KR100196768B1 - Sec y gene which secrets protein in streptomyces and mass production method - Google Patents

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Abstract

B. subtilis와 M. luteus와 같은 그람 양성균으로 자연적 단백질 분비체계가 발달되어 있고 여러 가지 유용한 2차 대사산무를 생산하며 분자생물학적으로 방선균 연구의 모델 시스템으로 이용되고 있는 S. coelicolor와 외래 유전자 산물의 발현균주로 많이 이용되는 Streptomyces lividans로부터 세포외 단백질 분비의 트랜스로케이터의 역할을 하는 것으로 알려진 SecY 단백질의 유전자를 분리하고 이제까지 밝혀진 secY 유전자 염기서열과는 상동성 여부, 유전자 조직, 아미노산 서열의 상동성과 소수성 분석(hydrophobic analysis) 등으로 secY 유전자임을 확인하고 이 secY 유전자를 이용하여 자연적인 단백질 분비체계가 발달된 S. coelicolor와 S. lividans를 유용 이종 단백질 분비증대를 위한 균주로 개발하고자 한다.S. coelicolor, which is a gram-positive organism such as B. subtilis and M. luteus, has been developed as a natural system of protein secretion, produces a variety of useful secondary metabolites and is used as a molecular system for actinomycetes. The SecY protein gene, which is known to act as a trans locator for extracellular protein secretion from Streptomyces lividans, which is widely used as an expression strain, is isolated and compared with the secY gene sequence so far found to be homologous, homologous and hydrophobic (SecY) gene by hydrophobic analysis, and to develop S. coelicolor and S. lividans, which have developed a natural protein secretion system by using this secY gene, as a strain to increase useful heterologous protein secretion.

Description

방선균의 단백질 분비에 관여하는 secY 유전자 및 이를 이용한 단백질의 대량 생산 방법SecY gene involved in the secretion of actinomycetes and a method for mass production of proteins using the same

제1도는 spc 오페론내에 보존된 지역의 아미노산 서열을 이용하여 제작한 PCR 프라이머를 나타낸 도면.Figure 1 shows a PCR primer made using the amino acid sequence of the region conserved in the spc operon.

제2도는 4개의 프라이머를 이용하여 Streptomyces coelicolor(a)와 Streptomyces lividans(b)의 게놈(genomic) DNA로부터 얻은 PCR 생성물을 나타낸 도면.2 shows a PCR product obtained from the genomic DNA of Streptomyces coelicolor (a) and Streptomyces lividans (b) using four primers.

제3도는 Streptomyces coelicolor(a)와 Streptomyces lividans(b)에서 클로닝한 secY 유전자의 제한 효소 지도.Figure 3 shows the restriction map of secY gene cloned in Streptomyces coelicolor (a) and Streptomyces lividans (b).

제4도 (a) 및 (b)는 Streptomyces coelicolor와 Streptomyces lividans secY 유전자의 DNA 염기 서열과 추론한 아미노산 서열을 나타낸 도면.FIGS. 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing DNA sequences and deduced amino acid sequences of Streptomyces coelicolor and Streptomyces lividans secY genes. FIG.

제5도 (a) 및 (b)는 Streptomyces coelicolor, Micrococcus luteus, 그리고 Bacillus subtilils.FIGS. 5 (a) and (b) show Streptomyces coelicolor, Micrococcus luteus, and Bacillus subtilils.

제6도 (a) 및 (b)는 Streptomyces lividans에서 SecY 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 도면.6 (a) and 6 (b) are diagrams showing the amino acid sequence of the SecY protein in Streptomyces lividans.

제7도 (a)는 M. luteus와 B. subtilis, (b)는 M. luteus와 S. coelicolor, (c)는 M. luteus와 S. lividans, (d)는 S. coelicolor와 S. lividans의 SecY 단백질의 상동성을 나타낸 그래프.(A), (b), (c), and (c), respectively. (A) shows M. luteus and B. subtilis, (b) shows M. luteus and S. coelicolor, Lt; RTI ID = 0.0 > SecY < / RTI >

제8도는 B. subtilils (a), M. luteus (b), S. coelicolor (c) S. lividans(d)에서 SecY 단백질의 소수성을 비교하여 나타낸 도면.FIG. 8 is a comparison of the hydrophobicity of SecY proteins in B. subtilils (a), M. luteus (b), S. coelicolor (c) S. lividans (d)

제9도는 Streptomyces coelicolor와, Micrococcus luteus에서 보존이 잘되어 있는 SecY 단백질의 세포질 지역과 세포막에 걸쳐져 있는 부분의 아미노산 유사성 정도를 나타낸 도면.FIG. 9 is a diagram showing the degree of amino acid similarity between the cytoplasmic region of the SecY protein, which is well-preserved in Streptomyces coelicolor and Micrococcus luteus,

[산업상 이용 분야][Industrial Applications]

본 발명은 단백질의 대량 분비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Streptomyces coelicolor와 Streptomyces lividans와 같은 방선균에서 세포의 단백질 분비에 중요한 역할을 하는 유전자의 분리 및 이 유전자를 이용하여 방선균에서 유용단백질의 분비에 유용한 균주 개발의 가능성에 관한 것이다.The present invention relates to the mass secretion of proteins, and more particularly, to the isolation of genes that play an important role in the secretion of cellular proteins in actinomycetes such as Streptomyces coelicolor and Streptomyces lividans and the use of this gene for the secretion of useful proteins in actinomycetes The possibility of the development of the strain.

