KR100410738B1 - Promotor system of translationally controlled tumor protein gene - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아라비돕시스 번역 조절 종양 단백질(TCTP) 유전자의 5′비전사 영역에서 분리된 핵산 분자를 제공한다. 본 발명에서 TCTP 프로모터로 언급되는 핵산 분자는 리포터 유전자를 적절하게 배열하여 높은 수준으로 발현되도록 조절한다. TCTP 프로모터는 식물 유전공학에서 현재 이용할 수 있는 프로모터들과 비교되는 수준으로 유전자 발현을 개시하고 조절한다. 완전한 조절 활성을 위해서는 최소 300개의 염기 서열 영역이면 충분하다. TCTP 프로모터는 뿌리 정상의 분열조직에서 가장 높은 활성을 가지며 테스트된 모든 식물조직에서 기능이 있다. 본 발명은 농경상 중요한 식물에서 유용한 유전자를 높은 수준으로 발현하는데 이용할 수 있다.The present invention provides nucleic acid molecules isolated in the 5 ′ nontranscriptional region of the Arabidopsis translational regulatory tumor protein (TCTP) gene. Nucleic acid molecules referred to as TCTP promoters in the present invention regulate the reporter genes to be appropriately arranged and expressed at high levels. TCTP promoters initiate and regulate gene expression at levels comparable to those currently available in plant genetic engineering. At least 300 base sequence regions are sufficient for complete regulatory activity. TCTP promoters have the highest activity in rooted meristems and function in all tested plant tissues. The present invention can be used to express high levels of useful genes in agriculturally important plants.

Description

식물 번역 조절 종양 단백질 유전자의 프로모터 시스템{PROMOTOR SYSTEM OF TRANSLATIONALLY CONTROLLED TUMOR PROTEIN GENE}PROMOTOR SYSTEM OF TRANSLATIONALLY CONTROLLED TUMOR PROTEIN GENE}

본 발명은 유전자 전환 식물에서 리포터 유전자를 적절하게 배열하여 높은 수준으로 발현되도록 조절하는, 아라비돕시스 번역 조절 종양 단백질(TCTP) 유전자의 5′비전사 영역에서 분리된 핵산 분자에 관한 것이다.The present invention relates to nucleic acid molecules isolated in the 5 ′ nontranscriptional region of the Arabidopsis translational regulatory tumor protein (TCTP) gene, which are appropriately arranged and regulated to high levels of reporter genes in transgenic plants.

진핵세포의 시스템에서 유전자 발현은 다양한 시스-작용 및 트랜스-작용 조절 요소들 사이에서의 복잡한 상호작용을 통해 조절된다. 시스-작용 요소는 다양한 전사 요소라 불리는 트랜스-작용 요소의 결합을 조절함으로써 유전자의 발현을 직접 또는 간접적으로 조절하는 유전자에 인접한 DNA 서열로 정의된다. 프로모터는 가장 중요한 시스-작용 요소 중 하나이며 일반적으로 유전자의 전사 개시 부위의 5 말단 상류에 위치한 뉴클레오타이드 서열 영역으로 간주된다. 프로모터는 RNA 중합효소 Ⅱ에 대한 결합 부위를 포함하며 유전자의 전사를 개시한다. 또한, 프로모터는 전사 개시 부위(+1)와 관련되어 있는 염기 위치 -70 부근의 CAAT 박스 및 염기 위치 -30 부근의 TATA 박스와 같이 잘 보전된 여러 개의 서열 요소를 포함한다(Joshi 1987). TATA 박스는 전사의 개시를 정확하게 위치화하는데 중요하다. CAAT 박스는 모든 프로모터에 존재하지는 않으며, GC가 풍부한 영역이 대체된 몇몇 프로모터에 존재한다. 이러한 염기 요소들뿐 아니라, 프로모터는 또한 건조한 스트레스, 열 쇼크, 추위 스트레스, 영양소의 유용성, 광 및 이온 강도와 같은 생리적인 조건과 환경 신호에 반응하는 부가적 염기서열을 포함한다. 또한, 어떤 프로모터는 조직-특이적 유전자 발현 또는 세포-특이적 유전자의 발현을 유도하는 서열 요소를 포함한다. 또한, 프로모터는 발현 수준, 조직 특이성 또는 세포-특이성, 발달 단계 의존성 및 특이적 환경 자극에 대한 반응성 등의 조건에 의해 유전자 발현을 조절함으로써 중요한 농경 식물에서 이로운 유전자를 발현할 수 있으므로 식물 유전 공학에 중요하다.Gene expression in eukaryotic systems is regulated through complex interactions between various cis-acting and trans-acting regulatory elements. Cis-acting elements are defined as DNA sequences adjacent to a gene that directly or indirectly regulate the expression of a gene by regulating the binding of trans-acting elements called various transcription elements. Promoters are one of the most important cis-acting elements and are generally regarded as nucleotide sequence regions located five terminal upstream of the transcription initiation site of a gene. The promoter contains a binding site for RNA polymerase II and initiates transcription of the gene. The promoter also includes several well-conserved sequence elements, such as a CAAT box near base position −70 and a TATA box near base position −30 associated with the transcription initiation site (+1) (Joshi 1987). TATA boxes are important for accurately positioning the onset of transcription. CAAT boxes are not present in all promoters, but in some promoters with GC-rich regions replaced. In addition to these base elements, the promoter also includes additional sequences that respond to environmental signals and physiological conditions such as dry stress, heat shock, cold stress, nutrient availability, light and ionic strength. In addition, some promoters include sequence elements that direct tissue-specific gene expression or cell-specific gene expression. In addition, promoters can express beneficial genes in important agricultural plants by regulating gene expression by conditions such as expression level, tissue specificity or cell-specificity, developmental stage dependence, and responsiveness to specific environmental stimuli. It is important.

번역 조절 종양 단백질(TCTP)은 최근 식물 및 동물로부터 확인된 성장 관련 단백질 중의 하나이다. TCTP는 인간, 동물, 식물 및 효모를 포함하는 다양한 유기체에 고도로 보전된 세포질 단백질이며, 매우 탄탄한 구상 구조를 가지고 열, pH, 이온 강도 및 단백질 분해 효소에 대해서 매우 안정하다(Woo et al. 1997). TCTP단백질의 한가지 흥미로운 특성은 그 발현이 세포의 성장 조건에 밀접하게 관련된다는 것이다. 이에 따르면, TCTP 단백질은 식물의 캘러스 조직, 정상의 줄기와 잎, 뿌리의 분열조직 및 동물의 암에 걸린 조직을 포함하는 급속히 성장하는 조직에서 분리되었다. 이러한 관찰은 TCTP 단백질이 세포증식에 있어서 조절 역할을 가질 수 있다는 것을 나타낸다(Woo et al. 1997; MacDonald et al. 1995; Hughes et al. 1993). 그러나, TCTP 단백질이 건강한 동물과 식물 조직에서도 발현되며 그 발현을 전사 수준 및 후전사 수준에서 칼슘 이온에 의해 조절된다는 사실은 그 후에 발견되었다(Wu et al. 1999; Sanchez et al. 1997; Xu et al. 1999). TCTP 단백질은 동물 세포에서 칼슘 이온(Ca2+)에 의존적인 방식으로 α-튜뷸린 및 β-튜뷸린과 직접적으로 상호 작용함에 따라 세포골격의 미세관식 네트워크와 관련된다(Gachet et al. 1999; Gachet et al. 1997). TCTP 단백질은 전체적으로 약 4.0의 등전점(pI)을 가지는 산성 단백질이지만, 중앙부위의 약 50개의 아미노산으로 이루어진 도메인은 9.4의 등전점을 가지는 강한 염기성이다. 이러한 염기성 도메인은 물리적으로 튜뷸린과 상호 작용한다(Gachet et al. 1999). 종합해 볼 때, 이러한 관찰은 TCTP 단백질이 세포 성장 및 분화의 조절에 있어서 관리 역할을 수행한다는 것을 나타낸다. 많은 TCTP 유전자 및 유전자 서열이 동물과 식물의 다양한 조직에서 분리되었다(Sage-Ono et al. 1998; Tamaoki et al. 1997; Woo et al. 1997). 그러나, 소수의 경우를 제외하고는 특히 식물에 있어서는 상세한 분자 생물학적 분석 및 기능 분석 없이 단지 TCTP 유전자 서열만이 데이터베이스에 기탁되었다. 완두TCTP 유전자는 뿌리 정상(apical) 내의 급속도로 분화하는 세포에서 높은 수준으로 발현된다(Woo et al. 1997). 단일 식물인 일본 나팔꽃에서(Pharbitis nil cv. Violet), TCTP mRNA는 식물이 어둠에서 성장할 때 높은 수준으로 축적되나, 그 발현 수준이 빛이 있을 때에는 감지되지 않을 정도로 감소되는데, 이는 TCTP가 이러한 식물 종에서는 적어도 빛에 의해 조절되는 성장에 어떤 역할을 가진다는 것을 의미한다(Sage-Ono et al. 1998). 이러한 두 가지 경우를 제외하고는 식물에 있어서 상세한 연구결과가 보고된 바 없다.Translational regulatory tumor proteins (TCTP) are one of the growth-related proteins recently identified from plants and animals. TCTP is a cytoplasmic protein that is highly conserved in a variety of organisms, including humans, animals, plants and yeast, has a very robust globular structure and is very stable against heat, pH, ionic strength and proteolytic enzymes (Woo et al. 1997). . One interesting property of TCTP protein is that its expression is closely related to the growth conditions of the cell. According to this, TCTP proteins have been isolated from rapidly growing tissues, including callus tissues of plants, normal stems and leaves, meristems of roots, and tissues of animal cancer. This observation indicates that TCTP proteins may have a regulatory role in cell proliferation (Woo et al. 1997; MacDonald et al. 1995; Hughes et al. 1993). However, it has since been discovered that TCTP proteins are expressed in healthy animal and plant tissues and their expression is regulated by calcium ions at the transcriptional and posttranscriptional levels (Wu et al. 1999; Sanchez et al. 1997; Xu et. al. 1999). TCTP proteins are associated with the microtubule network of the cytoskeleton as they interact directly with α-tubulin and β-tubulin in a calcium ion (Ca 2+ ) dependent manner in animal cells (Gachet et al. 1999; Gachet et al. 1997). The TCTP protein is an acidic protein with an isoelectric point (pI) of about 4.0 as a whole, but a domain consisting of about 50 amino acids in the central region is strongly basic with an isoelectric point of 9.4. This basic domain physically interacts with tubulin (Gachet et al. 1999). Taken together, these observations indicate that TCTP proteins play an administrative role in the regulation of cell growth and differentiation. Many TCTP genes and gene sequences have been isolated from various tissues of animals and plants (Sage-Ono et al. 1998; Tamaoki et al. 1997; Woo et al. 1997). However, with the exception of a few cases, especially in plants, only TCTP gene sequences have been deposited in the database without detailed molecular biological and functional analysis. Pea TCTP gene is expressed at high levels in rapidly differentiated cells within the root apical (Woo et al. 1997). In a single plant, Japanese Morning Glory (Pharbitis nil cv.Violet), TCTP mRNA accumulates to a high level when the plant grows in the dark, but its expression level decreases to an undetectable level in the light, which means that TCTP Means a role in at least light-controlled growth (Sage-Ono et al. 1998). Except for these two cases, no detailed studies have been reported on plants.

