JP7145140B2 - Genome rearrangement method and its use - Google Patents
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Description
本明細書は、ゲノム再編方法及びその利用等に関する。 The present specification relates to a genome rearrangement method, its use, and the like.
細胞や植物体等などの各種生物体において、ゲノムDNAにおける遺伝的組換えを誘発してゲノム再編を促進することにより、有用な生物体を効率的に取得する試みがなされている。 Attempts have been made to efficiently obtain useful organisms by inducing genetic recombination in genomic DNA in various organisms such as cells and plants to promote genome rearrangement.
遺伝的組換えを誘発する手法の1つとして、TaqIなどのDNA二本鎖切断酵素を酵母などの細胞内で発現させて、DNA二本鎖切断酵素を40℃以上の高温で60分以下程度の短時間の処理により活性化して、人為的かつ高温でしかも短時間にDNAの切断及び組換えを生じさせることが行われている(特許文献1~3)。
As one method for inducing genetic recombination, a DNA double-strand cleavage enzyme such as TaqI is expressed in cells such as yeast, and the DNA double-strand cleavage enzyme is heated at a high temperature of 40°C or higher for about 60 minutes or less. is activated by a short-time treatment to induce DNA cleavage and recombination artificially at high temperature and in a short time (
しかしながら、かかる高温かつ短時間の処理でDNA二本鎖切断酵素を短時間活性化するという手法であると、処理条件のDNA二本鎖切断頻度を制御することが困難であった。すなわち、温度又は処理時間によっては、切断が不十分であり十分な遺伝的組換えが行われなない一方、過度な切断により細胞が脆弱化してしまっていた。こうした結果、意図したゲノムの再編が困難であったり、また、十分なゲノム再編効率を獲得することが困難であったりする場合もあった。 However, with the method of activating the DNA double-strand cleavage enzyme for a short period of time by such high-temperature and short-time treatment, it is difficult to control the frequency of DNA double-strand breaks under the treatment conditions. That is, depending on the temperature or treatment time, cutting was insufficient and sufficient genetic recombination was not performed, while cells were weakened due to excessive cutting. As a result, in some cases, it is difficult to rearrange the genome as intended, or it is difficult to obtain sufficient genome rearrangement efficiency.
一方、DNA二本鎖切断酵素の作動は、細胞の存続自体や増殖を著しく抑制すると考えられる。したがって、細胞周期、例えば、酵母であれば2時間~数時間の範囲を超えてDNA二本鎖切断酵素を作動させることは現実的とはいえなかった。 On the other hand, the action of DNA double-strand breaking enzymes is thought to remarkably suppress the survival and proliferation of cells. Therefore, it was not realistic to operate the DNA double-strand cleavage enzyme beyond the cell cycle, for example, the range of 2 hours to several hours in the case of yeast.
本明細書は、より実用的なゲノム再編方法、すなわち、ゲノム再編レベルを制御でき優れたゲノム再編効率を得ることができるゲノム再編方法及びその利用を提供する。 The present specification provides a more practical genome rearrangement method, that is, a genome rearrangement method capable of controlling the level of genome rearrangement and obtaining excellent genome rearrangement efficiency, and its use.
本発明者らは、DNA二本鎖切断処理を従来法(高温及び短時間)とは異なり、細胞が十分に増殖する環境の条件(細胞の増殖環境条件)下で、DNA二本鎖切断酵素を作用させることで、意外にも、ゲノム再編レベルを自在に制御しつつしかもゲノム再編効率を飛躍的に高めることができるという知見を得た。こうした知見に基づき、本明細書は、以下の手段を提供する。 The present inventors performed a DNA double-strand break treatment, unlike the conventional method (high temperature and short time), under environmental conditions where cells can grow sufficiently (environmental conditions for cell growth). Surprisingly, we obtained the knowledge that the genome rearrangement level can be controlled at will and the genome rearrangement efficiency can be dramatically increased by the action of . Based on such knowledge, this specification provides the following means.
(1)真核生物体におけるゲノム再編方法であって、
真核生物体の細胞内において、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、前記細胞の増殖環境条件下で一時的に作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程を備える、方法。
(2)前記タンパク質は好熱菌由来の耐熱性DNA二本鎖切断酵素である、(1)に記載の方法。
(3)前記タンパク質は、BclI、Sse9I、BstUI、TfiI、TseI、Tsp45I、TaqI及びPhoIから選択される1種又は2種以上である、(1)又は(2)に記載の方法。
(4)前記タンパク質は、Sse9I、BstUI、TfiI、TseI、Tsp45I及びTaqIから選択される1種又は2種以上である、(1)~(3)のいずれかに記載の方法。
(5)前記タンパク質は、TaqIである、(1)~(4)のいずれかに記載の方法。
(6)前記ゲノム再編工程は、前記タンパク質を誘導的に発現させる工程である、(1)~(5)のいずれかに記載の方法。
(7)前記ゲノム再編工程は、前記タンパク質を1時間以上72時間以下作用させる工程である、(1)~(6)のいずれかに記載の方法。
(8)前記細胞増殖環境条件は、前記細胞が十分な増殖能を発揮する温度を含む条件である、(1)~(7)のいずれかに記載の方法。
(9)前記真核生物体は、植物体である、(1)~(8)のいずれかに記載の方法。
(10)前記真核生物体は、微生物である、(1)~(9)のいずれかに記載の誘発方法。
(11)前記真核生物体は、酵母である、(1)~(10)のいずれかに記載の方法。
(12)前記真核生物体は、ホモタリズム性酵母である、(1)~(11)のいずれかに記載の方法。
(13)前記ホモタリズム性酵母について第1の前記再編工程を実施後に、再編されたゲノムセットを有する前記ホモタリズム性酵母に第1の形質の選択圧下で選抜する胞子育種を含む選抜工程を実施し、さらに、選抜された前記ホモタリズム性酵母について第2の前記再編工程を実施する、(12)に記載の方法。
(14)再編されたゲノムセットを備える真核生物体の生産方法であって、
真核生物体の細胞内において、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、前記細胞の増殖環境条件下で一時的に作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程、
を備える、方法。
(15)さらに、再編されたゲノムセットを保持する前記真核生物体の集団から、任意の指標に基づいて意図する真核生物体を選抜する1又は2以上の選抜工程、
を備える、(14)に記載の生産方法。
(16)前記真核生物体は、ホモタリズム性酵母である、(14)又は(15)に記載の生産方法。
(17)前記真核生物体は、ホモタリズム性酵母であり、
前記選抜工程は、胞子育種工程を含む、(15)に記載の生産方法。
(18)真核生物体集団の生産方法であって、
真核生物体の細胞内において、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、前記細胞の増殖環境条件下で一時的に作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程、
を備える、方法。
(19)DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を発現可能に保持する、ホモタリズム性酵母である育種材料。
(1) A method for genome rearrangement in a eukaryotic organism, comprising:
1 or 2 or more steps of genome rearrangement in which a protein having DNA double-strand breaking activity is allowed to temporarily act in a cell of a eukaryote under conditions of a growth environment of the cell to perform genetic recombination. ,Method.
(2) The method according to (1), wherein the protein is a thermostable DNA double-strand cleavage enzyme derived from a thermophile.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the protein is one or more selected from BclI, Sse9I, BstUI, TfiI, TseI, Tsp45I, TaqI and PhoI.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the protein is one or more selected from Sse9I, BstUI, TfiI, TseI, Tsp45I and TaqI.
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the protein is TaqI.
(6) The method according to any one of (1) to (5), wherein the genome rearrangement step is a step of inducibly expressing the protein.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein the genome rearrangement step is a step of allowing the protein to act for 1 hour or more and 72 hours or less.
(8) The method according to any one of (1) to (7), wherein the cell growth environmental conditions include a temperature at which the cells exhibit sufficient growth potential.
(9) The method according to any one of (1) to (8), wherein the eukaryotic organism is a plant.
(10) The induction method according to any one of (1) to (9), wherein the eukaryotic organism is a microorganism.
(11) The method according to any one of (1) to (10), wherein the eukaryotic organism is yeast.
(12) The method according to any one of (1) to (11), wherein the eukaryotic organism is a homothalmic yeast.
(13) After performing the first reorganization step for the homothalismous yeast, performing a selection step including spore breeding to select the homotismalism yeast having the reorganized genome set under selective pressure for a first trait, Further, the method according to (12), wherein the second said rearrangement step is performed on said selected homothalismic yeast.
(14) A method of producing a eukaryotic organism comprising a rearranged genome set, comprising:
1 or 2 or more steps of genome rearrangement in which a protein having DNA double-strand breaking activity is allowed to temporarily act in a eukaryotic cell under the conditions of the growth environment of the cell to perform genetic recombination;
A method.
(15) Furthermore, one or more selection steps of selecting intended eukaryotic organisms based on any index from the population of eukaryotic organisms holding the rearranged genome set,
The production method according to (14), comprising:
(16) The production method according to (14) or (15), wherein the eukaryotic organism is a homothalmic yeast.
(17) the eukaryotic organism is a homothalmic yeast;
The production method according to (15), wherein the selection step includes a spore breeding step.
(18) A method of producing a population of eukaryotic organisms, comprising:
1 or 2 or more steps of genome rearrangement in which a protein having DNA double-strand breaking activity is allowed to temporarily act in a eukaryotic cell under the conditions of the growth environment of the cell to perform genetic recombination;
A method.
(19) A breeding material that is a homothalmic yeast that expressably retains a gene encoding a protein having DNA double-strand breaking activity.
本明細書の開示は、ゲノム再編方法及びその利用に関する。本明細書に開示するゲノム再編方法(以下、単に、本再編方法ともいう。)によれば、真核生物体の細胞内において、制限酵素などのDNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、細胞の増殖環境条件下で一時的に作用させることで、ゲノム再編のレベル(程度)を容易に調節して、しかも従来に比して高いゲノム再編効率を実現することができる。こうした、本再編方法によれば、染色体内における各種のゲノム再編効率のほか、従来法では低効率であった染色体間のゲノム再編効率も向上させることができる。 The present disclosure relates to genome rearrangement methods and uses thereof. According to the genome reorganization method disclosed in the present specification (hereinafter also simply referred to as the present reorganization method), a protein having DNA double-strand breaking activity, such as a restriction enzyme, is added to a cell in a eukaryotic cell. It is possible to easily control the level (degree) of genome rearrangement and achieve a higher efficiency of genome rearrangement than ever before by temporarily acting under the growth environment conditions of . According to this reorganization method, it is possible to improve not only the efficiency of various types of genome reorganization within chromosomes, but also the efficiency of interchromosomal genome reorganization, which was low in conventional methods.
従来のゲノム再編は、細胞に適用される一般的な細胞増殖環境条件でない条件下、例えば、一般的な培養温度よりも高温で制限酵素を細胞内で短時間作用させて遺伝的組換えを実施しゲノム再編していた。そして、その後、通常の培養温度に戻すことで、制限酵素が作用しないようにしてゲノム再編を終了させて、個々の細胞において種々の遺伝的組換えによって生成した種々のゲノムセットを備える細胞ライブラリを構築していた。 In conventional genome rearrangement, genetic recombination is performed by allowing restriction enzymes to act in cells for a short period of time under conditions that are not general cell growth environmental conditions applied to cells, for example, at temperatures higher than general culture temperatures. and rearranged the genome. Thereafter, the temperature is returned to normal culture temperature to stop the action of restriction enzymes, thereby completing the genome rearrangement, and creating a cell library comprising various genome sets generated by various genetic recombination in individual cells. was building.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、制限酵素は、細胞内では意外にも十分に低い温度でDNA二本鎖切断活性を染色体DNAに作用させることが可能であることがわかった。また、高温かつ短時間という作用条件では、DNA切断と同時に、細胞が本来有するDNA修復作用が発揮されていなかったことがわかった。その結果、高温かつ短時間という作用条件では結果として遺伝的組換えを促進するのが困難であり十分なゲノム再編効率を実現できていなかった。 However, according to the studies of the present inventors, it was found that restriction enzymes are capable of causing DNA double-strand breaking activity to act on chromosomal DNA at a sufficiently low temperature in cells, unexpectedly. In addition, it was found that under high-temperature and short-time action conditions, the DNA repair action originally possessed by the cells was not exerted at the same time as the DNA breakage. As a result, it was difficult to promote genetic recombination under high-temperature and short-time action conditions, and sufficient genome rearrangement efficiency could not be achieved.
本明細書の開示を拘束するものではないが、本発明者らは、本再編方法の優位性について以下のように推論することができる。すなわち、本再編方法によれば、細胞増殖環境条件を採用することで、DNA二本鎖切断作用とともに、細胞本来のDNAの修復作用を発揮させることもできる。DNA二本鎖切断作用とDNA修復作用、さらに、細胞の生育ひいては増殖を経ることで、結果として、DNA切断による染色体や遺伝子の機能ダメージを効果的に回避又は抑制されて、遺伝的組換えの結果、すなわち、様々に再編されたゲノムセットが細胞内で許容されることになる。以上のことから、多様な再編ゲノムセットを有し、しかも増殖可能な細胞を得ることができると考えられる。 Although not binding to the disclosure of this specification, the present inventors can infer the superiority of this reorganization method as follows. That is, according to this reorganization method, by adopting cell growth environmental conditions, it is possible to exert not only the DNA double-strand breaking action but also the DNA repair action inherent in the cell. Through DNA double-strand break action, DNA repair action, and cell growth and eventually proliferation, as a result, functional damage to chromosomes and genes due to DNA breakage can be effectively avoided or suppressed, and genetic recombination can be achieved. The result is that different rearranged genome sets will be tolerated within the cell. From the above, it is considered possible to obtain proliferative cells that have various rearranged genome sets.
さらに、本再編方法によれば、細胞増殖環境条件下での温度や時間等により、DNA二本鎖切断作用とDNA修復作用とをコントロールして、遺伝的組換えの促進と細胞等のダメージとを調節できる。この結果、ゲノム再編レベルを制御しつつ、優れたゲノム再編効率を得ることができると考えられる。 Furthermore, according to this restructuring method, the DNA double-strand breaking action and the DNA repair action are controlled by controlling the temperature, time, etc. under the environmental conditions for cell growth, thereby promoting genetic recombination and damaging cells and the like. can be adjusted. As a result, it is thought that excellent genome rearrangement efficiency can be obtained while controlling the level of genome rearrangement.
以上の結果、本再編方法によれば、ゲノムセット組成の多様性に富む真核生物体集団を効率的に構築することができる。こうして得られるゲノムセット組成の多様性に富む真核生物体集団は、同時に、形質の多様性に富む真核生物体集団となる。 As a result, according to this reorganization method, it is possible to efficiently construct a population of eukaryotic organisms rich in genome set compositional diversity. The resulting eukaryote population rich in genome set compositional diversity simultaneously becomes a eukaryote population rich in trait diversity.
この真核生物体集団は、進化の過程で生じうる新たな形質を獲得した真核生物体、形質を喪失又は劣化した真核生物体、形質が向上した真核生物体など、形質の獲得、向上、喪失、低下、改変などを種々の態様で備えうる真核生物体の集団となっていると考えられる。 This eukaryote population includes eukaryotes that have acquired new traits that may arise in the process of evolution, eukaryotes that have lost or deteriorated traits, and eukaryotes that have improved traits. It is believed that there are populations of eukaryotic organisms that can have enhancements, losses, degradation, alterations, etc. in various ways.
したがって、本再編方法によって得られる真核生物体集団に対して、所望の指標に基づいて選抜を実施することで、効率的に意図した真核生物体を取得することができる。 Therefore, the intended eukaryotic organisms can be obtained efficiently by selecting the eukaryotic organism population obtained by the present reorganization method based on the desired index.
本明細書において「ゲノムセット」とは、真核細胞において染色体DNAとして存在し、真核細胞において自己複製可能であって娘細胞に伝達されるDNAをいうものとする。 As used herein, the term "genome set" refers to DNA that exists as chromosomal DNA in eukaryotic cells, is capable of self-replication in eukaryotic cells, and is transmitted to daughter cells.
また、本明細書において「遺伝的組換え」とは、広い意味において、DNA間で起きるDNA切断・再結合現象を意味する。したがって、本明細書における「遺伝的組換え」には、相同組換え、非相同組換を包含する。さらに、本明細書における「遺伝的組換え」は、1又は2以上の塩基の置換、挿入及び欠失等による遺伝子突然変異及び染色体の逆位、不等交叉、交叉、転座、重複、欠失、コピー数の低下、コピー数の増大、染色体倍数化及び染色体異数化等の染色体突然変異を包含する。また、本明細書における「遺伝的組換え」には、同一染色体内における遺伝的組換えと異なる染色体間における遺伝的組換えの双方を包含する。 In addition, the term "genetic recombination" as used herein means, in a broad sense, a DNA cleavage/recombination phenomenon that occurs between DNAs. Therefore, "genetic recombination" as used herein includes homologous recombination and non-homologous recombination. Furthermore, the term "genetic recombination" as used herein refers to genetic mutations, chromosomal inversions, unequal crossovers, crossovers, translocations, duplications, and deletions due to substitutions, insertions and deletions of one or more bases. It includes chromosomal mutations such as loss, copy number loss, copy number gain, chromosomal polyploidy and chromosomal aneuploidy. In addition, "genetic recombination" as used herein includes both genetic recombination within the same chromosome and genetic recombination between different chromosomes.
以下、本明細書の開示の各種実施形態について、詳細に説明する。 Various embodiments of the present disclosure are described in detail below.
