesizing betalain pigment - Google Patents

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Description

本発明は、ベタレイン色素の合成方法、L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤、ベタレイン色素産出宿主、並びに、アマランチン合成酵素に関する。 The present invention relates to a method for synthesizing betalain dye, a conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA, a host for producing betalain dye, and an amaranthin synthase.

(ベタレイン)
ベタレインは、ナデシコ目の植物が合成する赤や黄色の窒素を含む化合物である。抗酸化力が高く、様々な機能性を持つことが知られている。赤いテンサイの根にはベタレインが多く蓄積されており健康食材として注目されている。テンサイに含まれるベタレインは、ベタニンと共にその光学異性体のイソベタニンも同程度合成・蓄積されている。
(Betalain)
Betalain is a red or yellow nitrogen-containing compound synthesized by plants of the order Caryophyllales. It is known to have high antioxidant power and various functionalities. Betalain is accumulated in the roots of red sugar beet and is attracting attention as a healthy food. Betalain contained in sugar beet has the same degree of synthesis and accumulation of betanin and its optical isomer, isobetanin.

特許文献1は、「チロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素活性、DOPA4,5−ジオキシゲナーゼ活性、L−DOPA オキシダーゼ活性、およびフェノール性水酸基に糖を付加する酵素活性、を有する微生物またはその処理物の存在下、水性媒体中で原料をベタシアニン類へと変換する工程(変換工程)を有するベタシアニン類を製造する方法」を開示している。
非特許文献1は、「オシロイバナのベタニン合成系は、S体であるベタニンを88%、R体のイソベタニンを12%合成すること」を報告している。
非特許文献2は、「ジャガイモのベタニン合成系は、S体及びR体の両方を合成すること」を報告している。
非特許文献3は、「ベンサミアナタバコのベタニン合成系は、S体及びR体の両方を合成すること」を報告している。
しかし、いずれの文献も、本発明のキヌア由来の4,5-ジヒドロキシ-フェニルアラニン ジオキシゲナーゼ エクストラジオール{4,5-DOPA(dihydroxy-phenylalanine)dioxygenaseextradiol}を開示又は示唆をしていない。
Patent Document 1 describes a microorganism having "enzyme activity for hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, DOPA4,5-dioxygenase activity, L-DOPA oxidase activity, and enzyme activity for adding a sugar to a phenolic hydroxyl group". A method for producing betacyanins having a step (conversion step) of converting a raw material into betacyanins in an aqueous medium in the presence of the treated product is disclosed.
Non-Patent Document 1 reports that "the betanin synthesis system of marvel-of-peru synthesizes 88% of S-form betanin and 12% of R-form isobetanin".
Non-Patent Document 2 reports that "the betanin synthesis system of potato synthesizes both S-form and R-form".
Non-Patent Document 3 reports that "the betanin synthesis system of Nicotiana benthamiana synthesizes both S-form and R-form".
However, neither document discloses or suggests 4,5-dihydroxy-phenylalanine dioxygenase extradiol {4,5-DOPA (dihydroxy-phenylalanine) dioxygenase extradiol} derived from quinoa of the present invention.

特開2016-182044号JP-A-2016-182044

Sasaki, N., Abe, Y.,Goda,Y.,Adachi,T.,Kasahara, K. and Ozeki, Y. 2009, Detection ofDOPA4,5-dioxygenase(DOD)activityusing recombinant protein preparedfromEscherichia colicellsharboring cDNAencoding DOD from Mirabilis jalapa.PlantCell Physiol.,50,1012-6.Sasaki, N., Abe, Y., Goda, Y., Adachi, T., Kasahara, K. and Ozeki, Y. 2009, Detection of DOPA4,5-dioxygenase (DOD) activityusing recombinant protein preparedfromEscherichia colicellsharboring cDNA encoding DOD from Mirabilis jalapa .PlantCell Physiol., 50, 1012-6. Polturak, G., Grossman,N.,Vela-Corcia,D.,etal. 2017, Engineered gray mold resistance, antioxidantcapacity,andpigmentationinbetalain-producing crops and ornamentals. Proc.Natl.Acad.Sci. U. S. A.,114,9062-7.Polturak, G., Grossman, N., Vela-Corcia, D., et al. 2017, Engineered gray mold resistance, antioxidantcapacity, andpigmentationinbetalain-producing crops and ornamentals. Proc.Natl.Acad.Sci. USA, 114,9062-7 .. Polturak, G., Breitel, D.,Grossman,N.,etal.2016, Elucidation of the first committed stepinbetalainbiosynthesisenablesthe heterologous engineering of betalainpigmentsinplants. NewPhytol., 210,269-83.Polturak, G., Breitel, D., Grossman, N., et al. 2016, Elucidation of the first committed stepinbetalainbiosynthesisenablesthe heterologous engineering of betalainpigmentsinplants. NewPhytol., 210,269-83.

ベタレインを生産する生物では光学異性体が存在しているため、ベタレイン抽出・精製物を製薬として用いる場合や、その機能を分析する際に、単一(S体) のベタレインを合成することが求められている。 Since optical isomers are present in organisms that produce betalain, it is necessary to synthesize a single (S-form ) betalain when using betalain extract / purified products as pharmaceuticals or when analyzing their functions. Has been done.

本発明者らは、上記課題を解決するために、キヌアの胚軸特異的に合成されるベタレインに関与する遺伝子の単離を行い、該遺伝子の機能解析を行ったところ、キヌアでのベタレイン色素合成系では、実質的にイソベタニンが合成されていないことを確認した。
以上により、本発明のベタレイン色素の合成方法、L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤、並びに、ベタレイン色素産出宿主を完成した。
In order to solve the above problems, the present inventors isolated a gene involved in betalain synthesized hypocotyl-specifically in quinoa, and analyzed the function of the gene. As a result, the betalain pigment in quinoa was analyzed. In the synthetic system, it was confirmed that isobetanin was not substantially synthesized.
From the above, the method for synthesizing the betalain dye of the present invention, the conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA, and the host for producing the betalain dye were completed.

すなわち、本発明は、以下の通りである。
1.ベタレイン色素の合成方法であって、
チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及び以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する、
又は、
以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入されており、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する、
ここで、該DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子は、以下のいずれか1以上から選択され、
(1)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子、
(7)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子、及び
(8)配列番号33に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を含む上記(1)〜(7)のいずれか1以上の遺伝子、
ことを特徴とするベタレイン色素の製造方法。
2.前記ベタレイン色素がベタニンである、前項1に記載のベタレイン色素の合成方法。
3.前記ベタレイン色素が実質的にイソベタニンを含まない、前項1又は2に記載のベタレイン色素の合成方法。
4.以下の(1)〜(8)のいずれか1に示す遺伝子又は該遺伝子を担持したベクターを含むL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤;
(1)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子、
(7)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子、及び
(8)配列番号33に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を含む上記(1)〜(7)のいずれか1以上の遺伝子。
5.以下の(1)〜(4)のいずれか1のアミノ酸配列で表されるペプチドを有するL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤;
(1)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列、
(2)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列、
(3)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号1に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列、及び
(4)配列番号33に記載のアミノ酸配列を含む上記(1)〜(3)のいずれか1以上のアミノ酸配列。
6.前項4又は5に記載の変換剤が導入されたベタレイン色素産出宿主。
7.ベタレイン色素産出宿主であって、
該宿主は、
チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及び以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)産生能を有する、
又は、
以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入されており、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を有する、
ここで、該DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子は、以下のいずれか1以上から選択され、
(1)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、21、23、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子、
(7)配列番号18、20、22、24、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子、及び
(8)配列番号33に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を含む上記(1)〜(7)のいずれか1以上の遺伝子、
ことを特徴とするベタレイン色素産出宿主。
8.前記ベタレイン色素が実質的にイソベタニンを含まない、前項7に記載のベタレイン色素産出宿主。
That is, the present invention is as follows.
1. 1. It is a method of synthesizing betalain pigment.
A gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, a gene encoding an enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group, and a gene encoding an enzyme. The following genes encoding genes encoding enzymes with DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced and tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA) production. Cultivate a capable host and extract the tyrosine pigment from the cultured host,
Or,
The following genes encoding enzymes having DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced, and the enzyme activity has the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and the enzyme activity having L-DOPA oxidase activity. , A host having an enzymatic activity having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group and a host having a tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability is cultured, and a betalein pigment is extracted from the host after the culture.
Here, the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity is selected from any one or more of the following.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 21, 23, 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA.
(3) The amino acid having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27 and the amino acid set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27. A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA substantially homologous to a sequence to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28.
(5) Hybridizes under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and L-DOPA is 4 , A gene consisting of DNA encoding a polypeptide capable of converting to 5-seco-DOPA,
(6) A gene consisting of DNA in which 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added in the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28. ,
(7) A gene consisting of DNA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and (8) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33. One or more genes of any one of (1) to (7) above, which comprises a gene encoding a polypeptide consisting of
A method for producing a betalain pigment, which is characterized by the fact that.
2. 2. The method for synthesizing a betalain pigment according to item 1 above, wherein the betalain pigment is betanin.
3. 3. The method for synthesizing a betalain dye according to the above item 1 or 2, wherein the betalain dye does not substantially contain isobetanin.
4. A conversion agent for L-DOPA containing the gene shown in any one of (1) to (8) below or a vector carrying the gene to 4,5-seco-DOPA;
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 21, 23, 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA.
(3) The amino acid having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27 and the amino acid set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27. A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA substantially homologous to a sequence to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28.
(5) Hybridizes under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and L-DOPA is 4 , A gene consisting of DNA encoding a polypeptide capable of converting to 5-seco-DOPA,
(6) A gene consisting of DNA in which 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added in the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28. ,
(7) A gene consisting of DNA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and (8) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33. A gene according to any one of (1) to (7) above, which comprises a gene encoding a polypeptide comprising.
5. A conversion agent for L-DOPA having a peptide represented by the amino acid sequence of any one of (1) to (4) below to 4,5-seco-DOPA;
(1) The amino acid sequence according to SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27,
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, An amino acid sequence capable of converting L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 21, 23, 25 or 27 into 4,5-seco-DOPA,
(3) L-DOPA having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27 and substantially the same as the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1. An amino acid sequence having the ability to convert to 4,5-seco-DOPA, and (4) an amino acid sequence according to any one of (1) to (3) above, which comprises the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33.
6. A betalain pigment-producing host into which the conversion agent according to the above item 4 or 5 has been introduced.
7. Betalain pigment production host,
The host is
A gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, a gene encoding an enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group, and a gene encoding an enzyme. The following genes encoding genes encoding enzymes with DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced and tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA) production. Has the ability,
Or,
The following genes encoding enzymes having DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced, and the enzyme activity has the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and the enzyme activity having L-DOPA oxidase activity. , Enzymatic activity having activity to add sugar to phenolic hydroxyl group and tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability.
Here, the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity is selected from any one or more of the following.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 21, 23, 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA.
(3) The amino acid having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27 and the amino acid set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25 or 27. A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA substantially homologous to a sequence to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28.
(5) Hybridizes under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and L-DOPA is 4 , A gene consisting of DNA encoding a polypeptide capable of converting to 5-seco-DOPA,
(6) A gene consisting of DNA in which 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added in the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28. ,
(7) A gene consisting of DNA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26 or 28, and (8) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33. One or more genes of any one of (1) to (7) above, which comprises a gene encoding a polypeptide consisting of
A host that produces betalain pigments.
8. The host for producing betalain pigment according to item 7 above, wherein the betalain pigment is substantially free of isobetanin.

本発明は、ベタレイン色素の合成方法、L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤、ベタレイン色素産出宿主、並びに、アマランチン合成酵素を提供することができた。 The present invention was able to provide a method for synthesizing betalain dye, a conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA, a host for producing betalain dye, and an amaranthin synthase.

