JPWO2013180306A1 - ステビオール配糖体化酵素およびそれをコードする遺伝子 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ステビオール配糖体化酵素及び同酵素を用いたステビオール配糖体の製造方法を提供することを目的とする。本発明は、ステビオール配糖体化酵素及び同酵素を用いたステビオール配糖体の製造方法を提供する。本発明は、ステビオール配糖体化酵素遺伝子を導入した形質転換体及び当該形質転換体の作製方法を提供する。

Description

本発明は、ステビオール配糖体を合成する活性を有するタンパク質及びこれをコードするポリヌクレオチド、同タンパク質を利用したステビオール配糖体の製造方法、ステビオール配糖体化酵素を高発現する形質転換体並びに前記方法により作製されたステビオール配糖体及びその利用に関する。
キク科ステビア(Stevia rebaudiana)の葉にはジテルペノイドの一種であるステビオール(Steviol)とよばれる二次代謝産物が含まれており、ステビオール配糖体は砂糖の約300倍もの甘味を呈することからカロリーレスの甘味料として食品産業に利用されている。肥満が深刻な社会問題として国際的に発展しており、健康増進および医療費削減の観点からもカロリーレスの甘味料の要望は日々大きくなっている。現在では人工的に合成されたアミノ酸誘導体のアスパルテーム(Aspartame)やアセスルファムカリウム(Acesulfame Potassium)が人工甘味料として利用されているが、ステビオール配糖体のように天然に存在するカロリーレス甘味料がより安全で消費者理解(Public Acceptance)が得られやすいと期待される。
ステビア配糖体は最終的には4つの糖が付いたレバウディオシドA(Rebaudioside A)と呼ばれる配糖体にまで糖で修飾される(図1)。その前駆体であるステビオール三糖配糖体のステビオシド(Stevioside)が量的に最も多く、レバウディオシドAとステビオシドがステビアの甘味の中心的な物質である。これら以外に反応中間体と思われる配糖体や糖の種類が異なる類縁体の存在が知られている。
レバウディオシドAの生合成に至る酵素遺伝子はステビアのExpressed Sequence Tag(EST)解析を通じて単離されている(非特許文献1及び2、特許文献1)。植物ホルモンであるジテルペノイドのジベレリン(Gibberellin)の前駆体であるエントカウレン酸(ent−kaurenoic acid)の13位がチトクロームP450酵素であるエントカウレン酸13位水酸化酵素(EK13H)によって水酸化されることでステビオールが生成する(図2)(非特許文献3、特許文献1)。ステビオールはまず13位の水酸基がUGT85C2によって配糖体化(モノグルコシル化)されることでステビオールモノシド(Steviolmonoside)が生成する。ステビオールモノシドの13位のグルコースの2位が更にグルコシル化されることでステビオールビオシド(Steviolbioside)、あるいはステビオールモノシドの19位のカルボキシル基がグルコシル化されてルブソシド(Rubusoside)と呼ばれるステビオールの二糖配糖体が生じる。このように生成したステビオールビオシドやルブソシドが更に配糖体化され、ステビオシドやレバウディオシドA(Rebaudioside A)のようなステビオール配糖体を生じると考えられている。ステビオール配糖体の生成に関わる酵素遺伝子としてUGT74G1やUGT76G1が知られている。
UGT74G1は、ステビオールモノシドの19位のグルコシル化を触媒することが知られている(非特許文献1)。UGT74G1は、また、ステビオールビオシドをグルコシル化し、ステビオール三糖配糖体のステビオシド(Stevioside)を生じる。このステビオシドがステビア葉で最も含有量が多く、砂糖の250〜300倍程の甘味を呈することが知られている。このステビオシドがさらにUGT76G1によってグルコシル化されて、最も甘味が高く(砂糖の350〜450倍)、且つ味質が良いとされるステビオール四糖配糖体であるレバウディオシドA(Rebaudioside A)が生成する。
ステビオール配糖体においては、特に、13位のグルコースに分枝状糖を付加することで味質および甘味度が向上することが報告されているため(非特許文献4、特許文献2)、これらの反応を触媒する配糖体化酵素は、ステビアの甘味特性を決定する重要な酵素であると考えられる。
先行研究(非特許文献2)ではステビアの葉のEST解析から数種類の配糖体化酵素(UGT)が報告されているが、それら全ての詳細な酵素活性は十分検討されていない。
EP 1 897 951 B1 特開平5−255372
Brandle and Telmer(2007)Phytochemistry68,1855−1863 Richman et al(2005)Plant J.41,56−67 Mizutani and Ohta(2010)Annu.Rev.Plant Biol.61,291−315 笠井ら(1981)日本化学会誌5,726−735
本発明者らは鋭意研究を遂行した結果、ステビアにおいてステビオール配糖体の13位グルコースへの糖付加反応を触媒する酵素及び同酵素をコードする遺伝子配列を同定することに成功した。本発明は、上記知見に基づくものである。
即ち、本発明は、以下のとおりである。
[1] 以下の(a)〜(c)よりなる群より選ばれるいずれかに記載のタンパク質。
(a)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質;
(c)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質
(式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
[2] 前記糖分子が、ヘキソースである、前記[1]に記載のタンパク質。
[3] 前記糖分子が、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるものである、前記[1]に記載のタンパク質。
[4] 前記化合物が、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドY
である、前記[1]に記載のタンパク質。
[5] 以下の(a)〜(d)よりなる群より選ばれるポリヌクレオチド。
(a)配列番号1の塩基配列を含有するポリヌクレオチド;
(b)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
(式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
[6] 前記糖分子が、ヘキソースである、前記[5]に記載のポリヌクレオチド。
[7] 前記糖分子が、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるものである、前記[5]に記載のポリヌクレオチド。
[8] 前記化合物が、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドY
である、前記[5]に記載のポリヌクレオチド。
[9] 前記[5]に記載のポリヌクレオチドが導入された非ヒト形質転換体。
[10] 前記ポリヌクレオチドが、発現ベクターに挿入されたものである、前記[9]に記載の形質転換体。
[11] 植物体である、前記[9]に記載の形質転換体。
[12] 前記[9]に記載の形質転換体の抽出物。
[13] 前記[12]に記載の抽出物を含む食品、医薬品又は工業原料。
[14] 前記[9]に記載の非ヒト形質転換体を培養することを特徴とするタンパク質の製造方法であって、前記タンパク質が下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有する、方法。
(式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