우리는 완두 TCTP 단백질이 어둠에서 성장한 완두 종자의 상배축에서 현저하게 발현되고, 광억제성을 띠는 랩(Rab)-유사 작은 분자량 GTPase (small GTPase)인 완두 Pra3와 직접적으로 상호 작용한다는 것을 발견하였다. 노던 블랏 분석 결과, 완두 TCTP 유전자는 줄기, 잎, 뿌리와 같이 실험된 모든 식물 부분에서 높은 수준으로 전사되었으나, 뿌리 정상의 분열조직에서 최고의 전사 수준을 나타내었다. 게다가, 식물에 건조한 스트레스를 주는 조건으로 15% PEG를 처리함으로써 전사가 2-3배 더 유도되었다. 또한, 담배 TCTP 유전자 상동물에서도 동일한 발현 패턴이 관찰되었다. 종래의 보고서들을 종합해 볼 때, 이러한 결과는 식물 TCTP 유전자의 프로모터가 높은 경제적 가치를 가지는 유전자 전환 식물에 유익한 외래 유전자를 발현하기 위해 유용하게 이용된다는 것을 나타낸다. 식물에서의 TCTP 유전자 발현에 대한 조절 메카니즘을 연구하고 식물 유전 공학에서 TCTP 프로모터의 잠재성을 평가하기 위하여, 아라비돕시스의 TCTP 유전자의 5말단 비전사 영역으로부터 DNA 서열을 분리하고, 일련의 절제에 의해 프로모터 영역으로 정의하였으며, 유전자 전환식물에서 TCTP 프로모터의 조절 하에 배치된 리포터 유전자의 발현 수준 및 패턴을 실험하였다.We found that pea TCTP protein is prominently expressed in the upper axis of pea seed grown in the dark and directly interacts with pea Pra3, a photo-inhibitory Rab-like small molecular weight GTPase. It was. Northern blot analysis showed that pea TCTP genes were transcribed to high levels in all plant parts tested, such as stems, leaves, and roots, but showed the highest levels of transcription in meristem at the top of the roots. In addition, the transcription was induced 2-3 times more by treating 15% PEG with dry stress conditions on the plants. In addition, the same expression pattern was observed in tobacco TCTP genes. Taken together, previous reports indicate that the promoter of the plant TCTP gene is usefully used to express beneficial genes in transgenic plants with high economic value. To study regulatory mechanisms for TCTP gene expression in plants and to assess the potential of TCTP promoters in plant genetic engineering, DNA sequences are isolated from the 5-terminal non-transcribed region of Arabidopsis TCTP genes and the promoters are subjected to a series of excisions. The expression level and pattern of the reporter gene placed under the control of the TCTP promoter in the transgenic plants were examined.

아라비돕시스 TCTP 프로모터 영역은 -120의 염기 위치에 ATG 개시 코돈과 관련된 특유의 TATA 일치 서열을 포함한다. 그러나, 5말단 비전사 영역의 적절한 위치에서 CAAT 박스나 GC가 풍부한 서열이 확인되지는 않는다. 상기의 관찰들로부터 일치되는 것은 한 쌍의 광반응 요소가 확인된다는 것이다. TCTP 프로모터는 완두 식물에서의 종래 결과에 일치하는 바와 같이, 뿌리 정상의 분열 조직에서 최고의 전사 수준을 가지며 모든 식물에서 리포터 유전자의 발현을 높은 수준으로 유도한다(Woo et al. 1997). 5말단을 삭제하여 구성한 여러 가지 상이한 TCTP 프로모터는 리포터 유전자에 결합시켰으며, 발현 카세트는 유전자 전환 아라비돕시스 식물에서 실험하였다. 리포터 유전자의 높은 수준의 발현을 위해서는 최소 300개의 염기 서열이면 충분하다. 게다가, 300개 염기 서열의 프로모터가 뿌리의 분열조직에서 가장 우세하게 배치된 발현을 나타내었다. 이러한 특성은 TCTP 프로모터가 적절한 숙주 식물에서 유일한 유전자의 발현을 높은 수준으로 유도하는데 사용될 수 있다는 것을 나타낸다.The Arabidopsis TCTP promoter region contains a unique TATA matching sequence associated with the ATG start codon at a base position of -120. However, no CAAT box or GC-rich sequence can be identified at the appropriate location in the 5-terminal non-transfer region. Consistent with the above observations, a pair of photoreactive elements are identified. TCTP promoters have the highest levels of transcription in rooted meristems and induce high levels of reporter gene expression in all plants, consistent with conventional results in pea plants (Woo et al. 1997). Several different TCTP promoters constructed by deletion of the 5 terminus were coupled to the reporter gene and expression cassettes were tested in transgenic Arabidopsis plants. At least 300 base sequences are sufficient for high level expression of the reporter gene. In addition, a promoter of 300 base sequences showed the most predominantly arranged expression in the meristem of the roots. This property indicates that the TCTP promoter can be used to induce high levels of expression of unique genes in appropriate host plants.

최근 식물 조직 배양 및 식물 유전공학 기술의 발달 및 진보와 함께, 종래의 품질개량으로는 쉽게 얻을 수 없는 생산성 및 품질 향상을 위해 바람직한 숙주 식물에 유용한 유전자를 도입하는 것은 현재 일상적인 실험이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, TCTP 프로모터에 외래 유전자를 정확하게 결합시켜 유전자 전환 식물에서 프로모터의 조절 하에 그 유전자가 발현될 수 있도록 한다.With recent developments and advances in plant tissue culture and plant genetic engineering techniques, it is now routine to introduce useful genes into host plants that are desirable for productivity and quality improvements not readily obtainable by conventional quality improvements. To achieve this goal, a foreign gene is precisely coupled to a TCTP promoter so that the gene can be expressed under the control of the promoter in a transgenic plant.

본 발명의 목적은 발현 카세트를 포함하는 유전자 식물과 그 제조 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a genetic plant comprising an expression cassette and a method of producing the same.

임의의 바람직한 유전자를 적절한 발현 카세트에서 TCTP 프로모터의 조절 하에 위치시킨 후, 그 재조합 카세트를 본 기술분야에서 잘 알려진 다양한 형질전환 방법으로 숙주 세포에 도입하였다. 또한, 본 발명의 프로모터는 가뭄의 스트레스에 반응하여 2-3배로 더 유도하였다. 이러한 점에서, 본 발명은 특히 유전자를 표준조건하에서 특정 수준으로 발현시키고 가뭄 스트레스에 의해 더욱 유도될 수 있도록 조작하는데 이용될 수 있다.Any desired gene was placed under the control of the TCTP promoter in the appropriate expression cassette and then the recombinant cassette was introduced into the host cell by a variety of transformation methods well known in the art. In addition, the promoter of the present invention further induced 2-3 times in response to the stress of drought. In this regard, the present invention can be used to manipulate genes, in particular to express genes at certain levels under standard conditions and to be further induced by drought stress.

농경 식물 분야에서는 뿌리 성장이 중요하다. 본 발명에 의한 TCTP 프로모터는 특히 가뭄 스트레스 또는 수분 결핍 하에서도 뿌리 성장을 가속시킬 수 있다. 본 발명의 일례에서, TCTP 프로모터는 뿌리 성장 및 발달의 조절과 자극에 관련된 유전자를 발현하는데 이용할 수 있다.Root growth is important in the field of agricultural plants. TCTP promoters according to the present invention can accelerate root growth, especially under drought stress or water deprivation. In one example of the invention, the TCTP promoter can be used to express genes involved in the regulation and stimulation of root growth and development.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 TCTP의 조절 하에 배열된 유익한 임의의 유전자를 포함하는 유전자 전환 식물 세포 및 식물과 아라비돕시스 식물의 TCTP 프로모터 서열을 분리하는 실험 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object provides a transgenic plant cell comprising any gene of interest arranged under the control of TCTP and an experimental method for separating the TCTP promoter sequences of plants and Arabidopsis plants.

본 발명에 의하면, 생물학적으로 중요한 물질을 대량 생산하고 성장률과 발달을 증진시키거나 환경 변화에 대한 적응력을 높이기 위하여 식물을 조작할 수 있다.According to the present invention, plants can be manipulated in order to mass produce biologically important substances, to promote growth and development, or to adapt to environmental changes.