[종래 기술]BACKGROUND ART [0002]

그람 양성 진정세균군에 속하는 Streptomyces는 토양에서의 분리가 쉽고 산업적으로 유용한 여러 가지의 2차 대사산물을 생산하는 균주로 잘 알려져 있다. 이 Streptomyces는 영양 환경의 변화에 따라 기저 균사(substrate mycelium)의 형태로 생장하다가 영양분이 고갈되면 기균사(aerial mycelium)를 형성하고 기균사 내에 격벽이 생겨 여러 개의 포자(spore)로 분화하게 된다. 최근의 분자생물학적 연구에 따르면, Streptomyces의 세포분화는 세포 생장기 중 세포분화 반응이 복잡하게 일어나는 정지기에서 더욱 활발해지며 항생제 등의 유용한 물질로 사용되는 2차 대사산물의 생산도 정지기에서 주로 생합성되고 이러한 단계에서 발현되는 유전자에 변이가 생길 경우 항생물질 생산능과 포자착생능을 동시에 잃어버리는 현상이 빈번하게 관찰되어 Streptomyces에서의 2차 대사와 형태분화는 서로 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있고, 이러한 이유로 현재는 환경요인에 의한 세포분화와 2차 대사산물의 생산에 대한 조절기작연구가 동시에 이루어지고 있는 추세이다.Streptomyces belonging to the group of gram-positive sedentary bacteria is well known as a strain producing various secondary metabolites which are easy to separate from soil and industrially useful. This Streptomyces grows in the form of substrate mycelium according to the nutritional environment, and when the nutrients are depleted, it forms aerial mycelium and segregates into several spores by forming septa in the mycelium. According to recent molecular biology research, the cell differentiation of Streptomyces becomes more active in the stasis where the cell differentiation reaction occurs in the cell growth period, and the production of the secondary metabolite used as a useful substance such as antibiotics is mainly biosynthesized in the stasis It is known that when mutations occur in the genes expressed at these stages, antibiotic production ability and spore-forming ability are frequently lost, and secondary metabolism and morphological differentiation in Streptomyces are closely related to each other. At present, studies on the regulation of cell differentiation and production of secondary metabolites by environmental factors are simultaneously being conducted.

또한 최근에는 항생제 생산을 위한 발효공정 조절에 관한 지식이 축적됨으로 인하여 현재 사용되는 항생제의 60% 정도를 생산하는 Streptomyces를 이종세포 단백질 발현을 위한 숙주균으로 이용하고자 하는 시도도 큰 관심을 끌고 있다.Recently, the knowledge about the regulation of the fermentation process for the production of antibiotics has been accumulated. Therefore, it is attracting great interest to use Streptomyces, which produces about 60% of the antibiotics currently used, as a host cell for the expression of xenogeneic cell protein.

그러나 이와 같은 방선균은 2차대사산물외의 많은 세포의 효소를 분비하는데 아직 이러한 단백질 분비기작에 대한 연구는 전무한 상태이며 유용한 단백질 생산의 증가를 위해서는 합성경로에 관여하는 기질이나 해당 유전자의 과발현(overexpression)으로 과다생산을 하고 있으나 아직 많은 문제점을 갖고 있다. 하지만 단백질 분비에 중요한 역할을 하는 seeY 유전자를 이용한 단백질 대량 생산 균주를 개발한다면 산업상 매우 유용할 것이며 이는 이미 Bacillus subtilis의 secY 유전자를 이용한 실험에서 많은 가능성을 갖게 되었다.However, such actinomycetes secrete many cell enzymes other than secondary metabolites. However, there is no study on the mechanism of this protein secretion yet, and in order to increase useful protein production, overexpression of the substrate involved in the synthesis pathway, But it still has a lot of problems. However, it would be very useful in industry to develop mass-producing strains of proteins using the seeY gene, which plays an important role in protein secretion, and this has already become possible in experiments using the secY gene of Bacillus subtilis.

한편 단백질의 분비와 관련하여 지금까지 원핵세포의 단백질 분비기작에 대한 연구는 그람 음성균인 대장균(Escherichia coli)을 대상으로는 어느 정도 진전이 있어 분비와 관련된 유전자로서 secY 유전자 외에 secA, secB, secD, secE 등이 알려져 있으나, 그람 양성균에서의 단백질 분비기작에 관한 연구는 거의 전무한 상태이며 그 중 Sub등(1990)에 의하여 실시된 Bacillus subtilis에서 단백질 트랜스로케이터로 지목된 secY 유전자의 분리와 이 유전자의 발현에 중요한 역할을 하는 마이너 프로모터(minor promoter) 지역결정, secY 유전자를 조절하는 세포의 제작과 Micrococcus luteus등의 몇몇 균주에서 secY 유전자를 분리한 연구가 이루어졌을 뿐이다.In the meantime, studies on the protein secretion mechanism of prokaryotic cells related to the secretion of protein have been carried out on Escherichia coli, which is gram-negative bacterium, to some extent, and secA, secB, secD, secE. However, there is almost no research on the mechanism of protein secretion in Gram-positive bacteria. Among them, the isolation of secY gene as a protein transcriptor in Bacillus subtilis performed by Sub et al. (1990) (Sec.), SecY gene, and the isolation of secY gene from several strains such as Micrococcus luteus.

상기한 secY 유전자에 의해 발현된 secY는 단백질 분비 및 세포성장에 중요한 역할을 하는 막단백질로, secY 유전자에 돌연변이가 일어난 대장균의 경우 분비 단백질을 세포외에 분비하지 못하고 그 단백질의 전구체를 세포 내에 축적하는 것이 관찰되었다. 이 secY는 공통적으로 세포막내에서 NH2- 및 COOH- 말단들이 세포질(cytoplasm)로 향하고 그 가운데 부분이 세포막을 10회 통과하는 형태(topology)를 가지고 있다.SecY expressed by the secY gene is a membrane protein that plays an important role in protein secretion and cell growth. In the case of Escherichia coli mutated in the secY gene, secretory protein can not be secreted outside the cell, and the precursor of the protein is accumulated in the cell . This secY has a topology in which the NH 2 - and COOH- ends are directed to the cytoplasm in the cell membrane, and a portion thereof passes through the cell membrane 10 times.

[발명의 목적][Object of the invention]

본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 많은 종류의 유용한 이종 단백질 생산의 숙주 균주로 사용되는 방선균, Streptomyces에서 아직 밝혀지지 않은 단백질 분비 기작을 규명할 수 있는 secY 유전자의 분리와 이 유전자를 이용하여 단백질 분비 균주로 방선균을 개발하여 유용한 단백질 생산을 증대시키는 데에 있다.DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a stactobacterium which is used as a host strain for producing many kinds of useful heterologous proteins, a secY gene capable of identifying a protein secretion mechanism not yet revealed in Streptomyces And to develop actinomycetes as protein secretion strains by using this gene to increase useful protein production.