[15] 前記[9]に記載の非ヒト形質転換体を用いることを特徴とするステビオール配糖体の製造方法。
[16]
前記ステビオール配糖体が、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX
コンパウンドY
コンパウンドZ
又はこれらの組み合わせである、前記[15]に記載の方法。
[17] 前記[1]に記載のタンパク質と、UDP−糖と、下記一般式(I)で示される化合物とを反応させる工程を含む、ステビオール配糖体の製造方法。
(式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
[18] 前記UDP−糖における糖が、グルコースである、前記[17]に記載の方法。
[19] 前記ステビオール配糖体が、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX
コンパウンドY
コンパウンドZ
又はこれらの組み合わせである、前記[17]に記載の方法。
本発明のタンパク質及びこれをコードするポリヌクレオチドを利用することにより、高効率にステビオール配糖体(例えば、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX、コンパウンドY、コンパウンドZ等)を製造することができる。また、本発明の形質転換体は、ステビオール配糖体(例えば、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX、コンパウンドY、コンパウンドZ等)の含有量が高いため、これらの形質転換体から、効率よくステビオール配糖体(例えば、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX、コンパウンドY、コンパウンドZ等)を抽出・精製することができる。
ステビオール配糖体群の名称と構造を示す。図1において「Glc」はグルコースを表す。また、「Glc−Glc(β2→1)」は「Glc−Glc」がβ2,1グリコシド結合により結合していることを示し、「Glc−Glc(β3→1)」は「Glc−Glc」がβ3,1グリコシド結合により結合していることを示す。 推定されているステビオール配糖体の生合成経路を示す。 大腸菌で発現させたUGT713E1ホモログプロテイン1のSDS−PAGE結果。パネルAはペレット画分、パネルBはイミダゾール溶液による溶出画分のCBB染色図。アステリスクは発現した組換えタンパク質を示す。 UGT73E1ホモログプロテイン1の酵素活性を示す。図4において「Glc」はグルコースを表す。 ステビオールおよびその配糖体の標準品のクロマトグラムを示す。 UGT73E1ホモログプロテイン1の触媒する反応経路を示す。図6において、「UGT73E1HP1」はUGT73E1ホモログプロテイン1を表す。
以下、本発明を詳細に説明する。以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施の形態のみに限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施をすることができる。
なお、本明細書において引用した全ての文献、および公開公報、特許公報その他の特許文献は、参照として本明細書に組み込むものとする。また、本明細書は、本願優先権主張の基礎となる2012年5月30日に出願された日本国特許出願(特願2012−123349号)の明細書及び図面に記載の内容を包含する。
以下、本発明を詳細に説明する。以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施の形態のみに限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施をすることができる。
本発明者らは、ステビア由来のUGT73E1ホモログプロテイン1がステビオール配糖体の13位のヒドロキシル基及び13位のヒドロキシ基に結合したグルコース、並びに19位のカルボキシル基及び19位のカルボキシル基に結合したグルコースに対する糖付加反応を担う酵素タンパク質であることを初めて解明した。
UGT73E1ホモログプロテイン1のCDS配列及び推定アミノ酸配列は、それぞれ配列番号1及び2である。前記ポリヌクレオチド及び酵素は、後述の実施例に記載した手法、公知の遺伝子工学的手法、公知の合成手法等によって取得することが可能である。
1. ステビオール配糖体化酵素
本発明は、以下の(a)〜(c)よりなる群より選ばれるいずれかに記載のタンパク質(以下、「本発明のタンパク質」という)を提供する。
(a)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質;
(c)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質
(式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
上記(b)又は(c)に記載のタンパク質は、代表的には、天然に存在する配列番号2のポリペプチドの変異体であるが、例えば、″Sambrook & Russell,Molecular Cloning:A Laboratory Manual Vol.3,Cold Spring Harbor Laboratory Press 2001″、″Ausubel,Current Protocols in Molecular Biology,John Wiley & Sons 1987−1997″、″Nuc.Acids.Res.,10,6487(1982)″、″Proc.Natl.Acad.Sci.USA,79,6409(1982)″、″Gene,34,315(1985)″、″Nuc.Acids.Res.,13,4431(1985)″、″Proc.Natl.Acad.Sci.USA,82,488(1985)″等に記載の部位特異的変異導入法を用いて、人為的に取得することができるものも含まれる。
本明細書中、「配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質」としては、配列番号2のアミノ酸配列において、例えば、1〜7個、1〜6個、1〜5個、1〜4個、1〜3個、1〜2個、又は1個のアミノ酸残基が欠失、置換、挿入及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質が挙げられる。上記アミノ酸残基の欠失、置換、挿入及び/又は付加の数は、一般的には小さい程好ましい。
また、このようなタンパク質としては、配列番号2のアミノ酸配列と99%以上、99.1%以上、99.2%以上、99.3%以上、99.4%以上、99.5%以上、99.6%以上、99.7%以上、99.8%以上、又は99.9%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質が挙げられる。上記配列同一性の数値は一般的に大きい程好ましい。
ここで、「一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性」とは、下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに、糖を付加する活性を意味する。
一般式(I)において、RはH、グルコース単量体(−Glc)又はグルコース2量体(−Glc−Glc)を表し、RはH又はグルコース単量体(−Glc)を表す。好ましくは、Rがグルコース2量体の場合、RはHである。グルコース2量体において、好ましくは、グルコース同士はβ2、1グリコシド結合により結合している。また、本発明のタンパク質により一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに付加される糖分子は、Rがグルコース単量体又はグルコース2量体の場合、そしてRがグルコース単量体である場合のいずれにおいても、好ましくはβ2、1グリコシド結合で付加される。
好ましくは、一般式(I)の化合物は、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドYである。