본 발명의 유전자 전환 식물의 제조 방법은, 서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 포함하는 TCTP 프로모터의 조절 하에서 핵산 분자를 클로닝 벡터와 결합하는 단계, 상기 클로닝 벡터를 식물 세포내에 도입하여 식물 세포를 형질 전환하는 단계, 상기 형질 전환된 식물 세포를 성장시키는 단계를 포함하여, 유전자를 발현하는 것을 특징으로 한다.The method for producing a transgenic plant of the present invention comprises the steps of binding a nucleic acid molecule with a cloning vector under the control of a TCTP promoter comprising the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1, introducing the cloning vector into plant cells to transform plant cells. And the step of growing the transformed plant cells, characterized in that for expressing the gene.

또한, 본 발명은 아라비돕시스 게놈 DNA를 주형으로 사용하고, 한 쌍의 특이적 PCR 프라이머를 사용하여 상기 PCR에 의해 아라비돕시스로부터 서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 포함하는 TCTP 프로모터 서열을 분리하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized by separating the TCTP promoter sequence comprising the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 from the Arabidopsis by the PCR using arabidopsis genomic DNA as a template and a pair of specific PCR primers .

또한, 본 발명의 유전자 전환 식물 세포는, 서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 가지는 아라비돕시스 번역 조절 종양 단백질(TCTP) 유전자의 5' 비전사 영역으로부터 분리되는 TCTP 프로모터의 조절하에서 유전자를 발현하는 것을 특징으로 한다.In addition, the transgenic plant cell of the present invention is characterized by expressing a gene under the control of a TCTP promoter isolated from the 5 'nontranscribed region of the Arabidopsis translation control tumor protein (TCTP) gene having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 do.

또한, 상기 식물은 완두, 아라비돕시스, 담배 또는 일본 나팔꽃인 것을 특징으로 한다.In addition, the plant is characterized in that the pea, Arabidopsis, tobacco or Japanese morning glory.

또한, 본 발명은 상기 유전자 전환 식물의 종자, 잎, 줄기, 떡잎 및 뿌리를 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized by the seeds, leaves, stems, cotyledon and root of the transgenic plant.

도 1은 완두 TCTP 유전자 발현의 노던 블랏 분석을 나타낸다.1 shows Northern blot analysis of pea TCTP gene expression.

도 1a는 빛에서 성장한 완두 식물을 잎, 정상(apical) 잎, 줄기, 정상의 줄기 및 꽃의 기관으로 절개하였다. 각각의 식물 부분에서 선택적으로 전체 RNA를 분리하였다. 전체 RNA의 3㎍을 각각의 레인에 로딩하였으며 P32로 표지한 TCTP 유전자 서열을 탐침으로 하였다. 이 노던 블랏 분석에서 하이본드-N+ 필터(HiBond-N+ filter)를 30분 동안 노출시켰다.FIG. 1A is a section of a pea plant grown in light with an organ of leaves, apical leaves, stems, top stems and flowers. The total RNA was selectively isolated from each plant part. 3 μg of total RNA was loaded into each lane and the PTP labeled TCTP gene sequence was probed. In this Northern blot analysis, the HiBond-N + filter was exposed for 30 minutes.

도 1b는 완두 식물을 생리학적 농도의 다양한 식물 성장 호르몬의 존재 하에서 성장시켰다. 각각의 처리로부터 줄기 부분을 분석하였다. C; 미처리, G; GA3, P; 15% PEG, I; IAA, K; 카이네틴, A; ABA. 다른 식물 부분에서도(뿌리와 잎) 유사한 결과가 얻어졌다.1B grew pea plants in the presence of various plant growth hormones at physiological concentrations. The stem portion was analyzed from each treatment. C; Untreated, G; GA3, P; 15% PEG, I; IAA, K; Kininetin, A; ABA. Similar results were obtained with other plant parts (roots and leaves).

도 2는 아라비돕시스 TCTP 프로모터의 뉴클레오타이드 서열을 나타낸다. 특이적 프라이머 한 쌍을 사용하여 폴리메라아제 사슬 반응(PCR)에 의해 아라비돕시스 게놈 DNA로부터 DNA 분자를 분리하였다. 뉴클레오타이드 서열은 서열 번호 1에 나타나 있으며, 유전자 은행 데이터베이스에 기탁하였다(승인 번호 AF237735). TCTP 유전자의 개시 코돈은 굵은 활자로 인쇄된 것이며, 추정의 TATA 박스 일치 서열은 두 줄로 밑줄친 부분이다. 프로모터는 전형적인 CAAT 서열을 가지지는 않으나, 표시된 대로 추정된 광-반응성 서열 한 쌍을 가진다. PCR 프라이머가 다른 길이를 가지는 TCTP 프로모터(도 3)를 합성하기 위해 PCR 프라이머를 사용하였으며 PCR 프라이머는 5말단에서 3말단 방향으로 화살표로 표시하였다. 프라이머 1; -1990에서 -1963, 프라이머 2; -1312에서 -1296, 프라이머 3; -681에서 -663, 프라이머 4는 -303에서 -284, 프라이머 5; -1에서 -28. 번호는 TCTP 유전자의 개시 코돈에 관련된 염기 위치를 나타낸다.2 shows the nucleotide sequence of the Arabidopsis TCTP promoter. DNA molecules were separated from the Arabidopsis genomic DNA by polymerase chain reaction (PCR) using a pair of specific primers. The nucleotide sequence is shown in SEQ ID NO: 1 and was deposited in the Gene Bank Database (Approval Number AF237735). The initiation codon of the TCTP gene is printed in bold and the putative TATA box consensus sequence is underlined in two lines. The promoter does not have a typical CAAT sequence, but has a pair of putative photo-reactive sequences as indicated. PCR primers were used to synthesize TCTP promoters (FIG. 3) having different lengths from PCR primers, and PCR primers were indicated by arrows from 5 to 3 terminals. Primer 1; -1990 to -1963, primer 2; -1312 to -1296, primer 3; -663 to -681, Primer 4 to -284 to -303, Primer 5; -1 to -28. Numbers indicate base positions related to the start codon of the TCTP gene.

도 3은 본 발명에서 생성하고 실험된 TCTP 프로모터의 개략도를 나타낸다. 2 kbp, 1.3 kbp, 0.7 kbp 및 0.3 kbp의 길이를 가지는 프로모터 영역은 PCR 실행에 의해서 분리하였으며, pBI에 기초한 프로모터가 없는 벡터에서 GUS 유전자 서열에 전사적으로 결합된 것이다. 모든 발현 카세트는 직접적인 DNA 염기 서열에 의해서 확인되었다. 35S 프로모터를 대조군으로 사용하였다. 숫자는 도 2에서와 같이 (+1) ATG 코돈으로부터 시작하는 염기 위치를 나타낸다. T; 노스 터미네이터(nos terminator), A; 아라비돕시스 TCTP 유전자 및 그 5말단 비전사 영역, B; 본 발명에서 생성한 TCTP 프로모터, C; 대조군으로 사용한 CaMV 35S 프로모터.3 shows a schematic of the TCTP promoter generated and tested in the present invention. Promoter regions with lengths of 2 kbp, 1.3 kbp, 0.7 kbp and 0.3 kbp were isolated by PCR run and are transcriptionally bound to the GUS gene sequence in a vector without a promoter based on pBI. All expression cassettes were identified by direct DNA sequencing. The 35S promoter was used as a control. The numbers represent base positions starting from the (+1) ATG codon as in FIG. 2. T; Nos terminator, A; Arabidopsis TCTP gene and its 5-terminal non-transcribed region, B; TCTP promoter produced by the present invention, C; CaMV 35S promoter used as a control.

도 4는 조직화학적 분석에 의해 검출된 식물 전체에서의 GUS 활성을 나타낸다. GUS-TCTP 프로모터 융합물을 포함하는 발현 카세트를 아라비돕시스 식물에 형질전환하였으며, 가나마이신 선발법(kanamycin selection)을 반복하여 동질 접합체(homozygotic lines)를 분리하였다. 식물 전체를 사용하여 GUS 염색을 4시간 동안 실시하였으며, 밤새 실온으로 순수 에탄올에서 엽록소를 제거하였다. 아래쪽의 패널은 15% PEG로 처리한 유전자 전환 식물을 나타낸다. 대조군의 식물은 TCTP 프로모터 서열을 가지지 않는 프로모터가 없는 벡터로 형질전환하였다.4 shows GUS activity throughout the plants detected by histochemical analysis. Expression cassettes containing GUS-TCTP promoter fusions were transformed into Arabidopsis plants, and homozygous lines were isolated by repeating kanamycin selection. GUS staining was performed for 4 hours using the whole plant and chlorophyll was removed from pure ethanol overnight at room temperature. The lower panel shows transgenic plants treated with 15% PEG. Plants in the control group were transformed with the vector without the promoter without the TCTP promoter sequence.

도 5는 뿌리에서의 GUS 유전자의 발현을 나타낸다. 뿌리는 도 4에서 사용된 유전자 전환 식물에서 분리하였으며, 도 4에서와 동일방법으로 처리하였다. 대조 식물도 또한 도 4에서와 같다.5 shows the expression of the GUS gene in the roots. Roots were isolated from the transgenic plants used in FIG. 4 and treated in the same manner as in FIG. 4. Control plants are also as in FIG. 4.