[발명의 구성]SUMMARY OF THE INVENTION [

상기한 본 발명의 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 구성을 가진다.In order to solve the above-mentioned object of the present invention, the present invention has the following configuration.

본 발명에 있어서, 단백질 분비에 중요한 트랜스로케이터 역할을 하는 secY 유전자를 제공한다.In the present invention, a secY gene serving as a transpos locus important for protein secretion is provided.

secY 유전자는 Streptomyces coelicolor와 Streptomyces lividans에서 분리하는 것이 바람직하다. 그리고 secY 유전자는 제4도의 염기 서열을 가지며 adk 오페론에 포함된다. 또한 secY 유전자의 프로모터 지역은 GTG 번역시작코돈으로부터 -10위치의 AGGA와 -35위치의 TTGACG 염기서열을 갖는 지역으로 추정되며 리보좀 결합지역 역시 ORF로부터 -10위치의 GGAGG 염기서열을 갖는 지역이라고 추정되며 GTG 개시코돈으로부터 TGA 종결코돈까지의 1314bp로 되어 있으며 438개 아미노산으로 구성되어 있으며 분자량이 47.4kD이다. 또한 10개의 소수성인 트랜스멤브레인 세그먼트가 세포벽을 10회 통과하는 구조를 가지는 트랜스멤브레인 단백질이다.The secY gene is preferably isolated from Streptomyces coelicolor and Streptomyces lividans. The secY gene has the nucleotide sequence of Figure 4 and is included in the adk operon. Also, the promoter region of secY gene is presumed to be a region having AGGA at -10 position from the GTG translation initiation codon and TTGACG nucleotide sequence at -35 position, and the ribosome binding region is also a region having GGAGG nucleotide sequence from ORF to -10 position It is 1314 bp from the GTG start codon to the TGA termination codon and consists of 438 amino acids and has a molecular weight of 47.4 kD. It is also a transmembrane protein with a structure in which ten hydrophobic transmembrane segments pass through the cell wall ten times.

또한 본 발명에 있어서 상기 secY 유전자를 분리하여 이 유전자 염기서열을 결정한 DNA 단편을 포함하며 대장균 내에서 안정한 플라스미드 pGEMC-secY, pGEML-secY 벡터를 제공한다.In the present invention, the secY gene is isolated and the plasmid pGEMC-secY and pGEML-secY vectors containing the DNA fragment in which the gene sequence is determined are provided in E. coli.

그리고 본 발명은 secY 유전자를 대장균과 방선균 tu틀(shuttle) 벡터 DNA에 삽입하고 secY 유전자가 삽입된 벡터 DNA를 숙주세포에 도입하고 상기 숙주세포를 배양하여 생산된 이종 단백질의 대량 분비 방법 및 이 벡터pKCY11을 제공한다. 본 발명은 단백질 분비 증대를 위하여 secY 유전자를 변형이용한 벡터나 균주도 포함한다. 상기 숙주세포는 방선균인 것이 바람직하다.The present invention also relates to a method for mass secretion of a heterologous protein produced by inserting a secY gene into E. coli and actinomycete tufty vector DNA, introducing a vector DNA into which a secY gene has been inserted into a host cell, culturing the host cell, pKCY11. The present invention also includes a vector or strain using a modification of the secY gene to increase protein secretion. The host cell is preferably actinomycetes.

secY 단백질은 제5도의 아미노산 서열을 갖는다.The secY protein has the amino acid sequence of FIG. 5.

하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 기술한 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following examples are provided to further illustrate the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

I. Streptomyces coelicolor의 배양I. Culture of Streptomyces coelicolor

고형배지인 R2YE 배지(수크로즈(sucrose) 103g, 황산칼륨(K2SO4) 0.25G, 염화마그네슘6수염(MgCL2·6H2O) 10.12g, 글루코즈(glucose) 10g, 카사미노에시드(casamino acid) 0.1g, 이스트 추출액(yeast extract) 5g, TES 5g, 미량원소0.5%, 인신제1칼륨(KH2PO4) 1ml, 1M 염화칼슘2수염 2ml, 20% L-프롤린 1.5ml, 1N 수산화나트륨 0.7ml per 100ml 2ml 아가 25g per 1ℓ에서 Streptomyces coelicolor(Muller: 이하 S. coelicolor로 기재함)를 배양하였다.Solid medium in R 2 YE medium (sucrose (sucrose) 103g, potassium sulfate (K 2 SO 4) 0.25G, magnesium chloride 6 beard (MgCL 2 · 6H 2 O) 10.12g, glucose (glucose) 10g, Casa Mino Acid 5 g of yeast extract, 5 g of TES, 0.5% of trace elements, 1 ml of potassium primary phosphate (KH 2 PO 4 ), 2 ml of 1 M calcium chloride dihydrate, 1.5 ml of 20% L- Sodium hydroxide 0.7 ml per 100 ml Streptomyces coelicolor (Muller: hereinafter referred to as S. coelicolor) was cultured in 2 ml agar 25 g per liter.

II. DNA 분리및 재조합II. DNA Isolation and Recombination

S. coelicolor의 염색체 DNA의 분리는 Hopwood 등(23)의 방법을 수정하여 실시하였는데, 그 분리과정은 다음과 같다.The isolation of chromosomal DNA from S. coelicolor was performed by modifying the method of Hopwood et al. (23).

YEME 액체배지(이스트 추출액 3g, 펩톤 5g, 말트-추출액 2g, 글루코즈 10g, 수크로즈 340g, 고압소독(autoclave)후에 2.5M 염화마그네슘6수염 2ml/ per 1ℓ) 50ml을 사용하여 S. coelicolor를 거쳐서 30℃에서 2~3일간 배양하였다.YEME liquid medium (3 g of yeast extract, 5 g of peptone, 2 g of malt extract, 10 g of glucose, 340 g of sucrose, 50 ml of 2.5 M magnesium chloride hexahydrate (2 ml / per liter after high pressure autoclave) Lt; 0 > C for 2 to 3 days.