本発明のタンパク質により一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに付加される糖分子は、特に限定されないが、1以上のペントース、ヘキソース又はその組み合わせからなる糖分子であってもよい。ペントース及びヘキソースの例は上述の通りである。好ましくは前記糖分子は、ヘキソースであり、更に好ましくは、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるヘキソースである。最も好ましくは、前記糖分子は、グルコースである。
一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性は、被検タンパク質1〜500ng(好ましくは、50〜200ng、最も好ましくは100ng)、UDP糖(例えば、UDP−グルコース)1〜1000μM(好ましくは、100〜700μM、最も好ましくは500μM)、及び基質化合物(一般式(I)の化合物)1〜500μM(好ましくは、100〜500μM、最も好ましくは250μM)を含むpH6.0〜8.0の中性領域の緩衝液(例えば、リン酸ナトリウムバッファー又はリン酸カリウムバッファー)中において、20〜40℃の温度で10分間〜2時間インキュベートした後に、前記基質化合物を精製し、精製したモノテルペンをLC−MS分析化(Liquid Chromatography−Mass Spectrometry)等の公知の手法により分析することで検証することができる。
LC−MS分析の結果、一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子が付加した化合物が検出された場合、前記被検タンパク質は一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するものと言える。
前記糖付加反応は、一般に、1分〜12時間程度で終了する。
本発明のタンパク質のアミノ酸配列において1若しくは複数個のアミノ酸残基が欠失、置換、挿入及び/又は付加されたとは、同一配列中の任意かつ1若しくは複数のアミノ酸配列中の位置において、1若しくは複数個のアミノ酸残基の欠失、置換、挿入及び/又は付加があることを意味し、欠失、置換、挿入及び付加のうち2種以上が同時に生じてもよい。
以下に、相互に置換可能なアミノ酸残基の例を示す。同一群に含まれるアミノ酸残基は相互に置換可能である。A群:ロイシン、イソロイシン、ノルロイシン、バリン、ノルバリン、アラニン、2−アミノブタン酸、メチオニン、o−メチルセリン、t−ブチルグリシン、t−ブチルアラニン、シクロヘキシルアラニン;B群:アスパラギン酸、グルタミン酸、イソアスパラギン酸、イソグルタミン酸、2−アミノアジピン酸、2−アミノスベリン酸;C群:アスパラギン、グルタミン;D群:リジン、アルギニン、オルニチン、2,4−ジアミノブタン酸、2,3−ジアミノプロピオン酸;E群:プロリン、3−ヒドロキシプロリン、4−ヒドロキシプロリン;F群:セリン、スレオニン、ホモセリン;G群:フェニルアラニン、チロシン。
本発明のタンパク質は、これをコードするポリヌクレオチド(後述する「本発明のポリヌクレオチド」を参照)を適切な宿主細胞内で発現させることにより得ることができるが、Fmoc法(フルオレニルメチルオキシカルボニル法)、tBoc法(t−ブチルオキシカルボニル法)等の化学合成法によっても製造することができる。また、Advanced Automation Peptide Protein Technologies社製、Perkin Elmer社製、Protein Technologies社製、PerSeptive社製、Applied Biosystems社製、SHIMADZU社製等のペプチド合成機を利用して化学合成することもできる。
2.ステビオール配糖体の製造方法
本発明はタンパク質が有する、一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を利用することにより、ステビオール配糖体を容易かつ多量に製造することが可能である。
そこで、別の実施形態において、本発明は、本発明のタンパク質と、UDP−糖と、下記一般式(I)で示される化合物とを反応させて、一般式(I)で示される化合物の13位の−OR若しくは19位の−COOR、又は13位の−OR及び19位の−COORの両方に糖分子を付加する工程を含む、ステビオール配糖体の第1の製造方法を提供する。
一般式(I)のR及びRの定義は前述の通りである。好ましくは、一般式(I)の化合物は、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドYである。
本明細書において、「UDP−糖」とは、ウリジン二リン酸(Uridine DiPhosphae:UDP)結合型の糖である。UDP−糖における糖部分の好ましい例としては1以上のペントース、ヘキソース又はその組み合わせからなる糖が挙げられる。ペントース及びヘキソースの例は上述の通りである。好ましくはUDP−糖は、UDP−ヘキソースであり、更に好ましくは、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるヘキソースである。最も好ましくは、前記UDP−糖は、UDP−グルコースである。
本発明に係るステビオール配糖体の第1の製造方法は、本発明のタンパク質と、UDP糖と、一般式(I)で示される化合物とを反応させて、一般式(I)で示される化合物の13位の−OR若しくは19位の−COOR、又は13位の−OR及び19位の−COORの両方に糖分子を付加する工程を含む。本発明の第1の製造方法は、さらに、前記工程で生成したステビオール配糖体を精製する工程を含んでいてもよい。
第1の製造方法により生成されるステビオール配糖体の例としては、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX、コンパウンドY、コンパウンドZ又はこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
コンパウンドXの構造は以下の通り。
コンパウンドYの構造は以下の通り。
コンパウンドZの構造は以下の通り。
生成したステビオール配糖体は、適切な溶媒(水等の水性溶媒又はアルコール、エーテル及びアセトン等の有機溶媒)による抽出、酢酸エチルその他の有機溶媒:水の勾配、高速液体クロマトグラフィー(High Performance Liquid Chromatography:HPLC)、ガスクロマトグラフィー、飛行時間型質量分析(Time−of−Flight mass spectrometry:TOF−MS)、超高性能液体クロマトグラフィー(Ultra(High)Performance Liquid chromatography:UPLC)等の公知の方法によって精製することができる。
3.ステビオール配糖体高含有非ヒト形質転換体
ステビオール配糖体は、本発明のタンパク質を用いて細菌(大腸菌又は酵母など)、植物、昆虫、ヒトを除く哺乳動物などの細胞内で生成することもできる。本発明のタンパク質は、ステビアに由来する酵素又はその変異体であるため、細胞内環境においても高い活性を有することが期待されるからである。この場合、本発明のタンパク質をコードするポリヌクレオチド(後述する「本発明のポリヌクレオチド」を参照)を、細菌、植物、昆虫、ヒトを除く哺乳動物などに由来する宿主細胞に導入して本発明のタンパク質を発現させ、本発明のタンパク質と、前記細胞内に存在するUDP−糖及び一般式(I)で示される化合物とを反応させることによりステビオール配糖体を生成することができる。
そこで、本発明は、以下の(a)〜(d)よりなる群より選ばれるいずれかに記載のポリヌクレオチド(以下、「本発明のポリヌクレオチド」という)が導入された非ヒト形質転換体(以下、「本発明の形質転換体」という)を提供する。
(a)配列番号1の塩基配列を含有するポリヌクレオチド;