도 6은 도 3에 나타난 TCTP 프로모터의 활성을 나타낸다. 35S 프로모터를 대조군으로 사용하였다. 단일-카피 삽입물을 가지는 유전자 전환 아라비돕시스 식물의 동질 접합체(homozygotic lines)를 35S 프로모터를 가진 대조군 식물을 포함하는 서던 블랏 분석에 의해 분리하였다. 빛에서 성장한 유전자 전환 식물의 종자로부터 분리한 조 추출물로 형광 GUS 분석을 실시하였다. GUS 활성은 실시예에 설명된 대로 계산하였다. 세 개의 독립적인 측정치를 평균하였다.FIG. 6 shows the activity of the TCTP promoter shown in FIG. 3. The 35S promoter was used as a control. Homozycotic lines of transgenic Arabidopsis plants with single-copy inserts were isolated by Southern blot analysis including control plants with 35S promoter. Fluorescent GUS analysis was performed with crude extracts isolated from seeds of transgenic plants grown in light. GUS activity was calculated as described in the Examples. Three independent measurements were averaged.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

대부분의 동물과 소수 식물에서의 분자 생물학적 및 생화학적 연구는 번역 조절 종양 단백질(TCTP)이 성장과 발달의 조절에 있어서 관리 역할을 가진다는 것을 나타내었다. TCTP 단백질이 원래 비정상적으로 급속한 성장을 나타내는 조직에서 분리되었지만, 그 후 일반 세포에서도 높은 수준으로 발현되며 전사 수준 및 번역 수준에서 그 발현이 조절된다는 사실이 확인되었다. 식물에서 TCTP 단백질의 생리학적 역할은 아직 확인되지 않았다. 몇몇 분자 생물학적 연구가 수행된 소수의 경우, TCTP 유전자 발현은 빛에 의해서 조절되며 뿌리의 분열조직에서와 같이 급속히 분열되는 세포에서 우세하게 발현되는데, 이는 TCTP 단백질이 식물에서 세포 분열과 분화에 관련되어 있다는 것을 나타낸다.Molecular biological and biochemical studies in most animals and few plants have shown that translational regulatory tumor proteins (TCTPs) have a management role in the regulation of growth and development. Although TCTP proteins were originally isolated from tissues showing abnormally rapid growth, it was then confirmed that they were expressed at high levels in normal cells and their expression was regulated at the transcriptional and translational levels. The physiological role of TCTP protein in plants has not yet been identified. In the few cases where several molecular biological studies have been conducted, TCTP gene expression is controlled by light and predominantly expressed in rapidly dividing cells, such as in meristem of the roots, in which TCTP proteins are involved in cell division and differentiation in plants. It is present.

"프로모터"란 용어는 유전자 발현을 개시 및 조절하는 구조 유전자의 5말단 상류 영역에 위치한 염기 서열로 간주한다. 일반적으로 프로모터는 여러 가지의 잘 보전된 서열을 포함한다. 그 중 한가지는 전사 개시 부위(+1)에서 약 10-40 염기의 상류에 위치하며 5'-TATAAT-3'의 서열을 가지는 TATA 박스이다. 다른 한 가지는 대부분의 경우에 5'-CCAAT-3'의 서열을 가지는 CAAT 박스이다. 이는 대체로 전사 개시 부위의 40-110 염기의 상류에 위치한다. 세 번째 서열인 GC-풍부 영역도 또한 몇몇 프로모터에 존재한다. 다른 프로모터에서, CAAT 박스는 N이 네 개의 염기 중 하나인, 5'-AG(또는 T)NGA-3'의 서열을 가지는 AGGA 박스로 대체된다. 프로모터가 항상 유전자를 발현하기 위해 충분한 것은 아닐 지라도, 유전자 발현을 조절하기 위하여 가장 중요한 성분임에는 틀림없다. 그러므로, 프로모터 시스템의 설명은 식물의 성장과 발달에 있어서 유전자 발현의 기초를 이루는 조절 메카니즘의 이해를 위해 필수적인 것이라 할 수 있다. 게다가, 일정한 유전자의 발현이 특이적 프로모터에 의해 조작되므로 프로모터 시스템은 식물 유전 공학에 있어서 중요한 요소인 것이다.The term "promoter" refers to a nucleotide sequence located in the 5-terminal upstream region of a structural gene that initiates and regulates gene expression. In general, promoters include a variety of well-conserved sequences. One of them is a TATA box located upstream of about 10-40 bases at the transcription initiation site (+1) and having a sequence of 5'-TATAAT-3 '. The other is a CAAT box with the sequence 5'-CCAAT-3 'in most cases. It is generally located upstream of 40-110 bases of the transcription initiation site. The third sequence, the GC-rich region, is also present in some promoters. In other promoters, the CAAT box is replaced with an AGGA box having the sequence 5'-AG (or T) NGA-3 ', where N is one of four bases. Although a promoter may not always be enough to express a gene, it must be the most important component to regulate gene expression. Therefore, the description of the promoter system is essential for understanding the regulatory mechanisms underlying gene expression in plant growth and development. In addition, the promoter system is an important element in plant genetic engineering because the expression of certain genes is manipulated by specific promoters.

본 발명은 아라비돕시스 TCTP 유전자에서 분리한 강한 구성 프로모터를 제공한다. 프로모터는 유전자가 프로모터에 적절하게 결합하였을 때 모든 식물 부분에서 유전자를 높은 수준으로 발현한다. 게다가, 프로모터 활성은 특히 줄기에서 가뭄 스트레스에 대해 2-3 배로 더욱 유도된다.The present invention provides a strong constitutive promoter isolated from the Arabidopsis TCTP gene. Promoters express high levels of genes in all plant parts when the gene is properly bound to the promoter. In addition, promoter activity is further induced 2-3 times against drought stress, especially in stems.

"프로모터에 적절하게 결합된"이란 그 유전자의 발현을 프로모터에 의해 조절하기 위해 이로운 구조 유전자를 프로모터 서열의 3' 말단에 결합한다는 것을 나타낸다. 유전자의 조절은 그 유전자에 결합된 프로모터에 의존하여 구성하거나 유도할 수 있다. 유도할 수 있는 발현은 추위, 가뭄 또는 병원균 감염 등과 같은 환경 요인에 의해 조절할 수 있다. 또한, 유전자 발현은 발달 단계에 의존적인 방법 또는 세포-특이적 방법이나 조직-특이적 방법으로 조절할 수 있다.“Properly bound to a promoter” refers to binding a beneficial structural gene to the 3 ′ end of a promoter sequence in order to regulate the expression of that gene by the promoter. Regulation of a gene can be constructed or induced depending on the promoter bound to that gene. Inducible expression can be controlled by environmental factors such as cold, drought or pathogen infection. In addition, gene expression can be regulated in a developmentally dependent method or in a cell-specific or tissue-specific method.

구조 유전자의 발현에 대한 프로모터의 조절 역할이나 효과는 전사 수준 또는 번역 수준에서 실험할 수 있다. 전사 수준에서 이를 실험하기 위한 수단으로는 DNA-RNA 하이브리디제이션 기술을 이용하였다. 이를 실행하기 위하여, 전체 RNA 또는 mRNA를 적당한 식물 재료로부터 분리하여 아가로스 겔을 실시하고 보조 막(supporting membrane)에 옮겼으며, 방사성 동위 원소로 표지한 DNA 탐침으로 실험하였다. 전사 수준의 분석에서는 본 기술분야에서 공지된 기술을 사용하여 식물 재료로부터 조 추출물 또는 정제된 단백질을 분리하고 특이적 항체를 사용하여 실험하였다.The regulatory role or effect of promoters on the expression of structural genes can be tested at the transcriptional or translational level. As a means to test this at the transcription level, DNA-RNA hybridization technology was used. To do this, whole RNA or mRNA was isolated from appropriate plant material, subjected to agarose gel, transferred to a supporting membrane, and tested with a radioactive isotope labeled DNA probe. In the analysis of transcription levels, crude extracts or purified proteins were isolated from plant materials using techniques known in the art and tested using specific antibodies.

본 발명에서의 프로모터는 TCTP 프로모터로 디자인되었다. TCTP 프로모터는 아라비돕시스 TCTP의 5' 상류 영역에서 파생된 것이며, 서열 번호 1에 나타난 염기서열을 가진다(유전자은행 승인 번호 AF237735). 염기 서열은 아라비돕시스 게놈 DNA를 주형으로 사용하고 한 쌍의 특이적 PCR 프라이머를 사용하여 PCR에 의해서 분리할 수 있다. 상기 염기 서열의 부분적인 서열 영역도 또한 동일한 방법으로 합성하였다.The promoter in the present invention was designed as a TCTP promoter. The TCTP promoter is derived from the 5 'upstream region of Arabidopsis TCTP and has the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 (GenBank Accession No. AF237735). The base sequence can be separated by PCR using Arabidopsis genomic DNA as a template and using a pair of specific PCR primers. Partial sequence regions of these base sequences were also synthesized in the same manner.

또한, 본 발명은 매우 엄격한 조건하에서 서열 번호 1의 염기 서열을 가지는 핵산 분자에 하이브리디제이션되는 핵산 분자에 관한 것이다. "매우 엄격한 조건하에서 하이브리디제이션된다"는 것은 Sambrook 등에 의해서 설명된 바와 같이, 그러한 핵산 분자를 종래의 하이브리디제이션 조건하에서 염기 대합(pairing)을 통해 핵산 분자에 하이브리디제이션시킨다는 것을 나타낸다(Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2ndEd., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989). 상기 핵산 분자와 하이브리디제이션된 핵산 분자는 일반적으로는 임의의 식물, 선택적으로는 농경, 산림, 원예에서 유익한 식물로부터 얻은 것을 포함한다.The present invention also relates to nucleic acid molecules hybridized to nucleic acid molecules having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1 under very stringent conditions. "Hybridized under very stringent conditions" indicates that such nucleic acid molecules are hybridized to nucleic acid molecules via base pairing under conventional hybridization conditions, as described by Sambrook et al. (Sambrook et al. al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2 nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989). Nucleic acid molecules hybridized with such nucleic acid molecules generally include those obtained from any plant, optionally from plants that are beneficial in agriculture, forestry, horticulture.

서열 번호 1에 나타낸 핵산 분자에 하이브리디제이션된 핵산 분자를 분리하기 위한 수단으로, 본 기술분야에서 공지된 분자 생물학적 기술인 콜로니 하이브리디제이션 방법을 통해 상기 설명된 핵산 분자를 탐침으로 사용하여 게놈 DNA 라이브러리를 스크리닝하였다.As a means for isolating a nucleic acid molecule hybridized to the nucleic acid molecule shown in SEQ ID NO: 1, using the nucleic acid molecule described above as a probe through a colony hybridization method which is a molecular biological technique known in the art, a genomic DNA library Was screened.