그 후에, 8,000rpm에서 원심분리하여 상충액을 버리고 균체를 라이시스 완충액(lysis buffer: 15% 수크로즈, 25mM Tris-Cl pH 7.5, 25mM EDTA)으로 1회 세척한 후에 다시 8,000rpm에서 원심분리하였다. 리소자임(Lysozyme)이 5mg/ml 용해되어 있는 라이시스 완충액 20ml에서 균체를 현탁시키고 37℃에서 1시간 동안 반응시킨 후에 10% SDS 1ml를 넣고 70℃에서 30분간 방치한 후 동량의 페놀/클로로포름(phenol/chloroform)을 처리하여 12,000rpm에서 원심분리하여 상층액을 새로운 튜브에 옮겨 2배의 에탄올과 0.1배의 5M 포타슘 아세테이트(potassium acetate)를 넣고 유리봉(glass rod)으로 DNA를 스풀 아웃(spool out)하였다. 상기의 과정을 거쳐서 얻은 DNA를 70% 에탄올로 세척한 후에 건조시키고 TE 완충액(10mM Tris-Cl pH 7.5, 1mM EDTA)에 녹여서 사용하였다.Thereafter, the cells were centrifuged at 8,000 rpm to discard the confluent solution. The cells were washed once with lysis buffer (lysis buffer: 15% sucrose, 25 mM Tris-Cl pH 7.5, 25 mM EDTA) and centrifuged again at 8,000 rpm . The cells were suspended in 20 ml of Lysozyme buffer containing 5 mg / ml of Lysozyme and reacted at 37 ° C for 1 hour. Thereafter, 1 ml of 10% SDS was added and the mixture was allowed to stand at 70 ° C for 30 minutes. Then, an equal amount of phenol / / chloroform) and centrifuged at 12,000 rpm. Transfer the supernatant to a new tube, add 2x ethanol and 0.1x 5 M potassium acetate, spool out the DNA with a glass rod, ). The DNA obtained by the above procedure was washed with 70% ethanol, dried and dissolved in TE buffer (10 mM Tris-Cl pH 7.5, 1 mM EDTA).

대장균에서의 플라스미드 분리, DNA 재조합 및 형질전환은 마니아티스(Maniatis) 등(24)의 방법에 따라 실시하였다.Plasmid isolation, DNA recombination and transformation in E. coli were carried out according to the method of Maniatis et al. (24).

III. 중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction: PCR)III. Polymerase Chain Reaction (PCR)

1. PCR 프라이머의 제작1. Preparation of PCR primer

대장균, B. subtilis 그리고 M. luteus의 스펙티노마이신(spectionmycin: spc) 오페론 중 L15 유전자와 secY 지역, adk 오페론 중 adk 지역에서 특히 보존이 잘 되어 있는 지역의 아미노산 서열을 비교하여 프라이머 합성을 위한 아미노산 서열을 유추하고 Streptomyces의 GC비율(70~74%)과 코돈 사용 빈도를 고려하여 PCR 프라이머의 염기서열을 결정하였다.The amino acid sequence of the L15 gene in the spectinomycin (spc) operon of E. coli, B. subtilis, and M. luteus was compared with the amino acid sequence of the conserved region in the secK region and the adk region of the adk operon, The nucleotide sequence of the PCR primers was determined by considering the sequence and considering the GC ratio (70-74%) of Streptomyces and the frequency of codon usage.

제작된 PCR 프라이머는The prepared PCR primer

파마시아(Pharmacia)사의 합성기를 DNA 사용하여 제작하였다.A synthesizer of Pharmacia was prepared using DNA.

제1도는 Micrococcus luteus(ML), Bacillus subtilis(BS) 그리고 대장균(EC)의 리보좀 단백질 L15, secY 그리고 Adk의 아미노산 서열을 나타낸 도면이다. 박스 안의 지역은 프라이머 합성 지역의 아미노산을 나타낸 것이다.FIG. 1 shows the amino acid sequences of the ribosomal proteins L15, secY and Adk of Micrococcus luteus (ML), Bacillus subtilis (BS) and Escherichia coli (EC). The area inside the box shows the amino acid in the primer synthesis region.

SecY 단백질의 아미노산 서열을 비교해 보았을 때, 그람 음성균인 대장균과 그람 양성균인 B. subtilis사이에서도 상관관계가 아주 높게 보존되어 있었으며 10개의 세포막-스패닝 세그먼트(membrane-spanning segment)중에서 특히 보존이 잘 되어 있는 지역을 볼 수 있었고 이 지역이 secY 단백질 중에서도 단백질 분비기작에 필수적인 역할을 하는 지역임을 알 수 있었다. 이러한 secY 유전자를 방선균에서 분리하기 위해 여러 균주들의 SecY 단백질이 아미노산 서열 중 보존율이 뛰어난 2번째와 5번째 세그먼트에서 2개의 프라이머 sp1과 sp2를 제작하였다. 또 sp2와 똑같은 서열을 반대방향으로 만든 sp3도 제작하였다.Comparing the amino acid sequence of the SecY protein, the correlation between Gram-negative bacilli and gram-positive B. subtilis was highly preserved, and among the ten membrane-spanning segments, Region, and it was found that this region plays an essential role in protein secretion mechanism among secY proteins. In order to isolate such secY gene from actinomycetes, two primers sp1 and sp2 were prepared in the 2nd and 5th segments, where SecY protein of various strains has excellent conservation of amino acid sequence. In addition, sp3, which has the same sequence as sp2 in the opposite direction, was also prepared.

또, 지금까지 분리된 secY 유전자 중 대장균 secY 유전자를 포함한 대부분의 secY 유전자는 spc 오페론(operon)내에 존재하며 L15와 adk 유전자 사이에 존재하여 주변의 유전자 구성(gene organization) 역시 높은 유사성을 보이고 있으므로 secY 유전자 양옆의 리보좀 단백질(ribosomal protein) L15와 아데닐레이트 키나제(adenylate kinase: a아) 지역에서 2개의 프라이머를 제작하여 PCR실험을 수행하였다.In addition, among the secY genes isolated so far, most secY genes including the E. coli secY gene are present in the spc operon and exist between the L15 and adk genes, and the gene organization around them is also highly similar. Two primers were constructed in the region of ribosomal protein L15 and adenylate kinase (a) at both sides of the gene and PCR experiments were performed.