(b)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(c)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
(d)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
一般式(I)の定義及び具体例は既に述べた通りであり、また、一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに付加される糖分子の定義及び具体例も前述の通りである。
本明細書中、「ポリヌクレオチド」とは、DNA又はRNAを意味する。
なお、アミノ酸配列や塩基配列の配列同一性は、FASTA(Science 227(4693):1435−1441,(1985))や、カーリン及びアルチュールによるアルゴリズムBLAST(Basic Local Alignment Search Tool)(Proc.Natl.Acad.Sci.USA 872264−2268,1990;Proc Natl Acad Sci USA 90:5873,1993)を用いて決定できる。BLASTのアルゴリズムに基づいたblastn、blastx、blastp、tblastnやtblastxと呼ばれるプログラムが開発されている(Altschul SF,et al:J Mol Biol 215:403,1990)。blastnを用いて塩基配列を解析する場合は、パラメーターは、例えばscore=100、wordlength=12とする。また、blastpを用いてアミノ酸配列を解析する場合は、パラメーターは、例えばscore=50、wordlength=3とする。BLASTとGappedBLASTプログラムを用いる場合は、各プログラムのデフォルトパラメーターを用いる。
上記した本発明のポリヌクレオチドは、公知の遺伝子工学的手法又は公知の合成手法によって取得することが可能である。
本発明のポリヌクレオチドは、好ましくは、適切な発現ベクターに挿入された状態で宿主に導入される。
適切な発現ベクターは、通常、
(i)宿主細胞内で転写可能なプロモーター;
(ii)該プロモーターに結合した、本発明のポリヌクレオチド;及び
(iii)RNA分子の転写終結及びポリアデニル化に関し、宿主細胞内で機能するシグナルを構成要素として含む発現カセット
を含むように構成される。
発現ベクターの作製方法としては、プラスミド、ファージ又はコスミドなどを用いる方法が挙げられるが特に限定されない。
ベクターの具体的な種類は特に限定されず、宿主細胞中で発現可能なベクターが適宜選択され得る。すなわち、宿主細胞の種類に応じて、確実に本発明のポリヌクレオチドを発現させるために適宜プロモーター配列を選択し、これと本発明のポリヌクレオチドを各種プラスミド等に組み込んだベクターを発現ベクターとして用いればよい。
本発明の発現ベクターは、導入されるべき宿主の種類に依存して、発現制御領域(例えば、プロモーター、ターミネーター及び/又は複製起点等)を含有する。細菌用発現ベクターのプロモーターとしては、慣用的なプロモーター(例えば、trcプロモーター、tacプロモーター、lacプロモーター等)が使用され、酵母用プロモーターとしては、例えば、グリセルアルデヒド3リン酸デヒドロゲナーゼプロモーター、PHO5プロモーター等が挙げられ、糸状菌用プロモーターとしては、例えば、アミラーゼ、trpC等が挙げられる。また、植物細胞内で目的遺伝子を発現させるためのプロモーターの例としては、カリフラワーモザイクウィルスの35S RNAプロモーター、rd29A遺伝子プロモーター、rbcSプロモーター、前記カリフラワーモザイクウィルスの35S RNAプロモーターのエンハンサー配列をアグロバクテリウム由来のマンノピン合成酵素プロモーター配列の5’側に付加したmac−1プロモーター等が挙げられる。動物細胞宿主用プロモーターとしては、ウイルス性プロモーター(例えば、SV40初期プロモーター、SV40後期プロモーター等)が挙げられる。
発現ベクターは、少なくとも1つの選択マーカーを含むことが好ましい。このようなマーカーとしては、栄養要求性マーカー(ura5、niaD)、薬剤耐性マーカー(hygromycine、ゼオシン)、ジェネチシン耐性遺伝子(G418r)、銅耐性遺伝子(CUP1)(Marin et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,vol.81,p.337,1984)、セルレニン耐性遺伝子(fas2m,PDR4)(それぞれ、猪腰淳嗣ら,生化学,vol.64,p.660,1992;Hussain et al.,Gene,vol.101,p.149,1991)などが利用可能である。
本発明の形質転換体の作製方法(生産方法)は特に限定されないが、例えば、本発明のポリヌクレオチドを含む発現ベクターを宿主に導入して形質転換する方法が挙げられる。
本発明の形質転換体は、ステビオール配糖体を高い含有量で含むことが期待される。形質転換に用いられる宿主細胞は、特に限定されるものではなく、公知の各種細胞を好適に用いることができる。例えば、宿主細胞の例としては、大腸菌(Escherichia coli)等の細菌、酵母(出芽酵母 Saccharomyces cerevisiae、分裂酵母Schizosaccharomyces pombe)、植物細胞、ヒトを除く動物細胞等が挙げられる。
好ましくは、宿主細胞は、一般式(I)に示される化合物を生成することのできる宿主細胞である。ここで、宿主細胞は、天然状態で一般式(I)に示される化合物を生成することのできるものに限定されず、例えば、一般式(I)に示される化合物を生成することができるように公知の遺伝子で組換操作されたものであってもよい。
一般式(I)に示される化合物の合成に寄与する酵素をコードする遺伝子としては、EK13H、UGT74G1及びUGT76G1(非特許文献2)等が公知のものとして挙げられるがこれらに限定されるものではない。
宿主細胞が一般式(I)に示される化合物を生成することができないものである場合、同宿主細胞に本発明の遺伝子を導入して得られた形質転換体の培養系に基質として一般式(I)の化合物又は同化合物を含む植物抽出物を添加することにより、一般式(I)に示される化合物の合成に寄与する酵素をコードする遺伝子を導入せずともステビオール配糖体を製造することが可能である。
上記の宿主細胞のための適切な培養培地及び条件は当分野で周知である。また、形質転換の対象となる生物も特に限定されるものではなく、上記宿主細胞で例示した各種微生物又は植物又はヒトを除く動物が挙げられる。
宿主細胞の形質転換方法としては一般に用いられる公知の方法が利用できる。例えば、エレクトロポレーション法(Mackenxie,D.A.et al.,Appl.Environ.Microbiol.,vol.66,p.4655−4661,2000),パーティクルデリバリー法(特開2005−287403)、スフェロプラスト法(Proc.Natl.Acad.Sci.USA,vol.75,p.1929,1978)、酢酸リチウム法(J.Bacteriology,vol.153,p.163,1983)、Methods in yeast genetics,2000 Edition:A Cold Spring Harbor Laboratory Course Manualなどに記載の方法)で実施可能であるが、これらに限定されない。
その他、一般的な分子生物学的な手法に関しては、″Sambrook & Russell,Moleclar Cloning:A Laboratory Manual Vol.3,Cold Spring Harbor Laboratory Press 2001″、″Methods in Yeast Genetics、A laboratory manual(Cold Spring Harbor Laboratory Press、Cold Spring Harbor,NY)″等を参照することができる。