(真核生物体におけるゲノム再編方法)
(ゲノム再編工程)
本再編方法は、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、真核生物体の細胞内において、前記細胞の増殖環境条件下で一時的に作用させるゲノム再編工程(以下、単に再編工程という。)を備えることができる。再編工程は、真核生物体の細胞に適用される。再編工程は、必要に応じ1又は2回以上繰り返して実施することができる。また、再編工程後に集積培養などの各種の選抜工程を行うことができる。また、こうした再編工程と選抜工程とを繰り返して実施することもできる。
(Method for genome rearrangement in eukaryotic organism)
(Genome rearrangement process)
This reorganization method comprises a genome reorganization step (hereinafter simply referred to as a reorganization step) in which a protein having DNA double-strand breaking activity is allowed to act temporarily in eukaryotic cells under the growth environmental conditions of said cells. can be provided. The rearrangement process is applied to cells of eukaryotic organisms. The restructuring process can be repeated one or more times as necessary. Moreover, various selection processes such as enrichment culture can be performed after the restructuring process. Moreover, such a reorganization process and a selection process can also be repeatedly implemented.
(真核生物体)
本再編方法は、任意の真核細胞生物体に適用可能である。本再編方法に適用される真核生物体としては、動物、植物、真核性微生物が挙げられる。動物としては特に限定しないで、哺乳動物及び各種の魚類などの非哺乳動物が挙げられる。また、本再編方法に適用される動物としては、動物に由来するものであればよく、細胞、組織、器官、受精卵などいずれの形態であってもよい。受精卵など、完全な動物に再生する能力を保持しているものであれば、改変した動物を得るのに都合がよい。
(eukaryotic organism)
This reorganization method is applicable to any eukaryotic organism. Eukaryotic organisms applicable to this restructuring method include animals, plants, and eukaryotic microorganisms. Animals include, but are not limited to, mammals and non-mammals such as various fish. In addition, the animal to be applied to this reorganization method may be derived from an animal, and may be in any form such as a cell, tissue, organ, or fertilized egg. Anything that retains the ability to regenerate into a whole animal, such as a fertilized egg, is convenient for obtaining a modified animal.
本再編方法に適用される植物としても特に限定するものではないが、例えば、双子葉植物、単子葉植物、例えばアブラナ科、イネ科、ナス科、マメ科、ヤナギ科等に属する植物(下記参照)が挙げられる。 Plants to be applied to this reorganization method are not particularly limited, but for example, dicotyledonous plants, monocotyledonous plants, such as plants belonging to the family Brassicaceae, Poaceae, Solanaceae, Leguminosae, Salicaceae, etc. (see below) ).
アブラナ科:シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)、アブラナ(Brassica rapa、Brassica napus)、キャベツ(Brassica oleracea var. capitata)、ハクサイ(Brassica rapa var. pekinensis)、チンゲンサイ(Brassica rapa var. chinensis)、カブ(Brassica rapa var. rapa)、ノザワナ(Brassica rapa var. hakabura)、ミズナ(Brassica rapa var. lancinifolia)、コマツナ(Brassica rapa var. peruviridis)、パクチョイ(Brassica rapa var. chinensis)、ダイコン(Brassica Raphanus sativus)、ワサビ(Wasabia japonica)など。
ナス科:タバコ(Nicotiana tabacum)、ナス(Solanum melongena)、ジャガイモ(Solaneum tuberosum)、トマト(Lycopersicon lycopersicum)、トウガラシ(Capsicum annuum)、ペチュニア(Petunia)など。
マメ科:ダイズ(Glycine max)、エンドウ(Pisum sativum)、ソラマメ(Vicia faba)、フジ(Wisteria floribunda)、ラッカセイ(Arachis. hypogaea)、ミヤコグサ(Lotus corniculatus var. japonicus)、インゲンマメ(Phaseolus vulgaris)、アズキ(Vigna angularis)、アカシア(Acacia)など。
キク科:キク(Chrysanthemum morifolium)、ヒマワリ(Helianthus annuus)など。
ヤシ科:アブラヤシ(Elaeis guineensis、Elaeis oleifera)、ココヤシ(Cocos nucifera)、ナツメヤシ(Phoenix dactylifera)、ロウヤシ(Copernicia)など。
ウルシ科:ハゼノキ(Rhus succedanea)、カシューナットノキ(Anacardium occidentale)、ウルシ(Toxicodendron vernicifluum)、マンゴー(Mangifera indica)、ピスタチオ(Pistacia vera)など。
ウリ科:カボチャ(Cucurbita maxima、Cucurbita moschata、Cucurbita pepo)、キュウリ(Cucumis sativus)、カラスウリ(Trichosanthes cucumeroides)、ヒョウタン(Lagenaria siceraria var. gourda)など。
バラ科:アーモンド(Amygdalus communis)、バラ(Rosa)、イチゴ(Fragaria)、サクラ(Prunus)、リンゴ(Malus pumila var. domestica)など。
ナデシコ科:カーネーション(Dianthus caryophyllus)など。
ヤナギ科:ポプラ(Populus trichocarpa、Populus nigra、Populus tremula)など。
イネ科:トウモロコシ(Zea mays)、イネ(Oryza sativa)、オオムギ(Hordeum vulgare)、コムギ(Triticum aestivum)、タケ(Phyllostachys)、サトウキビ(Saccharum officinarum)、ネピアグラス(Pennisetum pupureum)、エリアンサス(Erianthus ravenae)、ミスキャンタス(ススキ)(Miscanthus virgatum)、ソルガム(Sorghum)スイッチグラス(Panicum)など。
ユリ科:チューリップ(Tulipa)、ユリ(Lilium)など。
フトモモ科:ユーカリ(Eucalyptus camaldulensis、Eucalyptus grandis)など。
Brassicaceae: Arabidopsis thaliana, Brassica rapa, Brassica napus, Brassica oleracea var. capitata, Chinese cabbage (Brassica rapa var. pekinensis), Bok choy (Brassica rapa var. rapa), Nozawana (Brassica rapa var. hakabura), Mizuna (Brassica rapa var. lancinifolia), Komatsuna (Brassica rapa var. peruviridis), Pakuchoi (Brassica rapa var. chinensis), Japanese radish (Brassica Raphanus sativus), Wasabi (Wasabia) japonica), etc.
Solanaceae: Nicotiana tabacum, Solanum melongena, Solaneum tuberosum, Lycopersicon lycopersicum, Capsicum annuum, Petunia, and the like.
Legumes: soybean (Glycine max), pea (Pisum sativum), broad bean (Vicia faba), wisteria (Wisteria floribunda), peanut (Arachis. hypogaea), japonicus (Lotus corniculatus var. japonicus), kidney bean (Phaseolus vulgaris), adzuki bean (Vigna angularis), Acacia, etc.
Asteraceae: chrysanthemum (Chrysanthemum morifolium), sunflower (Helianthus annuus), etc.
Palm family: Elaeis guineensis, Elaeis oleifera, Cocos nucifera, Phoenix dactylifera, Copernicia, and the like.
Anacardiaceae: Rhus succedanea, Anacardium occidentale, Toxicodendron vernicifluum, Mangifera indica, Pistacia vera, and the like.
Cucurbitaceae: Cucurbita maxima, Cucurbita moschata, Cucurbita pepo, Cucumis sativus, Trichosanthes cucumeroides, gourds (Lagenaria siceraria var. gourda), etc.
Rosaceae: almonds (Amygdalus communis), roses (Rosa), strawberries (Fragaria), cherry blossoms (Prunus), apples (Malus pumila var. domestica) and the like.
Caryophyllaceae: Carnation (Dianthus caryophyllus), etc.
Salicaceae: Poplar (Populus trichocarpa, Populus nigra, Populus tremula), etc.
Gramineae: Zea mays, Oryza sativa, Hordeum vulgare, Triticum aestivum, Phyllostachys, Saccharum officinarum, Pennisetum pupureum, Erianthus ravenae ), Miscanthus virgatum, Sorghum, Panicum, etc.
Liliaceae: Tulipa, Lilium, etc.
Myrtaceae: Eucalyptus (Eucalyptus camaldulensis, Eucalyptus grandis), etc.
本再編方法に適用される植物としては、植物に由来するものであればよいが、完全な植物に再生する能力を保持しているものであれば、ゲノム変性した植物を得るのに都合がよい。したがって、植物としては、細胞、組織、器官、種子、カルスなどいずれの形態であってもよい。 The plant to be applied to this reorganization method may be derived from a plant, but any plant that retains the ability to regenerate into a complete plant is convenient for obtaining a genome-modified plant. . Therefore, plants may be in any form such as cells, tissues, organs, seeds, callus, and the like.
また、微生物としても、特に限定するものではないが、物質生産等を考慮すると、麹菌などのカビや酵母などの微生物細胞が挙げられる。麹菌としては、アスペルギルス・アキュリータス(Aspergillus aculeatus)、アスペルギルス・オリゼ(Aspergillus orizae)等のアスペルギルス属が挙げられる。また、酵母としては、公知の各種酵母を利用できるが、サッカロマイセス・セレビジエ(Saccharomyces cerevisiae)等のサッカロマイセス属の酵母、シゾサッカロマイセス・ポンベ(Schizosaccharomyces pombe)等のシゾサッカロマイセス属の酵母、キャンディダ・シェハーテ(Candida shehatae)等のキャンディダ属の酵母、ピキア・スティピティス(Pichia stipitis)等のピキア属の酵母、ハンセヌラ(Hansenula)属の酵母、クロッケラ属(Klocckera)の酵母、スワニオマイセス属(Schwanniomyces)の酵母及びヤロイア属(Yarrowia)の酵母、トリコスポロン(Trichosporon)属の酵母、ブレタノマイセス(Brettanomyces)属の酵母、パチソレン(Pachysolen)属の酵母、ヤマダジマ(Yamadazyma)属の酵母、クルイベロマイセス・マーキシアヌス(Kluyveromyces marxianus)、クルイベロマイセス・ラクティス(Kluveromyces lactis)等のクルイベロマイセス属の酵母、イサトケンキア・オリエンタリス(Issatchenkia orientalis)等のイサトケンキア属の酵母が挙げられる。なかでも、工業的利用性等の観点からサッカロマイセス属酵母が好ましい。なかでも、サッカロマイセス・セレビジエが好ましい。 Microorganisms are also not particularly limited, but microbial cells such as molds such as Aspergillus oryzae and yeast can be used in consideration of substance production and the like. Aspergillus genus, such as Aspergillus aculeatus (Aspergillus aculeatus) and Aspergillus oryzae (Aspergillus orizae), is mentioned as koji mold. As the yeast, various known yeasts can be used, and yeasts of the genus Saccharomyces such as Saccharomyces cerevisiae, yeasts of the genus Schizosaccharomyces such as Schizosaccharomyces pombe, Candida Candida yeast such as Candida shehatae, Pichia yeast such as Pichia stipitis, Hansenula yeast, Klockckera yeast, Schwanniomyces yeast and yeast of the genus Yarrowia, yeast of the genus Trichosporon, yeast of the genus Brettanomyces, yeast of the genus Pachysolen, yeast of the genus Yamadazyma, yeast of the genus Kluyveromyces marxianus ), yeast of the genus Kluyveromyces such as Kluveromyces lactis, and yeast of the genus Isatokenkia such as Issatchenkia orientalis. Among them, yeast of the genus Saccharomyces is preferable from the viewpoint of industrial usability. Among them, Saccharomyces cerevisiae is preferable.
また、酵母としては、ヘテロタリズム性の酵母のほか、ホモタリズム性酵母であってもよい。ホモタリズム性酵母は、再編工程後に選抜工程を行う場合において、胞子育種を経ることで、正の(優れた)遺伝的組換え結果を増強し、負の遺伝的組換えの影響を排除することができる。また、負の遺伝的組換えを有するゲノムセットを保持する酵母を効率的に排除して正の遺伝的組換え結果を有するゲノムセットを保持するホモタリズム性酵母集団を得ることができるため、さらに1又は2以上の再編工程を繰り返す場合であっても、優れたゲノム再編効率を得ることができる。 Moreover, the yeast may be homothalismic yeast as well as heterothalismic yeast. Homotarhythmic yeasts can undergo spore breeding to enhance positive (excellent) genetic recombination results and eliminate the effects of negative genetic recombination when the selection process is performed after the restructuring process. can. In addition, because yeast carrying genome sets with negative genetic recombination can be efficiently eliminated to yield homothalmic yeast populations carrying genome sets with positive genetic recombination results, further one Alternatively, even if two or more rearrangement steps are repeated, excellent genome rearrangement efficiency can be obtained.
本再編方法においては、固有倍数性を超える倍数体である真核生物体を用いることもできる。こうした倍数体を真核生物体として用いることで、DNA二本鎖切断による種々の遺伝的組換えによるダメージを抑制又は回避して、飛躍的かつ効率的にゲノムセット組成及び形質の多様性に富み、増殖に有利な集団を構築できる。 Eukaryotic organisms that are polyploid beyond intrinsic ploidy can also be used in the present reorganization methods. By using such polyploids as eukaryotic organisms, it is possible to suppress or avoid damage caused by various genetic recombination caused by DNA double-strand breaks, and dramatically and efficiently increase the diversity of genome set composition and traits. , can build populations that are favorable for proliferation.
固有倍数性を超える倍数体としては、例えば、動物の固有倍数性は2倍数性あるから、2倍体を超える倍数体を真核生物体として用いることができる。また、植物の固有倍数性は種々であるため、その固有倍数性を超える倍数体を真核生物体として用いることができる。微生物においては、例えば、酵母などにおいては、2倍数性を超える倍数体を真核生物体として用いることができる。 As a polyploid that exceeds the intrinsic polyploidy, for example, since the intrinsic polyploidy of animals is diploid, a polyploid that exceeds the diploid can be used as a eukaryotic organism. In addition, since the proper ploidy of plants varies, polyploids exceeding the proper ploidy can be used as eukaryotic organisms. In microorganisms, such as yeast, polyploids greater than diploid can be used as eukaryotic organisms.
固有倍数性を超える倍数体としては、野生型であってもよい。例えば、コムギなど野生型として2倍体が存在する一方、2倍体を超える野生型コムギ、すなわち、4倍体コムギ、6倍体コムギも野生型として存在する場合には、こうした4倍体以上のコムギを用いてもよい。真核生物体としては、人為的にゲノムサイズ増大操作を行って得られた真核生物体を用いることもできる。 A polyploid that exceeds intrinsic polyploidy may be a wild type. For example, while diploids such as wheat exist as wild types, wild-type wheat exceeding diploids, that is, tetraploid wheat and hexaploid wheat also exist as wild types. of wheat may be used. Eukaryotic organisms obtained by artificially increasing the genome size can also be used as eukaryotic organisms.
真核生物体は、好ましくは4倍体以上の倍数体である。4倍体以上の倍数体は、例えば、4倍体のほか、5倍体、6倍体、7倍体、8倍体等が挙げられる。本開示によれば、染色体の倍数性が高くても、DNA二本鎖の切断を介したゲノムセットの遺伝的組換えにより、ゲノムサイズの大きさに関する不都合を回避してゲノムサイズメリットを生かした多様性のある真核生物体集団を取得できる。したがって、真核生物体の固有倍数性が4倍体以上であると、遺伝的組換えの効率が高まり、顕著に多様性に優れる真核生物体集団を構築できるようになる。より好ましくは5倍体であり、さらに好ましくは6倍体であり、なお好ましくは7倍体であり、一層好ましくは8倍体以上である。 The eukaryotic organism is preferably a tetraploid or higher polyploid. Tetraploids and higher polyploids include, for example, tetraploids, pentaploids, hexaploids, heploids, octoploids, and the like. According to the present disclosure, even if the chromosome ploidy is high, genetic recombination of the genome set via DNA double-strand breaks avoids the disadvantages related to the size of the genome and takes advantage of the genome size advantage. Diverse populations of eukaryotic organisms can be obtained. Therefore, when the intrinsic ploidy of eukaryotic organisms is tetraploid or higher, the efficiency of genetic recombination is increased, and it becomes possible to construct eukaryotic organism populations that are remarkably superior in diversity. It is more preferably pentaploid, still more preferably hexaploid, still more preferably heploid, and even more preferably octoploid or higher.
真核生物体は、人為的なゲノムサイズ増大操作を行って固有倍数性を超えるように至った真核生物体であってもよい。こうした真核生物体を用いる場合、前もって取得された、あるいは既に存在している人為的なゲノムサイズ増大操作を行って得られた真核生物体を、再編工程に供してもよい。また、真核生物体となる真核生物体に対してゲノムサイズ増大操作を行って安定的に固有倍数性を超える倍数性の真核生物体を得る工程を行い、この工程によって得られた真核生物体について再編工程を行う形態であってもよい。 The eukaryotic organism may be a eukaryotic organism that has been artificially engineered to increase genome size to exceed intrinsic ploidy. When such a eukaryotic organism is used, a previously obtained eukaryotic organism or an already existing eukaryotic organism obtained by artificially increasing the genome size may be subjected to the rearrangement process. In addition, a step of subjecting a eukaryotic organism to be a eukaryotic organism to an operation for increasing the genome size to stably obtain a eukaryotic organism with polyploidy exceeding the intrinsic ploidy is performed, and the eukaryotic organism obtained by this step is performed. It may be in a form in which the reorganization process is performed on the nuclear organism.