ベタレイン色素合成。Betalain pigment synthesis. DODA1の活性部位のアミノ酸配列。A:DODA1活性部位の保存配列(Christinet,L.,Burdet,F.X.,Zaiko,M., Hinz, U. and Zryd, J.P. 2004,Characterizationandfunctionalidentificationof a novel plant 4,5-extradioldioxygenase involvedinbetalainpigmentbiosynthesis in Portulaca grandiflora.Plant Physiol.,134,265-74.)。B:キヌアDODA1の活性部位の配列。Amino acid sequence of the active site of DODA1. A: Conserved sequence of DODA1 active site (Christinet, L., Burdet, FX, Zaiko, M., Hinz, U. and Zryd, JP 2004, characterizationandfunctional identification of a novel plant 4,5-extradioldioxygenase involvedinbetalainpigmentbiosynthesis in Portulaca grandiflora.Plant Physiol. , 134,265-74.). B: Sequence of the active site of quinoa DODA1. ベタレイン合成遺伝子発現ベクター。A:pCAMBIA_CqCYP76AD1-oxの図。B:pCAMBIA_CqDODA1-1〜1-6-oxの図。C:pCAMBIA_CqCDOPA5GT-oxの図。D:空ベクター(vector control)であるpCAMBIA1301Mの図。HPTはhygromycinresistantgene、35SはenhancedCaMV35Spromoter、NosTはNopaline synthaseTerminater、LBはLeft Border、RBはRight Borderを示す。Betalain synthetic gene expression vector. A: Figure of pCAMBIA_CqCYP76AD1-ox. B: Figure of pCAMBIA_CqDODA1-1 ~ 1-6-ox. C: Figure of pCAMBIA_CqCDOPA5GT-ox. D: Figure of pCAMBIA1301M which is an empty vector (vector control). HPT indicates hygromycin resistant gene, 35S indicates enhancedCaMV35Spromoter, NosT indicates Nopaline synthaseTerminater, LB indicates Left Border, and RB indicates Right Border. ベンサミアナタバコでの活性評価1。A:CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換したベンサミアナタバコの緑葉。B:CqCYP76AD1、空ベクター(vectorcontrol)であるpCAMBIA1301M及びCqCDOPA5GTを形質転換したベンサミアナタバコの緑葉。C:HPLC解析結果。Betaninは標品(ベタニン、イソベタニン混合物)を示す。Activity evaluation with Nicotiana benthamiana 1. A: Green leaves of Nicotiana benthamiana transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT. B: Green leaves of Nicotiana benthamiana transformed with CqCYP76AD1, pCAMBIA1301M which is an empty vector (vector control) and CqCDOPA5GT. C: HPLC analysis results. Betanin indicates a standard (a mixture of betanin and isobetanin). ベンサミアナタバコでの活性評価2。A:CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換したベンサミアナタバコの緑葉。B:CqCYP76AD1、CqDODA1-2及びCqCDOPA5GTを形質転換したベンサミアナタバコの緑葉。C:HPLC解析結果。Betaninは標品(ベタニン、イソベタニン混合物)を示す。Activity evaluation with Nicotiana benthamiana 2. A: Green leaves of Nicotiana benthamiana transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT. B: Green leaves of Nicotiana benthamiana transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-2 and CqCDOPA5GT. C: HPLC analysis results. Betanin indicates a standard (a mixture of betanin and isobetanin). タバコBY2細胞での活性評価。A:CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換したタバコBY2細胞。B:CqCYP76AD1、空ベクター(vectorcontrol)であるpCAMBIA1301M及びCqCDOPA5GTを形質転換したタバコBY2細胞。C:HPLC解析結果。Evaluation of activity in tobacco BY2 cells. A: Tobacco BY2 cells transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT. B: Tobacco BY2 cells transformed with CqCYP76AD1, the empty vector pCAMBIA1301M and CqCDOPA5GT. C: HPLC analysis results. L-DOPAからベタラミン酸の合成経路。Synthetic pathway of betaramic acid from L-DOPA. 近隣結合アルゴリズム(neighbor joiningalgorithm)を用いた系統樹。スケールバーはアミノ酸配列の50%の相違を示す。A phylogenetic tree using a neighbor joining algorithm. Scale bars show a 50% difference in amino acid sequence. ベンサミアナタバコでのアマランチン合成酵素活性評価。「−」は空ベクター(vectorcontrol)であるpCAMBIA1301Mを示す。Evaluation of amaranthin synthase activity in Nicotiana benthamiana. "-" Indicates pCAMBIA1301M which is an empty vector (vector control). アマランチン合成能評価におけるHPLC解析結果。HPLC analysis results in the evaluation of amaranthin synthesis ability. ベンサミアナタバコでのオシロイバナのDODA1遺伝子の活性評価。Evaluation of the activity of the DODA1 gene in Marvel-of-peru in Bensamiana tobacco. オシロイバナのDODA1遺伝子の活性評価におけるHPLC解析結果。HPLC analysis results in the activity evaluation of the DODA1 gene of Marvel-of-peru.

本発明は、ベタレイン色素の合成方法、L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤、ベタレイン色素産出宿主、並びに、アマランチン合成酵素に関する。以下に、本発明を詳細に説明する。 The present invention relates to a method for synthesizing betalain dye, a conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA, a host for producing betalain dye, and an amaranthin synthase. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

(ベタレイン色素)
本発明でのベタレイン色素とは、構造上の特徴からベタキサンチンとベタシアニン類に分類される。なお、ベタキサンチンは黄色に発色し、ベタシアニン類は赤紫に発色するため従来から天然着色料として利用されている。なお、ベタシアニン類とは、ベタニジンのフェノール性水酸基に糖類がグリコシド結合した化合物群の総称を意味する。
(Betalain pigment)
The betalain pigment in the present invention is classified into betaxanthine and betacyanins based on their structural characteristics. Since betaxanthine develops a yellow color and betacyanins develop a magenta color, it has been conventionally used as a natural colorant. The betacyanins are a general term for a group of compounds in which a saccharide is glycosidic bonded to a phenolic hydroxyl group of betanidin.

(ベタレイン色素合成系)
本発明でのキヌアの胚軸由来のベタレイン色素合成系の要約を図1に示す。図1の記載から明らかなように、チロシン(Tyrosine)又は3-ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)、さらには、アミノ酸、アミン(例、プトレシン(putrescine)、スペルミジン(spermidine)、スペルミン(spermine))の産出能を持つ宿主(外部から取り入れことが可能な宿主も含む)が、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素(例えば、CqCYP76AD1)活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素(例えば、CqCYP76AD1)活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素{例えば、ベタニジン5−O−グルコシルトランスフェラーゼ活性を有する酵素(Cyclo-DOPA 5-O-glucosyltransferase、CqCDOPA5GT等)活性、本発明の4,5-ジヒドロキシ-フェニルアラニン ジオキシゲナーゼ エクストラジオール{4,5-DOPA(dihydroxy-phenylalanine) dioxygenase extradiol、4,5-DOPA dioxygenase extradiol 1}活性を有すれば、ベタキサンチンとベタシアニン類(例、ベタニジン、ベタニン)を合成することができる。
なお、CqCYP76AD1は、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素活性及びL−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性の両方の性質を有する。
下記の実施例8の結果より、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子並びにアマランチン合成酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入された宿主である植物体は、ベタレイン色素の1つであるアマランチンの合成能を有する。
(Betalain pigment synthesis system)
A summary of the betalain pigment synthesis system derived from the hypocotyl of quinoa in the present invention is shown in FIG. As is apparent from the description in FIG. 1, tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA), as well as amino acids, amines (eg, putrescine), Hosts capable of producing spermidine and spermine (including hosts that can be taken in from the outside) have the activity of an enzyme that hydroxylates the 3-position of the phenol ring of tyrosine (eg, CqCYP76AD1), L. -An enzyme having DOPA oxidase activity (eg, CqCYP76AD1) activity, an enzyme having an activity of adding sugar to a phenolic hydroxyl group {for example, an enzyme having betanidin 5-O-glucosyltransferase activity (for example, Cyclo-DOPA 5-O-glucosyltransferase, CqCDOPA5GT, etc.) Activity, 4,5-dihydroxy-phenylalanine dioxygenase extradiol of the present invention {4,5-DOPA (dihydroxy-phenylalanine) dioxygenase extradiol, 4,5-DOPA dioxygenase extradiol 1} If active, betaxanthine And betacyanins (eg, betanidin, betanin) can be synthesized.
In addition, CqCYP76AD1 has both the property of the enzyme activity which hydroxylates the 3-position of the phenol ring of tyrosine and the enzyme activity which has the L-DOPA oxidase activity.
From the results of Example 8 below, a gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, and a DOPA 4,5-dioxygenase activity The plant body, which is the host into which the gene encoding the enzyme having the It has the ability to synthesize one of the amaranthins.

(チロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素)
本発明でのチロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素とは、チロシンが有するフェノール環の3位に水酸基を付加することができる活性を有し、該活性を有すればどのような種の由来でも良い。
チロシンのフェノール環の3位を水酸化する酵素としては、例えば、チロシナーゼ、シトクロムP450(特に、CYP76AD1、CYP76AD2、CYP76AD3等)、カテコールオキシダーゼ等が挙げられるが、好ましくはCqCYP76AD1(配列番号29、アクセッション番号XP_021769302)である。
(Enzyme that hydroxylates the 3-position of the phenol ring of tyrosine)
The enzyme that hydroxylates the 3-position of the phenol ring of tyrosine in the present invention has an activity capable of adding a hydroxyl group to the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and any species having the activity. It may be the origin of.
Examples of the enzyme that hydroxylates the 3-position of the phenol ring of tyrosine include tyrosinase, cytochrome P450 (particularly CYP76AD1, CYP76AD2, CYP76AD3, etc.), catechol oxidase, etc., but CqCYP76AD1 (SEQ ID NO: 29, accession) is preferable. The number is XP_021769302).

(L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素)
本発明でのL−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素とは、L−DOPAをcyclo−DOPAへと変換する活性を有し、該活性を有すればどのような種の由来でも良い。
L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素とは、例えば、L−DOPA オキシダーゼ活性を有する酵素としては、チロシナーゼ、シトクロムP450であるCYP76AD1、CYP76AD2、CYP76AD3、CYP76AD5、CYP76AD6等が挙げられるが、好ましくはCqCYP76AD1(配列番号29)である。
(Enzyme having L-DOPA oxidase activity)
The enzyme having L-DOPA oxidase activity in the present invention has an activity of converting L-DOPA to cyclo-DOPA, and any species may be derived as long as it has the activity.
Examples of the enzyme having L-DOPA oxidase activity include tyrosinase, CYP76AD1, CYP76AD2, CYP76AD3, CYP76AD5, CYP76AD6 and the like, which are cytochrome P450, and CqCYP76AD1 (sequence) is preferable. The number 29).

(フェノール性水酸基に糖を付加する酵素)
本発明でのフェノール性水酸基に糖を付加する酵素とは、cyclo−DOPA骨格の5位や6位に存在するフェノール性水酸基に糖を付加する活性を有し、該活性を有すればどのような種の由来でも良い。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素として、例えば、cyclo−DOPA5−O−グルコシルトランスフェラーゼ、ベタニジン5−O−グルコシルトランスフェラーゼ(cyclo-DOPA 5-O-glucosyltransferase)、ベタニジン6−O−グルコシルトランスフェラーゼ等が挙げられるが、好ましくはCqCDOPA5GT(配列番号31、アクセッション番号XP_021748306)である。
ベタニンからアマランチン(Amaranthin)を合成する酵素(アマランチン合成酵素)は、配列番号36(アクセッション番号XP_021754077)である。
(Enzyme that adds sugar to phenolic hydroxyl group)
The enzyme that adds a sugar to a phenolic hydroxyl group in the present invention has an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group existing at the 5-position or the 6-position of the cyclo-DOPA skeleton, and what if it has this activity? It may be derived from various species.
Examples of the enzyme that adds a sugar to the phenolic hydroxyl group include cyclo-DOPA5-O-glucosyltransferase, betanidin 5-O-glucosyltransferase, betanidin 6-O-glucosyltransferase and the like. However, it is preferably CqCDOPA5GT (SEQ ID NO: 31, accession number XP_021748306).
The enzyme that synthesizes Amaranthin from betanin (Amaranthin synthase) is SEQ ID NO: 36 (Axon No. XP_021754077).

フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がベタニジン6−O−グルコシルトランスフェラーゼであれば、ベタニンが合成される。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がbetanidin 6-O-glucosyltransferaseであれば、Gomphrenin-Iが合成される。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がbetanidin 5-O-glucosyltransferase及びbetanin beta-D-glucuronosyltransferaseであれば、アマランチン(特に、15S体)が合成される。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がベタニジン6−O−グルコシルトランスフェラーゼでありさらにアマランチン合成酵素があれば、アマランチンが合成される。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がbetanidin 5-O-glucosyltransferase及びbetanin feruloyltransferaseであれば、LampranthinII(特に、15S体)が合成される。
フェノール性水酸基に糖を付加する酵素がbetanidin 5-O-glucosyltransferase、betanin beta-D-glucuronosyltransferase及びbetaninferuloyltransferaseであれば、Celosianin II(特に、15S体)が合成される。
If the enzyme that adds sugar to the phenolic hydroxyl group is betanidine 6-O-glucosyltransferase, betanin is synthesized.
If the enzyme that adds sugar to the phenolic hydroxyl group is betanidin 6-O-glucosyltransferase, Gomphrenin-I is synthesized.
If the enzymes that add sugar to the phenolic hydroxyl group are betanidin 5-O-glucosyltransferase and betanin beta-D-glucuronosyltransferase, amaranthin (particularly, 15S form) is synthesized.
If the enzyme that adds sugar to the phenolic hydroxyl group is betanidin 6-O-glucosyltransferase and there is an amaranthin synthase, amaranthin is synthesized.
If the enzymes that add sugar to the phenolic hydroxyl group are betanidin 5-O-glucosyltransferase and betanin feruloyltransferase, Lampranthin II (particularly, 15S form) is synthesized.
If the enzymes that add sugar to the phenolic hydroxyl group are betanidin 5-O-glucosyltransferase, betanin beta-D-glucuronosyltransferase and betanin feruloyltransferase, Celosianin II (particularly, 15S form) is synthesized.

(DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素)
本発明のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素は、L−3,4−ジヒドロキシフェニルアラニンのエクストラジオール開裂を触媒する活性により、L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有する。さらに、4,5−seco−DOPAは、自発的反応を経て、ベタラミン酸へと変換する(参照:図7)。
(Enzyme with DOPA 4,5-dioxygenase activity)
The enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity of the present invention has the ability to convert L-DOPA to 4,5-seco-DOPA by the activity of catalyzing the extradiol cleavage of L-3,4-dihydroxyphenylalanine. Have. In addition, 4,5-seco-DOPA undergoes a spontaneous reaction to convert to betaramic acid (see: FIG. 7).

本発明のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子は、以下のいずれか1以上から選択される。
(1)配列番号17(アクセッション番号XP_021769303)、19(アクセッション番号XP_021769301)、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子。
(2)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子。
(3)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子。
(4)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子。
(5)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子。
(6)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子。
(7)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子。
(8)配列番号33に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を含む上記(1)〜(7)のいずれか1以上の遺伝子。
The gene encoding the enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity of the present invention is selected from any one or more of the following.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence according to SEQ ID NO: 17 (accession number XP_021769303), 19 (accession number XP_021769301), 21, 23, 25, 27 or 34.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NO: 17, A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 19, 21, 23, 25, 27 or 34 to 4,5-seco-DOPA.
(3) Has 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, and has SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34. A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence described in 4,5-seco-DOPA.
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35.
(5) Hybridizes under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35, and L-DOPA. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert 4,5-seco-DOPA.
(6) In the DNA consisting of the base sequences set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35, from the DNA in which 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added. Gene.
(7) A gene consisting of DNA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35.
(8) One or more genes according to any one of (1) to (7) above, which comprises a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33.