2. PCR 반응2. PCR reaction

아틀라스(Atlas, R.M.)와 베즈(Bej, A.K)의 방법에 따라 총 50μl의 부피에 템플레이트(template) 50ng, 10X 택 DNA 중합효소(Taq DNA polymerase), 25mM dNTP 4μl, 각각의 프라이머 50pmol, 25mM 염화마그네슘, 택 DNA 중합요소 1μ의 혼합액을 펄킨엘머세터스(Perkin elmer Cetus)사의 PCR 머신을 이용하여 94℃에서 1분30초동안 변성(denaturation)시키고 55℃에서 30초동안 프라이머를 어닐링(annealing) 시킨 후에 72℃에서 2분20초동안 연장반응(extension)시켰다. 이 과정을 35회 반복하고 72℃에서 15분간 연장반응시킨 후 1% 아가로즈 젤을 이용하여 PCR 생성물을 확인하였다. 그 결과는 제2도에 나타내었다. 레인 1은 사이즈 마커(size marker)로서 BstEII로 다이제스쳔(digestion)한 λ-DNA, 레인 2는 L15와 Adk 프라이머를 이용한 PCR 생성물, 레인 3은 L15와 sp2 프라이머를 이용한 PCR 생성물 그리고 레인 4은 sp3과 Adk 프라이머를 이용한 PCR 생성물의 결과이다.50 ng of template, 10 x Taq DNA polymerase, 4 μl of 25 mM dNTP, 50 pmol of each primer, 25 mM chlorine (50 mM) of each primer was added to a total volume of 50 μl according to the method of Atlas (RM) and Bej The mixture of 1 μM of magnesium and 1 μM of the DNA polymerizing agent was denatured at 94 ° C. for 1 minute and 30 seconds using a PCR machine of Perkin Elmer Cetus and annealed at 55 ° C. for 30 seconds. Followed by extension at 72 ° C for 2 minutes and 20 seconds. This procedure was repeated 35 times, followed by extension reaction at 72 ° C for 15 minutes, and PCR products were confirmed using 1% agarose gel. The results are shown in FIG. Lane 1 is a size marker, λ-DNA digested with BstEII, lane 2 is a PCR product using L15 and Adk primer, lane 3 is a PCR product using L15 and sp2 primers, sp3 and Adk primers.

S. coelicolor로부터 분리한 염색체 게놈 DNA로부터 secY 유전자를 클로닝(cloning)하기 위해 제작한 4가지의 PCR 프라이머(L15, SP1, SP2, Adk 프라이머)를 조합하여 PCR을 수행하여 제2도에서와 같이 두 개의 PCR 생성물을 얻었다. 이 실험에서 얻은 두 개의 증폭단편은 L15와 Adk 프라이머를 사용하였을 때 예상되던 크기인 약 1.9kb와 L15와 SP2 프라이머를 사용하였을 때 예상되던 크기인 약 1.1kb의 증폭단편으로서 디자인한 크기와 정확하게 얻어졌다. 또 S. lividans에서는 L15와 AdK 프라이머로 예상되던 약 1.9kb 크기 증폭단편을 그리고 sp3와 Adk 프라이머로는 약 800bp 크기의 증폭단편을 얻었다. 그리고 이 증폭단편은 클로닝하고자 하는 secY 유전자를 포함하고 있을 것으로 예상되어 염기서열 분석을 위해 pGEM-T 벡터(vector)에 서브클로닝(subcloning)하였다.PCR was performed by combining four PCR primers (L15, SP1, SP2, Adk primer) prepared for cloning secY gene from the chromosomal genomic DNA isolated from S. coelicolor, PCR products were obtained. The two amplification fragments obtained in this experiment were designed as amplified fragments of about 1.9 kb, the expected size when using the L15 and Adk primers, and about 1.1 kb, the expected size when using the L15 and SP2 primers, lost. In S. lividans, an amplified fragment of about 1.9 kb size, which was expected to be the L15 and AdK primer, and an amplified fragment of about 800 bp, was obtained from the sp3 and Adk primers. The amplified fragment was expected to contain the secY gene to be cloned and subcloned into a pGEM-T vector for sequencing.

3. secY 유전자의 염기서열 분석3. Sequence analysis of secY gene

PCR 생성물의 염기서열 결정을 위해 PstI, SmaI, PvuII, KpnI, SacI의 제한요소를 사용하여 제한효소 지도를 작성하였고 제한효소 지도에 따라 작은 단편들을 얻어 pBluescriptII SK(+) 혹은 M13mp18이나 mp19 벡터에 서브클로닝하고 파마시아사의 자동 시퀀서(auto sequencer)를 사용하여 염기서열을 결정하여 제3도에 나타내었다.The restriction fragments of PstI, SmaI, PvuII, KpnI and SacI were used to determine the nucleotide sequence of the PCR product. Small fragments were obtained by restriction enzyme mapping to obtain pBluescriptII SK (+) or M13mp18 or mp19 vector Cloning was performed and the nucleotide sequence was determined using an automatic sequencer from Pharmacia, which is shown in FIG.

염기서열 분석은 DNA/단백질 서열분석 소프트웨어인 DNASIS/PROSIS(히다치 소프트웨어 엔지리어링사)와 진뱅크(GeneBank)사의 자료를 이용하여 분석하였다. 결정된 염기서열을 DNASIS로 분석하여 단백질을 암호화하는 영역을 탐색하여 하나의 완전한 ORF의 존재를 확인하였다. 이 ORF는 GTG 번역시작코돈으로부터 -10위치에 AGGA와 -35위치에 TTGACG 염기서열이 존재하는데 이는 에리스로마이신 생성균주인 Sacharopolyspora erythraea의 내성 유전자인 ermE 프로모터 지역의 염기서열인 GAGGAT/TTGACG와 유사한 것으로 이 지역이 secY 유전자의 프로모터 지역이라 여겨지며 ORF로부터 -10 지역 부근에 리보좀 결합지역(ribosomla binding site)인 GGAGG 염기서열이 위치하고 있었다.(6). secY 유전자는 GTG 개시코돈으로부터 TGA 종결코돈까지 1314bp의 염기와 438개의 아미노산으로 이루어져 있고 GC함량은 70%이상으로 방선균의 전형적인 모습을 나타내고 있었다(제4도). 제4도에서 추정되는 리보좀 결합지역은 밑줄을 그어 나타내었다.Sequence analysis was performed using DNA / protein sequence analysis software DNASIS / PROSIS (Hitachi Software Engineering) and GeneBank. The determined nucleotide sequence was analyzed by DNASIS and the region encoding the protein was searched to confirm the presence of one complete ORF. This ORF has a TTGACG nucleotide sequence at position-AGGGA and -35 at the -10 position from the GTG translation start codon, similar to GAGGAT / TTGACG, the nucleotide sequence of the ermE promoter region of the resistance gene of the erythromycin producing strain, Sacharopolyspora erythraea. This secY gene is considered to be a promoter region and a ribosomal binding site (GGAGG) is located near the -10 region from ORF (6). The secY gene was composed of 1314 bp base and 438 amino acids from the GTG start codon to the TGA end codon, and the GC content was more than 70%, showing the typical appearance of actinomycetes (FIG. 4). The ribosome binding sites deduced in FIG. 4 are underlined.