人為的なゲノム増大操作としては、各種細胞を用いた細胞融合、動物における受精卵や未受精卵における温度や圧力による減数分裂の抑制処理、植物における交配、コルヒチンなどの染色体倍化誘発剤の供給等が挙げられる。さらに、酵母であれば、一般ヘテロタリズム株間の低頻度接合体の選択分離、接合型変換系を応用する方法及び細胞融合法等が挙げられる(生物化学実験法第39巻、酵母分子遺伝学実験法(大嶋泰治、学会出版センター)。なお、当業者であれば、固有倍数性を超える倍数性の真核生物体を得るため、公知の手法を適宜真核生物体に適用することができる。 Artificial genome manipulations include cell fusion using various cells, suppression of meiosis by temperature and pressure in fertilized and unfertilized eggs in animals, mating in plants, and supply of chromosome doubling inducers such as colchicine. etc. Furthermore, in the case of yeast, selective isolation of low-frequency zygotes between general heterothalism strains, methods applying mating type conversion systems, cell fusion methods, etc. (Experimental Methods for Biochemistry Vol. 39, Experimental Methods for Yeast Molecular Genetics (Taiji Oshima, Gakkai Publishing Center) Incidentally, a person skilled in the art can appropriately apply known methods to eukaryotic organisms in order to obtain polyploidy eukaryotic organisms exceeding proper ploidy.
(本タンパク質:DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質)
本タンパク質としては、特に限定しないが、例えば、公知のDNA二本鎖切断酵素を用いることができる。本再編方法では、細胞増殖環境条件の下、細胞が有するDNA修復活性を作用させつつDNA二本鎖切断活性を作用させるものであり、これらを容易に制御できるため、結果として本タンパク質が備えるDNA二本鎖切断活性については特に限定されない。したがって、公知の制限酵素等から任意の制限酵素等を選択して本タンパク質として使用することができる。
(Present protein: protein having DNA double-strand breaking activity)
Although the present protein is not particularly limited, for example, a known DNA double-strand cleavage enzyme can be used. In this reorganization method, the DNA double-strand break activity is allowed to act while the DNA repair activity possessed by cells is activated under cell growth environmental conditions. The double-strand cleavage activity is not particularly limited. Therefore, any restriction enzyme or the like can be selected from known restriction enzymes and the like and used as the present protein.
DNA二本鎖切断酵素が有する切断部位(認識部位)は特に限定するものではない。概して制限酵素は種々の認識部位を有しており、認識部位が違うことで、異なるゲノム再編効果を得ることができる場合もある。遺伝的組換えの効率の観点からは、DNA上の4塩基~6塩基程度を認識部位とする、いわゆる多頻度制限酵素と称されるDNA二本鎖切断酵素が好ましい。ゲノムにおける切断箇所の数がゲノム再編効率に寄与するため、かかる塩基数の認識部位とすることで、好ましい頻度で染色体DNAを切断できる。例えば、4塩基又は5塩基の認識部位とするDNA二本鎖切断酵素がより好ましく、4塩基の認識部位とすることがさらに好ましい。このようなDNA二本鎖切断酵素としては、特に限定されないが、ApeKI、BsrI、BssKI、BstNI、BstUI、BtsCI、FatI、FauI、PhoI、PspGI、SmlI、TaqI、TfuI、TseI、Tsp45I、TspRIが挙げられる。また、Sse9I、MseI、DnpI及びCviAII等などの公知の各種の多頻度性酵素を挙げることができる。 The cleavage site (recognition site) possessed by the DNA double-strand cleavage enzyme is not particularly limited. Restriction enzymes generally have various recognition sites, and different recognition sites may result in different genome rearrangement effects. From the viewpoint of the efficiency of genetic recombination, DNA double-strand cleavage enzymes called so-called multiple restriction enzymes, which recognize about 4 to 6 bases on DNA, are preferred. Since the number of cleavage sites in the genome contributes to genome rearrangement efficiency, chromosomal DNA can be cleaved at a preferred frequency by using recognition sites with such base numbers. For example, a DNA double-strand cleavage enzyme with a 4-base or 5-base recognition site is more preferable, and a 4-base recognition site is even more preferable. Examples of such DNA double-strand cleavage enzymes include, but are not limited to, ApeKI, BsrI, BssKI, BstNI, BstUI, BtsCI, FatI, FauI, PhoI, PspGI, SmlI, TaqI, TfuI, TseI, Tsp45I, and TspRI. be done. In addition, various known multi-frequency enzymes such as Sse9I, MseI, DnpI and CviAII can be mentioned.
DNA二本鎖切断酵素の認識部位が異なることで、異なる遺伝的組換え、すなわち、異なるゲノム再編が可能となる。したがって、再編工程に用いるDNA二本鎖切断酵素の認識部位を適宜選択することによって、異なる再編結果を得ることができる。したがって、再編工程を、1種類のDNA切断酵素を用いて行ってもよいし、2以上の異なる認識部位を有するDNA切断酵素を用いて行ってもよい。さらに、再編工程を複数回実施する場合において、異なる再編工程を、異なる認識部位を有する1又は2以上のDNA二本鎖切断酵素を用いておこなってもよい。 Different recognition sites for DNA double-strand breaking enzymes enable different genetic recombination, ie, different genome rearrangements. Therefore, different rearrangement results can be obtained by appropriately selecting the recognition site of the DNA double-strand breaking enzyme used in the rearrangement step. Therefore, the rearrangement step may be performed using one type of DNA-cleaving enzyme or using DNA-cleaving enzymes having two or more different recognition sites. Furthermore, when the rearrangement step is performed multiple times, different rearrangement steps may be performed using one or more DNA double-strand cleavage enzymes having different recognition sites.
制限酵素としては、好熱菌由来の制限酵素であって、真核生物体の細胞の培養温度よりも高温領域にDNA二本鎖切断活性についての至適温度を有する制限酵素(いわゆる耐熱性DNA二本鎖切断酵素)を使用することがより好ましい。こうしたタンパク質であると、細胞増殖温度で比較的緩やかなDNA二本鎖切断活性を作用させることができるからである。 As a restriction enzyme, a thermophile-derived restriction enzyme (so-called heat-stable DNA It is more preferred to use a double-strand-cleaving enzyme). This is because such a protein can exert a relatively mild DNA double-strand breaking activity at the cell growth temperature.
こうした本タンパク質としては、例えば、DNA二本鎖切断活性の至適温度が50℃以上80℃以下の制限酵素を用いることができる。例えば、至適温度が50℃、55℃、60℃、65℃、及び75℃(いずれも、カタログ値)が挙げられる。制限酵素の至適温度は、各種の販売会社のカタログ等に基づいて(カタログ値)等に基づいて選択することができる。至適温度は50℃未満であると、至適温度が後述する細胞増殖環境条件の温度(細胞増殖温度という。)に近くなることが多く、細胞増殖温度においてDNA二本鎖切断活性が強くなりすぎる場合がある。至適温度が80℃を超えると、細胞増殖温度において、DNA二本鎖切断活性が弱くなりすぎる場合がある。概して、至適温度は、好ましくは、55℃以上であり、より好ましくは60℃以上であり、62℃以上であってもよく、65℃程度であってもよい。また、概して、至適温度は、75℃以下であることが好ましく、より好ましくは70℃以下であり、また、68℃以下であってもよい。 As such a present protein, for example, a restriction enzyme having an optimum temperature for DNA double-strand cleavage activity of 50° C. or higher and 80° C. or lower can be used. For example, the optimum temperatures are 50° C., 55° C., 60° C., 65° C., and 75° C. (all catalog values). The optimum temperature for the restriction enzyme can be selected based on catalogs (catalog values) of various sales companies. When the optimum temperature is less than 50°C, the optimum temperature is often close to the temperature of the cell growth environment conditions (referred to as the cell growth temperature) described later, and the DNA double-strand break activity becomes stronger at the cell growth temperature. sometimes too much. If the optimum temperature exceeds 80°C, the DNA double-strand breaking activity may become too weak at the cell growth temperature. In general, the optimum temperature is preferably 55°C or higher, more preferably 60°C or higher, and may be 62°C or higher, or about 65°C. In general, the optimum temperature is preferably 75°C or lower, more preferably 70°C or lower, and may be 68°C or lower.
また、本タンパク質としては、DNA二本鎖切断活性が強すぎると細胞のダメージが大きいため、例えば、細胞増殖温度よりも、DNA二本鎖切断活性の至適温度が高いDNA二本鎖切断酵素を用いることが好ましい。こうすることで、緩和な切断作用を生じさせることができ、また、切断作用の調節も容易であるからである。 In addition, as the present protein, if the DNA double-strand cleavage activity is too strong, cell damage is large. is preferably used. By doing so, a mild cutting action can be produced and the cutting action can be easily adjusted.
概して、本タンパク質は、そのDNA二本鎖切断活性の至適温度が、用いる真核生物体の細胞増殖温度の上限又はその近傍温度よりも10℃以上高いことが好ましい。より好ましくは15℃以上高く、さらに好ましくは20℃以上である。 In general, it is preferred that the optimal temperature for the DNA double-strand breaking activity of the present protein is 10° C. or more higher than the upper limit of the cell growth temperature of the eukaryote to be used or a temperature close to it. It is more preferably 15° C. or higher, and still more preferably 20° C. or higher.
例えば、酵母についての細胞増殖温度は、20℃以上40℃以下であるため、酵母の再編工程に用いるDNA二本鎖切断酵素の至適温度は、好ましくは50℃以上であり、より好ましくは55℃以上であり、60℃以上であってもよく、65℃程度であってもよい。 For example, since the cell growth temperature for yeast is 20°C or higher and 40°C or lower, the optimum temperature for the DNA double-strand cleavage enzyme used in the yeast restructuring step is preferably 50°C or higher, more preferably 55°C. °C or higher, may be 60 °C or higher, or may be about 65 °C.
また、本タンパク質は、37℃においては、至適温度時のDNA二本鎖切断活性を100%したとき、37℃の活性が、例えば、10%以上30%以下であることが好ましい。この程度活性が低くても遺伝的組換えを促進できる一方、細胞へのダメージを抑制できるからである。 In addition, the activity of the present protein at 37°C is preferably, for example, 10% or more and 30% or less when the DNA double-strand breaking activity at the optimum temperature is taken as 100%. This is because even with such a low activity, genetic recombination can be promoted and cell damage can be suppressed.
例えば、本タンパク質としては、以下の公知の制限酵素から適宜選択して用いることができる。
本再編方法では、上述のとおり、本タンパク質が備えるDNA二本鎖切断活性については特に限定されず、任意の制限酵素等から選択して使用することができる。例えば、BclI、Sse9I、BstUI、TfiI、TseI、Tsp45I、TaqI及びPhoIなどから選択することができる。これらの制限酵素は、至適温度が50℃以上75℃以下で、認識部位の塩基長が4以上6以下である。 In this reorganization method, as described above, the DNA double-strand breaking activity possessed by this protein is not particularly limited, and any restriction enzyme or the like can be selected and used. For example, it can be selected from BclI, Sse9I, BstUI, TfiI, TseI, Tsp45I, TaqI and PhoI. These restriction enzymes have an optimum temperature of 50° C. or higher and 75° C. or lower, and a base length of the recognition site of 4 or higher and 6 or lower.
また、例えば、至適温度及び認識部位の観点からは、ApeKI、BsrI、BssKI、BstNI、BstUI、BtsCI、FatI、FauI、PhoI、PspGI、SmlI、Sse9I、TaqI、TfuI、TseI、Tsp45I、TspRIが本タンパク質として好適な制限酵素として挙げられる。また、至適温度と細胞増殖温度との間における活性比からは、例えば、ApeKI、BsaBI、BsaJI、BsaWI、BsIEI、BslI、BsmBI、BsmI、BspQI、BsrDI、BsrI、BssKI、BstAPI、BstBI、BstNI、BstUI、BstYI、FatI、FauI、MwoI、Nb.BsmI、Nb.BsrDI、PspGI、SfiI、SmlI、TaqI、TfiI、TliI、TseI、Tsp45I、Tsp509I、TspMI、TspRI、Tth111I等が挙げられる。 In addition, for example, from the viewpoint of optimum temperature and recognition site, ApeKI, BsrI, BssKI, BstNI, BstUI, BtsCI, FatI, FauI, PhoI, PspGI, SmlI, Sse9I, TaqI, TfuI, TseI, Tsp45I, and TspRI. Examples of suitable restriction enzymes for proteins include: Further, from the activity ratio between the optimum temperature and the cell growth temperature, for example, ApeKI, BsaBI, BsaJI, BsaWI, BsIEI, BslI, BsmBI, BsmI, BspQI, BsrDI, BsrI, BssKI, BstAPI, BstBI, BstNI, BstUI, BstYI, FatI, FauI, MwoI, Nb.BsmI, Nb.BsrDI, PspGI, SfiI, SmlI, TaqI, TfiI, TliI, TseI, Tsp45I, Tsp509I, TspMI, TspRI, Tth111I and the like.
本タンパク質、至適温度や細胞増殖温度との関係のほか、その切断頻度や態様(認識塩基数や認識配列の特徴)も考慮して再編工程に用いるのに好適なものが選択される。なお、至適温度については、制限酵素に一般的に適用される制限反応条件(制限酵素10ユニット、DNA1μg、当該制限酵素に推奨されるバッファ、BSA(必要に応じ、100μg/ml)、反応時間は典型的には1時間)で複数種類の反応温度で制限反応を実施することで取得できるほか、制限酵素の入手先のカタログ等から取得できる。また、細胞増殖温度におけるDNA二本鎖切断活性の比(対至適温度時の活性)もカタログ等から取得できるほか、制限酵素に応じた制限反応条件下でその至適温度と細胞増殖温度とを変更する以外は同一条件で制限反応を実施することで取得できる。 In addition to the relationship between the present protein, the optimum temperature, and the cell growth temperature, the frequency and mode of cleavage (the number of recognized bases and the characteristics of the recognition sequence) are also taken into account to select the one suitable for use in the reorganization step. Regarding the optimum temperature, the restriction reaction conditions generally applied to restriction enzymes (10 units of restriction enzyme, 1 μg of DNA, buffer recommended for the restriction enzyme, BSA (100 μg/ml if necessary), reaction time (typically 1 hour) can be obtained by performing a restriction reaction at a plurality of different reaction temperatures, or it can be obtained from a catalog or the like of the supplier of the restriction enzyme. In addition, the ratio of DNA double-strand breaking activity at cell growth temperature (vs. activity at optimum temperature) can also be obtained from catalogs, etc. It can be obtained by performing a restriction reaction under the same conditions except for changing .
本タンパク質を真核生物体の細胞内において作用させるには、少なくとも、本タンパク質を細胞内に存在させる。本タンパク質は、本来的に細胞内に存在するが、至適温度の観点及び一時的な作用をコントロールする観点から、好ましくは、外部から供給する。外部から供給するのにあたり、本タンパク質は、真核生物体の細胞に直接供給してもよいし、あるいは本タンパク質をコードする遺伝子を発現可能とする発現ベクターを真核生物体の細胞に供給して形質転換してもよい。好ましくは、本タンパク質を真核生物体の細胞内で発現誘導を経て作用させる。こうすることで、意図したタイミングで、本タンパク質の作用を発現させることができる。 In order for the present protein to act within the cells of eukaryotic organisms, at least the present protein must be present within the cells. The protein is naturally present in the cell, but is preferably externally supplied from the viewpoint of optimum temperature and control of temporal action. When externally supplying the protein, the protein may be directly supplied to the eukaryotic cell, or an expression vector capable of expressing the gene encoding the protein may be supplied to the eukaryotic cell. may be transformed. Preferably, the protein is induced to act in cells of eukaryotic organisms. By doing so, the action of the present protein can be expressed at the intended timing.
真核生物体の細胞において、本タンパク質を発現させるベクターは、当業者であれば、従来公知の手法により適宜細胞の種類や形質転換手法に応じて構築することができる。本タンパク質をコードする塩基配列は、制限酵素名などに基づき、各種データベースより入手可能である。また、細胞に応じたベクターを適宜入手可能であるほか、適切なプロモーター、ターミネーター、エンハンサーなども適宜選択した、所望の発現カセットを構築することができる。なお、特に限定するものではないが、用いる真核生物体において有用な核移行シグナルを伴うことが好ましい。 A vector for expressing the present protein in a eukaryotic cell can be constructed by a person skilled in the art by conventionally known techniques depending on the cell type and transformation technique. Nucleotide sequences encoding this protein can be obtained from various databases based on the names of restriction enzymes. Moreover, a desired expression cassette can be constructed by suitably selecting a suitable promoter, terminator, enhancer, etc., in addition to appropriately obtaining a vector suitable for the cell. Although not particularly limited, it preferably accompanies a nuclear localization signal that is useful in the eukaryotic organism to be used.
例えば、植物の細胞内において、タンパク質を発現させるための発現ベクターの母体となるベクターとしては、従来公知の種々のベクターを用いることができる。例えば、プラスミド、ファージ、またはコスミド等を用いることができ、導入される植物細胞や導入方法に応じて適宜選択することができる。具体的には、例えば、pBR322、pBR325、pUC19、pUC119、pBluescript、pBluescriptSK、pBI系のベクター等を挙げることができる。特に、植物体へのベクターの導入法がアグロバクテリウムを用いる方法である場合には、pBI系のバイナリーベクターを用いることが好ましい。pBI系のバイナリーベクターとしては、具体的には、例えば、pBIG、pBIN19、pBI101、pBI121、pBI221等を挙げることができる。 For example, various conventionally known vectors can be used as a parent vector of an expression vector for expressing a protein in a plant cell. For example, a plasmid, phage, cosmid, or the like can be used, and can be appropriately selected according to the plant cell to be introduced and the method of introduction. Specific examples include pBR322, pBR325, pUC19, pUC119, pBluescript, pBluescriptSK, and pBI-based vectors. In particular, when the method of introducing the vector into the plant body is a method using Agrobacterium, it is preferable to use a pBI-based binary vector. Specific examples of pBI-based binary vectors include pBIG, pBIN19, pBI101, pBI121, and pBI221.