上記(2)の遺伝子は、L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を失わせない程度の変異を導入したポリペプチドをコードする遺伝子である。このような変異は、自然界において生じる変異のほかに、人為的な変異をも含む。人為的変異を生じさせる手段としては、部位特異的変異誘発法(Nucleic Acids Res. 10, 6487-6500, 1982)などを挙げることができる。変異したアミノ酸の数は、通常は、20アミノ酸以内であり、好ましくは10アミノ酸以内であり、更に好ましくは5アミノ酸以内であり、最も好ましくは3アミノ酸である。変異を導入したポリペプチドがL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を保持しているかどうかは、例えば、変異を導入したポリペプチドをコードする遺伝子を植物体等に導入し、その植物体内のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を確認することによりわかる。
上記(3)の遺伝子に関し、「配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力」とは、その作用程度は、配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力と比較して強くても弱くてもよい。例えば、配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力と比較して、約50%、約60%、約70%、約80%、約90%、約100%、約110%、約120%、約130%、約140%、約150%を例示することができる。
また、同一性は、BLAST(BasicLocalAlignmentSearchToolat the National Center for Biological Information)等(例えば、デフォルトすなわち初期設定のパラメータを用いて)を用いて計算することができる。
上記(5)の遺伝子は、DNA同士のハイブリダイゼーションを利用することにより得られる遺伝子である。この遺伝子における「ストリンジェントな条件」とは、特異的なハイブリダイゼーションのみが起き、非特異的なハイブリダイゼーションが起きないような条件をいう。このような条件は、通常、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の37℃でのハイブリダイゼーション及び1×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による37℃での洗浄処理といった条件であり、好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の42℃でのハイブリダイゼーション及び0.5×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による42℃での洗浄処理といった条件であり、更に好ましくは、5×SSC、1%SDSを含む緩衝液中の65℃でのハイブリダイゼーション及び0.2×SSC、0.1%SDSを含む緩衝液による65℃での洗浄処理といった条件である。ハイブリダイゼーションを利用することにより得られたDNAが、活性を有するポリペプチドをコードするかどうかは、例えば、そのDNAを植物体等に導入し、その植物体のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を確認することによりわかる。ハイブリダイゼーションにより得られるDNAは、上記(4)の遺伝子(配列番号18、20、22、24、26、28又は35)と通常、高い同一性を有する。高い同一性とは、90%以上の同一性、好ましくは95%以上の同一性、更に好ましくは98%以上の同一性を指す。
上記(6)の遺伝子は、配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個、好ましくは1〜30個、より好ましくは1〜20個、最も好ましくは1〜10個、さらに最も好ましくは1〜5個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子である。
上記(7)の遺伝子は、配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上、好ましくは93%以上、より好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上の同一性を有するDNAからなる遺伝子である。
The gene (2) above is a gene encoding a polypeptide having a mutation introduced to the extent that the ability to convert L-DOPA to 4,5-seco-DOPA is not lost. Such mutations include human-induced mutations as well as those that occur in nature. As a means for causing an artificial mutation, a site-directed mutagenesis method (Nucleic Acids Res. 10, 6487-6500, 1982) and the like can be mentioned. The number of mutated amino acids is usually 20 amino acids or less, preferably 10 amino acids or less, more preferably 5 amino acids or less, and most preferably 3 amino acids or less. Whether or not the mutated polypeptide retains the ability to convert L-DOPA to 4,5-seco-DOPA is determined, for example, by introducing a gene encoding the mutated polypeptide into a plant or the like. It can be seen by confirming the ability of the plant to convert L-DOPA to 4,5-seco-DOPA.
Regarding the gene of (3) above, "the ability to convert L-DOPA substantially the same as the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34 to 4,5-seco-DOPA". The degree of action is stronger than the ability to convert L-DOPA of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34 to 4,5-seco-DOPA. May be weak. For example, about 50%, about 60% compared to the ability to convert L-DOPA of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34 to 4,5-seco-DOPA. , About 70%, about 80%, about 90%, about 100%, about 110%, about 120%, about 130%, about 140%, about 150% can be exemplified.
Identity can also be calculated using BLAST (BasicLocalAlignmentSearchToolat the National Center for Biological Information) and the like (eg, using default or default parameters).
The gene of (5) above is a gene obtained by utilizing hybridization between DNAs. The "stringent condition" in this gene means a condition in which only specific hybridization occurs and non-specific hybridization does not occur. Such conditions are usually conditions such as hybridization at 37 ° C. in a buffer containing 5 × SSC, 1% SDS and washing treatment at 37 ° C. with a buffer solution containing 1 × SSC, 0.1% SDS. , Preferably, hybridization at 42 ° C. in a buffer solution containing 5 × SSC, 1% SDS and washing treatment at 42 ° C. with a buffer solution containing 0.5 × SSC, 0.1% SDS, more preferably. , Hybridization at 65 ° C. in a buffer containing 5 × SSC, 1% SDS and washing treatment at 65 ° C. with a buffer solution containing 0.2 × SSC, 0.1% SDS. Whether or not the DNA obtained by utilizing hybridization encodes an active polypeptide, for example, the DNA is introduced into a plant or the like, and the L-DOPA of the plant is 4,5-seco. -It can be found by confirming the ability to convert to DOPA. The DNA obtained by hybridization usually has a high identity with the gene of (4) above (SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35). High identity refers to 90% or more identity, preferably 95% or more identity, and more preferably 98% or more identity.
The gene of (6) is 1 to 50, preferably 1 to 30, more preferably 1 to 20 in the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35. It is a gene consisting of 20 DNAs, most preferably 1 to 10, and even more preferably 1 to 5 base sequences substituted, deleted, inserted and / or added.
The gene of (7) is 90% or more, preferably 93% or more, more preferably 95% or more, most of the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35. It is preferably a gene consisting of DNA having 98% or more identity.

本発明のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素は、以下のいずれか1以上から選択される。
(1)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列。
(2)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列。
(3)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号1に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列。
(4)配列番号33に記載のアミノ酸配列を含む上記(1)〜(3)のいずれか1以上のアミノ酸配列。
なお、ペプチドの変異の導入において、当該ペプチドの基本的な性質(物性、機能、生理活性又は免疫学的活性等)を変化させないという観点からは、例えば、同族アミノ酸(極性アミノ酸、非極性アミノ酸、疎水性アミノ酸、親水性アミノ酸、陽性荷電アミノ酸、陰性荷電アミノ酸および芳香族アミノ酸等)の間での相互の置換は容易に想定される。
特に、配列番号33に記載のアミノ酸配列は、活性部位の配列が含まれている。この配列に変異が導入されるとL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力が失われる可能性が高いので、変異はこれらのドメイン以外のアミノ酸に導入されることが好ましい。
The enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity of the present invention is selected from any one or more of the following.
(1) The amino acid sequence according to SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NO: 17, An amino acid sequence having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 19, 21, 23, 25, 27 or 34 into 4,5-seco-DOPA.
(3) L- having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34 and substantially the same as the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1. An amino acid sequence capable of converting DOPA to 4,5-seco-DOPA.
(4) An amino acid sequence according to any one of (1) to (3) above, which comprises the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33.
From the viewpoint of not changing the basic properties (physical properties, function, physiological activity, immunological activity, etc.) of the peptide when introducing a mutation in the peptide, for example, homologous amino acids (polar amino acids, non-polar amino acids, etc.) Mutual substitutions between hydrophobic amino acids, hydrophilic amino acids, positive charged amino acids, negative charged amino acids, aromatic amino acids, etc.) are easily assumed.
In particular, the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33 includes the sequence of the active site. It is preferred that the mutation be introduced into an amino acid other than these domains, as the ability to convert L-DOPA to 4,5-seco-DOPA is likely to be lost if a mutation is introduced into this sequence.

(ベタレイン色素の合成方法)
本発明のベタレイン色素の合成方法は、以下を例示することができる。
(1)チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及びDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する。
(2)DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入さており、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する。
本発明のベタレイン色素の合成方法では、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素の種類によって、様々なベタシアニン類を合成することができる。
また、本発明のベタレイン色素の合成方法では、実質的にはイソベタニンを合成しないことを下記の実施例で確認している。
なお、「実質的にはイソベタニンを合成しない」とは、ベタニン合成量100重量部に対して、イソベタニン合成量は3重量部以下、2重量部以下、1重量部以下、0.5重量部以下、0.3重量部以下、0.2重量部以下、0.1重量部以下、0.01重量部以下、0.001重量部以下、0.0001重量部以下、又は0重量部を意味する。
加えて、「実質的にはイソアマランチンを合成しない」とは、アマランチン合成量100重量部に対して、イソアマランチン合成量は3重量部以下、2重量部以下、1重量部以下、0.5重量部以下、0.3重量部以下、0.2重量部以下、0.1重量部以下、0.01重量部以下、0.001重量部以下、0.0001重量部以下、又は0重量部を意味する。
(Method of synthesizing betalain pigment)
The method for synthesizing the betalain dye of the present invention can be exemplified as follows.
(1) A gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, and an enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group are encoded. Genes for genes and genes encoding enzymes having DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced, and a host capable of producing tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine has been cultured and post-cultured. Extract the tyrosine pigment from the host.
(2) An enzyme activity having an enzyme encoding an enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity, an enzyme activity having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and an enzyme activity having an L-DOPA oxidase activity. , A host having an enzymatic activity having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group and a host having a tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability is cultured, and the betalein pigment is extracted from the host after the culture.
In the method for synthesizing betalain dyes of the present invention, various betacyanins can be synthesized depending on the type of enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group.
Further, it has been confirmed in the following examples that the method for synthesizing betalain dye of the present invention does not substantially synthesize isobetanin.
In addition, "substantially does not synthesize isobetanin" means that the amount of isobetanin synthesized is 3 parts by weight or less, 2 parts by weight or less, 1 part by weight or less, 0.5 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of betanin. , 0.3 parts by weight or less, 0.2 parts by weight or less, 0.1 parts by weight or less, 0.01 parts by weight or less, 0.001 parts by weight or less, 0.0001 parts by weight or less, or 0 parts by weight. ..
In addition, "substantially does not synthesize isoamaranthin" means that the amount of isoamaranthin synthesized is 3 parts by weight or less, 2 parts by weight or less, 1 part by weight or less, 0 with respect to 100 parts by weight of amaranthin synthesized. .5 parts by weight or less, 0.3 parts by weight or less, 0.2 parts by weight or less, 0.1 parts by weight or less, 0.01 parts by weight or less, 0.001 parts by weight or less, 0.0001 parts by weight or less, or 0 Means the weight part.

(宿主)
本発明のベタレイン色素の合成方法で使用する宿主は、チロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を有すれば特に限定されないが、例えば、自体公知の組換え大腸菌タンパク質合成系、昆虫タンパク質合成系、酵母タンパク質合成系、植物細胞タンパク質合成系、無細胞タンパク質合成系、植物タンパク質合成系、動物培養細胞等を使用することができる。
本発明のベタレイン色素の合成方法で使用する宿主への各遺伝子の導入方法は、自体公知の方法を使用することができる。例えば、該遺伝子を担持したベクターを使用して宿主に導入することができる。
ベクターとして、自体公知のウイルスベクター、特に植物ウイルスベクター(例、トバモウイルス属に属するウイルス由来のベクター、タバコモザイクウイルスベクター、トマトモザイクウイルスベクター)を利用することができる。
また、Tiプラスミドを用いたアグロバクテリウム法を利用することができる。
(Host)
The host used in the method for synthesizing the betalein dye of the present invention is not particularly limited as long as it has the ability to produce tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine, and is, for example, a recombinant Escherichia coli protein synthesis system or an insect protein synthesis system known per se. , Yeast protein synthesis system, plant cell protein synthesis system, cell-free protein synthesis system, plant protein synthesis system, cultured animal cells and the like can be used.
As the method for introducing each gene into the host used in the method for synthesizing the betalain dye of the present invention, a method known per se can be used. For example, a vector carrying the gene can be used for introduction into a host.
As the vector, a virus vector known per se, particularly a plant virus vector (eg, a vector derived from a virus belonging to the genus Tobamovirus, a tobacco mosaic virus vector, a tomato mosaic virus vector) can be used.
In addition, the Agrobacterium method using Ti plasmid can be used.

(各遺伝子の宿主への導入方法)
本発明のベタレイン色素の合成方法において、各遺伝子の宿主への導入方法は、自体公知の方法により、該遺伝子を植物体に導入することができる。例えば、各遺伝子を担持した植物ウイルスベクターを含む溶液を植物体の葉、茎、根、穂等に塗布することにより、各遺伝子を宿主へ導入することができる。その他の方法として、パーティクルガン法、アグロバクテリウム法が例示することができる。
(Method of introducing each gene into the host)
In the method for synthesizing the betalain dye of the present invention, the gene can be introduced into a plant by a method known per se as a method for introducing each gene into a host. For example, each gene can be introduced into a host by applying a solution containing a plant virus vector carrying each gene to the leaves, stems, roots, ears, etc. of a plant. As other methods, the particle gun method and the Agrobacterium method can be exemplified.

(各タンパク質の宿主への導入方法)
本発明のベタレイン色素の合成方法において、各タンパク質の宿主(特に、植物体)への導入方法は、自体公知の方法により、該タンパク質を植物体に導入することができる。例えば、各タンパク質を含む溶液を植物体の葉、茎、根、穂等に塗布することにより、各タンパク質を宿主へ導入することができる。その他の方法として、パーティクルガン法、アグロバクテリウム法が例示することができる。
(Method of introducing each protein into the host)
In the method for synthesizing the betalain dye of the present invention, the protein can be introduced into a plant by a method known per se as a method for introducing each protein into a host (particularly, a plant). For example, each protein can be introduced into a host by applying a solution containing each protein to the leaves, stems, roots, ears, etc. of a plant. As other methods, the particle gun method and the Agrobacterium method can be exemplified.