このようにして得られた形質転換体を培養することにより、形質転換体内にステビオール配糖体を蓄積させることが可能である。前述の通り、形質転換体の培養系に基質として一般式(I)の化合物又は同化合物を含む植物抽出物を添加することにより、ステビオール配糖体の製造を促進することもできる。蓄積されたステビオール配糖体を抽出・精製することにより、目的のステビオール配糖体を得ることができる。
従って、本発明は、本発明の形質転換体を用いることを特徴とするステビオール配糖体の第2の製造方法を提供する。適切な培養培地及び条件は当分野で周知である。また、ステビオール配糖体の抽出・精製方法については既に述べた通りである。
ステビオール配糖体は、特に限定されないが、好ましくはステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX、コンパウンドY、コンパウンドZ及びこれらの組み合わせからなる群より選択されるものであってもよい。
本発明の1つの態様において、形質転換体は、植物形質転換体であり得る。本実施形態に係る植物形質転換体は、本発明に係るポリヌクレオチドを含む組換えベクターを、当該ポリヌクレオチドによってコードされるポリペプチドが発現され得るように植物中に導入することによって取得される。
組換え発現ベクターを用いる場合、植物体の形質転換に用いられる組換え発現ベクターは、当該植物内で本発明に係るポリヌクレオチドを発現させることが可能なベクターであれば特に限定されない。このようなベクターとしては、例えば、植物細胞内でポリヌクレオチドを構成的に発現させるプロモーターを有するベクター又は外的な刺激によって誘導的に活性化されるプロモーターを有するベクターが挙げられる。
植物細胞内でポリヌクレオチドを構成的に発現させるプロモーターの例としては、カリフラワーモザイクウィルスの35S RNAプロモーター、rd29A遺伝子プロモーター、rbcSプロモーター、mac−1プロモーター等が挙げられる。
外的な刺激によって誘導性に活性化されるプロモーターの例としては、mouse mammary tumor virus(MMTV)プロモーター、テトラサイクリン応答性プロモーター、メタロチオネインプロモーター及びヒートショックプロテインプロモーター等が挙げられる。
本発明において形質転換の対象となる植物は、植物体全体、植物器官(例えば葉、花弁、茎、根、種子など)、植物組織(例えば表皮、師部、柔組織、木部、維管束、柵状組織、海綿状組織など)又は植物培養細胞、あるいは種々の形態の植物細胞(例えば、懸濁培養細胞)、プロトプラスト、葉の切片、カルスなどのいずれをも意味する。形質転換に用いられる植物としては、特に限定されず、単子葉植物綱又は双子葉植物綱に属する植物のいずれでもよい。
植物への遺伝子の導入には、当業者に公知の形質転換方法(例えば、アグロバクテリウム法、遺伝子銃法、PEG法、エレクトロポレーション法など)が用いられる。例えば、アグロバクテリウムを介する方法と直接植物細胞に導入する方法が周知である。アグロバクテリウム法を用いる場合は、構築した植物用発現ベクターを適当なアグロバクテリウム(例えば、アグロバクテリウム・チュメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens))に導入し、この株をリーフディスク法(内宮博文著、植物遺伝子操作マニュアル(1990)27〜31頁、講談社サイエンティフィック、東京)などに従って無菌培養葉片に感染させ、形質転換植物を得ることができる。また、Nagel et alの方法(Micribiol.Lett.,67:325(1990))が用いられ得る。この方法は、まず、例えば発現ベクターをアグロバクテリウムに導入し、次いで、形質転換されたアグロバクテリウムをPlant Molecular Biology Manual(Gelvin,S.B.et al.,Academic Press Publishers)に記載の方法で植物細胞又は植物組織に導入する方法である。ここで、「植物組織」とは、植物細胞の培養によって得られるカルスを含む。アグロバクテリウム法を用いて形質転換を行う場合には、バイナリーベクター(pBI121又はpPZP202など)を使用することができる。
また、遺伝子を直接植物細胞又は植物組織に導入する方法としては、エレクトロポレーション法、パーティクルガン法が知られている。パーティクルガンを用いる場合は、植物体、植物器官、植物組織自体をそのまま使用してもよく、切片を調製した後に使用してもよく、プロトプラストを調製して使用してもよい。このように調製した試料を遺伝子導入装置(例えばPDS−1000(BIO−RAD社)など)を用いて処理することができる。処理条件は植物又は試料によって異なるが、通常は450〜2000psi程度の圧力、4〜12cm程度の距離で行う。
遺伝子が導入された細胞又は植物組織は、まずハイグロマイシン耐性などの薬剤耐性で選択され、次いで定法によって植物体に再生される。形質転換細胞から植物体の再生は、植物細胞の種類に応じて当業者に公知の方法で行うことが可能である。
植物培養細胞を宿主として用いる場合は、形質転換は、組換えベクターを遺伝子銃、エレクトロポレーション法などで培養細胞に導入する。形質転換の結果得られるカルスやシュート、毛状根などは、そのまま細胞培養、組織培養又は器官培養に用いることが可能であり、また従来知られている植物組織培養法を用い、適当な濃度の植物ホルモン(オーキシン、サイトカイニン、ジベレリン、アブシジン酸、エチレン、ブラシノライドなど)の投与などによって植物体に再生させることができる。
本発明のポリヌクレオチドが植物に導入されたか否かの確認は、PCR法、サザンハイブリダイゼーション法、ノーザンハイブリダイゼーション法などによって行うことができる。例えば、形質転換植物からDNAを調製し、DNA特異的プライマーを設計してPCRを行う。PCRは、前記プラスミドを調製するために使用した条件と同様の条件で行うことができる。その後は、増幅産物についてアガロースゲル電気泳動、ポリアクリルアミドゲル電気泳動又はキャピラリー電気泳動などを行い、臭化エチジウム、SYBR Green液などによって染色し、そして増幅産物を1本のバンドとして検出することによって、形質転換されたことを確認することができる。また、予め蛍光色素などによって標識したプライマーを用いてPCRを行い、増幅産物を検出することもできる。さらに、マイクロプレートなどの固相に増幅産物を結合させ、蛍光又は酵素反応などによって増幅産物を確認する方法も採用することができる。
本発明のポリヌクレオチドがゲノム内に組み込まれた形質転換植物体が一旦取得されれば、当該植物体の有性生殖又は無性生殖によって子孫を得ることができる。また、当該植物体又はその子孫、あるいはこれらのクローンから、例えば、種子、果実、切穂、塊茎、塊根、株、カルス、プロトプラストなどを得て、それらを基に当該植物体を量産することができる。従って、本発明には、本発明に係るポリヌクレオチドが発現可能に導入された植物体、若しくは当該植物体と同一の性質を有する当該植物体の子孫、又はこれら由来の組織も含まれる。
また、種々の植物に対する形質転換方法が既に報告されている。本発明に係る形質転換体植物としては、ナス科植物(例えば、ナス、トマト、トウガラシ、ジャガイモ、タバコ、チョウセンアサガオ、ホオズキ、ペチュニア、カリブラコア、ニーレンベルギア等)、マメ科植物(例えば、ダイズ、アズキ、ラッカセイ、インゲンマメ、ソラマメ、ミヤコグサ等)、バラ科植物(例えば、イチゴ、ウメ、サクラ、バラ、ブルーベリー、ブラックベリー、ビルベリー、カシス、ラズベリー、テンチャ等)、ナデシコ科植物(カーネーション、カスミソウ等)、キク科植物(キク、ガーベラ、ヒマワリ、デイジー、ステビア等)、ラン科植物(ラン等)、サクラソウ科植物(シクラメン等)、リンドウ科植物(トルコギキョウ、リンドウ等)、アヤメ科植物(フリージア、アヤメ、グラジオラス等)、ゴマノハグサ科植物(キンギョソウ、トレニア等)ベンケイソウ(カランコエ)、ユリ科植物(ユリ、チューリップ等)、ヒルガオ科植物(アサガオ、モミジヒルガオ、ヨルガオ、サツマイモ、ルコウソウ、エボルブルス等)、アジサイ科植物(アジサイ、ウツギ等)、ウリ科植物(ユウガオ等)、フロウソウ科植物(ペラルゴニウム、ゼラニウム等)、モクセイ科植物(レンギョウ等)、ブドウ科植物(例えば、ブドウ等)、ツバキ科植物(ツバキ、チャノキ等)、イネ科植物(例えば、イネ、オオムギ、コムギ、エンバク、ライムギ、トウモロコシ、アワ、ヒエ、コウリャン、サトウキビ、タケ、カラスムギ、シコクビエ、モロコシ、マコモ、ハトムギ、牧草等)、クワ科植物(クワ、ホップ、コウゾ、ゴムノキ、アサ等)、アカネ科植物(コーヒーノキ、クチナシ等)、ブナ科植物(ナラ、ブナ、カシワ等)、ゴマ科植物(ゴマ等)、ミカン科植物(例えば、ダイダイ、ユズ、ウンシュウミカン、サンショウ)及びアブラナ科植物(赤キャベツ、ハボタン、ダイコン、シロナズナ、アブラナ、キャベツ、ブロッコリー、カリフラワー等)、シソ科(サルビア、シソ、ラベンダー、タツナミソウ等)が挙げられる。形質転換対象の植物として特に好ましい例としては、ステビオールをアグリコンとして種々の配糖体を生合成することが知られている植物を使用することが望ましく、このような植物としては、ステビアやテンチャ(Rubus suauissimus)等を挙げることができる。