プロモーターは、植物体内で制限酵素遺伝子を発現させることが可能なプロモーターであれば特に限定されるものではなく、公知のプロモーターを好適に用いることができる。かかるプロモーターとしては、例えば、カリフラワーモザイクウイルス35Sプロモーター(CaMV35S)、各種アクチン遺伝子プロモーター、各種ユビキチン遺伝子プロモーター、ノパリン合成酵素遺伝子のプロモーター、タバコのPR1a遺伝子プロモーター、トマトのリブロース1,5-二リン酸カルボキシラーゼ・オキシダーゼ小サブユニット遺伝子プロモーター、ナピン遺伝子プロモーター等を挙げることができる。後述するように、例えば、シロイヌナズナのシグマ因子由来のSIG2(AtSIG2)プロモーターなどの、発現強度が35Sプロモーターよりも低いプロモーターであることも好ましい。
The promoter is not particularly limited as long as it is capable of expressing the restriction enzyme gene in plants, and known promoters can be suitably used. Such promoters include, for example, cauliflower mosaic virus 35S promoter (CaMV35S), various actin gene promoters, various ubiquitin gene promoters, nopaline synthase gene promoter, tobacco PR1a gene promoter,
発現ベクターは、適宜、プロモーター及び上記制限酵素遺伝子に加えて、さらに他のDNAセグメントを含んでいてもよい。当該他のDNAセグメントは特に限定されるものではないが、ターミネーター、選抜マーカー、エンハンサー、翻訳効率を高めるための塩基配列等を挙げることができる。また、上記組換え発現ベクターは、さらにT-DNA領域を有していてもよい。T-DNA領域は特にアグロバクテリウムを用いて上記組換え発現ベクターを植物体に導入する場合に遺伝子導入の効率を高めることができる。 The expression vector may optionally contain other DNA segments in addition to the promoter and the restriction enzyme gene. The other DNA segment is not particularly limited, but includes terminators, selection markers, enhancers, base sequences for enhancing translation efficiency, and the like. In addition, the recombinant expression vector may further have a T-DNA region. The T-DNA region can enhance the efficiency of gene transfer, particularly when Agrobacterium is used to transfer the above recombinant expression vector into a plant.
転写ターミネーターは転写終結部位としての機能を有していれば特に限定されるものではなく、公知のものであってもよい。例えば、具体的には、ノパリン合成酵素遺伝子の転写終結領域(Nosターミネーター)、カリフラワーモザイクウイルス35Sの転写終結領域(CaMV35Sターミネーター)等を好ましく用いることができる。この中でもNosターミネーターをより好ましく用いることできる。 The transcription terminator is not particularly limited as long as it functions as a transcription termination site, and may be a known one. For example, specifically, the transcription termination region (Nos terminator) of the nopaline synthase gene, the transcription termination region of cauliflower mosaic virus 35S (CaMV35S terminator), and the like can be preferably used. Among these, the Nos terminator can be used more preferably.
その他、選抜マーカー及び翻訳効率を高めるための塩基配列としては、公知の要素を適宜選択して用いることができる。発現ベクターの構築方法についても特に限定されるものではなく、適宜選択された母体となるベクターに対して、必要とする要素を適宜導入すればよい。 In addition, known elements can be appropriately selected and used as the selection marker and the nucleotide sequence for enhancing translation efficiency. The method for constructing the expression vector is not particularly limited either, and the necessary elements may be appropriately introduced into an appropriately selected parent vector.
こうした発現ベクターは、かかるタンパク質を一過的に発現させるかあるいは恒常的に発現させるように、植物細胞に導入される。タンパク質を一過的に発現させるには、例えば、PEG法、エレクトロポレーション法及びパーティクルガン法を用いて発現ベクターをプラスミド等として植物細胞内に物理的に導入する。また、恒常的に発現させるには、アグロバクテリウム法等を用いて植物ゲノムに組み込むようにする。 Such expression vectors are introduced into plant cells to permit transient or constitutive expression of such proteins. To transiently express proteins, for example, the PEG method, electroporation method, and particle gun method are used to physically introduce an expression vector as a plasmid or the like into plant cells. For constant expression, the gene is integrated into the plant genome using the Agrobacterium method or the like.
アグロバクテリウム法を用いる場合には、本タンパク質をコードする遺伝子の導入に起因する植物細胞の死滅割合を低くすることができるため、ゲノムセットの多様性を確保することができる点において、有利である。また、アグロバクテリウム法は、双子葉植物、特にシロイヌナズナに適用することが好ましい。 The use of the Agrobacterium method is advantageous in that the diversity of the genome set can be ensured because the death rate of plant cells caused by the introduction of the gene encoding the present protein can be reduced. be. Also, the Agrobacterium method is preferably applied to dicotyledonous plants, particularly Arabidopsis thaliana.
形質転換した植物細胞等から、植物体を再生する方法については、従来公知の方法を適用することができる。 Conventionally known methods can be applied to regenerate plants from transformed plant cells or the like.
また、酵母などの細胞内において、本タンパク質を発現させるには、同様に酵母に適した発現ベクターを構築し、酵母に導入すればよい。発現ベクターは、当業者であれば、公知の方法を用いて、プロモーター、ターミネーター他、適宜エンハンサーを用いて構築することができる。発現カセットを染色体導入形態に構成することもできるし、染色体外で保持される形態に構成することもできる。 In addition, in order to express the present protein in cells such as yeast, an expression vector suitable for yeast may be similarly constructed and introduced into yeast. An expression vector can be constructed by a person skilled in the art using a known method using a promoter, a terminator, and an appropriate enhancer. The expression cassette can be configured in a chromosomally integrated form or in a form that is retained extrachromosomally.
発現ベクターを構築するのにあたっては、タンパク質を発現させるタイミングを意図的に決定できる誘導的プロモーターを用いることが好ましい。また、発現強度を所望のレベルに設定するために、プロモーターやターミネーターなどの他の制御領域についても適宜設定することが好ましい。 When constructing an expression vector, it is preferable to use an inducible promoter capable of intentionally determining the timing of protein expression. Moreover, in order to set the expression intensity to a desired level, it is preferable to appropriately set other control regions such as promoters and terminators.
例えば、誘導的プロモーターは、GAL1及びGAL10などのガラクトース誘導性プロモーター、Tet-onシステム/Tet-offシステムなどのドキシサイクリンの添加による誘導/除去による誘導システムに用いるプロモーター、HSP10、HSP60、HSP90などの熱ショックタンパク質(HSP)をコードする遺伝子のプロモーター等を用いることができるが、好ましくは、銅イオンの添加で活性化するCUP1プロモーターを用いる。CUP1プロモーターを用いることで、グルコース等の炭素源を含み銅イオンを含まない培地で細胞を培養し、その後銅イオン化合物を培地に添加して培養することでDNA二本鎖切断酵素を発現誘導することができる。なお、銅イオンの添加濃度は適宜設定できるが、例えば、50μM以上300μM以下程度とすることができる。また、培養時間は、1時間~6時間程度とすることができる。さらに、発現誘導と同時にDNA二本鎖切断酵素を作用しないためには、DNA二本鎖切断酵素の作用条件に該当しない温度等(例えば、25℃以下程度、好ましくは20℃以下程度)で細胞を培養することが好ましい。CUP1プロモーターは、意図的なDNA二本鎖切断酵素の発現誘導を簡易にかつ迅速に実行できるという利点がある。 For example, inducible promoters include galactose-inducible promoters such as GAL1 and GAL10, promoters used in induction systems by addition/removal of doxycycline such as the Tet-on system/Tet-off system, heat such as HSP10, HSP60 and HSP90. A promoter of a gene encoding a shock protein (HSP) can be used, but the CUP1 promoter, which is activated by the addition of copper ions, is preferably used. By using the CUP1 promoter, cells are cultured in a medium containing a carbon source such as glucose and not containing copper ions, and then a copper ion compound is added to the medium and cultured to induce the expression of a DNA double-strand breaking enzyme. be able to. The concentration of copper ions to be added can be appropriately set, and can be, for example, about 50 μM or more and 300 μM or less. In addition, the culture time can be about 1 hour to 6 hours. Furthermore, in order not to act on the DNA double-strand cleavage enzyme at the same time as the induction of expression, the cells should be heated at a temperature that does not correspond to the action conditions of the DNA double-strand cleavage enzyme (for example, about 25°C or lower, preferably about 20°C or lower). is preferably cultured. The CUP1 promoter has the advantage of being able to intentionally induce the expression of a DNA double-strand breaking enzyme simply and quickly.
こうした発現ベクターを酵母に導入して、染色体内又は染色体外に保持するように酵母を形質転換することは、当業者であれば、従来公知の方法に基づき実施できる。 A person skilled in the art can use conventionally known methods to transform yeast so that such an expression vector is introduced into yeast and retained intrachromosomally or extrachromosomally.
なお、本再編方法においては、真核細胞体として、本タンパク質をコードする遺伝子を保持して発現可能であって、しかも、当該真核細胞体の固有の倍数性を超える所望の倍数性を有する真核細胞体を用いることができる。かかる真核細胞体を得るには、所望の倍数性を備える真核生物体候補に、本タンパク質をコードする遺伝子を導入し形質転換して所望の倍数性を備える真核生物体を得ることができる。かかる所望の倍数性を備える真核生物体候補は、固有倍数性を超える倍数性を有する真核生物体に対して人為的なゲノム増大操作を1回又は2回以上繰り返すことで得るようにしてもよい。 In this reorganization method, the gene encoding the present protein can be retained and expressed as a eukaryotic cell body, and has a desired polyploidy exceeding the specific polyploidy of the eukaryotic cell body. Eukaryotic cell bodies can be used. In order to obtain such a eukaryotic cell body, a candidate eukaryotic organism having the desired polyploidy is transformed with a gene encoding the present protein to obtain a eukaryotic organism having the desired polyploidy. can. A eukaryotic organism candidate having such a desired ploidy is obtained by repeating an artificial genome expansion operation once or twice or more for a eukaryotic organism having a ploidy exceeding the intrinsic ploidy. good too.
また、固有倍数性を有する真核生物体に、こうした遺伝子を導入して形質転換後、形質転換体に対して人為的なゲノム増大操作を1又は2回以上繰り返すことで、所望の倍数性を備える真核生物体を得ることができる。 In addition, after transformation by introducing such a gene into a eukaryotic organism having intrinsic ploidy, the desired ploidy is obtained by repeating the artificial genome expansion operation on the transformant one or more times. A eukaryotic organism can be obtained.
以上説明したように、本タンパク質をコードする遺伝子を発現可能に保持する真核生物体は、育種等のための真核生物体又は真核生物集団を作製するための育種材料でもある。したがって、本明細書の開示によれば、本再編方法に好適に用いることのできる育種材料としても有用な真核生物体及びその生産方法も提供される。 As described above, a eukaryotic organism that expressably retains a gene encoding the present protein is also a breeding material for producing a eukaryotic organism or a eukaryotic population for breeding or the like. Therefore, according to the disclosure of the present specification, a eukaryotic organism useful as a breeding material that can be suitably used in the present restructuring method and a method for producing the same are also provided.
また、例えば、特に、所望の倍数性を備える育種材料を生産するのに適した生産方法は、固有倍数性を有する倍数体である真核生物体に対して人為的なゲノム増大操作を1回又は2回以上繰り返して、所望の倍数性の真核生物体を得る工程と、前記所望の倍数性の真核生物体をDNA二本鎖切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を発現可能に形質転換する工程と、を備えることができる。また、この生産方法は、固有倍数性を有する倍数体である真核生物体をDNA二本鎖切断活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を発現可能に形質転換する工程と、形質転換された前記真核生物体に対して人為的なゲノム増大操作を1回又は2回以上繰り返して、所望の倍数性の形質転換された真核生物体を得る工程と、を備えることができる。 Also, for example, a production method particularly suitable for producing breeding material with a desired polyploidy is to subject eukaryotic organisms that are polyploids with intrinsic ploidy to a single artificial genome expansion operation. Alternatively, a step of obtaining a desired polyploid eukaryote by repeating two or more times, and transforming the desired polyploid eukaryote to express a gene encoding a protein having DNA double-strand breaking activity. and converting. In addition, this production method comprises the steps of transforming a polyploid eukaryotic organism having intrinsic polyploidy so that a gene encoding a protein having DNA double-strand breaking activity can be expressed; and B. repeating the artificial genome augmentation operation on the karyotes one or more times to obtain the desired ploidy transformed eukaryotes.
こうした真核生物体及びその生産方法における、真核生物体、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質、倍数性又は倍数体、DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質、及び当該タンパク質をコードする遺伝子の発現、人為的なゲノム増大操作等については、既に、説明した本再編方法について説明した各種実施態様を適用できる。 In such a eukaryotic organism and its production method, the eukaryotic organism, the protein having DNA double-strand breaking activity, the polyploidy or polyploidy, the protein having DNA double-strand breaking activity, and the gene encoding the protein Various embodiments of the present reorganization method already explained can be applied to expression, artificial manipulation of genome expansion, and the like.
(真核生物体の細胞内において本タンパク質を作用させる態様)
次いで、真核生物体の細胞内において本タンパク質を作用させる態様について説明する。以下の説明において、真核生物体の細胞内というときには、真核生物体の態様は特に限定するものではない。例えば、真核生物体が植物体の場合には、植物体の態様は問わないで、植物個体の一部としての細胞、組織、器官のほか、種子、幼苗、あるいはその後の成長した植物個体のほか、カルスにおける細胞内を意味している。また、真核生物体が、酵母など微生物の場合には、その細胞内で本タンパク質を作用させることを意味する。
(Embodiments in which the present protein acts in eukaryotic cells)
Next, the mode of action of the present protein in eukaryotic cells will be described. In the following description, the term "inside the cell of a eukaryotic organism" does not particularly limit the embodiment of the eukaryotic organism. For example, when the eukaryotic organism is a plant body, cells, tissues, and organs as a part of the plant body, as well as seeds, seedlings, or subsequently grown plant bodies, regardless of the form of the plant body. In addition, it means inside the cell in the callus. Moreover, when the eukaryotic organism is a microorganism such as yeast, it means that the present protein acts within the cell.
再編工程では、細胞増殖環境条件下で、真核生物体の細胞内において本タンパク質を一時的に作用させるようにする。こうすることで、本タンパク質によるDNA二本鎖切断活性の作用ともに、細胞が本来的に有するDNA修復活性を作用させることができ、しかも条件を制御してこれらのバランスを取ることができる。 The rearrangement step allows the protein to act transiently within the cells of eukaryotic organisms under cell growth environmental conditions. By doing so, the DNA double-strand breaking activity of the protein and the DNA repair activity inherent in the cell can be caused to act, and the conditions can be controlled to balance these activities.
本タンパク質を細胞内で一時的に作用させるためには、細胞に対して一時的に外部から本タンパク質を供給することもできるし、本タンパク質をコードする遺伝子を誘導性プロモーターの制御下に備える発現カセットを染色体に保持する場合には、一時的に誘導条件を付与するようにする。 In order to make the present protein act temporarily in the cell, the present protein can be temporarily supplied to the cell from the outside, or the gene encoding the present protein can be provided under the control of an inducible promoter. If the cassette is to be retained on the chromosome, the induction conditions should be temporarily applied.
例えば、本タンパク質をコードする遺伝子を発現誘導可能に保持する細胞内において、本タンパク質を細胞増殖環境条件下で一時的に作用させるには、本タンパク質を予め発現誘導しておき、その後細胞増殖環境条件下に適用してもよいが、本タンパク質を発現誘導しつつ細胞増殖環境条件下に適用してもよい。後者の方法であると、本タンパク質の発現誘導を再編工程内において実施できるため都合がよい。なお、前者の方法を採用するときには、発現誘導工程を、DNA二本鎖切断活性の作用を抑制するために、本タンパク質のDNA二本鎖切断活性の至適温度よりも十分に低い温度で行うことが好ましい。例えば、発現誘導工程は、15℃以上25℃以下程度で実施することができる。 For example, in order to allow the present protein to act temporarily under cell growth environment conditions in cells that retain a gene encoding the present protein so that the expression can be induced, expression of the present protein is previously induced, and then the expression is induced in the cell growth environment. Although it may be applied under conditions, it may be applied under cell growth environmental conditions while inducing the expression of the present protein. The latter method is convenient because the expression of the present protein can be induced during the rearrangement process. When the former method is employed, the expression induction step is performed at a temperature sufficiently lower than the optimum temperature for the DNA double-strand breaking activity of the present protein in order to suppress the action of the DNA double-strand breaking activity. is preferred. For example, the expression induction step can be performed at about 15°C or higher and 25°C or lower.