(ベタレイン色素産出宿主)
本発明のベタレイン色素産出宿主は、例えば、以下のいずれか1以上の構成・特徴を有する。
(1)チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及びDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)産生能を有する。
(2)DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入されており、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を有する。
(3)L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤が導入されている。
本発明のベタレイン色素産出宿主では、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素の種類によって、様々なベタシアニン類を合成することができる。
また、本発明のベタレイン色素産出宿主では、実質的にはイソベタニンを合成しないことを下記の実施例で確認している。
(Host for producing betalain pigment)
The betalain dye-producing host of the present invention has, for example, any one or more of the following configurations / characteristics.
(1) A gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, and an enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group are encoded. A gene group of genes encoding an enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity has been introduced, and tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA) has been introduced. Has production ability.
(2) An enzyme having a gene encoding an enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity, an enzyme activity having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and an enzyme having an L-DOPA oxidase activity. It has an activity, an enzymatic activity having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group, and a tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability.
(3) A conversion agent for converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA has been introduced.
In the betalain pigment producing host of the present invention, various betacyanins can be synthesized depending on the type of enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group.
Further, it has been confirmed in the following examples that the host for producing the betalain pigment of the present invention does not substantially synthesize isobetanin.

(L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤)
本発明のL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤は、以下の(1)〜(8)のいずれか1に示す遺伝子又は該遺伝子を担持したベクターを含む。
(1)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子。
(2)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子。
(3)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子。
(4)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子。
(5)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子。
(6)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しているDNAからなる遺伝子。
(7)配列番号18、20、22、24、26、28又は35に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有するDNAからなる遺伝子。
(8)配列番号33に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子を含む上記(1)〜(7)のいずれか1以上の遺伝子。
(Conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA)
The converting agent for converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA of the present invention includes the gene shown in any one of (1) to (8) below or a vector carrying the gene.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NO: 17, A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 19, 21, 23, 25, 27 or 34 to 4,5-seco-DOPA.
(3) Has 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, and has SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34. A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence described in 4,5-seco-DOPA.
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35.
(5) Hybridizes under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35, and L-DOPA. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert 4,5-seco-DOPA.
(6) In the DNA consisting of the base sequences set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35, from the DNA in which 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added. Gene.
(7) A gene consisting of DNA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 22, 24, 26, 28 or 35.
(8) One or more genes according to any one of (1) to (7) above, which comprises a gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33.

また、本発明のL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤は、以下の(1)〜(4)のいずれか1のアミノ酸配列で表されるペプチドを有する。
(1)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列。
(2)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列。
(3)配列番号17、19、21、23、25、27又は34に記載のアミノ酸配列と90%以上の相同性を有し、かつ配列番号1に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列。
(4)配列番号33に記載のアミノ酸配列を含む上記(1)〜(3)のいずれか1以上のアミノ酸配列。
Further, the converting agent for converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA of the present invention has a peptide represented by the amino acid sequence of any one of (1) to (4) below.
(1) The amino acid sequence according to SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34, 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NO: 17, An amino acid sequence having the ability to convert L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence according to 19, 21, 23, 25, 27 or 34 into 4,5-seco-DOPA.
(3) L- having 90% or more homology with the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 21, 23, 25, 27 or 34 and substantially the same as the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1. An amino acid sequence capable of converting DOPA to 4,5-seco-DOPA.
(4) An amino acid sequence according to any one of (1) to (3) above, which comprises the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 33.

以下に具体例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されない。 The present invention will be described in detail below with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples.

<キヌア由来ベタレイン合成能遺伝子を形質転換したアグロバクテリウムの作製>
本発明に係るベタレイン色素の合成方法に用いる酵素をコードする遺伝子であるCqCYP76AD1(チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素及びL−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素)、CqDODA1-1(DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素)、CqDODA1-2(DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素)及びCqCDOPA5GT(フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素)について、以下の方法により発現プラスミドを構築し、アグロバクテリウムに形質転換した。形質転換アグロバクテリウムを後述のベタレイン合成能の評価に用いた。
<Preparation of Agrobacterium transformed with quinoa-derived betalain synthetic ability gene>
CqCYP76AD1 (an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine and an enzyme having an L-DOPA oxidase activity), CqDODA1-1 (an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine), which is a gene encoding an enzyme used in the method for synthesizing a betalein dye according to the present invention. DOPA 4,5-dioxygenase activity enzyme), CqDODA1-2 (DOPA 4,5-dioxygenase activity enzyme) and CqCDOPA5GT (enzyme having activity to add sugar to phenolic hydroxyla), the following methods An expression plasmid was constructed with the above-mentioned enzyme and transformed into agrobacterium. Transformed Agrobacterium was used to evaluate the ability to synthesize betalain, which will be described later.

[キヌア由来ベタレイン合成遺伝子の発現プラスミドの構築]
(1)RNeasy Plant Mini kit(Qiagen社)を用いてキヌア(Chenopodium quinoa)発芽4日目の胚軸からRNAを抽出した。抽出したRNAをHighCapacitycDNAReversetranscription Kitを用いてcDNAを合成した。手順は、付属の説明書に従った。
(2)合成したcDNAを鋳型にしてベタレイン合成遺伝子の全長ORFをPrime STAR GXL(TaKaRa社)の酵素を使用してPCRで増幅した。PCRに使用したプライマーは、CqCYP76AD1(配列番号30、アクセッション番号XM_021913610)は配列番号1及び2、CqDODA1-1(配列番号18、アクセッション番号XM_021913611)は配列番号3及び4、CqDODA1-2(配列番号20、アクセッション番号XM_021913609)は配列番号5及び6、CqCDOPA5GT(配列番号32、アクセッション番号XM_021892614)は配列番号7及び8を用いた。増幅したPCR断片を制限酵素(CqCYP67AD1: SpeI及びBstPI、CqDODA1-1及びCqDODA1-2:EcoRI及びBamHI、CqCDOPA5GT: BamHI及びBstPI)で切断した。
(3)制限酵素処理をしたPCR断片を植物で恒常的に発現するプラスミドpCAMBIA1301M (Imamura, T., Kusano, H., Kajigaya, Y.,Ichikawa,M.andShimada, H. 2007, A rice dihydrosphingosine C4 hydroxylase(DSH1)gene,which isabundantly expressed in the stigmas, vascular cellsandapicalmeristem, may beinvolved in fertility. Plant Cell Physiol., 48,1108-20.)のCaMV35Sプロモーターの下流に導入した(図3)。構築したベクターをそれぞれpCAMBIA_CqCYP76AD1-ox、pCAMBIA_CqDODA1-1-ox、pCAMBIA_CqDODA1-2-ox、pCAMBIA_CqDOPA5GT-oxと命名した。
[Construction of expression plasmid for quinoa-derived betalain synthetic gene]
(1) RNA was extracted from the hypocotyl on the 4th day of germination of Quinopodium quinoa using the RNeasy Plant Mini kit (Qiagen). The extracted RNA was synthesized into cDNA using the High Capacity cDNA Reverse transcription Kit. The procedure followed the attached instructions.
(2) Using the synthesized cDNA as a template, the full-length ORF of the betalain synthetic gene was amplified by PCR using the enzyme of Prime STAR GXL (TaKaRa). The primers used for PCR are SEQ ID NOs: 1 and 2 for CqCYP76AD1 (SEQ ID NO: 30, accession number XM_021913610), SEQ ID NOs: 3 and 4 for CqDODA1-1 (SEQ ID NO: 18, accession number XM_021913611), and CqDODA1-2 (sequence number 18). SEQ ID NOs: 20 and XM_021913609) were used as SEQ ID NOs: 5 and 6, and SEQ ID NOs: 7 and 8 were used for CqCDOPA5GT (SEQ ID NO: 32, accession numbers XM_021892614). The amplified PCR fragment was cleaved with restriction enzymes (CqCYP67AD1: SpeI and BstPI, CqDODA1-1 and CqDODA1-2: EcoRI and BamHI, CqCDOPA5GT: BamHI and BstPI).
(3) A plasmid pCAMBIA1301M (Imamura, T., Kusano, H., Kajigaya, Y., Ichikawa, M. and Shimada, H. 2007, A rice dihydrosphingosine C4) that constitutively expresses PCR fragments treated with restriction enzymes in plants. It was introduced downstream of the CaMV35S promoter of hydroxylase (DSH1) gene, which isabundantly expressed in the stigmas, vascular cells andapicalmeristem, may beinvolved in fertility. Plant Cell Physiol., 48, 1108-20.) (Fig. 3). The constructed vectors were named pCAMBIA_CqCYP76AD1-ox, pCAMBIA_CqDODA1-1-ox, pCAMBIA_CqDODA1-2-ox, and pCAMBIA_CqDOPA5GT-ox, respectively.

[アグロバクテリウム形質転換法]
上記の構築したプラスミドを保持する大腸菌を使用して、トリパレンタルメーティング法(Wise,A.A.,Liu,Z.and Binns, A.N. 2006, Three methods for the introduction offoreignDNAintoAgrobacterium. Methods Mol. Biol., 343, 43-53)により、アグロバクテリウムにプラスミドを導入し形質転換アグロバクテリウムを作製した。
[Agrobacterium transformation method]
Wise, AA, Liu, Z. and Binns, AN 2006, Three methods for the introduction offoreignDNAintoAgrobacterium. Methods Mol. Biol., 343, 43 using E. coli carrying the above constructed plasmid. By -53), a plasmid was introduced into Agrobacterium to prepare transformed Agrobacterium.

<植物体でのベタレイン合成能の評価>
宿主である植物体でのベタレイン合成能について、以下の方法により該合成能を有しないベンサミアナタバコで評価した。
<Evaluation of betalain synthesis ability in plants>
The ability to synthesize betalain in the host plant was evaluated by the following method in Nicotiana benthamiana which does not have the ability to synthesize.

[ベンサミアナタバコにおける一過的発現解析]
実施例1で作製した形質転換アグロバクテリウムについて、それぞれ3 mlのLB培地で培養し、以下の「ベンサミアナタバコでの活性評価1」及び「ベンサミアナタバコでの活性評価2」の組み合わせで培養液を混合して、ベンサミアナタバコの緑葉にアグロインフィルトレーション法を用いて接種した(Shamloul, M., Trusa, J., Mett, V. and Yusibov,V.2014,Optimizationand utilization of Agrobacterium-mediatedtransientproteinproduction inNicotiana. Journal of visualized experiments :JoVE.)。接種から3〜5日育成後、育成したベンサミアナタバコの緑葉を以下の解析に利用した。
(1)ベンサミアナタバコでの活性評価1
一方のベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換した。他方のベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、空ベクター(vector control)であるpCAMBIA1301M及びCqCDOPA5GTを導入した。
(2)ベンサミアナタバコでの活性評価2
一方のベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換した。他方のベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqDODA1-2及びCqCDOPA5GTを導入した。
[Transient expression analysis in Nicotiana benthamiana]
The transformed Agrobacterium prepared in Example 1 was cultured in 3 ml of LB medium, respectively, and combined with the following "Activity evaluation 1 in Nicotiana benthamiana" and "Activity evaluation 2 in Nicotiana benthamiana". The culture medium was mixed with Nicotiana benthamiana and the green leaves of Nicotiana benthamiana were inoculated by the agroinfiltration method (Shamloul, M., Trusa, J., Mett, V. and Yusibov, V.2014, Optimization and utilization of). Agrobacterium-mediated transient protein production in Nicotiana. Journal of visualized experiments: JoVE.). After growing 3 to 5 days after inoculation, the green leaves of Nicotiana benthamiana grown were used for the following analysis.
(1) Activity evaluation with Nicotiana benthamiana 1
One of Nicotiana benthamiana was transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT. CqCYP76AD1, the empty vector pCAMBIA1301M and CqCDOPA5GT were introduced into the other Nicotiana benthamiana.
(2) Activity evaluation with Nicotiana benthamiana 2
One of Nicotiana benthamiana was transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT. CqCYP76AD1, CqDODA1-2 and CqCDOPA5GT were introduced into the other Nicotiana benthamiana.

[ベタレイン色素抽出とHPLC解析]
(1)一過的発現したベンサミアナタバコの緑葉サンプルを破砕し、水を加えて遠心分離(20,000 g, 10分, 15分)を行なった。遠心分離を行なった上清を回収し、同じ操作をもう1回行なった。遠心操作で得られた上清を色素抽出物としてHPLC解析を行なった。
(2)HPLC分析は、逆相カラム(5C18-AR-300、ナカライテスク社)を使用して、分析溶媒は水、アセトニトリルを使用、流速1 ml/min、分析プログラムは、アセトニトリルの濃度を分析時間0分で0%から60分で50%に直線的に達する条件に設定、分析波長はベタシアニンを検出できる536 nmに設定して分析をした。標品としてビート抽出物(ベタニン、イソベタニン混合物、東京化成社)を使用した。
[Betalain dye extraction and HPLC analysis]
(1) A transiently expressed green leaf sample of Nicotiana benthamiana was crushed, water was added, and centrifugation (20,000 g, 10 minutes, 15 minutes) was performed. The centrifuged supernatant was collected and the same operation was performed once more. The supernatant obtained by centrifugation was used as a dye extract for HPLC analysis.
(2) HPLC analysis uses a reverse phase column (5C18-AR-300, Nakaraitesk), the analysis solvent is water and acetonitrile, the flow velocity is 1 ml / min, and the analysis program analyzes the concentration of acetonitrile. The analysis was performed by setting the condition to reach 50% linearly from 0% in 0 minutes to 50% in 60 minutes, and setting the analysis wavelength to 536 nm, which can detect acetonitrile. A betan extract (betanin, isobetanin mixture, Tokyo Kaseisha) was used as a standard.