本発明のポリヌクレオチドで形質転換された植物体(以下、「本発明の植物」又は「本発明の植物体」)は、適切な基質を有する場合、もしくは、適切な基質を外部から添加した場合、その野生型と比べてステビオール配糖体を多く生産することができる。
本発明の植物は、本発明の植物の種子、挿し木、球根等を育成することにより、容易に完全な植物体を得ることができる。
よって、本発明の植物には、植物体全体、植物器官(例えば葉、花弁、茎、根、種子、球根等)、植物組織(例えば表皮、師部、柔組織、木部、維管束、柵状組織、海綿状組織等)又は植物培養細胞、あるいは種々の形態の植物細胞(例えば、懸濁培養細胞)、プロトプラスト、葉の切片、カルス等が含まれる。
4. 形質転換体の抽出物及びその利用
本発明はまた、別の実施形態において、上記の形質転換体の抽出物を提供する。本発明の形質転換体は、適切な基質を有する場合、もしくは、適切な基質を外部から添加した場合、その野生型と比べてステビオール配糖体の含有量が高いので、その抽出物には、ステビオール配糖体が高濃度で含まれると考えられる。
本発明の形質転換体の抽出物は、形質転換体をガラスビーズ、ホモジェナイザー又はソニケーター等を用いて破砕し、当該破砕物を遠心処理し、その上清を回収することにより、得ることができる。さらに、上記で述べたステビオール配糖体の抽出方法により、さらなる抽出工程を施してもよい。
本発明の形質転換体の抽出物は、常法に従って、例えば、食品、医薬品、工業原料の製造等の用途に使用することができる。
本発明はまた、別の実施形態において、本発明の形質転換体の抽出物を含む食品、医薬、工業原料(食品等の原料)を提供する。本発明の形質転換体の抽出物を含む食品、医薬、工業原料の調製は、常法による。このように、本発明の形質転換体の抽出物を含む食品、医薬、工業原料等は、本発明の形質転換体を用いて生成されたステビオール配糖体を含有する。
本発明の医薬品(組成物)の剤型は、特に限定されず、溶液状、ペースト状、ゲル状、固体状、粉末状等任意の剤型をとることができる。また、本発明の医薬組成物は、オイル、ローション、クリーム、乳液、ゲル、シャンプー、ヘアリンス、ヘアコンディショナー、エナメル、ファンデーション、リップスティック、おしろい、パック、軟膏、パウダー、歯磨、エアロゾル、クレンジングフォーム等の皮膚外用薬の他、浴用剤、養毛剤、皮膚美容液、日焼け防止剤等に用いることができる。
本発明の医薬組成物は、必要に応じてさらに、その他の医薬活性成分(例えば、消炎成分)又は補助成分(例えば、潤滑成分、担体成分)を含んでいても良い。
本発明の食品の例としては、栄養補助食品、健康食品、機能性食品、幼児用食品、老人用食品等が挙げられる。本明細書中、食品は、固体、流動体、及び液体、並びにそれらの混合物であって、摂食可能なものの総称である。
栄養補助食品とは、特定の栄養成分が強化されている食品をいう。健康食品とは、健康的な又は健康によいとされる食品をいい、栄養補助食品、自然食品、ダイエット食品等を含む。機能性食品とは、体の調節機能を果たす栄養成分を補給するための食品をいい、特定保健用途食品と同義である。幼児用食品とは、約6歳までの子供に与えるための食品をいう。老人用食品とは、無処理の食品と比較して消化及び吸収が容易であるように処理された食品をいう。
本発明の食品は、甘味料としてカロリーレスのステビオール配糖体を使用している。このため、本発明の食品は低カロリーであり、健康増進又は健康維持に寄与するというメリットを有する。
これらの食品の形態の例としては、パン、麺類、パスタ、ごはん、菓子類(ケーキ、アイスクリーム、アイスキャンデー、ドーナツ、焼き菓子、キャンデー、チューインガム、グミ、錠菓、並びに団子及びまんじゅう等の和菓子)、豆腐及びその加工品等の農産食品、清酒、薬用酒、みりん、食酢、醤油、みそ等の発酵食品、ヨーグルト、ハム、ベーコン、ソーセージ等の畜産食品、かまぼこ、揚げ天、はんぺん等の水産食品、果汁飲料、清涼飲料、スポーツ飲料、アルコール飲料、茶等又は調味料であってもよい。
5.ステビオール配糖体含有量の高い植物をスクリーニングする方法
本発明は、ステビオール配糖体含有量の高い植物をスクリーニングする方法を提供する。具体的には、前記方法は、以下の(1)〜(3)の工程を含む。
(1)被検植物からmRNAを抽出する工程
(2)前記mRNA又は前記mRNAから調製したcDNAと、本発明のポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドと高ストリンジェントな条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチドとをハイブリダイズさせる工程
(3)前記ハイブリダイゼーションを検出する工程
上記工程(1)は、被検植物から、mRNAを抽出することにより行うことができる。mRNAを抽出する被検植物の部位は、特に限定されないが、好ましくは、花弁である。mRNAを抽出した場合には、逆転写することにより、mRNAからcDNAを調製してもよい。
工程(2)は、上記で抽出したmRNAに対し、本発明のポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチド若しくはオリゴヌクレオチドをプローブ又はプライマーとして、高ストリンジェントな条件下でハイブリダイズさせることにより行うことができる。本明細書中、「高ストリンジェントな条件」とは、例えば、(1)5×SSC、5×デンハルト溶液、0.5%SDS、50%ホルムアミド、50℃、(2)0.2xSSC、0.1%SDS、60℃、(3)0.2xSSC、0.1%SDS、62℃、又は(4)0.2xSSC、0.1%SDS、65℃の条件であるが、これに限定されるものではない。これらの条件において、温度を上げるほど高い配列同一性を有するDNAが効率的に得られることが期待できる。ただし、ハイブリダイゼーションのストリンジェンシーに影響する要素としては温度、プローブ濃度、プローブの長さ、イオン強度、時間、塩濃度等の複数の要素が考えられ、当業者であればこれらの要素を適宜選択することで同様のストリンジェンシーを実現することが可能である。
ポリヌクレオチド若しくはオリゴヌクレオチドは、好ましくは、5〜500bp、より好ましくは、10〜200bp、さらに好ましくは、10〜100bpの長さである。ポリヌクレオチド若しくはオリゴヌクレオチドは、各種自動合成装置(例えば、AKTAoligopilot plus 10/100(GE Healthcare))を用いて容易に合成することが可能であり、あるいは、第三者機関(例えば、Promega社又はTakara社)等に委託することもできる。