또한, 본 발명에서의 핵산 분자는 서열 번호 1에 나타낸 핵산 분자를 변형시킨 것과 관련된다. "변형"이란 그러한 핵산 분자의 염기 서열이 상기에 기재된 핵산 분자와 하나 또는 그 이상의 염기 위치가 다르며 상기 핵산 분자에 고도로 상동성을 가진다는 것을 의미한다.In addition, the nucleic acid molecule in the present invention relates to a modification of the nucleic acid molecule shown in SEQ ID NO: 1. "Modified" means that the base sequence of such nucleic acid molecule differs from the nucleic acid molecule described above by one or more base positions and is highly homologous to the nucleic acid molecule.

"상기 핵산 분자에 상동"이란 핵산 분자의 염기 서열은 염기 서열에 있어서 상기 핵산 분자와 최소 70%, 특히 80% 또는 그 이상이 일치한다는 것을 나타낸다."Homologous to said nucleic acid molecule" indicates that the base sequence of a nucleic acid molecule is at least 70%, in particular 80% or more identical, to the nucleic acid molecule in its base sequence.

또한, 본 발명은 삽입, 삭제, 염기 치환 또는 재조합에 의해서 생성한 상기 핵산 분자의 임의의 유도체를 포함한다.The present invention also includes any derivative of the nucleic acid molecule produced by insertion, deletion, base substitution or recombination.

게다가, 본 발명은 유전자 전환 식물 세포 또는 식물에서 상기 프로모터를 평가하는데 유용하며 리포터 유전자에 기능적으로 결합된 TCTP 프로모터를 포함하는 재조합 DNA 분자에 관한 것이다.Furthermore, the present invention relates to recombinant DNA molecules comprising a TCTP promoter useful for evaluating said promoter in a transgenic plant cell or plant and functionally linked to a reporter gene.

본 발명의 일 실시예에서, TCTP 프로모터가 바람직한 유전자에 실시 가능하도록 결합되었다는 것은 식물의 성장을 향상시키기 위하여 모든 식물 부분, 특히 뿌리의 분열조직에서 유전자를 높은 수준으로 발현한다는 것이다.In one embodiment of the present invention, the TCTP promoter is operably linked to the desired genes to express high levels of genes in all plant parts, particularly in the meristem of the roots, in order to enhance plant growth.

또한, 본 발명은 식물 세포의 형질전환에 사용할 수 있도록 TCTP 프로모터를 포함하는 발현 카세트 및 플라스미드에 관한 것이다.The invention also relates to expression cassettes and plasmids comprising a TCTP promoter for use in the transformation of plant cells.

최근 식물 조직 배양 및 유전 공학의 급속한 진보와 함께, 경제적으로 중요한 임의의 식물 내에 실질적으로 이로운 유전자를 도입하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해서는 본 발명의 TCTP 프로모터와 같은 유전자 발현 조절 요소가 중요하다.With the recent rapid advances in plant tissue culture and genetic engineering, it is possible to introduce substantially beneficial genes into any economically important plant. For this purpose, gene expression regulatory elements such as the TCTP promoter of the present invention are important.

그러므로, 본 발명은:Therefore, the present invention is:

1. 서열 번호 1의 염기 서열을 포함하는 아라비돕시스 TCTP 유전자의 5' 상류 영역의 핵산 분자 및,1. a nucleic acid molecule in the 5 'upstream region of the Arabidopsis TCTP gene comprising the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, and

2. 벡터 pTCTP-2K 로 형질전환된 대장균 변종 XL1-blue(KCTC 0807BP)를 제공한다. 벡터 pTCTP-2K는 서열번호 1에 나타낸 염기 서열을 가지는 핵산 분자를 포함한다.2. Provide E. coli strain XL1-blue (KCTC 0807BP) transformed with the vector pTCTP-2K. Vector pTCTP-2K includes a nucleic acid molecule having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1.

(실시예)(Example)

발현 카세트의 구성Construction of Expression Cassettes

식물 TCTP 유전자는 모든 식물 부분에서 극도로 높은 수준을 갖고 구성적으로 발현된다. 그 발현은 또한, 가뭄 스트레스 및 빛에 의해서 조절된다. 이러한 특성은 TCTP 프로모터가 유전 공학적으로 조작된 식물에서 바람직한 유전자를 발현시키기 위해 매우 유용하다는 것을 나타낸다. 아라비돕시스 게놈 DNA와 한 쌍의 특이적 프라이머를 사용하여 PCR 반응을 실시함으로써 아라비돕시스 TCTP 유전자의 5' 상류 영역으로부터 약 2.2 kbp의 길이를 가지는 DNA 단편을 분리하였다. DNA 염기서열에 의해 완전한 염기 서열을 확인하고 유전자 은행 데이터베이스에 기탁하였다(승인 번호: AF237735). 또한, 일련의 PCR을 실시함으로써 서로 다른 길이를 가지는 몇 개의 프로모터 서열들을 구성하였다(도 2 및 도 3). 그 후, TCTP 프로모터 서열을 pBI에 기초한 프로모터가 없는 벡터에서 β-글루크로이데이즈(β-glucuronidase; GUS)를 암호화하는 유전자 서열에 전사적으로 융합하였다. GUS-TCTP 프로모터 융합물을 포함하는 발현 카세트를 DNA 염기서열에 의해 확인하였다.Plant TCTP genes are constitutively expressed at extremely high levels in all plant parts. Its expression is also regulated by drought stress and light. This property indicates that the TCTP promoter is very useful for expressing the desired genes in genetically engineered plants. DNA fragments having a length of about 2.2 kbp were isolated from the 5 'upstream region of the Arabidopsis TCTP gene by PCR reaction using the Arabidopsis genomic DNA and a pair of specific primers. The complete nucleotide sequence was confirmed by DNA sequencing and deposited in the Gene Bank database (Approved Number: AF237735). In addition, several promoter sequences having different lengths were constructed by performing a series of PCRs (FIGS. 2 and 3). The TCTP promoter sequence was then fused transcriptionally to the gene sequence encoding β-glucuronidase (GUS) in a vector without a promoter based on pBI. An expression cassette comprising the GUS-TCTP promoter fusion was confirmed by DNA sequencing.

식물 재료 및 성장 조건Plant material and growing conditions

형질전환을 위하여 아라비돕시스 탈리아나 생태형 콜럼비아(Arabidopsis thaliana ecotype Columbia; Col-0)를 사용하였다. 살균한 종자를 발아시킨 다음 1%의 아가와 자당(Sucrose)을 포함하는 0.5X MS 배지(Murashige and Skoog medium)에서 성장시켰다. 모든 아라비돕시스의 배양은 22℃의 배양실에서 70%의 습도와 12시간의 광주기를 갖도록 통제된 환경으로 유지하였다.Arabidopsis thaliana ecotype Columbia (Col-0) was used for the transformation. Sterilized seeds were germinated and grown in 0.5X MS medium (Murashige and Skoog medium) containing 1% agar and sucrose. All Arabidopsis cultures were maintained in a controlled environment with 70% humidity and 12 hours photoperiod in a 22 ° C. incubation chamber.

식물 형질전환Plant transformation

GUS-TCTP 프로모터 융합 발현 구성물을 엄격한 조건하에서 아라비돕시스 식물내로 도입하였다. 아그로박테리움(Agrobacterium)을 매개로 한 형질전환을 간소화한 플로랄 딥 방법(floral dip method)을 사용하여 실행하였다(Clough and Bent, 1998). 먼저, 발현 구성물을 아그로박테리움 튜메파시엔스 변종 LBA4404(Agrobacterium tumefaciens strain LBA4404)내에 형질전환한 다음, 그 발현 구성물을 포함하는 세포를 아라비돕시스 식물을 감염시키는데 사용하였다. 형질전환체를 선택하기 위하여 가나마이신(kanamycin) 및 세포타심(cefotaxime)을 각각 200 mg/l과 500 mg/l 사용하였다.GUS-TCTP promoter fusion expression constructs were introduced into Arabidopsis plants under stringent conditions. Agrobacterium-mediated transformation was carried out using a floral dip method that simplifies (Clough and Bent, 1998). First, the expression construct was transformed into Agrobacterium tumefaciens strain LBA4404 (LBA4404), and then cells containing the expression construct were used to infect Arabidopsis plants. In order to select a transformant, kanamycin (kanamycin) and cefotaxime were used at 200 mg / l and 500 mg / l, respectively.

RNA 추출 및 노던 하이브리디제이션RNA Extraction and Northern Hybridization

제조업자의 제조방법에 따라 키아젠(Qiagen, Valencia, CA)사의 알앤이지 식물 전체 RNA 분리 키트(RNeasy Plant Total RNA Isolation Kit)를 사용하여 적당한식물 재료로부터 전체 RNA 샘플을 분리하였다. RNA 샘플을 50%(v/v)의 폼아마이드(formamide) 및 2.2M의 폼알데하이드(formaldehyde)를 첨가한 MOPS 완충용액(20mM MOPS, 8mM 소듐 아세테이트, 1 mM EDTA)내에서 65℃의 온도로 10분간 변성시켰으며, 동일한 변성 완충용액에서 조제된 1%의 아가로스 겔로 분별하였다. 탐침은 α-[P32]dATP의 존재 하에서 임의대로 주입함으로써 제조하였다. 이전에 기재했던 방법대로 하이본드-N(Hybond-N) 막에 옮기고 그 다음 과정을 실행하였다(Sambrook et al. 1989).Total RNA samples were isolated from appropriate plant materials using the RNeasy Plant Total RNA Isolation Kit from Qiagen, Valencia, CA, according to the manufacturer's method. RNA samples were prepared at 10 ° C. in a MOPS buffer solution (20 mM MOPS, 8 mM sodium acetate, 1 mM EDTA) to which 50% (v / v) of formamide and 2.2 M of formaldehyde were added. It was denatured for a minute and fractionated with 1% agarose gel prepared in the same denaturing buffer. Probes were prepared by random injection in the presence of α- [P 32 ] dATP. Transfer to a Hybond-N membrane as described previously and then run the procedure (Sambrook et al. 1989).