[結果]
「ベンサミアナタバコでの活性評価1」の結果を図4に示す。
CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコの葉は赤色に変色し、赤色色素が合成されたことを示した(図4A)。CqDODA1-1の代わりに空ベクターを導入したベンサミアナタバコは葉が緑色のままであり、赤色色素が合成されていないことを示した(図4B)。
HPLC解析の結果、CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコから抽出したサンプルにおいてベタレイン色素の1つであるS体のベタニンの単一ピークが検出された(図4C)。CqDODA1-1の代わりに空ベクターを導入したベンサミアナタバコから抽出したサンプルではピークが検出されなかった(図4C)。
「ベンサミアナタバコでの活性評価2」の結果を図5に示す。
CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコ、並びにCqCYP76AD1、CqDODA1-2及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコの両方について、葉が赤色に変色し、赤色色素が合成されたことを示した(図5A及びB)。
HPLC解析の結果、CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコ、並びにCqCYP76AD1、CqDODA1-2及びCqCDOPA5GTを一過的発現したベンサミアナタバコの両方について、抽出したサンプルにおいてS体のベタニンの単一ピークが検出された(図5C)。
以上より、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子並びにフェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入された宿主である植物体は、ベタレイン色素の1つであるS体のベタニンの合成能を有する。
[result]
The result of "activity evaluation 1 in Nicotiana benthamiana" is shown in FIG.
The leaves of Nicotiana benthamiana that transiently expressed CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT turned red, indicating that a red pigment was synthesized (Fig. 4A). Nicotiana benthamiana into which an empty vector was introduced instead of CqDODA1-1 showed that the leaves remained green and no red pigment was synthesized (Fig. 4B).
As a result of HPLC analysis, a single peak of S-form betanin, which is one of the betalain pigments, was detected in a sample extracted from Nicotiana benthamiana that transiently expressed CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT (Fig. 4C). .. No peak was detected in the sample extracted from Nicotiana benthamiana into which an empty vector was introduced instead of CqDODA1-1 (Fig. 4C).
The result of "activity evaluation 2 in Nicotiana benthamiana tobacco" is shown in FIG.
For both Nicotiana benthamiana that transiently expressed CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT, and Nicotiana benthamiana that transiently expressed CqCYP76AD1, CqDODA1-2 and CqCDOPA5GT, the leaves turned red and the red pigment It was shown that it was synthesized (FIGS. 5A and B).
As a result of HPLC analysis, S A single peak of body betanin was detected (Fig. 5C).
From the above, the gene encoding the enzyme having the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, the gene encoding the enzyme having the L-DOPA oxidase activity, and the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity are encoded. The plant body, which is the host into which the gene group of the gene encoding the enzyme having the activity of adding sugar to the phenolic hydroxyl group is introduced, has the ability to synthesize S-form betanin, which is one of the betalein pigments.

<細胞でのベタレイン合成能の評価>
宿主である細胞でのベタレイン合成能について、以下の方法により該合成能を有しないタバコBY2細胞で評価した。
<Evaluation of betalain synthesis ability in cells>
The ability to synthesize betalain in the host cell was evaluated by the following method in tobacco BY2 cells having no such ability.

[タバコBY2細胞における恒常的発現解析]
形質転換アグロバクテリウムが保持するプラスミドについて、以下の組み合わせでタバコBY2細胞にアグロバクテリウム法を用いて導入した(Hagiwara, Y., Komoda, K., Yamanaka, T., et al.2003,Subcellularlocalizationof host and viral proteins associated with tobamovirusRNAreplication.EMBO J.,22, 344-53.)。得られた形質転換系統のタバコBY2細胞を用いた恒常的発現系を維持し以下の解析に利用した。
プラスミドの組み合わせは、一方のタバコBY2細胞にCqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換した。他方のタバコBY2細胞にCqCYP76AD1、空ベクター(vector control)であるpCAMBIA1301M及びCqCDOPA5GTを形質転換した。
[Constant expression analysis in tobacco BY2 cells]
The plasmid carried by the transformed Agrobacterium was introduced into tobacco BY2 cells by the Agrobacterium method in the following combination (Hagiwara, Y., Komoda, K., Yamanaka, T., et al. 2003, Subcellularlocalizationof). host and viral proteins associated with tobamovirusRNA replication.EMBO J., 22, 344-53.). The constitutive expression system using the obtained transformed line tobacco BY2 cells was maintained and used for the following analysis.
The plasmid combination transformed CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT into one tobacco BY2 cell. The other tobacco BY2 cells were transformed with CqCYP76AD1, the empty vector pCAMBIA1301M and CqCDOPA5GT.

[ベタレイン色素抽出及びHPLC解析]
(1)形質転換系統のタバコBY2細胞サンプルを破砕し、水を加えて遠心分離(20,000 g, 10分, 15分)を行なった。遠心分離を行なった上清を回収し、同じ操作をもう1回行なった。遠心操作で得られた上清を色素抽出物としてHPLC解析を行なった。
(2)実施例2と同様の方法によりHPLC分析を行った。
[Betalain dye extraction and HPLC analysis]
(1) A tobacco BY2 cell sample of a transformed line was crushed, water was added, and centrifugation (20,000 g, 10 minutes, 15 minutes) was performed. The centrifuged supernatant was collected and the same operation was performed once more. The supernatant obtained by centrifugation was used as a dye extract for HPLC analysis.
(2) HPLC analysis was performed by the same method as in Example 2.

[結果]
結果を図6に示す。
CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換したタバコBY2細胞は赤色に変色し、ベタレイン色素が合成されたことを示した(図6A)。CqDODA1-1の代わりに空ベクターを導入したタバコBY2細胞は白色のままであり、ベタレイン色素が合成されていないことを示した(図6B)。
HPLC解析の結果、CqCYP76AD1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTを形質転換したタバコBY2細胞から抽出したサンプルにおいてS体のベタニンの単一ピークが検出された(図6C)。CqDODA1-1の代わりに空ベクターを導入したタバコBY2細胞から抽出したサンプルではピークが検出されなかった(図6C)。
以上より、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子並びにフェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入された宿主である細胞は、ベタレイン色素の1つであるS体のベタニンの合成能を有する。
[result]
The results are shown in FIG.
Tobacco BY2 cells transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT turned red, indicating that betalain pigment was synthesized (Fig. 6A). Tobacco BY2 cells introduced with an empty vector instead of CqDODA1-1 remained white, indicating that betalain pigment was not synthesized (Fig. 6B).
As a result of HPLC analysis, a single peak of S-form betanin was detected in a sample extracted from tobacco BY2 cells transformed with CqCYP76AD1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT (Fig. 6C). No peak was detected in the sample extracted from tobacco BY2 cells into which an empty vector was introduced instead of CqDODA1-1 (Fig. 6C).
From the above, the gene encoding the enzyme having the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, the gene encoding the enzyme having the L-DOPA oxidase activity, and the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity are encoded. The host cell into which the gene and the gene group of the gene encoding the enzyme having the activity of adding sugar to the phenolic hydroxyl group have been introduced has the ability to synthesize S-form betanin, which is one of the betarain pigments.

過去の報告では、キヌア以外の植物由来の3つの合成遺伝子(CYP76AD1、DODA1-1、CDOPA5GT)を用いたベタレイン合成結果が報告されている(非特許文献2及び3)。しかし、それらの報告では、ベタニン(S体)が生産されるのと同時に、立体異性体であるイソベタニン(R体)が同時に合成されている。立体異性体の出現は、DODA1が関わる反応によるものであり、過去の知見で、オシロイバナのDODA1は、ベタニンの前駆体(S体)を88%、イソベタニンの前駆体(R体)を12%合成することを報告している(非特許文献1)。これらの報告と本実施例の結果より、本発明の係るキヌアから単離されたDODA1-1、DODA1-2は、実質的にベタニンのみを合成することができる新規なDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素であることが明らかとなった。 In past reports, the results of betalain synthesis using three synthetic genes (CYP76AD1, DODA1-1, CDOPA5GT) derived from plants other than quinoa have been reported (Non-Patent Documents 2 and 3). However, in those reports, betanin (S-form) is produced and at the same time, the stereoisomer isobetanin (R-form) is synthesized at the same time. The appearance of steric isomers is due to a reaction involving DODA1, and past findings indicate that DODA1 in Marvel-of-peru is 88% synthetic of betanin precursor (S-form) and 12% of isobetanin precursor (R-form). It is reported that this is done (Non-Patent Document 1). From these reports and the results of this example, DODA1-1 and DODA1-2 isolated from quinoa according to the present invention are novel DOPA 4,5-dioxygenases capable of synthesizing substantially only betanin. It became clear that it is an active enzyme.

<キヌアDODA1ホモログを形質転換したアグロバクテリウムの作製>
CqDODA1ホモログであるCqDODA1-3、CqDODA1-4、CqDODA1-5及びCqDODA1-6について、実施例1と同様の方法によりベタレイン合成能を確認する。
<Preparation of Agrobacterium transformed with quinoa DODA1 homolog>
For the CqDODA1 homologs CqDODA1-3, CqDODA1-4, CqDODA1-5 and CqDODA1-6, the betalain synthesis ability is confirmed by the same method as in Example 1.

PCRに以下のプライマーを使用し、増幅したPCR断片を以下の制限酵素で切断する点以外は実施例1と同様の方法で行なう。
PCRプライマーは、CqDODA1-3(配列番号22)は配列番号9及び10、CqDODA1-4(配列番号24)は配列番号11及び12、CqDODA1-5(配列番号26)は配列番号13及び14、CqDODA1-6(配列番号28)は配列番号15及び16を用いる。
増幅したPCR断片を制限酵素(CqDODA1-3〜1-6: EcoRI及びBamHI)で切断する。
構築したベクターは、図3に記載のように、pCAMBIA_CqDODA1-3-ox、pCAMBIA_CqDODA1-4-ox、pCAMBIA_CqDODA1-5-ox、pCAMBIA_CqDODA1-6-oxである。
The following primers are used for PCR, and the amplified PCR fragment is cleaved with the following restriction enzymes by the same method as in Example 1.
The PCR primers are SEQ ID NOs: 9 and 10 for CqDODA1-3 (SEQ ID NO: 22), SEQ ID NOs: 11 and 12 for CqDODA1-4 (SEQ ID NO: 24), SEQ ID NOs: 13 and 14 for CqDODA1-5 (SEQ ID NO: 26), and CqDODA1. For -6 (SEQ ID NO: 28), SEQ ID NOs: 15 and 16 are used.
The amplified PCR fragment is cleaved with restriction enzymes (CqDODA1-3 to 1-6: EcoRI and BamHI).
The constructed vectors are pCAMBIA_CqDODA1-3-ox, pCAMBIA_CqDODA1-4-ox, pCAMBIA_CqDODA1-5-ox, and pCAMBIA_CqDODA1-6-ox, as shown in FIG.

[アグロバクテリウム形質転換法]
上記の構築したプラスミドを実施例1と同様の方法でアグロバクテリウムに導入し形質転換アグロバクテリウムを作製する。
[Agrobacterium transformation method]
The above-constructed plasmid is introduced into Agrobacterium in the same manner as in Example 1 to prepare transformed Agrobacterium.

<キヌアDODA1ホモログによるベンサミアナタバコにおけるベタレイン合成能の評価>
CqDODA1-3、CqDODA1-4、CqDODA1-5又はCqDODA1-6のベタレイン合成能について、以下の方法により該合成能を有しないベンサミアナタバコに導入することにより評価する。
<Evaluation of betalain synthesis ability in Nicotiana benthamiana by quinoa DODA1 homolog>
The betalain synthesizing ability of CqDODA1-3, CqDODA1-4, CqDODA1-5 or CqDODA1-6 is evaluated by introducing it into Bensamiana tobacco which does not have the synthesizing ability by the following method.

[ベンサミアナタバコにおける一過的発現解析]
実施例1で作製したCqCYP76AD1及びCqCDOPA5GT形質転換アグロバクテリウム、並びに実施例4で作製したCqDODA1-3、CqDODA1-4、CqDODA1-5又はCqDODA1-6形質転換アグロバクテリウムについて、それぞれ3 mlのLB培地で培養する。
CqCYP76AD1、CqDODA1-3及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-4及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-5及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、あるいはCqCYP76AD1、CqDODA1-6及びCqCDOPA5GTの組み合わせで混合菌液を作製する。
作製した混合菌液を実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコに接種する。接種から3〜5日育成後、育成したベンサミアナタバコの緑葉を以下の解析に利用する。
[Transient expression analysis in Nicotiana benthamiana]
3 ml of LB medium for each of the CqCYP76AD1 and CqCDOPA5GT transformed Agrobacterium prepared in Example 1 and the CqDODA1-3, CqDODA1-4, CqDODA1-5 or CqDODA1-6 transformed Agrobacterium prepared in Example 4. Incubate in.
Combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-3 and CqCDOPA5GT, combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-4 and CqCDOPA5GT, combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-5 and CqCDOPA5GT, or combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-6 and CqCDOPA5.
The prepared mixed bacterial solution is inoculated into Nicotiana benthamiana by the same method as in Example 2. After growing 3 to 5 days after inoculation, the green leaves of Nicotiana benthamiana grown are used for the following analysis.

[ベタレイン色素抽出及びHPLC解析]
実施例2と同様の方法によりベタレイン色素抽出及びHPLC分析を行う。
[Betalain dye extraction and HPLC analysis]
Betalain dye extraction and HPLC analysis are performed by the same method as in Example 2.