(細胞増殖環境条件)
細胞増殖環境条件とは、真核生物体の細胞が十分な増殖能を発揮する温度(細胞増殖温度)を含む条件をいう。より具体的には、真核生物体の細胞の増殖に好適な温度又は一般的に用いられる温度を少なくとも含む条件をいう。細胞増殖温度は、用いる真核生物体又はその個体によって異なりうる。例えば、Saccharomyces cerevisiaeなどの酵母の場合には、概して約20℃から約40℃である。したがって、酵母における細胞増殖温度(範囲)としては、20℃以上40℃以下とすることができる。また、例えば、用いる真核生物体が植物体あるいはその一部の器官、組織又は細胞等であるときには、これらに適用される通常の生育又は培養温度が細胞増殖温度(範囲)に相当する。
(Environmental conditions for cell growth)
Environmental conditions for cell growth refer to conditions including a temperature (cell growth temperature) at which eukaryotic cells exhibit sufficient growth potential. More specifically, it refers to conditions including at least a temperature suitable for the growth of eukaryotic cells or a temperature generally used. The cell growth temperature may vary depending on the eukaryotic organism or organisms used. For example, for yeast such as Saccharomyces cerevisiae, it is generally from about 20°C to about 40°C. Therefore, the cell growth temperature (range) in yeast can be 20°C or higher and 40°C or lower. Further, for example, when the eukaryotic organism to be used is a plant body or its partial organ, tissue, cell, or the like, the normal growth or culture temperature applied to these corresponds to the cell growth temperature (range).
再編工程での細胞増殖温度は、本タンパク質のDNA二本鎖切断活性の至適温度における活性を100%としたとき、5%以上30%以下程度となる温度であることが好ましく、より好ましくは5%以上20%以下程度となる温度であることが好ましい。こうした低い活性でも、十分に遺伝的組換えを促進できるし、また、細胞等のダメージも抑制できるからである。 The cell growth temperature in the reorganization step is preferably a temperature at which the DNA double-strand breaking activity of the present protein at the optimal temperature is 100%, and more preferably about 5% or more and 30% or less. It is preferable that the temperature be about 5% or more and 20% or less. This is because even with such low activity, genetic recombination can be sufficiently promoted, and damage to cells and the like can be suppressed.
細胞増殖温度は、本タンパク質の種類や真核生物体の種類にもよるが、概して、例えば、18℃以上45℃以下とすることができる。より好ましくは、例えば、下限が20℃以上であり、さらに好ましくは22℃以上であり、なお好ましくは25℃以上であり、一層好ましくは30℃以上であり、より一層好ましくは35℃以上である。また、例えば、好ましくは上限は45℃以下であり、より好ましくは42℃以下であり、さらに好ましくは40℃以下であり、なお好ましくは38℃以下であり、一層好ましくは37℃以下であり、一層好ましくは36℃以下である。こうした温度であると、細胞自体へのダメージを抑制できるとともに、細胞が本来的に有するDNA修復活性を発現させて、遺伝的組換え促進によるゲノム再編が許容されやすくなるからである。特に酵母などの微生物や植物体において上記細胞増殖温度が好適である。 Although the cell growth temperature depends on the type of the present protein and the type of eukaryotic organism, it can generally be, for example, 18°C or higher and 45°C or lower. More preferably, for example, the lower limit is 20°C or higher, more preferably 22°C or higher, still more preferably 25°C or higher, still more preferably 30°C or higher, and even more preferably 35°C or higher. . Further, for example, the upper limit is preferably 45° C. or lower, more preferably 42° C. or lower, still more preferably 40° C. or lower, still more preferably 38° C. or lower, and still more preferably 37° C. or lower, More preferably, it is 36° C. or lower. This is because at such a temperature, damage to the cells themselves can be suppressed, and the DNA repair activity inherent in the cells can be expressed, making it easier to tolerate genome rearrangement by promoting genetic recombination. In particular, the above cell growth temperature is suitable for microorganisms such as yeast and plants.
細胞増殖環境条件には、温度のほか、細胞が必要とする、光、ガス、水分、栄養要素など、真核生物体に応じた条件を含みうるが、これらの条件について、当業者であれば各種の公知情報に基づいて適宜設定することができる。 Environmental conditions for cell growth can include temperature as well as light, gas, moisture, nutrient requirements, etc., depending on the eukaryotic organism, and these conditions are known to those skilled in the art. It can be appropriately set based on various publicly known information.
本タンパク質を細胞内で作用させる時間は、特に限定するものではないが、DNA修復作用の発現を考慮すると、真核生物体の細胞の倍加時間を超える時間とすることが好ましい。作用時間は、本タンパク質のDNA二本鎖切断活性(至適温度や切断頻度等)や真核生物体の種類等に応じて、好適なゲノム再編や再編効率が得られるように適宜設定される。概して、例えば、通常1時間又は1時間を超えるものであり、好ましくは2時間以上であり、より好ましくは3時間以上、さらに好ましくは4時間以上、なお好ましくは6時間以上、一層好ましくは8時間以上、より一層好ましくは10時間以上である。また、12時間以上であってもよいし、18時間以上であってもよいし、24時間以上、48時間以上、60時間以上又は72時間以上であってもよい。また、作用時間の上限は特に限定するものではないが、168時間程度以下とすることができ、144時間以下、120時間以下、96時間以下、72時間以下であってもよい。 The time for which the present protein is allowed to act in the cell is not particularly limited, but considering the expression of the DNA repair action, it is preferably longer than the doubling time of eukaryotic cells. The action time is appropriately set so that suitable genome rearrangement and rearrangement efficiency can be obtained according to the DNA double-strand breaking activity (optimal temperature, breaking frequency, etc.) of the present protein and the type of eukaryotic organism. . Generally, for example, usually 1 hour or more than 1 hour, preferably 2 hours or more, more preferably 3 hours or more, even more preferably 4 hours or more, still more preferably 6 hours or more, and even more preferably 8 hours. Above, more preferably 10 hours or more. Also, it may be 12 hours or more, 18 hours or more, 24 hours or more, 48 hours or more, 60 hours or more, or 72 hours or more. Although the upper limit of the action time is not particularly limited, it can be about 168 hours or less, and may be 144 hours or less, 120 hours or less, 96 hours or less, or 72 hours or less.
再編工程は、細胞内において本タンパク質を一時的に作用させるものであればよく、一時的な作用の態様は特に限定するものではない。例えば、再編工程の当初にのみ誘導性プロモーターに対して誘導を行い、誘導物質の枯渇を放置しておいてもよいし、誘導物質を補充等するなどして連続的に誘導してもよいし、不連続的に複数回誘導を行ってもよい。 The reorganization step is not particularly limited as long as it causes the present protein to act temporarily in the cell, and the form of the temporary action is not particularly limited. For example, the inducible promoter may be induced only at the beginning of the restructuring process and left to deplete the inducer, or the inducer may be continuously induced by supplementing the inducer. , multiple inductions may be performed discontinuously.
例えば、上述のTaqIに関しては、親真核生物体の種類や時期にもよるが、TaqIを発現した細胞を、好ましくは20℃以上45℃以下、より好ましくは25℃以上42℃以下、さらに好ましくは30℃以上42℃以下、なお好ましくは30℃以上40℃以下、一層好ましくは35℃以上40℃以下、より一層好ましくは37℃程度の温度条件で培養ないし生育させることができる。作用時間は、好ましくは2時間以上、より好ましくは4時間以上、さらに好ましくは5時間以上、なお好ましくは6時間以上、一層好ましくは12時間以上、より一層好ましくは24時間以上、さらに一層好ましくは36時間以上、なお一層好ましくは48時間以上、さらにまた好ましくは60時間以上、さらに一層好ましくは72時間以上生育又は培養する。特に酵母などの微生物や植物体においてこうした条件が好適である。 For example, with respect to TaqI described above, although it depends on the type and timing of the parent eukaryotic organism, the cells expressing TaqI are preferably heated at 20° C. or higher and 45° C. or lower, more preferably at 25° C. or higher and 42° C. or lower, even more preferably at can be cultured or grown at a temperature of 30°C or higher and 42°C or lower, more preferably 30°C or higher and 40°C or lower, more preferably 35°C or higher and 40°C or lower, still more preferably about 37°C. The duration of action is preferably 2 hours or longer, more preferably 4 hours or longer, still more preferably 5 hours or longer, still more preferably 6 hours or longer, still more preferably 12 hours or longer, still more preferably 24 hours or longer, and even more preferably Growing or culturing for 36 hours or more, even more preferably 48 hours or more, even more preferably 60 hours or more, even more preferably 72 hours or more. Such conditions are particularly suitable for microorganisms such as yeast and plants.
本タンパク質を真核生物体の細胞内で作用させる再編工程は、例えば、植物においては、本タンパク質を発現可能に形質転換した植物である真核生物体から収穫した播種前の種子、播種後から発芽までの間、発芽後の幼苗、より成長した植物体に対して一定期間実施する。また、例えば、酵母においては、本タンパク質を発現可能に形質転換した酵母に対して、一定期間、本タンパク質を発現させて実施する。 The restructuring step in which the present protein acts in the cells of eukaryotic organisms includes, for example, in plants, seeds before sowing harvested from eukaryotic organisms that are transformed plants capable of expressing the present protein, and seeds after sowing. Until germination, it is carried out for a certain period of time for seedlings after germination and more grown plants. In addition, for example, in yeast, the present protein is expressed for a certain period of time in yeast that has been transformed so that the present protein can be expressed.
こうした再編工程は、好ましくは、真核生物体が植物の場合には、種子又は幼苗である。多検体処理が容易であって再編されたゲノムセットを有する真核生物体の集団を得るのに好都合であるからである。また、酵母のなど場合には、体細胞分裂期など、出芽が活発に行われている周期(すなわち、真核生物体の倍数性が維持されている周期)であることもが好ましい。 Such rearrangement steps are preferably seeds or seedlings when the eukaryotic organism is a plant. This is because it facilitates processing of multiple specimens and is convenient for obtaining a population of eukaryotic organisms having a rearranged genome set. Also, in the case of yeast, it is also preferable to use a cycle in which budding is actively performed (that is, a cycle in which the polyploidy of the eukaryotic organism is maintained), such as the somatic cell division period.
再編工程は、例えば、真核生物体が植物であるとき、種子、幼苗、成長した植物などを、37℃の温度条件下で24時間生育し、その後、より低い温度の生育条件(例えば、シロイヌナズナの場合、20℃~25℃程度)に戻すようすることができる。 For example, when the eukaryotic organism is a plant, the reorganization step is performed by growing seeds, seedlings, grown plants, etc. under a temperature condition of 37 ° C. for 24 hours, and then growing under lower temperature conditions (for example, Arabidopsis thaliana , the temperature can be returned to about 20° C. to 25° C.).
また、真核生物体が酵母であるときの再編工程は、酵母の培養条件を37℃、24時間維持してその後、通常の培養温度(おおよそ25℃~30℃程度)に戻すような態様が挙げられる。 In addition, in the reorganization step when the eukaryotic organism is yeast, the yeast culture conditions are maintained at 37° C. for 24 hours, and then returned to the normal culture temperature (approximately 25° C. to 30° C.). mentioned.
なお、こうした本タンパク質を作用させる温度や時間などの作用条件は、当業者であれば、本タンパク質の発現状況、真核生物体の生育(増殖)状況、ゲノム再編効率の評価(レポーター遺伝子を用いた評価や倍数性ヒストグラムによる評価)等を用いて、用いる本タンパク質、真核生物体や意図するゲノム再編効率を考慮して適宜決定することができる。 In addition, action conditions such as temperature and time for the action of the present protein can be determined by those skilled in the art, such as the expression state of the present protein, the growth (proliferation) state of eukaryotic organisms, and the evaluation of genome rearrangement efficiency (using a reporter gene). It can be determined as appropriate by considering the present protein to be used, the eukaryotic organism, and the intended efficiency of genome rearrangement, using the evaluation by quantification, evaluation by ploidy histogram, or the like.
再編工程は、適宜終了させることができる。再編工程の終了は、本タンパク質の作用を意図的に停止させるか、あるいは本タンパク質の発現誘導されない状態とすること等で終了させることができる。例えば、本タンパク質をコードする遺伝子の発現を制御する誘導性プロモーターの誘導因子を除去すればよい。 The restructuring process can be terminated as appropriate. The rearrangement process can be terminated by intentionally stopping the action of the present protein or by making the state in which the expression of the present protein is not induced. For example, an inducer of an inducible promoter controlling expression of the gene encoding the present protein may be removed.
再編工程を実施することで、本タンパク質のDNA二本鎖切断活性が作用して、細胞内の染色体DNAが切断されるとともに、細胞本来のDNA修復活性も作用して、細胞や遺伝子へのダメージが抑制又は回避されつつ、染色体内における遺伝的組換えや染色体間における遺伝的組換えが促進される。この結果、真核生物体が細胞本来の固有の倍数性を備えていても、細胞や遺伝子へのダメージが抑制されて、大規模な(多様な)ゲノム再編が増殖可能な細胞内において許容されることとなる。それにより、飛躍的にゲノム再編効率を向上させることができる。さらに、大規模なゲノム再編が許容される結果、多様なゲノムセットを保持する増殖可能な細胞集団(ライブラリ)を得ることができ、結果として多様な形質を備え、選択圧にも十分対応できるなど集積培養等による育種に有利な細胞集団を取得できる。こうした効果は、従来の高温かつ短時間という作用条件からは全く予想できなかったことである。 By carrying out the reorganization step, the DNA double-strand breaking activity of this protein acts to break the chromosomal DNA in the cell, and the DNA repair activity inherent in the cell also acts to cause damage to the cell or gene. is suppressed or avoided, genetic recombination within chromosomes and between chromosomes is promoted. As a result, even if eukaryotic organisms have the intrinsic polyploidy of cells, damage to cells and genes is suppressed, and large-scale (diverse) genome rearrangements are tolerated within proliferative cells. The Rukoto. As a result, genome rearrangement efficiency can be dramatically improved. In addition, as a result of allowing large-scale genome rearrangement, it is possible to obtain a proliferative cell population (library) that retains a diverse genome set, resulting in diverse traits and sufficient resistance to selective pressure. A cell population that is advantageous for breeding by enrichment culture or the like can be obtained. Such an effect could not have been expected from the conventional operating conditions of high temperature and short time.
また、細胞増殖環境条件下で本タンパク質を細胞内で作用させることで、細胞のDNA修復活性を作用させることができるため、本タンパク質のDNA二本鎖切断活性(至適温度や認識配列等)、作用温度や作用時間を制御して、ゲノム再編レベルやゲノム再編効率を自在に制御することができる。こうした効果も、従来の高温かつ短時間という作用条件からは全く予想できなかったことである。 In addition, the DNA double-strand breaking activity of this protein (optimal temperature, recognition sequence, etc.) can be activated because the DNA repair activity of the cell can be activated by allowing this protein to act in cells under cell growth environmental conditions. , it is possible to freely control the genome rearrangement level and genome rearrangement efficiency by controlling the action temperature and action time. Such an effect could not have been expected from the conventional working conditions of high temperature and short time.
また、本再編方法によれば、DNA二本鎖切断活性とDNA修復活性とのバランスを制御できるため、種々の認識部位(長さ、配列の特徴など)や至適温度を有する制限酵素などの本タンパク質を用いることができるようになり、1種類の制限酵素のみならず、2種類以上の制限酵素を組み合わせて用いた再編工程や、異なる認識特性や異なる至適温度等を有する制限酵素を用いた複数回の再編工程を組み合わせることができる。すなわち、本再編方法によれば、用いることのできる制限酵素等の本タンパク質の多様性も拡大できるという点からも、多様性に富むゲノムセットを有する細胞を取得できるようになる。 In addition, according to this restructuring method, the balance between DNA double-strand breaking activity and DNA repair activity can be controlled. It became possible to use this protein, and not only one type of restriction enzyme, but also a restructuring process using a combination of two or more types of restriction enzymes, and restriction enzymes with different recognition characteristics, different optimum temperatures, etc. Multiple restructuring steps can be combined. That is, according to this reorganization method, the diversity of usable restriction enzymes and other proteins of the present invention can also be expanded, so that it becomes possible to obtain cells having a highly diverse genome set.
さらに、本再編方法において、真核生物体としてホモタリズム性酵母を用いるとき、ホモタリズム性酵母に第1の再編工程を実施後に、再編されたゲノムセットを有する前記ホモタリズム性酵母に第1の形質の選択圧下で選抜する胞子育種を含む選抜工程を実施し、さらに、選抜された前記ホモタリズム性酵母について第2の再編工程を実施することもできる。ホモタリズム性酵母のライブラリに対して胞子育種を含む選抜工程を実施することで、遺伝子組換えの正の影響が増強され、負の影響が除去されたホモタリズム性酵母が得ることができる。こうしたホモタリズム性酵母に対して第2の再編工程を実施することで、より優れた遺伝的構成のゲノムセットを備える酵母ライブラリを得ることができる。 Furthermore, in the present restructuring method, when homothalmic yeast is used as the eukaryotic organism, after performing the first restructuring step on the homothalmic yeast, the homothalmic yeast having the rearranged genome set is selected for the first trait. A selection step comprising spore breeding with selection under pressure may be carried out, and a second rearrangement step may also be carried out on said selected homothalmic yeast. By performing a selection process involving spore breeding on a library of homothalmic yeasts, it is possible to obtain homothalmic yeasts in which the positive effects of genetic modification are enhanced and the negative effects are eliminated. By performing a second rearrangement step on these homothalmic yeasts, a yeast library with a genome set of better genetic makeup can be obtained.