工程(2)において本発明のポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドをプローブとして用いた場合には、工程(3)は、通常のサザンブロッティング、ノーザンブロッティング(Sambrook,Fritsch and Maniatis,”Molecular Cloning:A Laboratory Manual”2nd Edition(1989),Cold Spring Harbor Laboratory Press)、マイクロアレイ(Affymetrix社;米国特許第6,045,996号、同第5,925,525号、及び同第5,858,659号参照)、TaqMan PCR(Sambrook,Fritsch and Maniatis,”Molecular Cloning:A Laboratory Manual”2nd Edition(1989),Cold Spring Harbor Laboratory Press)、又はFluorescent In Situ Hybridization(FISH)(Sieben V.J.et al.,(2007−06).IETNanobiotechnology 1(3):27−35)等のハイブリダイゼーション検出方法により行うことができる。一方、工程(2)において本発明のポリヌクレオチドと相補的な塩基配列からなるポリヌクレオチドをプライマーとして用いた場合には、工程(3)は、PCR増幅反応を行い、得られた増幅産物を電気泳動又はシークエンシング(Sambrook,Fritsch and Maniatis,”Molecular Cloning:A Laboratory Manual”2nd Edition(1989),Cold Spring Harbor Laboratory Press)等によって解析することにより、ハイブリダイゼーションを検出することができる。
ハイブリダイゼーションがより多く検出された植物体は、他の植物体と比べて下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をより多く発現しているといえるので、ステビオール配糖体含有量が高いことが予測される。
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明の範囲は、これらの実施例によって限定されるものではない。
[実施例1]ステビオールビオシド配糖体化酵素の候補遺伝子の単離
先行研究(非特許文献2)ではステビオール配糖体に対して配糖体活性が認められなかったと報告されているUGT73E1(AY345979)と相同性の高い遺伝子を得るために、下記のプライマーセット(配列番号3および4)でステビア葉から調製したcDNAを鋳型にPCRを行った。
ステビア葉cDNAについてはステビア葉からRNeasy Plant Miniキット(QIAGEN)を用いて総RNAを抽出し、そのうち0.5μgをRandom Oligo−dTプライマーで逆転写(RT)反応することによって得た。
CACC−NdeI−SrUGT73E1−Fw:
BamHI−SrUGT73E1−Rv:
PCR反応液(50μl)は、ステビア葉由来cDNA 1μ1、1×ExTaq buffer(TaKaRaBio)、0.2mM dNTPs、プライマー各0.4pmol/μl、ExTaq polymerase 2.5Uからなる組成とした。PCR反応は、94℃で3分間反応させた後、94℃で1分間、50℃で1分間、72℃で2分間の反応を計30サイクルの増幅を行った。PCR産物を0.8%アガロースゲルによる電気泳動し、エチジウムブロマイド染色した結果、それぞれの鋳型DNAから推定された約1.5kbのサイズに増幅バンドが得られた。
このPCR産物はpENTR−TOPO Directionalベクター(Invitrogen)に製造業者が推奨する方法でサブクローニングした。DNA Sequencer model 3100(Applied Biosystems)を用い、合成オリゴヌクレオチドプライマーによるプライマーウォーキング法によって配列を決定した。
クローン化したcDNA(「UGT73E1ホモログプロテイン1」とする)の配列を解読した結果、報告のあるUGT73E1とはDNAレベルで98%の配列同一性(16塩基の違い)、アミノ酸レベルで98%配列同一性(8アミノ酸の違い)を示した(CDS配列:配列番号1、アミノ酸配列:2)。
[実施例2]発現ベクターの構築
プライマーに付加したNdeIおよびBamHIの制限酵素部位(配列番号3および4の下線部)を利用して約1.5kbのUGT73E1ホモログプロテイン1のORF断片を切り出し、大腸菌発現ベクターであるpET15b(Novagen社)のNdeIおよびBamHIサイトへ連結し、本酵素遺伝子の大腸菌発現ベクターを得た。本ベクターNdeIサイト上流にあるHisタグとUGT73E1ホモログプロテイン1遺伝子のオープンリーディングフレームが合っており、UGT73E1ホモログプロテイン1とHisタグの融合したキメラタンパク質が発現するよう設計した。
[実施例3]組み換えタンパク質の発現および精製
本酵素の生化学的な機能を明らかにするために、本酵素を大腸菌において発現させた。上記で得られたUGT73E1ホモログプロテイン1大腸菌発現用プラスミドを用い定法に従って大腸菌BL21(DE3)株を形質転換した。得られた形質転換体を、50μg/mlのアンピシリンを含むLB培地(10g/l typtone pepton,5g/l yeastextract,1g/l NaCl)4mlにて、37℃で一晩振盪培養した。静止期に達した培養液4mlを同組成の培地80mlに接種し、37℃で振盪培養した。菌体濁度(OD600)がおよそ0.5に達した時点で終濃度0.5mMのIPTGを添加し、18℃で20hr振盪培養した。
以下のすべての操作は4℃で行った。培養した形質転換体を遠心分離(5,000×g,10min)にて集菌し、Buffer S[20mM HEPESバッファー(pH7.5),20mM imidazol,14mM β−メルカプトエタノール]1ml/g cellを添加して、懸濁した。続いて、超音波破砕(15sec×8回)を行い、遠心分離(15,000×g,15min)を行った。得られた上清を粗酵素液として回収した。粗酵素液をBuffer Sにて平衡化したHis SpinTrap(GE Healthcare)に負荷し、遠心(70×g,30sec)した。Bufferで洗浄後、100mMおよび500mMのimidazoleを含むBuffer S各5mlにて、カラムに結合したタンパク質を段階的に溶出した。各溶出画分をMicrocon YM−30(Amicon)を用いて20mM HEPESバッファー(pH7.5)、14mM β−メルカプトエタノールにバッファー置換した(透析倍率1000倍)。
SDS−PAGE分離後のCBB染色の結果、200mM imidazole溶出画分においてHisTag融合UGT73E1ホモログプロテイン1キメラタンパク質の推定分子量約50kDa付近にタンパク質を確認した(図3のアステリスク)。この画分を酵素解析に用いた。なお、図3においてパネルAはペレット画分、パネルBはイミダゾール溶液による溶出画分のCBB染色図を示す。
[実施例4]UGT73E1ホモログプロテイン1の酵素活性測定
標準的な酵素反応条件は以下の通りである。反応液(2mM UDP−グルコース,0.1mM 糖受容体基質(ステビオール),100mM リン酸カリウムバッファー(pH7.0),精製UGT73E1ホモログプロテイン1酵素溶液25μl)を蒸留水で50μlに調製し、30℃、1時間反応させた。酵素反応液5μlを下記の条件でLC−MS分析を行った。
LC condition
カラム:Waters Sunfire C18 3.5um 2.0mm I.D.×20mm
移動相:A:MilliQ Water(+0.05% formic acid),B:MeCN
グラジエント:B濃度15%から55%への直線濃度勾配(20分間)
流速:毎分0.2ml
カラムオーブン:40℃
MS condition
ESI(negative mode)
Selected ion monitoring:m/z 317,479,641,687,803 and 849
UGT73E1ホモログプロテイン1とステビオールとを反応させた結果、UGT73E1ホモログプロテイン1とステビオール(ピークA)の反応液中に新たに4種の生成物が見出された(図4:パネル1)。このうちピークEとピークBについては標準品の保持時間(図5)との比較から、それぞれルブソシドとステビオールモノシドと判明した。