[結果]
CqCYP76AD1、CqDODA1-3及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-4及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-5及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、あるいはCqCYP76AD1、CqDODA1-6及びCqCDOPA5GTの組み合わせの全てにおいて、一過的発現したベンサミアナタバコの葉は赤色に変色し、赤色色素が合成されたことを確認する。
HPLC解析の結果、CqCYP76AD1、CqDODA1-3及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-4及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、CqCYP76AD1、CqDODA1-5及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、あるいはCqCYP76AD1、CqDODA1-6及びCqCDOPA5GTの組み合わせの全てにおいて、一過的発現したベンサミアナタバコから抽出したサンプルにおいてベタレイン色素の1つであるS体のベタニンの単一ピークを確認する。
よって、CqDODA1-3、CqDODA1-4、CqDODA1-5及びCqDODA1-6の全てのCqDODA1において、S体のベタニンの生産に用いることができる。
[result]
Combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-3 and CqCDOPA5GT, combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-4 and CqCDOPA5GT, combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-5 and CqCDOPA5GT, or all combinations of CqCYP76AD1, CqDODA1-6 and CqCDOPA5 The leaves of benthamiana turn red, confirming that the red pigment was synthesized.
As a result of HPLC analysis, the combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-3 and CqCDOPA5GT, the combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-4 and CqCDOPA5GT, the combination of CqCYP76AD1, CqDODA1-5 and CqCDOPA5GT, or the combination of all CqCYP76AD1, CqDODA1-6 and CqDODA1-6 A single peak of S-form betanin, one of the betalain pigments, is confirmed in a sample extracted from overexpressed Nicotiana benthamiana.
Therefore, all CqDODA1 of CqDODA1-3, CqDODA1-4, CqDODA1-5 and CqDODA1-6 can be used for the production of S-form betanin.

<キヌア由来ベタレイン合成遺伝子と他植物由来ベタレイン合成遺伝子との相同性確認>
CqCYP76AD1、CqDODA1-1、CqDODA1-2及びCqCDOPA5GTがコードするタンパク質について、他植物由来のタンパク質と相同性を確認した。さらに、CqDODA1-1〜1-6間の相同性を確認した。
<Confirmation of homology between quinoa-derived betalain synthesis gene and other plant-derived betalain synthesis gene>
The homology of the proteins encoded by CqCYP76AD1, CqDODA1-1, CqDODA1-2 and CqCDOPA5GT was confirmed with proteins derived from other plants. Furthermore, the homology between CqDODA1-1 to 1-6 was confirmed.

[結果]
CqCYP76AD1はビートCYP76AD1に対して88%、CqCDOPA5GTはビートCDOPA5GTに対して77%の相同性を示した。一方、CqDODA1-1及びCqDODA1-2は、共にビートDODA1に対して69%と低い相同性であった。更にCqDODA1-1及びCqDODA1-2を、オシロイバナDODA1と比較したところ、54%及び53%と低い相同性を示した。
今回単離したキヌアのDODA1(CqDODA1-1〜1-6)の活性部位の配列は、HPLDETPHYHGGVAPWAAX1FDSWLDX2ALTX3GRX4EEVNTYETKAPNWEL(X1はD又はEを示し、X2はL、V又はTを示し、X3はK又はNを示し、X4はF又はIを示す:配列番号33)であった(図2B)。過去の報告では、他植物由来のDODA1の活性部位の保存配列が報告されている(図2A)(Christinet, L., Burdet, F.X., Zaiko, M., Hinz, U. andZryd,J.P.2004,Characterization and functional identification of anovelplant4,5-extradioldioxygenase involved in betalain pigment biosynthesisinPortulacagrandiflora.Plant Physiol., 134, 265-74.)。
以上により、今回単離したキヌアのDODA1(特に、活性部位)の配列は、他植物由来のDODA1(特に、活性部位)位の配列は明らかに異なることを確認した(図2A及びB)。
[result]
CqCYP76AD1 showed 88% homology to beat CYP76AD1 and CqCDOPA5GT showed 77% homology to beat CDOPA5GT. On the other hand, both CqDODA1-1 and CqDODA1-2 had a low homology of 69% with respect to beat DODA1. Furthermore, when CqDODA1-1 and CqDODA1-2 were compared with Oshiroybana DODA1, they showed low homology at 54% and 53%.
The sequence of the active site of DODA 1 (CqDODA1-1 to 1-6) of quinoa isolated this time is HPLDETPHYHGGVAPWAAX 1 FDSWLDX 2 ALTX 3 GRX 4 EEVNTYETKAPNWEL (X 1 indicates D or E, X 2 indicates L, V or T). , X 3 indicates K or N, and X 4 indicates F or I: SEQ ID NO: 33) (FIG. 2B). Previous reports have reported conserved sequences of the active site of DODA1 from other plants (Fig. 2A) (Christinet, L., Burdet, FX, Zaiko, M., Hinz, U. and Zryd, JP2004, characterization and). functional identification of anovelplant4,5-extradioldioxygenase involved in betalain pigment biosynthesisinPortulacagrandiflora.Plant Physiol., 134, 265-74.).
From the above, it was confirmed that the sequence of DODA1 (particularly the active site) of quinoa isolated this time is clearly different from the sequence of DODA1 (particularly the active site) derived from other plants (FIGS. 2A and B).

<キヌア胚軸の色素解析>
赤色を有するキヌア胚軸に蓄積される色素を解析した。
キヌア系統Kd及びCQ127を用いた。キヌア胚軸から実施例2と同様の方法によりベタレイン色素抽出及びHPLC解析を行った。より詳しくは、装置はLC-20AD(島津製作所)を用い、25℃の条件で行った。分析溶媒には0.05%トリフルオロ酢酸及び0.05%アセトニトリルを含む水を用いた。
HPLC解析の結果、アマランチン及びセロシアニンIIがメインピークとして検出され、ベタニンのピークがわずかに検出された。
<Dye analysis of quinoa hypocotyl>
The pigments accumulated in the red quinoa hypocotyl were analyzed.
Quinoa strains Kd and CQ127 were used. Betalain dye extraction and HPLC analysis were performed from the quinoa hypocotyl by the same method as in Example 2. More specifically, the apparatus was carried out using LC-20AD (Shimadzu Corporation) under the condition of 25 ° C. Water containing 0.05% trifluoroacetic acid and 0.05% acetonitrile was used as the analysis solvent.
As a result of HPLC analysis, amaranthin and cerosinin II were detected as main peaks, and a slight peak of betanin was detected.

<キヌア由来アマランチン合成酵素遺伝子の単離及びアマランチン合成能評価>
実施例7の結果より、アマランチン合成酵素単離のための系統解析を行い、得られた候補遺伝子のアマランチン合成能をベンサミアナタバコで評価した。
<Isolation of quinoa-derived amaranthin synthase gene and evaluation of amaranthin synthesis ability>
From the results of Example 7, a phylogenetic analysis for isolation of amaranthin synthase was performed, and the ability of the obtained candidate gene to synthesize amaranthin was evaluated with Nicotiana benthamiana.

[アマランチン合成酵素単離のための系統解析]
アマランチンはベタニンに糖が付加されたベタレイン色素である。アラビドプシスにおける植物色素のフラボノールの配糖化酵素であるflavonoid 3-O-glucoside:2″-O-glucosyltransferase(UGT79B6, At5g54010, NP_200212)を用いてClustalWアルゴリズム(J.D. Thompson, D.G. Higgins, T.J. Gibson, CLUSTAL W:improvingthesensitivityof progressive multiple sequence alignmentthroughsequenceweighting,position-specific gap penalties and weight matrixchoice,NucleicAcids Res., 22(1994) 4673-4680.)による系統樹解析を行った。なお、Mega7softwareによる近隣結合アルゴリズム(neighbor joiningalgorithm)を用いて系統樹を構築した。
[Physical analysis for isolation of amaranthin synthase]
Amaranthin is a betalain pigment in which sugar is added to betanin. Clustal W algorithm (JD Thompson, DG Higgins, TJ Gibson, CLUSTAL W: A phylogenetic tree analysis was performed using improvingthesensitivityof progressive multiple sequence alignmentthroughsequenceweighting, position-specific gap penalties and weight matrixchoice, NucleicAcids Res., 22 (1994) 4673-4680.). A phylogenetic tree was constructed.

[結果]
構築した系統樹を図8に示す。キヌアには17個のホモログが存在し、2つのグループに分かれた。
フラボノールを修飾するflavonoid3-O-glucoside:2″-O-glucosyltransferaseが属さないグループについて、キヌア胚軸での発現を調べた結果、アクセッション番号XP_021754077.1、XP_021735839.1及びXP_021735840.1の発現が確認できた。
[result]
The constructed phylogenetic tree is shown in FIG. There were 17 homologs in Quinoa, divided into two groups.
As a result of examining the expression in the quinoa hypocotyl in the group to which flavonoid3-O-glucoside: 2 ″ -O-glucosyltransferase that modifies flavonols does not belong, the expression of accession numbers XP_021754077.1, XP_021735839.1 and XP_021735840.1 was observed. It could be confirmed.

[ベンサミアナタバコにおける一過的発現解析]
上記3つの遺伝子及びXP_021743749の遺伝子について、アマランチン合成酵素活性を評価した。
実施例1と同様の方法によりアグロバクテリウムに形質転換した。以下の組み合わせで実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコの緑葉にアグロインフィルトレーション法を用いて接種した。該組み合わせの各緑葉サンプル及びキヌア胚軸抽出サンプル(コントロール)について、実施例2と同様の方法によりベタレイン色素抽出及びHPLC解析を行った。
(1)XP_021754077.1を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19(Protein19)及びXP_021754077.1を一過的に導入した。
(2)XP_021735839.1を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19及びXP_021735839.1を一過的に導入した。
(3)XP_021735840.1を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19及びXP_021735840.1を一過的に導入した。
(4)XP_021743749を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19及びXP_021743749を一過的に導入した。
(5)空ベクターを含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19及び空ベクター(vectorcontrol)であるpCAMBIA1301Mを一過的に導入した。
[Transient expression analysis in Nicotiana benthamiana]
The amaranthin synthase activity was evaluated for the above three genes and the gene of XP_021743749.
It was transformed into Agrobacterium by the same method as in Example 1. The green leaves of Nicotiana benthamiana were inoculated using the agroinfiltration method in the same manner as in Example 2 with the following combinations. For each green leaf sample and quinoa hypocotyl extraction sample (control) of the combination, betalain dye extraction and HPLC analysis were performed by the same method as in Example 2.
(1) Combinations containing XP_021754077.1 CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 (Protein19) and XP_021754077.1 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(2) Combinations containing XP_021735839.1 CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 and XP_021735839.1 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(3) Combinations containing XP_021735840.1 CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 and XP_021735840.1 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(4) Combinations containing XP_021743749 CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 and XP_021743749 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(5) Combination containing empty vector CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 and pCAMBIA1301M which is an empty vector (vector control) were transiently introduced into Bensamiana tobacco.

[結果]
アグロインフィルトレーションの結果を図9に示す。
HPLC解析の結果、CqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、CqDODA1、P19(Protein 19)及びXP_021754077.1を形質転換したベンサミアナタバコから抽出したサンプル並びにコントロールのキヌア胚軸抽出サンプル(Hypocotyl extract)においてアマランチンのピークが検出され、イソアマランチンは検出されなかった(図10)。空ベクターを導入したベンサミアナタバコから抽出したサンプル(−)ではベタニンのピークが検出され、アマランチンのピークが検出されなかった(図10)。
よって、XP_021754077.1(配列番号37)は、アマランチン合成酵素をコードする遺伝子であり、ベタニンに糖を付加する酵素活性を有することを確認した。なお、XP_021754077とアラビドプシスのflavonoid3-O-glucoside:2″-O-glucosyltransferaseとの相同性は46%であった。すなわち、、アマランチン合成酵素は、公知の酵素とはまったく異なることを確認した。
以上より、チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子並びにアマランチン合成酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入された宿主である植物体は、ベタレイン色素の1つであるアマランチンの合成能を有する。
[result]
The results of agroinfiltration are shown in FIG.
As a result of HPLC analysis, the peak of amaranthin was detected in the sample extracted from Bensamiana tobacco transformed with CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, CqDODA1, P19 (Protein 19) and XP_021754077.1, and the control quinoa hypocotyl extract. However, isoamarantin was not detected (Fig. 10). A peak of betanin was detected and a peak of amaranthin was not detected in the sample (-) extracted from Nicotiana benthamiana into which an empty vector was introduced (FIG. 10).
Therefore, it was confirmed that XP_021754077.1 (SEQ ID NO: 37) is a gene encoding amaranthin synthase and has an enzymatic activity of adding sugar to betanin. The homology between XP_021754077 and Arabidopsis flavonoid 3-O-glucoside: 2 ″ -O-glucosyltransferase was 46%. That is, it was confirmed that the amaranthin synthase was completely different from the known enzyme.
From the above, the gene encoding the enzyme having the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, the gene encoding the enzyme having the L-DOPA oxidase activity, and the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity are encoded. The plant body, which is the host into which the gene, the gene encoding the enzyme having the activity of adding sugar to the phenolic hydroxyl group, and the gene group of the gene encoding the amaranthin synthase are introduced, is the synthesis of amaranthin, which is one of the betalein pigments. Has the ability.

<オシロイバナ由来ベタレイン合成能遺伝子のベタレイン合成能評価>
オシロイバナのDODA1が実質的にベタニンのみを合成できるかどうかを調べた。
<Evaluation of betalain synthesis ability of betalain synthesis ability gene derived from Marvel-of-peru>
We investigated whether Marvel-of-peru DODA1 could synthesize substantially only betanin.