DNASIS를 이용한 분석은 예상한 것처럼 GC함량(content)이 유사한 M. luteus와의 염기서열 비교에서도 58%의 높은 유사성을 보였고 GC함량이 45%로 낮은 B. subtilis와는 40% 정도의 유사성을 보인 반면 아미노산 서열의 비교에서는 39.7%로 높은 보존성을 나타냄으로써 방선균의 편중된 코돈 사용을 확인할 수 있었다. 즉 방선균은 평균 GC가 70%이상이면서도 아미노산 지정에 거의 영향을 주지 못하는 코돈의 3번째 염기에는 90%, 아미노산 지정에 결정적인 역할을 하는 2번째 염기에는 50% 정도의 G나 C를 포함함으로써 합성되는 세포내 단백질의 아미노산의 편중성을 줄이고 있다. 그러므로 B. subtilis와 S. coelicolor의 혹은 S. lividans secY 사이에서 염기서열 상의 보존성은 40% 정도였다.Analysis using DNASIS showed 58% similarity in nucleotide sequence comparison with M. luteus with similar GC content and 40% similarity with B. subtilis with 45% GC content, while amino acid In comparison of sequence, 39.7% showed high conservation, and the use of biased codon of actinomycetes was confirmed. Actinomycetes are synthesized by incorporating G or C of about 50% in the second base, which plays a crucial role in amino acid designation, in the third base of the codon, which has an average GC of more than 70% It is reducing the biased amino acid content of intracellular proteins. Therefore, the conservation of the nucleotide sequence between B. subtilis and S. coelicolor or S. lividans secY was about 40%.

그러나 아미노산 서열상으로는 B. subtilis와는 38.7%, M. liteus와는 56%정도의 비교적 높은 동질성을 보여주었다. 한편, S. coelicolor 혹은 S. lividans에서 염기서열을 비교해보면 secY 유전자내에서는 완전히 동일했으나 secY 유전자 상위부분인 L15 유전자의 C단말 부분에서 한 두 개의 염기가 다름을 알 수 있었다. 이 결과는 제5도 및 제6도를 보면 알 수 있다. 제5도에서 괄호 안의 정렬은 10개의 세포막 스패닝 세그먼트를 가리킨 것이고 제6도에서 (a)는 M. luteus와 B. subtilis, (b)는 M. luteus와 S. coelicolor, (c)는 M. luteus와 S. lividans, (d)는 S. coelicolor와 S. lividans의 아미노산 서열의 유사성을 나타낸 그래프이다.However, amino acid sequence showed a relatively high homology of 38.7% with B. subtilis and 56% with M. liteus. On the other hand, the nucleotide sequences of S. coelicolor or S. lividans were completely identical in the secY gene, but one or two bases were different in the C terminal region of the L15 gene, which is the upper part of the secY gene. This result can be seen from FIGS. 5 and 6. In Fig. 5, the alignment in parentheses indicates 10 cell membrane spanning segments. In Fig. 6 (a), M. luteus and B. subtilis, (b) M. luteus and S. coelicolor, and (c) M. luteus and S. lividans, (d) are graphs showing the similarity between the amino acid sequences of S. coelicolor and S. lividans.

4. S. coelicolor secY의 소수성(hydrophobicity) 분석4. Hydrophobicity analysis of S. coelicolor secY

그람 음성 세균인 대장균 그리고 그람 양성균인 B. subtilis와 M. luteus의 SecY 단백질은 모두 NH2- 및 COOH- 말단들이 세포질로 향하고 그 가운데 부분이 세포막을 10회 통과하며 세포질 바깥쪽으로 나온 부분이 5개의 도메인(domain), 세포 안쪽으로 향한 부분이 6개의 도메인이 막단백질인 것으로 알려져 있다.Both H. subtilis and M. luteus SecY proteins, which are gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria, are directed to the cytoplasm of NH 2 - and COOH- ends, pass through the cell membrane 10 times, It is known that six domains are the membrane proteins, which are the domain and the part facing the cell interior.