DNA 추출 및 서던 하이브리디제이션DNA Extraction and Southern Hybridization

제조업자의 방법에 몇 가지 변경을 가하여 키아젠사(Qiagen)의 디엔이지 식물 미니 키트(DNeasy Plant Mini Kit)를 사용하여 아라비돕시스 식물로부터 게놈 DNA를 분리하였다. 간단히 말해서, 식물 재료를 액체 질소에서 막자사발을 이용하여 고운 가루로 만들었다. 그 후, 가루를 에펜도프 튜브(Eppendorf tube)에 옮겨서 액체 질소를 증발시켰다. 500㎕의 완충용액 AP1 및 RNase A 용액을 첨가하여 강하게 교반하였다. 그 혼합물을 10분 동안 65℃에서 배양하였다. 세포의 분해 후, 160㎕의 완충용액 AP2를 첨가하고, 그 최종 혼합물을 5분 동안 얼음에서 배양하였다. 상기 단계는 계면활성제, 단백질 및 다당류를 침전시키기 위한 것이다. 최고 속도로 5분 동안 원심분리하여 침전물을 제거하였다. 그 다음 상청액을 키아쉬레더 스핀 컬럼(QIAshredder spin column)에 넣고 최고 속도로 2분 동안 원심분리하였다.Several modifications to the manufacturer's method were used to isolate genomic DNA from Arabidopsis plants using the Qiagen DNeasy Plant Mini Kit. In short, the plant material was ground to fine powder using a mortar and pestle in liquid nitrogen. The powder was then transferred to an Eppendorf tube to evaporate liquid nitrogen. 500 μl of buffer AP1 and RNase A solutions were added and stirred vigorously. The mixture was incubated at 65 ° C. for 10 minutes. After digestion of the cells, 160 μl of buffer AP2 was added and the final mixture was incubated on ice for 5 minutes. This step is for precipitating surfactants, proteins and polysaccharides. The precipitate was removed by centrifugation for 5 minutes at full speed. The supernatant was then placed in a QIAshredder spin column and centrifuged for 2 minutes at full speed.

그 용액을 1 vol의 순수한 에탄올과 0.5의 완충용액 AP3과 혼합하여 DNeasy 미니 스핀 컬럼에 넣고 8000rpm으로 1분 동안 원심분리하였다. 그 컬럼에 500㎕의 완충용액 AW를 첨가하여 컬럼 막을 건조시키기 위하여 최대 속도로 2분 동안 다시 원심분리하였다. 게놈 DNA를 추출하기 위하여, 그 막에 100㎕의 예열된(65℃) 완충용액 AE를 직접 첨가하여 5분 동안 실온에서 배양하였다. 그 후, 컬럼을 최대 속도로 1분 동안 원심분리하였다. 그 결과물인 게놈 DNA 용액을 같은 부피의 페놀:클로로폼:아이소아밀 알콜(25:24:1)로 추출하고 실온에서 5분 동안 에탄올로 침전시킨 다음, 원심분리에 의해 DNA를 회수하였다.The solution was mixed with 1 vol pure ethanol and 0.5 buffer AP3 and placed in a DNeasy mini spin column and centrifuged at 8000 rpm for 1 minute. 500 μl of buffer AW was added to the column and centrifuged again for 2 minutes at maximum speed to dry the column membrane. To extract genomic DNA, 100 μl of preheated (65 ° C.) buffer AE was added directly to the membrane and incubated at room temperature for 5 minutes. The column was then centrifuged for 1 minute at full speed. The resulting genomic DNA solution was extracted with an equal volume of phenol: chloroform: isoamyl alcohol (25: 24: 1), precipitated with ethanol for 5 minutes at room temperature, and the DNA was recovered by centrifugation.

아라비돕시스 식물을 형질전환하기 위해 사용하는 발현 카세트내의 GUS 유전자에는 존재하지 않는 인식 부위인 EcoRⅠ 및 HindⅢ로 게놈 DNA를 분해하였다. 1㎍의 게놈 DNA 당 각각 5 단위의 제한효소를 사용하였으며, 그 혼합물을 37℃에서 4시간 동안 배양하였다. 아가로스 겔에서 보다 나은 분석 결과를 얻기 위하여, 분해 혼합물을 에탄올로 침전시킨 후 그 뭉침(pellet)을 70%의 에탄올로 2회 헹구어 내고 공기로 말렸다. 시료를 1X 로딩 완충용액에 용해하여 0.8%의 겔 상에 로딩하였다. 탐침은 방사성-라벨된 GUS 유전자 서열을 사용하였다. 아라비돕시스 유전자 전환 식물은 고유의 TCTP 프로모터 서열을 갖기 때문에 TCTP 프로모터 서열 대신에 GUS 유전자 서열을 탐침으로 사용하였다.Genomic DNA was digested with EcoRI and HindIII, recognition sites that do not exist in the GUS gene in the expression cassette used to transform Arabidopsis plants. 5 units of restriction enzyme each per 1 μg genomic DNA were used and the mixture was incubated at 37 ° C. for 4 hours. To obtain better analysis results on agarose gels, the degradation mixture was precipitated with ethanol and then the pellet was rinsed twice with 70% ethanol and air dried. Samples were dissolved in 1 × loading buffer and loaded onto 0.8% gel. The probe used radio-labeled GUS gene sequence. Since Arabidopsis transgenic plants have their own TCTP promoter sequence, the GUS gene sequence was used as a probe instead of the TCTP promoter sequence.

GUS 활성의 조직 화학적 분석Histochemical Analysis of GUS Activity

식물 전체 또는 식물의 특정 부분을 X-gluc 용액(0.1M의 소듐 포스페이트,pH 7.0, 10mM의 EDTA, 0.5mM이 포타슘 페리시아나이드, 0.5mM의 포타슘 페로시아나이드, 0.1%의 트리톤 X-100, 0.3%의 5-브로모-4-클로로-3-인돌일 글루쿠로나이드 및 20%의 메탄올)에 2-4시간 동안 담가두었다. 식물 재료를 사용하기 바로 전에 트리톤 X-100을 새로 첨가하였다. 그 후, 엽록소를 제거하기 위하여 식물 재료를 순수 에탄올에 실온에서 밤새 담가두었다. 배양하는 동안 에탄올을 4-5회 교환하였다. 오물을 제거한 시료를 광학 현미경으로 관찰하고 필요하다면 사진 촬영을 하였다.The whole plant or any part of the plant was treated with X-gluc solution (0.1 M sodium phosphate, pH 7.0, 10 mM EDTA, 0.5 mM potassium ferricyanide, 0.5 mM potassium ferrocyanide, 0.1% Triton X-100, 0.3% 5-bromo-4-chloro-3-indolyl glucuronide and 20% methanol) for 2-4 hours. New Triton X-100 was added just before using the plant material. The plant material was then soaked in pure ethanol overnight at room temperature to remove chlorophyll. Ethanol was exchanged 4-5 times during the culture. The sample from which the dirt was removed was observed under an optical microscope and photographed if necessary.

GUS 활성의 형광 분석Fluorescence Analysis of GUS Activity

GUS 활성의 발현 수준을 형광성 방법을 사용하여 분석하였다(Jefferson 1988). GUS 활성을 분석하기 위하여 형광 기질로 4-메틸움벨리페릴-β-D-글루쿠로나이드(4-methylumbelliferyl-β-D-glucuronide; MUG)를 사용하였다. 식물의 조 추출물을 다음과 같이 제조하였다. 식물 재료를 액체 질소에서 고운 가루로 갈고 세포 용해 완충용액(0.5M의 Tris.Cl, pH 7.5, 1mM의 DTT, 1mM의 1,2-다이아미노사이클로헥산-N,N,N',N'-테트라아세트산, 10%의 글리세롤, 1%의 트리톤 X-100, 1mM의 EDTA)으로 추출하였다. 1g의 신선한 식물 재료에 대해 200㎕의 세포 용해 완충용액을 사용하였다. 4℃에서 최대 속도로 원심분리를 15분 동안 실시하여 임의의 불용해성 물질과 세포 파편을 제거하였다. 형광 측정을 위하여 상등액을 더 정제하지 않고 사용하였다. 브래드포드 방법(Bradford method)을 사용하여 단백질 농도를 결정하였다. 형광 측정은 제퍼슨에 의한 방법을 기초로 하여 실시하였다(Jefferson,1998).Expression levels of GUS activity were analyzed using fluorescent methods (Jefferson 1988). 4-methylumbelliferyl-β-D-glucuronide (MUG) was used as a fluorescent substrate to analyze GUS activity. The crude extract of the plant was prepared as follows. Grind the plant material from liquid nitrogen to fine flour and lysate the cell lysis buffer (0.5M Tris.Cl, pH 7.5, 1 mM DTT, 1 mM 1,2-diaminocyclohexane-N, N, N ', N'- Tetraacetic acid, 10% glycerol, 1% Triton X-100, 1 mM EDTA). 200 μl of cell lysis buffer was used for 1 g of fresh plant material. Centrifugation was performed for 15 minutes at maximum speed at 4 ° C. to remove any insoluble material and cell debris. The supernatant was used without further purification for fluorescence measurements. Protein concentration was determined using the Bradford method. Fluorescence measurements were performed based on the method by Jefferson (Jefferson, 1998).