[ベンサミアナタバコにおける一過的発現解析]
オシロイバナのDODA1遺伝子(MjDODA1;配列番号35)について、実施例1と同様の方法によりアグロバクテリウムに形質転換した。以下の組み合わせで実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコの緑葉にアグロインフィルトレーション法を用いて接種した。該組み合わせの各緑葉サンプルについて、実施例2と同様の方法によりベタレイン色素抽出及びHPLC解析を行った。
(1)MjDODA1を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、P19及びMjDODA1を一過的に導入した。
(2)CqDODA-1(CqDODA1-1)を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、P19及びCqDODA-1を一過的に導入した。
(3)CqDODA-5(CqDODA1-5)を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、P19及びCqDODA-5を一過的に導入した。
(4)CqDODA-6(CqDODA1-6)を含む組み合わせ
ベンサミアナタバコにCqCYP76AD1、CqCDOPA5GT、P19及びCqDODA-6を一過的に導入した。
[Transient expression analysis in Nicotiana benthamiana]
The DODA1 gene (MjDODA1; SEQ ID NO: 35) of Marvel-of-peru was transformed into Agrobacterium by the same method as in Example 1. The green leaves of Nicotiana benthamiana were inoculated using the agroinfiltration method in the same manner as in Example 2 with the following combinations. For each green leaf sample of the combination, betalain dye extraction and HPLC analysis were performed by the same method as in Example 2.
(1) Combinations containing MjDODA1 CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, P19 and MjDODA1 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(2) Combinations containing CqDODA-1 (CqDODA1-1) CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, P19 and CqDODA-1 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(3) Combinations containing CqDODA-5 (CqDODA1-5) CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, P19 and CqDODA-5 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.
(4) Combinations containing CqDODA-6 (CqDODA1-6) CqCYP76AD1, CqCDOPA5GT, P19 and CqDODA-6 were transiently introduced into Bensamiana benthamiana.

[結果]
アグロインフィルトレーションの結果、全ての組み合わせにおいて葉が赤色に変色し、赤色色素が合成されたことを示した(図11)。
HPLC解析の結果、CqDODA-1、CqDODA-5及びCqDODA-6だけでなく、MjDODA1を一過的発現したベンサミアナタバコから抽出したサンプルにおいてもベタニンの単一ピークが検出され、イソベタニンは検出されなかった(図12)。
よって、オシロイバナのDODA1(MjDODA1)は、実質的にベタニンのみを合成することができるDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素であることが明らかとなった。
[result]
As a result of agroinfiltration, it was shown that the leaves turned red in all combinations and the red pigment was synthesized (Fig. 11).
As a result of HPLC analysis, a single peak of betanin was detected and isobetanin was detected not only in CqDODA-1, CqDODA-5 and CqDODA-6 but also in a sample extracted from Nicotiana benthamiana that transiently expressed MjDODA1. There was no (Fig. 12).
Therefore, it was clarified that DODA1 (MjDODA1) of Marvel-of-peru is an enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity capable of synthesizing substantially only betanin.

<ghy変異体の作製及び原因遺伝子の機能評価>
キヌアにおいてベタレイン色素合成に関与する遺伝子の変異体を作製し、該変異体を用いてベタレイン色素合成に関する機能解析を行った。
<Preparation of ghy mutant and functional evaluation of causative gene>
Mutants of genes involved in betalain pigment synthesis were prepared in quinoa, and functional analysis related to betalain pigment synthesis was performed using the mutants.

[エチルメタンスルホン酸(EMS)による突然変異誘発]
キヌア系統Kd(京都大学より入手)及びCQ127{アメリカ合衆国農務省(USDA)より入手}の種子を23℃12時間明期/12時間暗期の条件で生育した。生育した植物体のEMS処理を株式会社インプランタイノベーションズに委託して行った。EMS処理した種子を生育し、M1を得てM3世代まで生育した。M3を突然変異解析に用いた。
[Mutagenesis with ethyl methanesulfonic acid (EMS)]
Seeds of the quinoa line Kd (obtained from Kyoto University) and CQ127 {obtained from the United States Department of Agriculture (USDA)} were grown at 23 ° C. for 12 hours light and 12 hours dark. The EMS treatment of the grown plants was outsourced to Implanta Innovations, Inc. EMS-treated seeds were grown, M1 was obtained, and the seeds were grown up to the M3 generation. M3 was used for mutation analysis.

[突然変異解析]
TruSeq library preparation kit(イルミナ社)を用いてライブラリーを構築した。候補SNPsをMutMap pipeline ver.1.4.4(http://genome-e.ibrc.or.jp/home/bioinformatics-team/mutmap)を用いて解析した(参照:H.Li, R. Durbin, Fast and accurate short read alignment withBurrows-Wheelertransform,Bioinformatics, 25 (2009) 1754-1760.;H. Li, B. Handsaker, A.Wysoker, T. Fennell, J. Ruan, N. Homer, G.Marth, G. Abecasis, R.Durbin, TheSequence Alignment/Map format and SAMtools,Bioinformatics, 25 (2009)2078-2079.)。
[Mutation analysis]
A library was constructed using the TruSeq library preparation kit (Illumina). Candidate SNPs were analyzed using MutMap pipeline ver.1.4.4 (http://genome-e.ibrc.or.jp/home/bioinformatics-team/mutmap) (see: H.Li, R. Durbin, Fastmap). and accurate short read alignment with Burrows-Wheelertransform, Bioinformatics, 25 (2009) 1754-1760.; H. Li, B. Handsaker, A.Wysoker, T. Fennell, J. Ruan, N. Homer, G.Marth, G. Abecasis, R.Durbin, TheSequence Alignment / Map format and SAMtools, Bioinformatics, 25 (2009) 2078-2079.).

[結果]
突然変異解析の結果、2つの緑色胚軸変異体(ghy)系列を発見し、ghy1及びghy2と名付けた。色素解析の結果、両変異体共にベタシアニン色素の蓄積はみられず、ghy変異体はベタレイン色素合成系に異常があることが予想された。
[result]
As a result of mutation analysis, two green hypocotyl mutant (ghy) lines were discovered and named ghy1 and ghy2. As a result of pigment analysis, no accumulation of betacyanin pigment was observed in both mutants, and it was predicted that the ghy mutant had an abnormality in the betalain pigment synthesis system.

[原因遺伝子の同定]
ghy1及びghy2のM3種子は、分離試験により野生型:ghy=3:1に分離された。両表現型について、シークエンスにより配列決定し、MutMap+法に供し(R. Fekih, H. Takagi, M. Tamiru et al, MutMap+: genetic mappingandmutant identificationwithout crossing in rice, PLoS One, 8 (2013) e68529.)、ghy変異体の原因遺伝子のSNPsを同定した。
これらの同定したSNPsのうち、CqCYPAD1-1(Gene ID:110733547)の点突然変異により、ghy1において371番目のアルギニンがシステインに置換し、ghy2において124番目のトリプトファンが終始コドンに置換していることを確認した。
すなわち、371番目のアルギニンがシステインに置換したCqCYPAD1-1及び124番目のトリプトファンが終始コドンに置換したCqCYPAD1-1を確認した。
[Identification of causative gene]
M3 seeds of ghy1 and ghy2 were isolated in wild type: ghy = 3: 1 by isolation test. Both phenotypes were sequenced and subjected to the MutMap + method (R. Fekih, H. Takagi, M. Tamiru et al, MutMap +: genetic mapping and mutant identification without crossing in rice, PLoS One, 8 (2013) e68529.) , SNPs of the causative gene of the ghy variant were identified.
Of these identified SNPs, a point mutation in CqCYPAD1-1 (Gene ID: 110733547) replaced arginine at position 371 with cysteine in ghy1 and tryptophan at position 124 in ghy2 from beginning to end. It was confirmed.
That is, CqCYPAD1-1 in which arginine at position 371 was replaced with cysteine and CqCYPAD1-1 in which tryptophan at position 124 was replaced with a stop codon were confirmed.

[ghy1−ghy2交雑試験]
CqCYPAD1-1が原因遺伝子であることを確認するため、ghy1及びghy2を交雑した。その結果、F1植物体は全て緑色胚軸表現型を示した(n=6)。
よって、CqCYPAD1-1の変異が緑色胚軸表現型の原因であり、CqCYPAD1-1がベタシアニン色素合成に関与することを確認した。
[Ghy1-ghy2 cross test]
Ghy1 and ghy2 were crossed to confirm that CqCYPAD1-1 was the causative gene. As a result, all F1 plants showed a green hypocotyl phenotype (n = 6).
Therefore, it was confirmed that the mutation of CqCYPAD1-1 is the cause of the green hypocotyl phenotype and that CqCYPAD1-1 is involved in betacyanin pigment synthesis.

[CqCYPAD1-1機能解析]
(1)CqCYPAD1-1の過剰発現
機能解析のためghy1変異体のCqCYPAD1-1を過剰発現させた。CqCYPAD1-1過剰発現ベクターを構築し、Rhizobium rhizogenes(ATCC15834)に導入した。Rhizobium rhizogenes形質転換体をghy1変異体の毛状根に感染した。その結果、該毛状根において赤色色素形成が観察された。
(2)ベンサミアナタバコでのCYP76AD1活性評価
実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコの緑葉にCqCYP76AD1-1、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、あるいは、CqCYP76AD1-1_R371C(371番目のアルギニンがシステインに置換したCqCYP76AD1-1)、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTの組み合わせを一過的発現した。その結果、前者の組み合わせでは葉が赤色に変色したのに対し、後者の組み合わせでは葉が変色しなかった。よって、CqCYP76AD1-1がCYP76AD1活性を有することを確認した。また、CqCYP76AD1-1_R371C形質転換体ではベタレインの蓄積は観察されなかった。
(3)キヌア種子におけるCqCYP76AD1-1発現解析
キヌア種子においてCqCYP76AD1-1発現解析を行った。その結果、CqCYP76AD1-1は、明暗条件では赤色色素がみられる子葉及び胚軸で高い発現を示した。一方、CqCYP76AD1-1は、恒暗条件では種まき2日後の子葉で発現がみられたが、胚軸では発現がみられなかった。よって、胚軸のCqCYP76AD1-1の発現は光依存性であることが明らかとなった。
[CqCYPAD1-1 functional analysis]
(1) Overexpression of CqCYPAD1-1 The ghy1 mutant CqCYPAD1-1 was overexpressed for functional analysis. A CqCYPAD1-1 overexpression vector was constructed and introduced into Rhizobium rhizogenes (ATCC 15834). The Rhizobium rhizogenes transformant was infected with the hairy root of the ghy1 mutant. As a result, red pigment formation was observed in the hairy root.
(2) Evaluation of CYP76AD1 activity in Nicotiana benthamiana By the same method as in Example 2, the green leaves of Nicotiana benthamiana were combined with CqCYP76AD1-1, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT, or CqCYP76AD1-1_R371C (371st arginine). The combination of CqCYP76AD1-1), CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT substituted with cysteine was transiently expressed. As a result, the leaves turned red in the former combination, whereas the leaves did not turn red in the latter combination. Therefore, it was confirmed that CqCYP76AD1-1 has CYP76AD1 activity. In addition, no accumulation of betalain was observed in the CqCYP76AD1-1_R371C transformant.
(3) CqCYP76AD1-1 expression analysis in quinoa seeds CqCYP76AD1-1 expression analysis was performed in quinoa seeds. As a result, CqCYP76AD1-1 showed high expression in the cotyledons and hypocotyls in which red pigment was observed under light and dark conditions. On the other hand, CqCYP76AD1-1 was expressed in the cotyledons 2 days after sowing under constant dark conditions, but not in the hypocotyl. Therefore, it was clarified that the expression of CqCYP76AD1-1 in the hypocotyl is photodependent.

[CqCYPAD1-2機能解析]
(1)胚軸でのCqCYP76AD1-2発現解析
塩基配列解析に基づきCqCYP76AD1-2が酵素活性を有すると予想した。RT-PCRにより胚軸でのCqCYP76AD1-2発現を解析した結果、Kd系統ではCqCYP76AD1-2のORF由来の増幅断片が確認されたが、CQ127系統ではCqCYP76AD1-2ゲノム由来の増幅断片が確認された。CqCYP76AD1-2のスプライシングジャンクションも確認された。CQ127系統ではSNPがスプライシング領域で起こり、23-bp欠失が3'スプライシング領域近傍に存在した。
(2)ベンサミアナタバコでのCYP76AD1活性評価
実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコの緑葉にKd系統由来のCqCYP76AD1-2のゲノム領域、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTの組み合わせ、あるいは、Kd系統由来のCqCYP76AD1-2のcDNA、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTの組み合わせを一過的発現した。その結果、両者共に葉が赤色に変色した。HPLC解析及びMS解析の結果、この色素形成がベタニンによるものであることを確認した。一方、実施例2と同様の方法によりベンサミアナタバコの緑葉にCQ127系統由来のCqCYP76AD1-2のゲノム領域、CqDODA1-1及びCqCDOPA5GTの組み合わせを一過的発現した結果、赤色色素形成はみられなかった。よって、CqCYP76AD1-2は、Kd系統由来のゲノムにおいて正常に機能し、CQ127系統由来のゲノムにおいてミススプライシングにより機能していないことが明らかとなった。
[CqCYPAD1-2 Function analysis]
(1) Analysis of CqCYP76AD1-2 expression in the hypocotyl Based on the nucleotide sequence analysis, it was predicted that CqCYP76AD1-2 would have enzymatic activity. As a result of analyzing the expression of CqCYP76AD1-2 in the hypocotyl by RT-PCR, an amplified fragment derived from the ORF of CqCYP76AD1-2 was confirmed in the Kd strain, but an amplified fragment derived from the CqCYP76AD1-2 genome was confirmed in the CQ127 strain. .. A splicing junction of CqCYP76AD1-2 was also confirmed. In the CQ127 strain, SNP occurred in the splicing region and a 23-bp deletion was present near the 3'splicing region.
(2) Evaluation of CYP76AD1 activity in Nicotiana benthamiana By the same method as in Example 2, the genomic region of CqCYP76AD1-2 derived from the Kd strain, the combination of CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT, or the Kd strain was added to the green leaves of Nicotiana benthamiana. The combination of CqCYP76AD1-2 cDNA, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT from which it was derived was transiently expressed. As a result, the leaves of both turned red. As a result of HPLC analysis and MS analysis, it was confirmed that this pigment formation was due to betanin. On the other hand, as a result of transiently expressing the combination of CqCYP76AD1-2 genomic region, CqDODA1-1 and CqCDOPA5GT derived from CQ127 strain in the green leaves of Nicotiana benthamiana by the same method as in Example 2, no red pigment formation was observed. rice field. Therefore, it was clarified that CqCYP76AD1-2 functions normally in the genome derived from the Kd lineage and does not function by missplicing in the genome derived from the CQ127 lineage.