再編工程によれば、再編工程に供された各真核生物体において、遺伝的組換えが生じ、その遺伝子組換えによって再編されたゲノムセットが保持される。その結果、再編されたゲノムセットを備える真核生物体の集団を得ることができる。この真核生物体の集団の個々の真核生物体は、もとの真核生物体の集団において生じた遺伝的組換えによって生じた種々の「再編されたゲノムセット」を備えている。再編工程を経た真核生物体のゲノムセット組成は、DNA二本鎖切断活性とDNA修復活性の作用により、従来の手法に比べて、多様性に富むものとなっている。 According to the rearrangement process, genetic recombination occurs in each eukaryotic organism subjected to the rearrangement process, and the genome set rearranged by the genetic recombination is maintained. As a result, a population of eukaryotic organisms comprising the rearranged genome set can be obtained. The individual eukaryotic organisms of this population of eukaryotic organisms comprise different "rearranged genome sets" resulting from the genetic recombination that occurred in the original population of eukaryotic organisms. The genome set composition of eukaryotic organisms that have undergone the rearrangement process is rich in diversity compared to conventional methods due to the action of DNA double-strand break activity and DNA repair activity.
例えば、本再編方法によって得られた、新たに構築された真核生物体集団を構成する真核生物体のゲノムセットは、遺伝的組換えの結果、染色体異数性を有しているか又は増大する傾向がある。また、かかる真核生物体のゲノムセットは、遺伝的組換えの結果、染色体の一部に欠失及び/又は重複を備える傾向がある。さらに、かかる真核生物体のゲノムセットは、遺伝的組換えの結果、ゲノムセットの一部の領域が脱落するなどして低下したゲノムサイズを有する傾向や、ゲノムセットの一部が重複するなどして増大したサイズを有する傾向がある。また、こうした真核生物体のゲノムセットにおいては、1又は2以上の突然変異を備えている傾向がある。さらに、こうした真核生物体のゲノムセットにおいては、染色体間の遺伝的組換えを備えている傾向がある。 For example, a genome set of a eukaryotic organism that constitutes a newly constructed eukaryotic organism population obtained by the present reorganization method has or has increased chromosomal aneuploidy as a result of genetic recombination. tend to Also, the genome set of such eukaryotic organisms is prone to having deletions and/or duplications in portions of the chromosomes as a result of genetic recombination. Furthermore, the genome set of such eukaryotic organisms tends to have a reduced genome size due to the loss of some regions of the genome set as a result of genetic recombination, or part of the genome set overlaps. tend to have an increased size over time. Also, genome sets of such eukaryotic organisms tend to have one or more mutations. Moreover, the genome sets of such eukaryotic organisms tend to have interchromosomal genetic recombination.
以上説明したように、本再編方法によれば、高いゲノム再編効率が実現されることで、多様性に優れたゲノムセットを備える真核生物体の細胞集団を得ることができる。そして、こうした細胞集団は、集積培養等などのスクリーニングにおいても、適応性に優れており、効率的な育種が可能となっている。 As described above, according to the present reorganization method, a high efficiency of genome reorganization is realized, so that a eukaryotic cell population having a highly diverse genome set can be obtained. Such cell populations have excellent adaptability in screening such as enrichment culture, and efficient breeding is possible.
なお、本再編方法は、前記真核生物体集団から選抜した1又は2以上の真核生物体を真核生物体として、さらに再編工程を実施するなど、再編工程と選抜工程とを繰り返して実施することもできる。 In this reorganization method, one or more eukaryotes selected from the eukaryote population are used as eukaryotes, and the reorganization step and the selection step are repeated, such as further performing the reorganization step. You can also
以上のことから、本再編方法は、上記再編工程を備える、再編されたゲノムセットを備える真核生物体の集団の生産方法としても実施できる。 In view of the above, the present rearrangement method can also be implemented as a method for producing a population of eukaryotic organisms comprising a rearranged genome set, which includes the rearrangement step.
(再編されたゲノムセットを有する真核生物体の生産方法)
本明細書に開示される再編されたゲノムセットを有する真核生物体の生産方法は、上記した1又は2以上の再編工程と、再編されたゲノムセットを保持する前記真核生物体の集団から、任意の指標に基づいて意図する真核生物体を選抜する1又は2以上の工程と、を備えることができる。本方法によれば、多様性に優れる真核生物体の集団から意図した1又は2以上の真核生物体又はその集団を選抜するため、効率的に意図した真核生物体を得ることができる。また、本方法によれば、選抜した真核生物体を利用して効率的な育種が可能である。したがって、本生産方法は、植物体や酵母などの真核生物体の育種方法としても実施することができる。なお、有用な植物や酵母などが得られた後のさらに後代の育種については、従来公知の育種技術を適用することができる。
(Method for producing a eukaryotic organism having a rearranged genome set)
A method for producing a eukaryotic organism having a rearranged genome set disclosed herein comprises: one or more of the above-described rearrangement steps; , and one or more steps of selecting the intended eukaryotic organism based on any indicator. According to this method, one or more intended eukaryotic organisms or a group thereof are selected from a population of highly diverse eukaryotic organisms, so the intended eukaryotic organisms can be efficiently obtained. . Moreover, according to this method, efficient breeding is possible using the selected eukaryotic organisms. Therefore, this production method can also be implemented as a method for breeding eukaryotes such as plants and yeast. In addition, conventionally known breeding techniques can be applied to the breeding of further progeny after obtaining useful plants, yeast, and the like.
本方法における再編工程は、既に説明した本再編方法における再編工程の各種実施態様をそのまま適用することができる。また、本方法においては、再編工程と選抜工程とを繰り返し実施してもよい。すなわち、選抜された1又は2以上の真核生物体又はその集団を真核生物体として再編工程と選抜工程を実施してもよい。 For the restructuring step in this method, various embodiments of the restructuring step in the restructuring method already described can be applied as they are. In addition, in this method, the reorganization step and the selection step may be repeated. That is, the reorganization step and the selection step may be performed using one or more selected eukaryotic organisms or a population thereof as eukaryotic organisms.
また、本生産方法によれば、再編工程によってゲノム再編して得られた一次ライブラリに対して第1の形質の選択圧をかけて選抜工程を行って、有用な真核生物体の細胞(集団)を得ることができる。そして、こうした細胞(集団)に対して、さらにゲノム再編を行って得られた二次ライブラリに対して第2の形質の選択圧をかけて選抜することができる。異なる形質を相加的に備える細胞(集団)を効率的に得ることができる。 In addition, according to this production method, the primary library obtained by genome rearrangement in the rearrangement process is subjected to the selection process by applying the selective pressure of the first trait to obtain useful eukaryotic cells (populations). ) can be obtained. Then, a secondary library obtained by further performing genome rearrangement on such cells (population) can be selected by applying selective pressure of a second trait. It is possible to efficiently obtain cells (populations) that are additionally provided with different traits.
また、真核生物体としてのホモタリズム性酵母に本生産方法を適用する場合、選抜工程として胞子育種を実施することが好ましい。すなわち、選抜工程において、胞子を形成する過程を経ることで、再編工程で導入されたヘテロな変異がホモ化される。ホモ化された酵母集団から集積培養などの選抜工程を経ることで、負の遺伝的組換えを除去するとともに、正の遺伝的組換えを倍加することができ、より優れた遺伝的構成のゲノムセットを備える酵母を取得することができる。 In addition, when the present production method is applied to a homothalmic yeast as a eukaryotic organism, it is preferable to carry out spore breeding as a selection step. That is, in the selection process, through the process of forming spores, the heterozygous mutation introduced in the rearrangement process is homogenized. By going through a selection process such as enrichment culture from a homogenized yeast population, negative genetic recombination can be eliminated and positive genetic recombination can be doubled, resulting in a genome with a better genetic composition. Yeast with a set can be obtained.
本明細書において、ホモタリズム性酵母とは、本来的に活性のあるHO遺伝子を有する野生型ホモタリズム性酵母のほか、ヘテロタリズム性酵母であって、HO遺伝子を外部から導入して形質転換によりホモタリズム化した酵母も含むものである。 As used herein, homothalismic yeast refers to not only wild-type homothallism yeast having an intrinsically active HO gene, but also heterothalism yeast, which is transformed into homothalism by introducing the HO gene from the outside. Yeast is also included.
以下、本明細書の開示を具現化した実施例について説明する。なお、以下の実施例は、本開示を説明するものであってその範囲を限定するものではない。 Examples embodying the disclosure of the present specification are described below. It should be noted that the following examples are intended to illustrate the present disclosure and not to limit its scope.
(TaqI遺伝子酵母発現用ベクターの作製)
TaqI遺伝子酵母発現用ベクターとして、図1に示すように、ガラクトース誘導型プロモーター(pGAL1)の下流に酵母コドンに最適化したTaqI遺伝子(TtTaqI opt)、Saccharomyces cerevisiae由来DIT1タンパク質の3’UTR(tDIT1)を配置したpORF-pGAL1-TtTaqI-tDIT1(AUR)を用いた。
(Preparation of TaqI gene yeast expression vector)
As a TaqI gene yeast expression vector, as shown in FIG. 1, a TaqI gene (TtTaqI opt) optimized for yeast codons downstream of a galactose-inducible promoter (pGAL1), 3'UTR (tDIT1) of DIT1 protein derived from Saccharomyces cerevisiae pORF-pGAL1-TtTaqI-tDIT1(AUR) was used.
(ゲノム再編評価酵母の作製)
図2に示すように、ゲノム再編効率を評価するGF-FPレポーター遺伝子は、緑色蛍光蛋白質(GFP)のN末端側約600 bpとC末端側600 bpで抗生物質Nourseothricin耐性マーカー(nat1)を挟むようにデザインされている。このカセットを用いることで、TaqIによる二本鎖DNA切断により、GF-FP間で相同組換えが起こり、完全長のGFP遺伝子が再構築された場合、酵母が緑色蛍光を発するため、フローサイトメーター等を用いる事でゲノム再編を検出することが出来る(図3参照)。
(Generation of genome rearrangement evaluation yeast)
As shown in Fig. 2, the GF-FP reporter gene for evaluating genome rearrangement efficiency is flanked by an antibiotic Nourseothricin resistance marker (nat1) between approximately 600 bp on the N-terminal side and 600 bp on the C-terminal side of green fluorescent protein (GFP). is designed to By using this cassette, when the double-stranded DNA cleavage by TaqI causes homologous recombination between GF-FP and the full-length GFP gene is reconstructed, the yeast emits green fluorescence. Genome rearrangement can be detected by using, etc. (see FIG. 3).
S. cerevisiae BY4741株とBY4742株のADH3遺伝子上流領域(転写開始点より上流3000 bp~2000 bp)にGF-FPレポーター遺伝子を導入した株をそれぞれ、BY4741+GFP株、BY4742+GFP株とした。また、それぞれの株のleu2遺伝子、his3遺伝子をS. cerevisiae S288C由来LEU2遺伝子、HIS3遺伝子で相補したBY4741+GFP(LEU)株、BY4741+GFP(HIS)株、およびBY4742+GFP(LEU)株、BY4742+GFP(HIS)株を作製した。 S. cerevisiae BY4741 and BY4742 strains, in which the GF-FP reporter gene was introduced into the ADH3 gene upstream region (3000 bp to 2000 bp upstream from the transcription initiation site), were designated BY4741+GFP strain and BY4742+GFP strain, respectively. In addition, BY4741 + GFP (LEU) strain, BY4741 + GFP (HIS) strain, and BY4742 + GFP (LEU) strain in which the leu2 gene and his3 gene of each strain were complemented with S. cerevisiae S288C-derived LEU2 gene and HIS3 gene, A BY4742+GFP(HIS) strain was generated.
(TaqIの発現誘導条件の検討)
実施例1で作製したTaqI遺伝子酵母発現用ベクター、pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR)を実施例2で作製したBY4741+GFP(HIS)株へ形質転換した(BY4741+GFP(HIS)+TaqI)。グルコースを糖源とするYPD培地(10 g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、20 g/L Glucose)+0.5 mg/L オーレオバシジンA(AbA)を用いて、30℃で終夜培養後、ガラクトースを糖源とするYPG(10 g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、20 g/L Galactose)+0.5 mg/L AbA培地に培地交換し、20、22.5、25、27.5、30℃で終夜培養することで、TaqIの発現誘導を行った。各温度でのTaqI発現量を測定するために、菌体量を揃えてSDS-PAGEを行い、抗TaqI抗体を用いて、ウエスタンブロッティングを行った。結果を図4に示す。
(Examination of TaqI expression induction conditions)
The TaqI gene yeast expression vector pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1 (AUR) prepared in Example 1 was transformed into the BY4741 + GFP (HIS) strain prepared in Example 2 (BY4741 + GFP (HIS) + TaqI). . Culture overnight at 30°C using YPD medium (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 20 g/L Glucose) with glucose as sugar source + 0.5 mg/L Aureobasidin A (AbA). After that, the medium was changed to YPG (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 20 g/L Galactose) with galactose as a sugar source + 0.5 mg/L AbA medium. TaqI expression was induced by overnight culture at 30°C. In order to measure the TaqI expression level at each temperature, SDS-PAGE was performed with the same amount of cells, and Western blotting was performed using an anti-TaqI antibody. The results are shown in FIG.
図4に示すように、20℃で発現誘導した場合が最もTaqIの発現量が高い事が分かった。また、生菌率を比較した結果、温度が高くなるにつれ生菌率が減少しており、30℃においてもTaqIが活性化され、ゲノム切断による細胞死が生じていることが分かった。 As shown in Fig. 4, it was found that the expression level of TaqI was highest when the expression was induced at 20°C. In addition, as a result of comparing the viable cell rate, it was found that the viable cell rate decreased as the temperature increased, and TaqI was activated even at 30°C, causing cell death due to genome cleavage.
(高温かつ短時間の熱処理によるゲノム再編効率の評価)
BY4741+GFP(HIS)+TaqI株を用いて、実施例3と同様に20℃でTaqIの発現誘導を行った。42℃で30分間、または60分間熱処理する事で、一過的にTaqIの活性化を促した後、フローサイトメーターで1×105細胞中のGFP蛍光を持つ細胞の割合を測定することでゲノム再編効率を算出した。結果を図5Aに示す。その結果、ゲノム再編効率は0.03~0.04%だった。一方、図5Bに示すように、熱処理後にYPD培地に培地交換し、回復培養を18時間行った場合、ゲノム再編効率は0.06~0.07%に上昇した。
(Evaluation of genome rearrangement efficiency by high-temperature and short-time heat treatment)
Expression of TaqI was induced at 20° C. in the same manner as in Example 3 using the BY4741+GFP(HIS)+TaqI strain. After heat treatment at 42°C for 30 or 60 minutes to transiently promote TaqI activation, the percentage of cells with GFP fluorescence among 1 x 10 5 cells was measured using a flow cytometer. Genome rearrangement efficiency was calculated. The results are shown in FIG. 5A. As a result, the genome rearrangement efficiency was 0.03-0.04%. On the other hand, as shown in FIG. 5B, the genome rearrangement efficiency increased to 0.06-0.07% when the medium was replaced with YPD medium after heat treatment and recovery culture was performed for 18 hours.
(細胞増殖温度における処理によるゲノム再編効率の評価)
BY4741+GFP(HIS)+TaqI株を用いて、実施例3と同様にYPG+0.5 mg/L AbA培地に培地交換した後、20、25、30、35℃でTaqIを発現誘導しながら、穏やかにTaqIの活性化を行った。5、23、46時間後に酵母を回収し、実施例4と同様にフローサイトメーターでゲノム再編効率を測定した。結果を図6に示す。
(Evaluation of genome rearrangement efficiency by treatment at cell growth temperature)
Using BY4741 + GFP (HIS) + TaqI strain, after changing the medium to YPG + 0.5 mg / L AbA medium in the same manner as in Example 3, gently while inducing TaqI expression at 20, 25, 30, 35 ° C. Activation of TaqI was performed. After 5, 23, and 46 hours, the yeast was collected, and the efficiency of genome rearrangement was measured using a flow cytometer in the same manner as in Example 4. The results are shown in FIG.
図6に示すように、その結果、どの温度においても時間経過とともにゲノム再編効率が上昇した。特に30℃以上では、ゲノム再編効率が著しく上昇し、高温かつ短時間の熱処理の約10~20倍に達した。 As a result, as shown in FIG. 6, the efficiency of genome rearrangement increased over time at any temperature. In particular, at 30°C or higher, the genome rearrangement efficiency increased significantly, reaching about 10-20 times higher than that of high-temperature, short-time heat treatment.
(2倍数体酵母および4倍体酵母の作製)
BY4741+GFP(LEU)株とBY4742+GFP(LEU)株、BY4741+GFP(HIS)株とBY4742+GFP(HIS)株を定法に従いそれぞれ接合し、SD-Met-Lys寒天プレートで30℃、5日間培養した。生育したコロニーをシングル化後、フローサイトメーターでゲノムDNA量を測定し、2倍体であることを確認した株をBY4743+GFP(LEU)株、BY4743+GFP(HIS)株とした。
(Generation of diploid and tetraploid yeast)
BY4741 + GFP (LEU) strain and BY4742 + GFP (LEU) strain, BY4741 + GFP (HIS) strain and BY4742 + GFP (HIS) strain were joined according to a standard method, and cultured on an SD-Met-Lys agar plate at 30°C for 5 days. After the grown colonies were singled, the amount of genomic DNA was measured with a flow cytometer, and strains confirmed to be diploid were designated BY4743+GFP(LEU) strain and BY4743+GFP(HIS) strain.