(결과)(result)

식물 TCTP 유전자의 이중 발현 패턴: 구성적 발현 및 유도적 발현Dual Expression Patterns of Plant TCTP Genes: Constitutive and Inducible Expression

번역 조절 종양 단백질(TCTPs)은 아직 정확한 생리학적 기능이 밝혀지지는 않았지만, 특유의 구조적 특성 및 기능적 특성을 가진다. TCTPs는 여러 유기체들 사이에서 높은 아미노산 서열 동질성(서열 전체의 60-70%)을 가지기 때문에, 식물 및 동물에서의 그들의 생리학적 역할은 동일한 것으로 예상된다. TCTP 단백질은 심지어 단백질 분해효소에 대해서도 매우 안정하다. TCTP 단백질은 4.0의 등전점(pI)을 가지는 강한 산성을 띠는 세포질 단백질이지만, 그 중앙에 9.2의 등전점을 가지는 높은 염기성 도메인을 가지고 있다. 이러한 염기성 도메인은 직접적으로 튜뷸린과 상호작용하며, 이러한 상호작용은 세포 분열 및 분화에 관련된다는 것이 입증되었다. TCTP 단백질은 동물의 암 세포 및 식물의 캘러스 조직과 같이 급속도로 성장하는 조직에서 고도로 발현된다. 또한, TCTP 단백질은 조직마다 조금씩 차이는 있지만, 정상적인 조직에서 고도로 발현된다. 식물에서의 TCTP 발현은 종-특이적 방식으로 빛에 의해 조절된다. 게다가, 최근에 TCTP 발현이 15% PEG 처리에 의해 유도된다는 것을 발견하였는데, 이는 식물에서의 스트레스 반응에 대한 TCTP 단백질의 역할을 나타낸다. 특별한 이점은 TCTP 유전자가 적어도 본 발명에서 실험한 담배, 완두, 아라비돕시스 식물에서 극도로 높은 수준으로 전사되며, 아마도 모든 고등 식물에서 높은 수준으로 전사된다는 점이다.Translation-regulated tumor proteins (TCTPs) have specific structural and functional properties, although the exact physiological function is not yet known. Because TCTPs have high amino acid sequence homogeneity (60-70% of the total sequence) among various organisms, their physiological roles in plants and animals are expected to be the same. TCTP protein is very stable even against proteases. TCTP protein is a strong acidic cytoplasmic protein with an isoelectric point (pI) of 4.0, but has a high basic domain with an isoelectric point of 9.2 at its center. These basic domains interact directly with tubulin, and this interaction has been demonstrated to be involved in cell division and differentiation. TCTP proteins are highly expressed in rapidly growing tissues such as cancer cells in animals and callus tissues in plants. In addition, TCTP proteins are highly expressed in normal tissues, although they vary slightly from tissue to tissue. TCTP expression in plants is regulated by light in a species-specific manner. In addition, it has recently been found that TCTP expression is induced by 15% PEG treatment, indicating the role of TCTP protein in stress response in plants. A particular advantage is that the TCTP gene is transcribed at extremely high levels, at least in tobacco, pea and arabidopsis plants tested in the present invention, and possibly at higher levels in all higher plants.

식물 유전 공학에 유용한 프로모터 시스템을 개발하고 TCTP 유전자 발현에 대한 조절 메카니즘을 연구하기 위하여, TCTP 유전자의 5' 비전사 영역을 아라비돕시스로부터 분리하였으며, 리포터 유전자 발현에 대한 그 조절 역할을 조직 특이성, 환경 요인에 대한 반응성 및 상대적 활성의 조건에 대하여 실험하였다.To develop a promoter system useful for plant genetic engineering and to study the regulatory mechanism for TCTP gene expression, the 5 'non-transcribed region of the TCTP gene was isolated from Arabidopsis, and its regulatory role for reporter gene expression was tissue specificity, environmental factors. The conditions of reactivity and relative activity for were tested.

먼저, 완두 식물에서 TCTP 유전자의 전사 수준 및 전사 패턴을 노던 블랏 분석에 의해 실험하였다. 전사 수준은 줄기에서는 비교적 높은 수준으로, 꽃의 기관에서는 비교적 낮은 수준으로 나타난 바와 같이 다른 식물 부분마다 조금씩 차이는 있지만, 실험한 모든 식물 부분에서 극도로 높게 나타났다(도 1a). TCTP 유전자는 대부분 정상(apical) 줄기 및 잎과 같이 급속도로 성장하는 부분에서 고도로 전사된다. 이것은 TCTP 단백질이 식물의 성장 및 발달에 관련되어 있다는 것을 의미한다(Woo et al. 1997). 식물을 여러 가지 식물 호르몬으로 처리하였을 때, 식물에 가뭄 조건을 주는 15% PEG의 처리를 제외하고는 어떤 것도 전사 수준에 영향을 미치지 못하였다. 15% PEG의 처리는 2-3 배로 전사를 유도하였다(도 1b). 특별히 주목할만한 사실은 전체적으로 전사 수준이 매우 높다는 사실이다. 일반적인 노던 블랏 분석에서는 대체로 15-20㎍의 전체 RNA를 사용하는데 반해, 도 1에 나타낸 노던 블랏 분석에서는 3㎍의 전체 RNA를 각각의 레인에 로딩하였다. 게다가, 10-20분 동안 노출하면 TCTP 전사의 검출을 위해 충분하였다. 종합해 볼 때, 이러한 관찰은 TCTP 유전자가 모든 식물 조직에서 높은 수준으로 구성적으로 발현되며, 그 발현은 가뭄 스트레스와 같은 환경적 요인(들)에 의해서 더욱 유도된다는 것을 나타낸다.First, the transcription level and transcription pattern of TCTP gene in pea plants were examined by Northern blot analysis. The level of transcription was relatively high in the stems and relatively low in the organs of flowers, but slightly different among the different plant parts, but extremely high in all the tested plant parts (FIG. 1A). TCTP genes are highly transcribed in most rapidly growing parts, such as apical stems and leaves. This means that TCTP protein is involved in plant growth and development (Woo et al. 1997). When the plants were treated with various plant hormones, nothing affected the level of transcription except for the treatment of 15% PEG, which gave the plant drought conditions. Treatment with 15% PEG induced transcription 2-3-fold (FIG. 1B). Of particular note is the overall high level of transcription. Normal Northern blot analysis generally used 15-20 μg of total RNA, whereas the Northern blot analysis shown in FIG. 1 loaded 3 μg of total RNA into each lane. In addition, exposure for 10-20 minutes was sufficient for detection of TCTP transcription. Taken together, these observations indicate that TCTP genes are constitutively expressed at high levels in all plant tissues, and their expression is further induced by environmental factor (s) such as drought stress.

놀랍게도 일본 나팔꽃 식물에서 관찰된 종래의 결과와는 달리(Sage-ono etal. 1998), 빛이 완두 식물에서는 TCTP의 전사에 중대한 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한, 담배 TCTP 유전자에서도 동일한 결과를 얻었다. 그러므로, 빛의 영향은 식물의 종에 의존한다는 설명이 가능하다. 선택적으로, 식물은 각각 다른 메카니즘에 의해 조절되는 여러 가지 TCTP 유전자를 가질 수 있다. 완두, 담배 및 아라비돕시스의 서던 분석 결과, 각각의 식물 종은 단일 카피 유전자(완두, 아라비돕시스) 또는 많아야 두 개의 카피 유전자(담배, 일본 나팔꽃)를 가진다는 것을 나타냈다.Surprisingly, contrary to the conventional results observed in Japanese morning glory plants (Sage-ono et al. 1998), light appeared to have no significant effect on the transcription of TCTP in pea plants. The same results were obtained for the tobacco TCTP gene. Therefore, it can be explained that the influence of light depends on the species of the plant. Alternatively, the plant may have several TCTP genes, each regulated by a different mechanism. Southern analysis of peas, tobacco, and Arabidopsis showed that each plant species had a single copy gene (pea, Arabidopsis) or at most two copy genes (tobacco, Japanese morning glory).

이들을 모두 종합해 볼 때, 식물 TCTP 유전자는 모든 식물 부분에서 매우 높은 수준으로 구성적으로 전사되며, 그 전사는 세포 증식 및 분화에 있어서 TCTP 단백질에 대해 중요한 조절 역할을 나타내는 환경 요소에 의해서 더욱 높게 조절된다는 것이 증명된다. 또한, 식물 TCTP 유전자의 프로모터는 활성이 매우 높으므로, 유전공학적으로 조작된 농경식물에서 다량으로 유익한 단백질을 발현하고 식물의 성장 및 발달을 향상시키기 위하여 사용할 수 있다.Taken together, plant TCTP genes are constitutively transcribed at very high levels in all plant parts, and their transcription is further regulated by environmental factors, which play an important regulatory role for TCTP proteins in cell proliferation and differentiation. It is proved. In addition, since the promoter of the plant TCTP gene is very high activity, it can be used to express a large amount of beneficial proteins in genetically engineered agricultural plants and to improve plant growth and development.

아라비돕시스 TCTP 유전자의 프로모터 영역Promoter Regions of Arabidopsis TCTP Genes

프로모터의 조절 역할을 실험하기 위해 선택할 수 있는 능률적인 방법은 구조 유전자를 기능적으로 프로모터에 결합시킨 키메릭 융합물(chimeric fusion)을 구성하고 상기 발현 구성물을 유전자 전환 식물에 도입하는 것이다. 유전자 전환 식물에서 구조 유전자 생성물의 활성 수준 또는 발현 수준은 시험관내에서(in vitro) 쉽게 분석할 수 있다. 이러한 실험에서 종종 사용되는 리포터 유전자는 대체로 쉽게 탐지할 수 있는 물질의 생성을 촉매하는 효소를 암호화한다. 그 후, 생성물을 융합 구성물의 활성을 추론하고 그 결과 프로모터의 조절 활성을 측정하기 위하여 사용한다(Jefferson, 1988). 본 발명의 리포터 시스템에서, 프로모터 또는 추정 프로모터 요소를 대장균 β-글루쿠로니데이즈(β-glucuronidase; GUS)를 암호화하는 유전자 서열에 융합하였다. GUS는 여러 가지 β-글루쿠로니데스(β-glucuronides)를 수산화하며, 리포터로 사용될 수 있는 유용한 생화학적 특성들을 가진다. 이는 모든 고등 식물에는 사실상 거의 존재하지 않으며, 계면활성제, pH 및 이온 조건에 대해 매우 안정하다. 게다가, 보충하는 보조인자(supplementary cofactors)를 필요로 하지 않는다. 이는 절대적으로 세포질내에 위치하며 후-전사의 수식을 필요로 하지 않는다. 이러한 특성들이 GUS 시스템을 고등 식물에서 사용할 수 있고 식물 재료에서 분리한 조 추출물에서 분석할 수 있는 완전한 리포터로 만든 것이다.An efficient method of choice for testing the regulatory role of the promoter is to construct a chimeric fusion that functionally binds the structural gene to the promoter and introduce the expression construct into the transgenic plant. Activity levels or expression levels of structural gene products in transgenic plants can be readily analyzed in vitro. Reporter genes often used in these experiments usually encode enzymes that catalyze the production of easily detectable substances. The product is then used to infer the activity of the fusion construct and consequently determine the regulatory activity of the promoter (Jefferson, 1988). In the reporter system of the invention, the promoter or putative promoter element was fused to a gene sequence encoding E. coli β-glucuronidase (GUS). GUS hydroxylates various β-glucuronides and has useful biochemical properties that can be used as reporters. It is virtually absent in all higher plants and is very stable against surfactants, pH and ionic conditions. In addition, it does not require supplementary cofactors. It is absolutely located in the cytoplasm and does not require post-transcriptional modifications. These characteristics make the GUS system a complete reporter that can be used on higher plants and analyzed on crude extracts isolated from plant material.