[ghy変異体の有用性]
CqCYP76AD1-1の発現は胚軸において光曝露により起こる。この結果、発芽直後の胚軸においてベタレイン色素が蓄積される。これは、植物体を環境ストレス及び生物ストレスから保護するためである(G.Polturak, N. Grossman, D. Vela-Corcia, Y. Dong, A. Nudel, M.Pliner, M. Levy,I.Rogachev, A. Aharoni, Engineered gray mold resistance,antioxidant capacity,and pigmentationin betalain-producing crops andornamentals, Proc. Natl. Acad.Sci. U. S. A., 114 (2017)9062-9067.、G. Jain, K.E. Schwinn,K.S. Gould, Betalain induction by l-DOPAapplication confers photoprotection tosaline-exposed leaves of Disphymaaustrale, New Phytol., 207 (2015)1075-1083.)。キヌアを含む75種のChenopodiumの全てで胚軸での赤色色素形成が観察された。よって、ベタレイン色素は環境ストレス耐性の1要素である。
ghy変異体はベタシアニンの蓄積を示さず、胚軸におけるベタシアニンの生理学的機能の解明に有用である。
ghy表現型はM3世代で現れたが、異質四倍体キヌアにおいて、この世代の変異は現れそないと考えられる。キヌアは、相同遺伝子の1対を喪失しているかもしれない。実際にCqCYP76AD1-1及びCqCYP76AD1-2の相同遺伝子は機能を失い、偽遺伝子となっていた。CQ127系統において、CqCYP76AD1-2はミススプライシングにより機能を喪失し、CqCYP76AD1-1のみが正常に機能した。ghy変異体におけるM3で変異が現れる特性は、異質四倍体キヌアにおいて単一遺伝子により制御されることが予想される。
ghy1変異体は、CYP76AD1活性解析に有効である。このことは3D構造モデリングにおいてghy1の変異があるCqCYP76AD1-1の371番目の残基が活性中心に近いことからも支持される。
通常ベタレインをつくる植物の形質転換は困難である。一方、ghyはアグロバクテリウムに感染しやすくなり、ghy変異体を用いることにより形質転換が可能になる。
ベタレインは形質転換を阻害している可能性が高い。ghy変異体はベタレインを合成しないため再分化能力が高い。
すなわち、本発明は、緑色胚軸変異体(ghy)系列であるghy1及びghy2も対象とする。
また、本発明は、371番目のアルギニンがシステインに置換したCqCYPAD1-1及び124番目のトリプトファンが終始コドンに置換したCqCYPAD1-1も対象とする。
[Usefulness of ghy mutant]
Expression of CqCYP76AD1-1 occurs by light exposure in the hypocotyl. As a result, betalain pigment is accumulated in the hypocotyl immediately after germination. This is to protect plants from environmental and biological stresses (G. Polturak, N. Grossman, D. Vela-Corcia, Y. Dong, A. Nudel, M. Pliner, M. Levy, I. Rogachev, A. Aharoni, Engineered gray mold resistance, antioxidant capacity, and pigmentation in betalain-producing crops and ornamentals, Proc. Natl. Acad.Sci. USA, 114 (2017) 9062-9067., G. Jain, KE Schwinn, KS Gould , Betalain induction by l-DOPAapplication confers photoprotection tosaline-exposed leaves of Disphymaaustrale, New Phytol., 207 (2015) 1075-1083.). Red pigment formation in the hypocotyl was observed in all 75 species of Chenopodium, including quinoa. Therefore, betalain pigment is one element of environmental stress tolerance.
The ghy mutant does not show accumulation of betacyanin and is useful for elucidating the physiological function of betacyanin in the hypocotyl.
The ghy phenotype appeared in the M3 generation, but it is thought that mutations in this generation do not appear in the heteropolyploid quinoa. Quinoa may have lost a pair of homologous genes. In fact, the homologous genes of CqCYP76AD1-1 and CqCYP76AD1-2 lost their functions and became pseudogenes. In the CQ127 strain, CqCYP76AD1-2 lost its function due to missplicing, and only CqCYP76AD1-1 functioned normally. The characteristic of M3 mutations in ghy mutants is expected to be regulated by a single gene in heteropolyploid quinoa.
The ghy1 mutant is useful for CYP76AD1 activity analysis. This is also supported by the fact that the 371st residue of CqCYP76AD1-1 with a mutation in ghy1 is close to the active center in 3D structural modeling.
Transformation of plants that normally produce betalain is difficult. On the other hand, ghy becomes more susceptible to Agrobacterium and can be transformed by using ghy mutants.
Betalain is likely to inhibit transformation. Since the ghy mutant does not synthesize betalain, it has a high redifferentiation ability.
That is, the present invention also covers ghy1 and ghy2, which are the green hypocotyl mutant (ghy) series.
The present invention also covers CqCYPAD1-1 in which arginine at position 371 is replaced with cysteine and CqCYPAD1-1 in which tryptophan at position 124 is replaced with a stop codon from beginning to end.

本発明により、ベタレイン色素の合成方法、L−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤、並びに、ベタレイン色素産出宿主を提供することが可能になった。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it has become possible to provide a method for synthesizing betalain dye, a conversion agent for L-DOPA to 4,5-seco-DOPA, and a host for producing betalain dye.

Claims (5)

イソベタニンを含まないS体のベタニンの合成方法であって、
チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及び以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する、
又は、
以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入されており、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有する酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を持つ宿主を培養して、培養後の宿主からベタレイン色素を抽出する、
ここで、該DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子は、以下のいずれか1以上から選択され、
(1)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、及び
(7)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子
ことを特徴とするイソベタニンを含まないS体のベタニンの製造方法。
It is a method for synthesizing S-form betanin that does not contain isobetanin.
A gene encoding an enzyme having an activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, a gene encoding an enzyme having an L-DOPA oxidase activity, a gene encoding an enzyme having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group, and a gene encoding an enzyme. The following genes encoding genes encoding enzymes with DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced and tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA) production. Cultivate a capable host and extract the tyrosine pigment from the cultured host,
Or,
The following genes encoding enzymes having DOPA 4,5-dioxygenase activity have been introduced, and the enzyme activity has the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine, and the enzyme activity having L-DOPA oxidase activity. , A host having an enzymatic activity having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group and a host having a tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability is cultured, and a betalein pigment is extracted from the host after the culture.
Here, the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity is selected from any one or more of the following.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 , 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 . A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA, which is homogeneous with the polypeptide consisting of the described amino acid sequence, to 4,5-seco-DOPA.
(3) SEQ ID NO: to 17,19,25 or 27 having an amino acid sequence identity of 90% or more of the described and set forth in SEQ ID NO: 17,19,25 or 27 comprising the amino acid sequence polypeptides and homogenous A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28,
(5) Hybrid under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , and SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence described in 1.5-seco-DOPA.
(6) In the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA, and (7) SEQ ID NO: 18. L-DOPA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in 20, 26 or 28 and the same quality as the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. A method for producing an isobetanin-free S-form betanin , which comprises a gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert to 4,5-seco-DOPA.
以下の(1)〜(7)のいずれか1に示す遺伝子又は該遺伝子を担持したベクターを含
む、イソベタニンを含まないS体のベタニン合成のためのL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤;
(1)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、及び
(7)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子。
L-DOPA for isobetanin-free S-form betanin synthesis containing the gene shown in any one of (1) to (7) below or the vector carrying the gene to 4,5-seco-DOPA. Converter;
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 , 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 . A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA, which is homogeneous with the polypeptide consisting of the described amino acid sequence, to 4,5-seco-DOPA.
(3) SEQ ID NO: to 17,19,25 or 27 having an amino acid sequence identity of 90% or more of the described and set forth in SEQ ID NO: 17,19,25 or 27 comprising the amino acid sequence polypeptides and homogenous A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28,
(5) Hybrid under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , and SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence described in 1.5-seco-DOPA.
(6) In the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA, and (7) SEQ ID NO: 18. L-DOPA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in 20, 26 or 28 and the same quality as the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide capable of converting to 4,5-seco-DOPA.
以下の(1)〜(3)のいずれか1ののアミノ酸配列で表されるペプチドを有する、イソベタニンを含まないS体のベタニン合成のためのL−DOPAを4,5−seco−DOPAへの変換剤;
(1)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列。
(2)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列、及び
(3)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と実質的同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するアミノ酸配列。
L-DOPA for isobetanin-free S-form betanin synthesis having a peptide represented by the amino acid sequence of any one of (1) to (3) below was added to 4,5-seco-DOPA. Converter;
(1) The amino acid sequence according to SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 , 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 . 90% or more of the amino acid sequence having the ability to convert L-DOPA equivalent to the amino acid sequence described to 4,5-seco-DOPA, and (3) the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. An amino acid sequence having the same identity and capable of converting L-DOPA substantially identical to the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 into 4,5-seco-DOPA.
請求項2又は3に記載の変換剤が導入されたベタレイン色素産出宿主。
A betalain dye-producing host into which the conversion agent according to claim 2 or 3 has been introduced.
イソベタニンを含まないS体のベタニン産出宿主であって、
該宿主は、
チロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素をコードする遺伝子、L
−DOPAオキシダーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子、フェノール性水酸基に糖
を付加する活性を有する酵素をコードする遺伝子及び以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ
活性を有する酵素をコードする遺伝子の遺伝子群が導入されており、かつチロシン又は3-
ヒドロキシ-L-チロシン(3-hydroxy-L-tyrosine:L-DOPA)産生能を有する、
又は、
以下のDOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子が導入されて
おり、かつチロシンのフェノール環の3位を水酸化する活性を有する酵素活性、L−DO
PAオキシダーゼ活性を有する酵素活性、フェノール性水酸基に糖を付加する活性を有す
る酵素活性並びにチロシン又は3-ヒドロキシ-L-チロシン産生能を有する、
ここで、該DOPA 4,5-ジオキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードする遺伝子は、以下
のいずれか1以上から選択され、
(1)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドをコードする遺伝子、
(2)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列において、1〜20個のアミノ酸が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(3)配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列と90%以上の同一性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードする遺伝子、
(4)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAからなる遺伝子、
(5)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質のL−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、
(6)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAにおいて、1〜50個の塩基配列が置換、欠損、挿入及び/又は付加しており、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子、及び
(7)配列番号18、20、26又は28に記載の塩基配列からなるDNAと90%以上の相同性を有し、かつ配列番号17、19、25又は27に記載のアミノ酸配列からなるポリペプチドと同質L−DOPAを4,5−seco−DOPAに変換する能力を有するポリペプチドをコードするDNAからなる遺伝子
ことを特徴とするイソベタニンを含まないS体のベタニン産出宿主。
An isobetanin-free S-form betanin- producing host,
The host is
L, a gene encoding an enzyme having the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine
-The gene encoding the enzyme having DOPA oxidase activity, the gene encoding the enzyme having the activity of adding sugar to the phenolic hydroxyl group, and the gene group of the gene encoding the enzyme having the following DOPA 4,5-dioxygenase activity are Introduced and tyrosine or 3-
Has the ability to produce hydroxy-L-tyrosine (L-DOPA),
Or,
The following gene encoding an enzyme having DOPA 4,5-dioxygenase activity has been introduced, and the enzyme activity L-DO has the activity of hydroxylating the 3-position of the phenol ring of tyrosine.
It has an enzyme activity having PA oxidase activity, an enzyme activity having an activity of adding a sugar to a phenolic hydroxyl group, and a tyrosine or 3-hydroxy-L-tyrosine producing ability.
Here, the gene encoding the enzyme having the DOPA 4,5-dioxygenase activity is selected from any one or more of the following.
(1) A gene encoding a polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27.
(2) In the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 , 1 to 20 amino acids are substituted, deleted, inserted and / or added, and in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27 . A gene encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA, which is homogeneous with the polypeptide consisting of the described amino acid sequence, to 4,5-seco-DOPA.
(3) SEQ ID NO: to 17,19,25 or 27 having an amino acid sequence identity of 90% or more of the described and set forth in SEQ ID NO: 17,19,25 or 27 comprising the amino acid sequence polypeptides and homogenous A gene encoding a polypeptide capable of converting L-DOPA to 4,5-seco-DOPA,
(4) A gene consisting of DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28,
(5) Hybrid under stringent conditions with a DNA having a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , and SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence described in 1.5-seco-DOPA.
(6) In the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 18, 20, 26 or 28 , 1 to 50 base sequences are substituted, deleted, inserted and / or added, and SEQ ID NOs: 17, 19, A gene consisting of DNA encoding a polypeptide having the ability to convert L-DOPA homologous to the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in 25 or 27 to 4,5-seco-DOPA, and (7) SEQ ID NO: 18, L-DOPA having 90% or more homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in 20, 26 or 28 and the same quality as the polypeptide consisting of the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 17, 19, 25 or 27. An isobetanin-free S-form betanin- producing host characterized by a gene consisting of DNA encoding a polypeptide capable of converting to 4,5-seco-DOPA.
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