BY4743+GFP(LEU)株とBY4743+GFP(HIS)株を細胞融合し、4倍体酵母を作製した。細胞融合はプロトプラスト-PEG法を用いて行った。SD-Leu-His寒天プレートで生育したコロニーを細胞融合候補株とした。生育したコロニーをシングル化後、フローサイトメーターでゲノムDNA量を測定し、4倍体であることを確認した株をBY4744+GFP(LH)株とした。 BY4743+GFP(LEU) strain and BY4743+GFP(HIS) strain were fused to produce tetraploid yeast. Cell fusion was performed using the protoplast-PEG method. Colonies grown on SD-Leu-His agar plates were used as cell fusion candidate strains. After the grown colonies were singled, the amount of genomic DNA was measured with a flow cytometer, and the strain confirmed to be tetraploid was designated as the BY4744+GFP(LH) strain.
(細胞増殖温度の処理による倍加酵母を用いたゲノム再編効率の測定)
実施例1で作製したTaqI遺伝子酵母発現用ベクター、pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR)を実施例2、6で作製した各倍加酵母へ形質転換した。形質転換体を用いて、実施例3と同様にYPG+0.5 mg/L AbA培地に培地交換した後、35℃でTaqIを発現誘導しながら、細胞増殖温度でTaqIの活性化を行った。22時間後に酵母を回収し、実施例4と同様にフローサイトメーターでゲノム再編効率を測定した。結果を図7に示す。
(Measurement of genome rearrangement efficiency using doubled yeast by treatment of cell growth temperature)
The TaqI gene yeast expression vector pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1 (AUR) prepared in Example 1 was transformed into each doubled yeast prepared in Examples 2 and 6. Using the transformants, the medium was changed to YPG+0.5 mg/L AbA medium in the same manner as in Example 3, and TaqI was activated at the cell growth temperature while TaqI expression was induced at 35°C. After 22 hours, the yeast was collected, and the efficiency of genome rearrangement was measured using a flow cytometer in the same manner as in Example 4. The results are shown in FIG.
図7に示すように、1倍体酵母のゲノム再編効率が0.5~0.75%だったのに対し、2倍体酵母では1.0%、4倍体酵母では2.5%と増加し、ゲノムの倍加がゲノム再編効率を向上させることが示された。 As shown in Fig. 7, the genome rearrangement efficiency of haploid yeast was 0.5-0.75%, whereas it increased to 1.0% in diploid yeast and 2.5% in tetraploid yeast. It has been shown to improve restructuring efficiency.
(細胞増殖温度の処理による倍加酵母のゲノム再編による倍数性の変化)
実施例7と同様に、各倍加酵母を用いて35℃でTaqIを発現誘導しながら、細胞増殖温度でTaqIの活性化を行った。0、16、46時間後に酵母を回収し、70%エタノールで固定後、DAPI染色によりゲノムDNAを蛍光染色した。蛍光染色した各倍加酵母を用いてフローサイトメーターで核相解析を行った。結果を図8に示す。図8に示すように、倍加酵母では、倍数性が増加または減少した個体の出現頻度の上昇が認められた。
(Ploidy change due to genome rearrangement of doubled yeast by treatment of cell growth temperature)
As in Example 7, each doubled yeast was used to induce TaqI expression at 35° C., and TaqI was activated at the cell growth temperature. After 0, 16, and 46 hours, the yeast was recovered, fixed with 70% ethanol, and the genomic DNA was fluorescently stained by DAPI staining. Nuclear phase analysis was performed with a flow cytometer using each doubling yeast that was fluorescently stained. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, in doubled yeast, an increased frequency of individuals with increased or decreased ploidy was observed.
(染色体間でのゲノム再編評価酵母の作製)
実施例2で作製したpRS436(NAT)のGF-nat1領域をPCRで増幅した後、オーバーラッピングPCRを用いて両末端にδ配列を付加した。増幅したPCR産物でBY4741株を形質転換し、δインテグレーション法によりゲノムの複数個所にGF-nat1をランダム導入した酵母ライブラリーを作製した。同様に、nat1-FP領域をBY4742株にδインテグレーションした酵母ライブラリーを作製し、両ライブラリーをランダム接合することで染色体間でのゲノム再編評価酵母ライブラリーを作製した(図9A)。図9Bに示すように、この評価系では染色体間のGF、FP領域で相同組換えが生じ、完全長のGFP遺伝子が再構成された場合に酵母が緑色蛍光を発するため、フローサイトメーター等を用いる事でゲノム再編を検出することが出来る。
(Generation of yeast for evaluation of genome rearrangement between chromosomes)
After amplifying the GF-nat1 region of pRS436 (NAT) prepared in Example 2 by PCR, δ sequences were added to both ends using overlapping PCR. The BY4741 strain was transformed with the amplified PCR product, and a yeast library was constructed in which GF-nat1 was randomly introduced at multiple sites in the genome by the delta integration method. Similarly, a yeast library was prepared by delta-integrating the nat1-FP region into the BY4742 strain, and the two libraries were randomly spliced to prepare a yeast library for assessing genome rearrangement between chromosomes (Fig. 9A). As shown in FIG. 9B, in this evaluation system, homologous recombination occurs in the interchromosomal GF and FP regions, and yeast emits green fluorescence when the full-length GFP gene is reconstituted. Genome rearrangement can be detected by using it.
作製した染色体間ゲノム再編評価酵母ライブラリーをpORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR)で形質転換した(+Taq)。また、コントロールとしてpORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1からTaqI遺伝子を欠失させたベクターで、染色体間ゲノム再編評価酵母ライブラリーを形質転換した(-Taq)。作製した染色体間ゲノム再編評価酵母ライブラリーを用いて、実施例7と同様に35℃でTaqIを発現誘導しながら、TaqIの活性化を行った。0、24、48、72時間後に酵母を回収し、フローサイトメーターで1×106細胞中のGFP蛍光を持つ細胞の割合を計算することでゲノム再編効率を算出した。結果を図9Cに示す。 The prepared interchromosomal genomic rearrangement evaluation yeast library was transformed with pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1 (AUR) (+Taq). As a control, a yeast library for evaluating interchromosomal genome rearrangement was transformed with a vector in which the TaqI gene was deleted from pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1 (-Taq). Using the prepared interchromosomal genome rearrangement evaluation yeast library, TaqI was activated at 35° C. in the same manner as in Example 7 while TaqI expression was induced. After 0, 24, 48 and 72 hours, the yeast was harvested and the genome rearrangement efficiency was calculated by calculating the ratio of cells with GFP fluorescence among 1×10 6 cells using a flow cytometer. The results are shown in Figure 9C.
図9Cに示すように、TaqIを発現しない場合(-Taq)と比較して、TaqIを発現した場合(+Taq)は、最大でゲノム再編効率が15倍に上昇した(図9C)。 As shown in FIG. 9C, the genome rearrangement efficiency increased up to 15-fold when TaqI was expressed (+Taq) compared to when TaqI was not expressed (-Taq) (FIG. 9C).
さらに、実施例4と同様に20℃で誘導培養を行った後、42℃で30分間、または60分間熱処理する事で、一過的にTaqIの活性化を行った。フローサイトメーターで1×106細胞中のGFP蛍光を持つ細胞の割合を計算することでゲノム再編効率を算出した。結果を図10に示す。 Furthermore, similar to Example 4, induction culture was performed at 20°C, followed by heat treatment at 42°C for 30 minutes or 60 minutes to transiently activate TaqI. Genome rearrangement efficiency was calculated by calculating the percentage of cells with GFP fluorescence in 1×10 6 cells with a flow cytometer. The results are shown in FIG.
図10に示すように、TaqIの発現の有無に関わらず、ゲノム再編効率は上昇しなかった。また、熱処理後にYPD培地に培地交換し、回復培養を18時間行ったが、ゲノム再編効率は上昇しなかった。以上のことから、高温かつ短時間で制限酵素を作用させる方法では、染色体間の遺伝的組換え効率が低いことがわかった。 As shown in FIG. 10, the efficiency of genome rearrangement did not increase regardless of the presence or absence of TaqI expression. After the heat treatment, the medium was changed to YPD medium and recovery culture was performed for 18 hours, but the efficiency of genome rearrangement did not increase. From the above, it was found that the efficiency of genetic recombination between chromosomes is low in the method in which restriction enzymes act at high temperature for a short period of time.
(ゲノム倍加とゲノム再編によるキシロース資化能力の進化育種)
(OC2-A(CF)株の取得)
ワイン酵母OC-2株にキシロース資化遺伝子を導入したOC2-A株を作製した。すなわち、ワイン酵母OC-2株にキシロース資化遺伝子を導入したOC700株(特開2014-193152)をベースに、ADH2遺伝子を破壊するとともにADH1遺伝子を増強し、mhpF遺伝子(E.coli由来)を導入したOC2-A株を取得した。
(Evolutionary breeding of xylose utilization ability by genome doubling and genome rearrangement)
(Acquisition of OC2-A (CF) shares)
OC2-A strain was constructed by introducing xylose utilization gene into wine yeast OC-2 strain. That is, based on the OC700 strain (JP 2014-193152) in which the xylose assimilation gene was introduced into the wine yeast OC-2 strain, the ADH2 gene was disrupted, the ADH1 gene was enhanced, and the mhpF gene (derived from E. coli) was added. The introduced OC2-A strain was obtained.
(OC2-A(CF)株の取得)
OC2-A株を用いて、以下のとおり、ゲノム再編によるキシロース資化能力の進化育種を行った。OC2-A株にKluyveromyces lactis由来のURA3遺伝子を導入したOC2-A(KlURA3)株と、Kluyveromyces marxianus由来のTRP1遺伝子を導入したOC2-A(KmTRP1)株を作製した。両株を用いてプロトプラスト-PEG法による細胞融合を行い、細胞融合株OC2-A(CF)株を作製した。
(Acquisition of OC2-A (CF) shares)
Using the OC2-A strain, evolutionary breeding for xylose assimilation ability was performed by genome rearrangement as follows. An OC2-A (KlURA3) strain, in which the URA3 gene derived from Kluyveromyces lactis was introduced into the OC2-A strain, and an OC2-A (KmTRP1) strain, in which a TRP1 gene derived from Kluyveromyces marxianus was introduced, were prepared. Using both strains, cell fusion was performed by the protoplast-PEG method to prepare a cell fusion strain OC2-A (CF) strain.
OC2-A(CF)株をTaqI遺伝子酵母発現用ベクター、pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR)で形質転換しOC2-A(CF)+TaqI株を取得した。OC2-A(CF)+TaqI株を用いて、実施例3と同様にYPG+0.5 mg/L AbA培地に培地交換した後、20℃で終夜培養することでTaqIを発現誘導した。その後、35℃で8~24時間、TaqIの活性化を行った後、YPD培地+0.5 mg/L AbA培地で回復培養を行ったサンプルをゲノム再編酵母ライブラリーとした。 OC2-A(CF) strain was transformed with TaqI gene yeast expression vector pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR) to obtain OC2-A(CF)+TaqI strain. Using the OC2-A(CF)+TaqI strain, the medium was changed to YPG+0.5 mg/L AbA medium in the same manner as in Example 3, and cultured overnight at 20° C. to induce expression of TaqI. After that, TaqI was activated at 35° C. for 8 to 24 hours, and recovery culture was performed in YPD medium+0.5 mg/L AbA medium.
(OC2A-C5株の取得)
キシロースを主な糖源とする培地で培養、植え継ぎを繰り返すことで集積培養(35℃)を行った。集積培養を開始後、約300時間までは僅かにグルコースを加えたYPX培地(10g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、1 g/L Glucose、20 g/L Xylose)で培養した。その後、キシロースのみを糖源とするYPX培地(10 g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、20 g/L Xylose)に変更し、さらに集積培養を約200時間行った。これらの培養工程における菌体量の推移を図11に示す。集積培養後の培養液をYPD寒天プレートにストリークし、シングル化した株をOC2A-C5株とした。
(Acquisition of OC2A-C5 shares)
Enrichment culture (35° C.) was performed by repeating culture and subculture in a medium containing xylose as a main sugar source. After starting enrichment culture, the cells were cultured in YPX medium (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 1 g/L Glucose, 20 g/L Xylose) slightly supplemented with glucose for about 300 hours. Thereafter, the medium was changed to YPX medium (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 20 g/L Xylose) containing only xylose as a sugar source, and enrichment culture was further performed for about 200 hours. FIG. 11 shows changes in the amount of cells in these culture steps. The culture medium after the enrichment culture was streaked on a YPD agar plate, and the single strain was designated as the OC2A-C5 strain.
(OC2A-C5株のキシロース資化能力試験)
OC2A-C5株のキシロース資化能力を発酵試験により評価した。5%キシロース発酵培地(10 g/L Yeast extract、50 g/L Xylose)にOC2-A株、OC2-A(CF)株、OC2A-C5株をそれぞれOD600 = 1.0で植菌し、32℃で発酵試験を行った。0、16、24、48、72時間でサンプリングを行い、HPLCでキシロース及びエタノールを測定した。結果を図12に示す。
(Xylose assimilation capacity test of OC2A-C5 strain)
The xylose assimilation ability of strain OC2A-C5 was evaluated by fermentation test. OC2-A strain, OC2-A(CF) strain, and OC2A-C5 strain were inoculated into 5% xylose fermentation medium (10 g/L yeast extract, 50 g/L Xylose) at OD600 = 1.0, and incubated at 32°C. A fermentation test was performed. Samples were taken at 0, 16, 24, 48 and 72 hours and xylose and ethanol were measured by HPLC. The results are shown in FIG.
図12に示すように、OC2A-C5株は、親株であるOC2-A株、その細胞融合株であるOC2-A(CF)株と比較して、キシロースの資化能力が顕著に向上し、48時間で50 g/Lのキシロースを完全に消費し、21.3 g/Lのエタノールを生産した。 As shown in FIG. 12, the OC2A-C5 strain has significantly improved xylose assimilation ability compared to the parent strain OC2-A strain and its cell fusion strain OC2-A (CF) strain. It completely consumed 50 g/L of xylose and produced 21.3 g/L of ethanol in 48 hours.
さらに、高糖濃度のグルコース+キシロース混合発酵培地(10 g/L Yeast extract、80 g/L Glucose、100 g/L Xylose)とするほかは、上記資化能力試験と同様に発酵能力の評価を行った。結果を図13に示す。 Furthermore, except for using a high sugar concentration glucose + xylose mixed fermentation medium (10 g/L Yeast extract, 80 g/L Glucose, 100 g/L Xylose), evaluation of fermentation ability was performed in the same manner as the above assimilation test. gone. The results are shown in FIG.
図13に示すように、OC2A-C5株は、親株であるOC2-A株、その細胞融合株であるOC2-A(CF)株と比較して、キシロースの資化能力が向上し、72時間で80 g/Lのグルコースと100 g/Lのキシロースを完全に消費し、76.2 g/Lのエタノールを生産した。 As shown in FIG. 13, the OC2A-C5 strain has an improved ability to assimilate xylose compared to the parent strain OC2-A strain and its cell fusion strain OC2-A (CF) strain, completely consumed 80 g/L glucose and 100 g/L xylose and produced 76.2 g/L ethanol.
図12及び図13に示すように、OC2A-C5株は、キシロースの資化能が顕著に増大し、その結果、エタノールなどを生産発酵する能力も増大していることがわかった。特に現実的な発酵条件である高糖濃度での発酵試験でも、OC2-A(CF)株に対して約1.3倍、OC2-A株に対して約1.4倍の発酵能を呈しており、実用的なキシロース資化性能に優れていることがわかった。 As shown in FIGS. 12 and 13, it was found that the OC2A-C5 strain remarkably increased the ability to assimilate xylose and, as a result, also increased the ability to produce and ferment ethanol and the like. In particular, even in a fermentation test at a high sugar concentration, which is a realistic fermentation condition, the fermentation ability was about 1.3 times that of the OC2-A (CF) strain and about 1.4 times that of the OC2-A strain. It was found to be excellent in practical xylose assimilation performance.
以上の結果から、TaqI遺伝子が導入されたOC2-A(CF)+TaqI株を、TaqI遺伝子の発現させたゲノム再編後に、キシロース含有培地という進化圧力の下で集積培養することで、進化的変化及び淘汰により、有用な株であるOC2A-C5株を取得できることがわかった。すなわち、DNA二本鎖切断酵素を発現し活性化した状態の細胞を、任意の条件下で増殖させることにより、条件に適合した細胞を効率的に得られることがわかった。 Based on the above results, it was concluded that enrichment culture of the OC2-A(CF)+TaqI strain into which the TaqI gene was introduced under the evolutionary pressure of a xylose-containing medium after genome rearrangement in which the TaqI gene was expressed resulted in an evolutionary change. And it was found that the OC2A-C5 strain, which is a useful strain, can be obtained by selection. That is, it was found that by growing cells in which a DNA double-strand breaking enzyme is expressed and activated under arbitrary conditions, cells that meet the conditions can be efficiently obtained.