상기한 과정에서 분리한 유전자가 secY 유전자임을 다시 확인하기 위하여 PROSIS 프로그램의 키티-두리를 곡선(Kyte-Doolittle plots)에서 아미노산 서열을 이용하여 소수성을 분석하였다. 제7도는 B. subtilis, M. luteus, S. coelicolor 그리고 S. lividans SecY 단백질의 매우 유사한 소수성 프로필을 보여주며 14개의 윈도우를 사용하여 키티-두리틀 곡선을 나타낸 도면이다. 각각에는 10개의 포텐셜 세포막-스패닝 세그먼트(potential membrane-spanning segments)가 포함되어 있다. 아미노산 서열의 분석 결과 S. coelicolor와 S. lividans SecY 단백질의 분자량이 47.4kD이고 제7도에서 보는 바와 같이 그람 양성균인 B. subtilis 및 M. luteus와 매우 유사한 양상으로 10개의 소수성 지역을 갖고 있으므로 S. coelicolor와 S. lividans의 SecY 단백질 역시 세포벽을 10회 통과하는 트랜스멤브레인 단백질(transmembrane protein) 임을 알 수 있었으며 M. luteus에는 10개의 세포막 스패닝 세그먼트 중에서도 2번째, 5번째, 10번째 지역이 특히 잘 보존되어 있어 단백질 분비에 중요한 역할을 하는 지역이라 예상할 수 있었다(제8도). 제8도에서 보면 S. coelicolor와 M. luteus SecY 단백질의 세포질 지역과 세포막-스패닝 세그먼트는 매우 잘 보존되어 있고 빗금친 박스로 표시되어 있는 10개의 트랜스멤브레인 세그먼트를 갖는 secY와 5개의 세포질 세포막의 외부 지역 그리고 NH2-와 COOH-의 말단 지역을 포함하는 6개의 세포질 지역의 배열을 나타내었다. 각 지역의 값은 S. coelicolor로부터 예상한 이에 상응하는 지역으로 나눈 아미노산 퍼센트를 나타낸 값이다.In order to confirm that the gene isolated in the above process is secY gene, the hydrophobicity was analyzed using the amino acid sequence in the Kyte-Doolittle plots of the PROSIS program. FIG. 7 shows a very similar hydrophobic profile of B. subtilis, M. luteus, S. coelicolor and S. lividans SecY proteins, and showing Kitty-Durtle curve using 14 windows. Each contains 10 potential membrane-spanning segments. As a result of amino acid sequence analysis, the molecular weight of S. coelicolor and S. lividans SecY protein was 47.4 kD, and as shown in Fig. 7, there were 10 hydrophobic regions with similar pattern to gram-positive bacteria B. subtilis and M. luteus. . The SecY protein of coelicolor and S. lividans was also found to be a transmembrane protein that passed through the cell wall 10 times. In the luteus, the 2nd, 5th and 10th regions among 10 cell membrane spanning segments were particularly well preserved (Fig. 8). It is thought that this region plays an important role in protein secretion. In Fig. 8, the cytoplasmic regions and cell membrane-spanning segments of S. coelicolor and M. luteus SecY proteins are very well preserved, and the secY with ten transmembrane segments marked with a hatched box and the outer Region and the end regions of NH 2 - and COOH-. The value of each region is the percentage of amino acids divided by the corresponding region from S. coelicolor.

대장균, B. subtilis, M. luteus 그리고 S. coelicolor secY 유전자의 유전자 구성(genetic organization)의 비교 결과 그람 음성균인 대장균의 경우 L15-secY-α 오페론(RNA 중합효소 α-서브유닛을 포함하는 리보좀 단백질 오페론)으로 되어 있었고 그람 양성균인 B. subtilis, M. luteus, S. coelicolor와 S. lividans는 L15-secY-adk 오페론-α 오페론으로 구성되어 있었다. 이 중 같은 유전자 조직을 갖는 그람 양성균에서도 B. subtilis는 실제로 spc 오페론내에 존재하는 리보좀 단백질들은 서로 30bp내외의 사이를 두고 있었으나 L15와 secY 의 경우에는 1bp의 간격을 두고 있었고 adk 유전자와는 75bp로 다소 떨어져 있었으며 또한 B. subtilis의 secY는 이전의 실험에서 secY 유전자 앞에 세포 성장기 중 지수기에 접어들면서 발현되는 마이너 프로모터들을 발견한 바 있으나 전체적으로는 대장균과 유사하게 spc 오페론내에 존재하는 것으로 보인다. 그러나 오하마(Ohama, T)등은 M. luteus의 secY 인 경우에는 L15와 162bp, adk 유전자와는 52bp의 간격으로 secY 앞에는 자체의 프로모터를 포함하고 있으며 adk 유전자에는 아직까지 밝혀진 적절한 리보좀 결합지역이 존재하지 않으므로 오히려 adk 오페론에 속하는 것으로 보고하였다. 같은 그람 양성균이면서 비슷한 GC함량을 갖는 S. coelicolor와 S. lividans는 M. luteus와는 다르게 L15와는 257bp의 큰 간격을 두고 있으면서 adk 유전자와는 secY 유전자의 종결코돈이 adk 유전자의 개시코돈과 염기 하나를 공유하며 전사적으로 커플링된 구조를 갖고 있어 S. coelicolor secY는 좀더 분명하게 spc 오페론이 아닌 adk 오페론내에 속한다고 할 수 있다.As a result of the comparison of the genetic organization of E. coli, B. subtilis, M. luteus and S. coelicolor secY gene, the L15-secY-α operon (a ribosomal protein containing an RNA polymerase α-subunit Operon) and gram-positive bacteria B. subtilis, M. luteus, S. coelicolor and S. lividans were composed of L15-secY-adk operon-α operon. Among the Gram-positive bacteria with the same gene structure, the B. subtilis actually contained 30 bp of the ribosomal proteins present in the spc operon, but in the case of L15 and secY, the gap was 1 bp and the adk gene was 75 bp And secY of B. subtilis was found to be present in the spc operon similar to E. coli as a whole, although in the previous experiment, a minor promoter expressed in the exponential period of cell growth period was found before the secY gene. However, Ohama (T) et al. Have included their promoters in front of secY at intervals of L15 and 162 bp for secL of M. luteus and 52 bp for the adk gene, and the appropriate ribosome binding site It is not present and rather reported to belong to the adk operon. S. coelicolor and S. lividans, which have the same GC content and similar GC content, have a large interval of 257 bp from L15, unlike M. luteus, and the adk gene and the secY codon termination codon have one initiation codon and one base of adk gene S. coelicolor secY belongs to the adk operon rather than the spc operon more clearly because it has a shared and internally coupled structure.