一方、残りの2つのピークについては、MSクロマトグラムからコンパウンドY(Compound Y)はモノグルコシド、コンパウンドX(Compound X)はジグルコシドであることが判明した。コンパウンドYは標準品のステビオールモノシドとは保持時間が一致しなかったことから、ステビオールの19位のカルボキシル基がモノグルコシル化されたモノグルコシドと示唆された(図6)。また、コンパウンドXはステビオールのジグルコシドであるステビオールビオシドやルブソシドとは保持時間が一致しなかったことから、19位のカルボキシル基がグルコシル化されたものであることが強く示唆された(図6)。UGT73E1ホモログプロテイン1とUGT85C2を同時にステビオール(ピークA)と反応させた場合、コンパウンドYおよびコンパウンドXのピークは著しく減少した(図4:パネル2)。これは両酵素がステビオールを共通基質とする競合関係にあり、ステビオール(ピークA)がUGT85Cによって速やかにステビオールモノシド(ピークB)に変換されたことが原因と考えられる。
さらに、UGT73E1ホモログプロテイン1とルブソシド(ピークE)と反応により新たにステビオールのトリグルコシドと思われるコンパウンドZ(Compound Z)が生成された(図4:パネル3)。コンパウンドZはステビオールのトリグルコシドであるステビオシドおよびレバウディオシドB(ピークFおよびD)と保持時間が一致しなかったため、ルブソシドの19位のグルコースにさらにグルコシル化されたものであることが示唆された(図6)。
UGT73E1ホモログプロテイン1とステビオールモノシド(ピークB)と反応により、新たに2つのピーク(ピークEおよびピークF)が得られた(図4:パネル4)。保持時間からピークEはルブソシド、そしてピークFはステビオシドと判明した。さらに、UGT73E1ホモログプロテイン1のステビオールビオシド(ピークC)との反応においてもステビオシド(ピークF)と思われる生成物が検出された(図4:パネル5)。
これらの結果から、UGT73E1ホモログプロテイン1はステビオールの13位水酸基をグルコシル化し、ステビオールモノシドを生成し、さらにその13位グルコースをグルコシル化し、ステビオールビオシドを生成し、さらにその19位カルボキシル基をグルコシル化し、ステビオシドを生成する。前述のようにステビオールモノシドの19位をグルコシル化してルブソシドを生成する活性が認められるが、ルブソシドとUGT73E1ホモログプロテイン1との反応液中に顕著なステビオシドのピークが認められないことから、UGT73E1ホモログプロテイン1の反応生成物のステビオシドはステビオールビオシド経由で生成していることが示唆される(図6)。
このようにUGT73E1ホモログプロテイン1はステビオールおよび多様なその配糖体と反応するマルチファンクショナルなグルコシル化酵素であることが明らかとなった(図6)。ステビオールの13位水酸基のグルコシル化、さらに19位カルボキシル基のグルコシル化、さらに19位グルコースのグルコシル化と異なる位置特異性を有することが明らかとなった。本酵素を利用することで、既知のステビオール配糖体を新規な方法で生産することが可能である。さらには、構造的に新規なステビオール配糖体を生産することも可能である。
配列番号3:合成DNA
配列番号4:合成DNA
[配列表]

Claims (19)

  1. 以下の(a)〜(c)よりなる群より選ばれるいずれかに記載のタンパク質。
    (a)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質;
    (b)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質;
    (c)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質
    (式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
  2. 前記糖分子が、ヘキソースである、請求項1に記載のタンパク質。
  3. 前記糖分子が、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるものである、請求項1に記載のタンパク質。
  4. 前記化合物が、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドY
    である、請求項1に記載のタンパク質。
  5. 以下の(a)〜(d)よりなる群より選ばれるポリヌクレオチド。
    (a)配列番号1の塩基配列を含有するポリヌクレオチド;
    (b)配列番号2のアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
    (c)配列番号2のアミノ酸配列において、1〜7個のアミノ酸が欠失、置換、挿入、及び/又は付加されたアミノ酸配列からなり、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド;
    (d)配列番号2のアミノ酸配列に対して、99%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を有し、かつ下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチド
    (式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
  6. 前記糖分子が、ヘキソースである、請求項5に記載のポリヌクレオチド。
  7. 前記糖分子が、グルコース、マンノース及びガラクトースからなる群より選択されるものである、請求項5に記載のポリヌクレオチド。
  8. 前記化合物が、ステビオール、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ルブソシド又はコンパウンドY
    である、請求項5に記載のポリヌクレオチド。
  9. 請求項5に記載のポリヌクレオチドが導入された非ヒト形質転換体。
  10. 前記ポリヌクレオチドが、発現ベクターに挿入されたものである、請求項9に記載の形質転換体。
  11. 植物体である、請求項9に記載の形質転換体。
  12. 請求項9に記載の形質転換体の抽出物。
  13. 請求項12に記載の抽出物を含む食品、医薬品又は工業原料。
  14. 請求項9に記載の非ヒト形質転換体を培養することを特徴とするタンパク質の製造方法であって、前記タンパク質が下記一般式(I)で示される化合物の13位の−OR及び19位の−COORに糖分子を付加する活性を有する、方法。
    (式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
  15. 請求項9に記載の非ヒト形質転換体を用いることを特徴とするステビオール配糖体の製造方法。
  16. 前記ステビオール配糖体が、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX
    コンパウンドY
    コンパウンドZ
    又はこれらの組み合わせである、請求項15に記載の方法。
  17. 請求項1に記載のタンパク質と、UDP−糖と、下記一般式(I)で示される化合物とを反応させる工程を含む、ステビオール配糖体の製造方法。
    (式中、RはH、グルコース単量体又はグルコース2量体を表し、RはH又はグルコース単量体を表す。)
  18. 前記UDP−糖における糖が、グルコースである、請求項17に記載の方法。
  19. 前記ステビオール配糖体が、ステビオールモノシド、ステビオールビオシド、ステビオシド、ルブソシド、コンパウンドX
    コンパウンドY
    コンパウンドZ
    又はこれらの組み合わせである、請求項17に記載の方法。
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