(ゲノム再編による耐熱性の進化育種)
実施例10で作製したOC2A-C5株を用いて、実施例10と同様にしてTaqI処理を行ってさらにゲノム再編工程を実施し、ゲノム再編酵母ライブラリーを作製した。次に、YPX培地(10 g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、20 g/L Xylose)、39~41℃で培養、植え継ぎを繰り返すことで集積培養を約500時間行った。集積培養後の培養液をYPD寒天プレートにストリークし、シングル化した株をOC2A-TT株とした。
(Evolutionary breeding of heat resistance by genome rearrangement)
Using the OC2A-C5 strain prepared in Example 10, TaqI treatment was performed in the same manner as in Example 10, and the genome rearrangement step was further performed to prepare a genome-rearranged yeast library. Next, YPX medium (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 20 g/L Xylose) was cultured at 39 to 41° C., and subculture was repeated to enrich culture for about 500 hours. The culture solution after the enrichment culture was streaked on a YPD agar plate, and the single strain was designated as the OC2A-TT strain.
OC2A-TT株及び同を用いて、40℃での発酵試験により耐熱性を評価した。グルコース+キシロース混合発酵培地(10 g/L Yeast extract、30 g/L Glucose、30 g/L Xylose)にOC2-A株、OC2-A(CF)株、OC2A-C5株、OC2A-TT株をそれぞれOD600 = 1.0で植菌し、40℃で発酵試験を行った。0、16、24、48、65時間でサンプリングを行い、HPLCでグルコース、キシロース及びエタノールを測定した。結果を図14に示す。 Using the OC2A-TT strain and the same, heat resistance was evaluated by a fermentation test at 40°C. OC2-A strain, OC2-A(CF) strain, OC2A-C5 strain, and OC2A-TT strain were added to a mixed fermentation medium containing glucose and xylose (10 g/L Yeast extract, 30 g/L Glucose, 30 g/L Xylose). Each was inoculated at OD600 = 1.0 and a fermentation test was performed at 40°C. Sampling was performed at 0, 16, 24, 48 and 65 hours, and glucose, xylose and ethanol were measured by HPLC. The results are shown in FIG.
図14に示すように、OC2A-TT株は、他の株と比較して、40℃での増殖能(耐熱性)が増大していることがわかった。図14に示すように、OC2A-TT株の耐熱性が顕著に増大しており、良好な高温培養でも良好なキシロース資化能を示し、は、キシロースの資化能が顕著に増大し、その結果、エタノールなどを生産発酵する能力も増大していることがわかった。特に現実的な発酵の際の糖濃度での発酵試験でも、OC2-A株に対して約1.2倍、OC2-A(CF)株やOC2A-C5株に対しては約3倍もの発酵能を呈しており、耐熱性に特化して実用上においても優れていることがわかった。 As shown in FIG. 14, the OC2A-TT strain was found to have increased growth ability (heat resistance) at 40° C. compared to other strains. As shown in FIG. 14, the heat resistance of the OC2A-TT strain is remarkably increased, and it exhibits good xylose assimilation ability even in good high-temperature culture. As a result, it was found that the ability to produce and ferment ethanol etc. was also increased. In particular, even in fermentation tests at a realistic sugar concentration, fermentation is about 1.2 times that of OC2-A strain, and about 3 times that of OC2-A (CF) and OC2A-C5 strains. It has been found to be excellent in practical use because it specializes in heat resistance.
以上の結果から、TaqI遺伝子が導入されたOC2-A(C5)+TaqI株を、TaqI遺伝子の発現させた再度の再編後に、今度は高温という進化圧力の下で集積培養することで、当初とは異なる進化的変化及び淘汰により、有用な株であるOC2A-TT株を取得できることがわかった。本再編方法によれば、以下のことがわかった。すなわち、ゲノム再編して得られた一次ライブラリに第1の形質の選択圧をかけて選抜した細胞(集団)に対して、さらにゲノム再編を行って有用な二次ライブラリを取得することができる。そして、この二次ライブラリに対して第2の形質の選択圧をかけて選抜することができる。異なる形質を相加的に備える細胞(集団)を効率的に得ることができる。 Based on the above results, the OC2-A (C5) + TaqI strain into which the TaqI gene was introduced was enriched and cultivated under the evolutionary pressure of high temperature after reorganization by expressing the TaqI gene. could obtain a useful strain, the OC2A-TT strain, through different evolutionary changes and selection. According to this reorganization method, the following things were found. That is, a useful secondary library can be obtained by further performing genome rearrangement on the cells (population) selected by applying the selective pressure of the first trait to the primary library obtained by genome rearrangement. Then, selection pressure of a second trait can be applied to this secondary library for selection. It is possible to efficiently obtain cells (populations) that are additionally provided with different traits.
(ゲノム再編と胞子育種による耐熱性の向上)
ワイン酵母OC-2株にキシロース資化遺伝子を導入したOC700株(特開2014-193152)をベースに、ADH2遺伝子を破壊、ADH1遺伝子を強化、mhpF遺伝子(E.coli由来)を導入後、馴化培養によりキシロース資化能力が向上したOC2-B株を用いて、ゲノム再編と胞子育種による耐熱性の進化育種を行った。OC2-B株をTaqI遺伝子酵母発現用ベクター、実施例1で作製したpORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1(AUR)で形質転換しOC2-B+TaqI株を取得した。OC2-B+TaqI株を用いて、実施例3と同様にYPG+0.5 mg/L AbA培地に培地交換した後、20℃で終夜培養する事でTaqIを発現誘導した。その後、35℃で8~24時間、TaqIの活性化を行った後、YPD培地+0.5 mg/L AbA培地で回復培養を行ったサンプルをゲノム再編酵母ライブラリーとした(1st-TAQing)。YPX培地(10 g/L Yeast extract、20 g/L Peptone、20 g/L Xylose)、40~42℃で培養、植え継ぎを繰り返すことで集積培養を行った。途中、再度TaqI処理を行い(2nd-TAQing)、42~43℃でさらに集積培養を行った。集積培養後の培養液をYPD寒天プレートにストリークし、シングル化した株をOC2B-TT1株とした。
(Improvement of thermotolerance by genome rearrangement and spore breeding)
Based on the OC700 strain (Japanese Patent Laid-Open No. 2014-193152) in which xylose assimilation genes were introduced into the wine yeast OC-2 strain, the ADH2 gene was disrupted, the ADH1 gene was enhanced, and the mhpF gene (derived from E. coli) was introduced, followed by acclimation. Using the OC2-B strain, whose xylose assimilation ability was improved by culture, evolutionary breeding for thermostability was carried out by genome rearrangement and spore breeding. The OC2-B strain was transformed with the TaqI gene yeast expression vector pORF-pGAL1-TtTaqIopt-tDIT1 (AUR) prepared in Example 1 to obtain the OC2-B+TaqI strain. Using the OC2-B+TaqI strain, the medium was changed to YPG+0.5 mg/L AbA medium in the same manner as in Example 3, and cultured overnight at 20° C. to induce expression of TaqI. Then, TaqI was activated at 35°C for 8 to 24 hours, and the sample was recovered in YPD medium + 0.5 mg/L AbA medium and used as the genome-rearranged yeast library (1 st -TAQing). . YPX medium (10 g/L Yeast extract, 20 g/L Peptone, 20 g/L Xylose) was cultured at 40 to 42°C, and enrichment culture was performed by repeating subculture. On the way, TaqI treatment was performed again (2 nd -TAQing), and enrichment culture was further performed at 42-43°C. The culture solution after the enrichment culture was streaked on a YPD agar plate, and the single strain was designated as the OC2B-TT1 strain.
また、集積培養後の培養液を胞子形成寒天プレート(10 g/L Potassium acetate、1g/L Yeast extract、0.5 g/L Glucose、20 g/L Agar)に塗布し、胞子形成を行った。胞子形成寒天プレートから菌体を回収し、常法に従い胞子を抽出後、希釈してYPD寒天プレートに塗布した。OC2株はホモタリズム株なため、胞子から自動的に2倍体化する際に、ゲノム再編により導入されたヘテロな変異がホモ化することが期待される。YPD寒天プレートに生育した菌体約10000クローンを回収し、YPX培地、42~44℃で集積培養を行った。集積培養後の培養液をYPD寒天プレートにストリークし、シングル化した株をOC2B-TT2株とした。 In addition, the culture solution after enrichment culture was applied to a sporulation agar plate (10 g/L Potassium acetate, 1 g/L Yeast extract, 0.5 g/L Glucose, 20 g/L Agar) to perform sporulation. The cells were recovered from the sporulation agar plate, and after extracting the spores by a conventional method, they were diluted and spread on a YPD agar plate. Since the OC2 strain is a homothalism strain, it is expected that heterozygous mutations introduced by genome rearrangement will homogenize during automatic diploidization from spores. About 10,000 clones grown on the YPD agar plate were collected and enriched in YPX medium at 42-44°C. The culture medium after the enrichment culture was streaked on a YPD agar plate, and the single strain was designated as the OC2B-TT2 strain.
OC2B-TT1株、OC2B-TT2株を用いて、40℃での発酵試験を行った。グルコース+キシロース混合発酵培地(10g/L Yeast extract、50g/L Glucose、50g/L Xylose)にOC2-B株、OC2B-TT1株、OC2B-TT2株をそれぞれOD600 = 5.0で植菌し、40℃で発酵試験を行った。0、17、24、48時間でサンプリングを行い、HPLCで測定した。結果を図15に示す。 A fermentation test at 40°C was performed using the OC2B-TT1 strain and the OC2B-TT2 strain. OC2-B strain, OC2B-TT1 strain, and OC2B-TT2 strain were inoculated into glucose + xylose mixed fermentation medium (10g/L Yeast extract, 50g/L Glucose, 50g/L Xylose) at OD600 = 5.0, and incubated at 40℃. A fermentation test was performed on Sampling was performed at 0, 17, 24 and 48 hours and measured by HPLC. The results are shown in FIG.
図15に示すように、親株であるOC2-B株と比較して、OC2B-TT1株、OC2B-TT2株ともに40℃でのキシロース資化能力が向上した。特に、ゲノム再編後に、胞子育種を行ったOC2B-TT2株は48時間で50g/Lのグルコースと50g/Lのキシロースを完全に消費し、40.0g/Lのエタノールを生産した)。以上の結果から、胞子育種を経たOC2B-TT2株は、そうでないOC2B-TT1株に比較してより一層高いキシロース資化能を発揮した。以上のことから、再編されたゲノムセットを有するホモタリズム性酵母について、胞子育種を経ることで、ヘテロな変異がホモ化することで、遺伝子組換えの正の影響は増強され、負の影響が低減されることがわかった。 As shown in FIG. 15, both the OC2B-TT1 strain and the OC2B-TT2 strain improved in xylose assimilation capacity at 40° C. compared to the parent strain OC2-B strain. Notably, after genome rearrangement, the spore-breeding strain OC2B-TT2 completely consumed 50 g/L glucose and 50 g/L xylose and produced 40.0 g/L ethanol in 48 hours). From the above results, the OC2B-TT2 strain that underwent spore breeding exhibited a higher xylose assimilation ability than the OC2B-TT1 strain that did not. Based on the above, in homothalismous yeast with a rearranged genome set, homogenization of heterozygous mutations through spore breeding enhances the positive effects of genetic recombination and reduces the negative effects. found to be
(細胞増殖温度での処理によるゲノム再編効率の評価)
BY4741+GFP(HIS)+TaqI株を用いて、実施例3と同様にYPG+0.5 mg/L AbA培地に培地交換した後、20、25、30、35、37、38、39、40℃でTaqIを発現誘導しながら、長時間TaqIの活性化を行った。0、5、24、48、72、147時間後に酵母を回収し、生死判別をするためにPI染色を行った。生細胞は細胞膜によりPIが細胞内に浸透しないが、死細胞は細胞膜が破壊されているため、PIが細胞内に入りこみ、核酸が染色されることで生死判別が可能になる。染色後の酵母を実施例4と同様にフローサイトメーターで解析し、ゲノム再編効率を測定した。結果を図16及び図17に示す。
(Evaluation of genome rearrangement efficiency by treatment at cell growth temperature)
Using BY4741 + GFP (HIS) + TaqI strain, after changing the medium to YPG + 0.5 mg / L AbA medium in the same manner as in Example 3, TaqI TaqI was activated for a long period of time while inducing the expression of . After 0, 5, 24, 48, 72 and 147 hours, the yeast was harvested and PI-stained to determine viability. In living cells, PI does not permeate into the cell due to the cell membrane, but in dead cells, the cell membrane is destroyed, so PI enters the cell and stains the nucleic acid, making it possible to distinguish between life and death. The stained yeast was analyzed with a flow cytometer in the same manner as in Example 4 to measure genome rearrangement efficiency. The results are shown in FIGS. 16 and 17. FIG.
図16に示すように、全細胞を解析対象とした場合、35-39℃の温度域において、0.8~1.0%と最も高いゲノム再編効率を示した。また、図17に示すように、生細胞を解析対象とした場合は、35-37℃が0.5%程度で最も高いゲノム再編効率だった。以上の結果から、酵母に適用される、一般的な培養条件(培養温度40℃以下)において、比較的弱いレベルでDNA二本鎖切断活性を作用させることで、高いゲノム再編効率が得られることがわかった。また、DNA二本鎖切断活性とそれを作用させる温度を、真核生物体に一般的に適用される培養温度とDNA二本鎖切断活性を有するタンパク質の至適温度から適宜設定することで、ゲノム再編効率向上の有利でしかも多様性のあるゲノム再編が可能であることがわかった。
As shown in FIG. 16, when all cells were analyzed, the genome rearrangement efficiency was the highest at 0.8 to 1.0% in the temperature range of 35-39°C. Moreover, as shown in FIG. 17, when living cells were analyzed, the genome rearrangement efficiency was the highest at about 0.5% at 35-37°C. From the above results, it was concluded that high genome rearrangement efficiency can be obtained by applying DNA double-strand breaking activity at a relatively weak level under general culture conditions (culturing temperature of 40°C or less) applied to yeast. I found out. In addition, by appropriately setting the DNA double-strand breaking activity and the temperature at which it acts from the culture temperature generally applied to eukaryotic organisms and the optimum temperature of the protein having DNA double-strand breaking activity, It was found that genome rearrangement that is advantageous for improving genome rearrangement efficiency and that has diversity is possible.
Claims (14)
好熱菌由来の耐熱性DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、30℃以上40℃以下の温度又は前記真核細胞の増殖温度で、誘導的に発現させると同時に前記真核細胞内のゲノムに作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程、
を備え、
前記ゲノム再編工程における、前記タンパク質を誘導的に発現させると同時に前記ゲノムに作用させる再編時間は、18時間以上168時間以下である、方法。 A method for genome rearrangement in eukaryotic cells (but excluding yeast cells, plant cells, embryos and germ cells that retain the ability to regenerate into a complete human being including human fertilized eggs, and human cells within a human body), ,
A thermophile-derived protein having thermostable DNA double-strand breaking activity is inducibly expressed at a temperature of 30° C. or higher and 40° C. or lower or at the growth temperature of the eukaryotic cell, and the genome in the eukaryotic cell. 1 or 2 or more genome rearrangement steps for genetic recombination by acting on
with
The method, wherein in the step of genome rearrangement, the protein is inducibly expressed and the rearrangement is allowed to act on the genome at the same time for 18 hours or more and 168 hours or less.
好熱菌由来の耐熱性DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、30℃以上40℃以下の温度又は前記真核細胞の増殖温度で、誘導的に発現させると同時に前記真核細胞内のゲノムに作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程、
を備え、
前記ゲノム再編工程における、前記タンパク質を誘導的に発現させると同時に前記ゲノムに作用させる再編時間は、18時間以上168時間以下である、方法。 Eukaryotic cells with a rearranged genome set, excluding yeast cells, plant cells, embryos and germ cells retaining the ability to reproduce into a complete human being, including human fertilized eggs, and human cells in vivo. A method of production,
A thermophile-derived protein having thermostable DNA double-strand breaking activity is inducibly expressed at a temperature of 30° C. or higher and 40° C. or lower or at the growth temperature of the eukaryotic cell, and the genome in the eukaryotic cell. 1 or 2 or more genome rearrangement steps for genetic recombination by acting on
with
The method, wherein in the step of genome rearrangement, the protein is inducibly expressed and the rearrangement is allowed to act on the genome at the same time for 18 hours or more and 168 hours or less.
を備える、請求項12に記載の生産方法。 Furthermore, one or more selection steps of selecting intended eukaryotic cells based on any index from the population of eukaryotic cells holding the rearranged genome set,
13. The method of production of claim 12, comprising:
好熱菌由来の耐熱性DNA二本鎖切断活性を有するタンパク質を、30℃以上40℃以下の温度又は前記真核細胞の増殖温度で、誘導的に発現させると同時に前記真核細胞内のゲノムに作用させて遺伝的組換えを行う1又は2以上のゲノム再編工程、
を備え、
前記ゲノム再編工程における、前記タンパク質を誘導的に発現させると同時に前記ゲノムに作用させる再編時間は、18時間以上168時間以下である、方法。 A method for producing a population of eukaryotic cells ( but excluding yeast cells, plant cells, embryos and germ cells retaining the ability to regenerate into a complete human being, including human fertilized eggs, and human cells within a human body). hand,
A thermophile-derived protein having thermostable DNA double-strand breaking activity is inducibly expressed at a temperature of 30° C. or higher and 40° C. or lower or at the growth temperature of the eukaryotic cell, and the genome in the eukaryotic cell. 1 or 2 or more genome rearrangement steps for genetic recombination by acting on
with
The method, wherein in the step of genome rearrangement, the protein is inducibly expressed and the rearrangement is allowed to act on the genome at the same time for 18 hours or more and 168 hours or less.
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Scientific Reports,2014年,4: 5400,DOI: 10.1038/srep05400 |
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