이러한 분석을 정리하면 그람 음성 세균인 대장균인 secY 유전자는 spc 오페론내에 존재하며 secY 하위지역이 adk 오페론이 아닌 α-오페론이 위치하고 있고 그람 양성세균중 B. subtilis인 경우 이 secY 유전자가 spc 오페론내에 존재하지만 자체의 마이너 프로모터를 가지고 있으며 하위지역에 adk 유전자가 위치하고 있다. 그러나 M. luteus의 경우, S. coelicolor와 S. lividans와 비슷하게 L15-secY-adk으로 순서면에는 B. subtilis와 동일하지만 secY 유전자가 자체의 프로모터 지역을 가지고 spc 오페론과는 떨어져 오히려 adk 오페론과 가깝게 위치하고 있었으며, S. coelicolor와 S. lividans인 경우에는 adk 유전자와 하나의 염기를 공유하며 전사적으로 커플링된 구조를 이루고 있는 것으로 보아 좀 더 확실히 secY 유전자가 spc 오페론내에 포함되는 것이 아니라 오히려 adk 오페론에 포함되는 것으로 볼 수 있다.This analysis shows that the secY gene, which is a gram-negative bacterium, exists in the spc operon, and the secY subregion is located in the spc operon when the α-operon is located not in the adk operon but in B. subtilis in gram-positive bacteria However, it has its own minor promoter and the adk gene is located in the subregion. However, in M. luteus, it is similar to S. coelicolor and S. lividans in the order of L15-secY-adk, but in the order of B. subtilis, the secY gene has its own promoter region and is separated from the spc operon but rather close to the adk operon And S. lividans in the case of S. coelicolor and S. lividans share a single base with adk gene and have a structure that is coupled to the entire plant. As a result, secY gene is not contained in the spc operon but rather in the adk operon Can be seen as including.

[발명의 작용](Function of the Invention)

이종 단백질 발현 및 분비 숙주균주로서 외국 회사들이 주목하고 있는 방선균에서의 secY 유전자의 분리는 아직 밝혀지지 않은 방선균의 단백질 분비기작 규명과 유용 단백질 분비조절에 대한 연구에 중요한 시발점을 마련할 수 있으며 secY 유전자 주변이 유전적 구조는 리보좀 구성요소로서 필수적인 단백질들과 단백질 분비 그리고 에너지 저장요소로서 ATP 형성단백질 등 세포의 필수적 구성성분들로 오랜 세월동안 형태적, 생리적으로 달라져 온균들의 분류적 구분으로도 중요한 의미르 내포하고 있다고 할 수 있다.The separation of secY gene from actinomycetes, which foreign companies are attracting attention as a heterologous protein expression and secretory host strain, can provide an important starting point for studying the mechanism of protein secretion and regulation of useful protein secretion of actinomycetes, The surrounding genetic structure is essential components of the ribosome. Protein secretion and energy storage factor are essential constituents of the cell such as ATP-forming protein. It is also important for classification of bacteria that have been morphologically and physiologically changed for a long time. It can be said that it contains a le.

Claims (12)

단백질의 분비에 관여하는 제4도 (b)의 DNA 염기서열을 갖는 Streptomyces lividans의 secY 유전자.SecY gene of Streptomyces lividans having the DNA sequence of FIG. 4 (b) involved in the secretion of the protein. 제1항에 있어서, 상기 secY 유전자는 adk 오페론에 포함되는 secY 유전자.The method according to claim 1, wherein the secY gene is a secY gene contained in an adk operon. 제1항에 있어서, 상기 secY 유전자의 프로모터 지역이 GTG 번역 시작코돈으로부터 -10위치의 AGGA와 -35위치의 TTGACG 염기서열을 갖는 지역이고 리보좀 결합지역은 ORF로부터 -10위치의 GGAGG 염기서열을 갖는 지역이고 GTG 개시코돈으로부터 TGA 종결코돈까지의 1314bp로 되어 있으며 438개의 아미노산을 구성하는 secY 유전자.[Claim 2] The method according to claim 1, wherein the promoter region of the secY gene is a region having AGGGA at position -10 from the GTG translation initiation codon and a TTGACG nucleotide sequence at position -35, and the ribosome binding region has a GGAGG nucleotide sequence at position -10 from the ORF SecY gene which is 1314 bp from the GTG start codon to the TGA termination codon and constitutes 438 amino acids. 제1항에 있어서, 상기 secY 유전자는 분자량이 47.4kD이고 10개의 소수성의 트랜스멤브레인 세그먼트를 가지며 세포벽을 10회 통과하는 구조를 가지는 트랜스멤브레인 단백질인 SecY 단백질을 코딩하는 secY 유전자.The secY gene according to claim 1, wherein the secY gene has a molecular weight of 47.4 kD and has ten hydrophobic transmembrane segments. The secY gene encodes a SecY protein, which is a trans membrane protein having a structure that passes through the cell wall 10 times. 제1항의 secY 유전자를 분리하여 상기 유전자 서열을 결정한 DNA 절편을 포함하는 대장균에서 안정한 플라스미드.A plasmid stable in E. coli comprising a DNA fragment obtained by separating the secY gene of claim 1 and determining the gene sequence. 제1항의 secY 유전자를 분리하여 상기 유전자 서열을 결정한 DNA 절편을 포함하는 방선균 플라스미드.A stactobacillus plasmid comprising a DNA fragment obtained by isolating the secY gene of claim 1 and determining the gene sequence. 제1항의 secY 유전자를 벡터 DNA에 삽입하고; 상기 제1항의 secY 유전자가 삽입된 벡터 DNA를 숙주세포에 도입하고; 상기 숙주세포를 배양하여 생산된 단백질의 대량 분비 방법.Inserting the secY gene of claim 1 into a vector DNA; Introducing the vector DNA into which the secY gene of claim 1 is inserted into the host cell; A method for mass-producing a protein produced by culturing the host cell. 제7항에 있어서, 상기 숙주세포는 방선균으로 생산된 단백질의 대량 분비 방법.8. The method according to claim 7, wherein the host cell is a mass secreted protein produced by actinomycetes. 제1항의 secY 유전자에 의하여 발현되어 이종 단백질을 분비하는 SecY 단백질.A SecY protein which is expressed by the secY gene of claim 1 to secrete a heterologous protein. 제9항에 있어서, 상기 SecY 단백질은 제5도의 아미노산 서열을 갖는 SecY 단백질.10. The method of claim 9, wherein the SecY protein is a SecY protein having the amino acid sequence of FIG. 5. 제1항의 secY 유전자를 단백질 분비증대를 목적으로 이용 및 변형하여 제작된 벡터.A vector prepared by using and modifying the secY gene of claim 1 for the purpose of increasing protein secretion. 제1항의 secY 유전자를 단백질 분비증대를 목적으로 이용 및 변형하여 제작된 균주.A strain produced by using and modifying the secY gene of claim 1 for the purpose of increasing protein secretion.
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