식물의 유전 공학에서 사용되는 유용한 프로모터 시스템을 개발하고 유전자 발현에서의 조절 역할을 실험하기 위하여 식물의 TCTP 유전자의 5' 상류 영역으로부터 프로모터를 분리하였다. 스트레스에 관련된 라스-유사 스몰 GTPase(Ras-like small GTPase)인 완두 Pra3와 직접적으로 상호 작용하는 TCTP 단백질의 능력에 기초한 완두 TCTP 유전자를 분리하였다(Nagano et al. 1995; Yoshida et al. 1993). 분자 생물학적 분석 결과, 모든 식물 부분에서 높은 수준으로 구성적 발현된다는 것이 나타났다. 데이터베이스 조사로 아라비돕시스의 염색체 3에 대한 TCTP 유전자 상동물을 확인하였다. 게놈 클론 MGL6의 염기 서열에 기초하여(승인 번호:AB022217), 한 쌍의 특이적 프라이머를 디자인하고, 2181 염기의 프로모터 영역을 아라비돕시스 게놈 DNA를 주형으로 사용하여 PCR에 의해 증폭하였다. 프라이머는 클로닝을 위해 각각의 5' 말단에 BamHI 제한 부위를 가지는 5'-GCCGGATCCTGACCCAACCCAAGTGTCCC(5' 말단 프라이머, 서열 번호 2) 및 5'-GCCGGATCCAAGATCTTGGTACACCAACATG(3' 말단 프라이머, 서열 번호 3)을 사용하였다. PCR 생성물을 pTCTP-2K 백터에서 pGEM-7Z(+)로 클로닝하였으며, 그 염기 서열을 DNA 염기서열에 의해 확인하여 유전자 은행 데이터베이스에 기탁하였다(유전자 은행 기탁 번호. AF237735). DNA 단편의 3' 말단은 추정의 아라비돕시스 TCTP 단백질의 처음 7개 아미노산을 암호화하는 짧은 코딩 서열을 포함한다.Promoters were isolated from the 5 'upstream region of the plant's TCTP gene to develop a useful promoter system for use in plant genetic engineering and to experiment with regulatory roles in gene expression. Pea TCTP genes were isolated based on the ability of the TCTP protein to interact directly with pea Pra3, a Ras-like small GTPase involved in stress (Nagano et al. 1995; Yoshida et al. 1993). Molecular biological analysis has shown that constitutive expression is at high levels in all plant parts. Database investigations identified the TCTP gene homolog for chromosome 3 of Arabidopsis. Based on the nucleotide sequence of the genomic clone MGL6 (Approval number: AB022217), a pair of specific primers were designed and the promoter region of 2181 bases was amplified by PCR using the Arabidopsis genomic DNA as a template. Primers for each of the 5 '5'-GCC GGATCC TGACCCAACCCAAGTGTCCC having a BamHI restriction site at the ends (5' terminal primer, SEQ ID NO: 2) and 5'-GCC GGATCC AAGATCTTGGTACACCAACATG (3 'terminal primer, SEQ ID NO: 3) for cloning Used. The PCR product was cloned into pGEM-7Z (+) in pTCTP-2K vector, and its base sequence was identified by DNA sequencing and deposited in the gene bank database (GenBank Accession No. AF237735). The 3 'end of the DNA fragment contains a short coding sequence that encodes the first seven amino acids of the putative Arabidopsis TCTP protein.

추정 TCTP 프로모터 영역은 ATG 코돈과 관련된 -120의 염기 위치에 전형적인 TATA 박스를 포함한다(도 2). 추정 CAAT 박스는 TATA 박스에서 약 270개의 염기의 상류에 위치한다. 그러나, 그 위치는 식물 유전자에서 실험적으로 증명된 CAAT 박스의 위치와 일치하지 않기 때문에 TCTP 유전자 발현의 조절에서는 기능하지 않는 것으로 여겨진다. 게다가, 추정 CAAT 박스 주위의 염기 서열인 5'-GAACAATCA는 식물 유전자에서의 전형적인 서열인 5'-GG(T/C)CAATCT와는 다소 상이하다. -1352 및 -767의 각각의 염기 위치의 5'-AGAAACAA 및 5'-AGCTATCCA와 같이 다른 식물 유전자에서 실험적으로 확인된 TCTP 프로모터에서 한 쌍의 광-반응성 요소가 확인되었다(Conley et al. 1994; Park et al. 1996). 광-반응성 요소가 기능하는지 또는 기능하지 않는지는 분명하지 않으나, TCTP 유전자의 전사가 빛에 의해 철저하게 억제된 일본 나팔꽃에서의 종래 결과와 관련될 수 있다. 게다가, 벼의글루텔린(glutelin) 유전자에서 확인된 바와 같이 염기 위치 -1396에서 GA-반응 서열인 5'-CCTTTTG가 확인되었다(Takaiwa et al. 1991).The putative TCTP promoter region contains a typical TATA box at the -120 base position associated with the ATG codon (FIG. 2). The putative CAAT box is located upstream of about 270 bases in the TATA box. However, the position does not seem to function in the regulation of TCTP gene expression because it does not match the position of the experimentally proven CAAT box in the plant gene. In addition, the base sequence around the putative CAAT box, 5'-GAACAATCA, is somewhat different from the 5'-GG (T / C) CAATCT, which is a typical sequence in plant genes. A pair of photo-reactive elements were identified in TCTP promoters experimentally identified in other plant genes, such as 5'-AGAAACAA and 5'-AGCTATCCA at the respective base positions of -1352 and -767 (Conley et al. 1994; Park et al. 1996). It is not clear whether the photo-reactive element functions or does not function, but it may be related to the conventional results in Japanese morning glory where the transcription of the TCTP gene is tightly inhibited by light. In addition, the GA-responsive sequence 5'-CCTTTTG was identified at base position -1396, as identified in the rice glutenlin gene (Takaiwa et al. 1991).

식물 기관에 의존적인 발현Plant organ dependent expression

유전자 발현에서 TCTP 프로모터의 조절 역할을 실험하기 위해 3' 말단 프라이머, 프라이머 5 및 5' 말단 프라이머, 프라이머 1을 사용하여 pTCTP-2K 벡터로부터 약 2 kbp의 영역을 재증폭하였다(도 2). 그 결과로 생성된 PCR 생성물을 GUS를 암호화하는 서열에 프로모터의 3' 말단을 전사적으로 융합시키는 방법을 이용하여 pBI에 기초한 프로모터가 없는 벡터에 클로닝하였다. 그 후, 생성된 발현 카세트(도 3의 2K)를 아라비돕시스 식물에 형질전환하였으며, 동질접합체(homozygotic line)를 가나마이신에 의한 서열 선발(sequential selection)을 통해 분리하였다. 2K의 구성물 외에도, TCTP 프로모터의 경계선을 결정하고 트랜스-작용 요소와 상호작용하기 위해 필요한 일치(consensus) 서열을 정의하기 위해 2K 구성물의 5' 말단에서 염기 서열을 절제함으로써 몇몇의 구성물을 디자인하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이 적절한 프라이머 한 쌍을 사용하여 PCR을 실시함으로써 각각의 구성물을 산출하였다. 모든 프로모터 구성물을 위해 3' 말단 프라이머로써 프라이머 5를 사용하였다. 1.3K, 0.7K 및 0.3K의 구성물을 위해 사용한 5' 말단 프라이머로는 각각 프라이머 2, 프라이머 3, 프라이머 4를 사용하였다(도 2). 그 결과로 생성된 발현 카세트는 도 3에 나타내었다. 35S 프로모터는 양성 대조군(positive control)으로 포함되었으며(도 3c), 어떤 삽입물도 없이 프로모터가 없는 벡터는 음성대조군(negative control)으로 사용되었다.To test the regulatory role of the TCTP promoter in gene expression, 3 'terminal primers, primer 5 and 5' terminal primers, primer 1 were used to reamplify a region of about 2 kbp from the pTCTP-2K vector (FIG. 2). The resulting PCR product was cloned into a promoter-free vector based on pBI using a method of transcriptionally fusion of the 3 'end of the promoter to a sequence encoding GUS. The resulting expression cassette (2K in FIG. 3) was then transformed into Arabidopsis plants and homozygous lines were isolated by sequential selection with kanamycin. In addition to the 2K construct, several constructs were designed by ablation of the base sequence at the 5 'end of the 2K construct to determine the boundaries of the TCTP promoter and define the consensus sequence needed to interact with the trans-acting elements. As shown in FIG. 2, each construct was calculated by PCR using an appropriate pair of primers. Primer 5 was used as the 3 'terminal primer for all promoter constructs. Primers 2, primers 3, and primers 4 were used as 5 'terminal primers used for constructs of 1.3K, 0.7K, and 0.3K, respectively (Figure 2). The resulting expression cassette is shown in FIG. 3. The 35S promoter was included as a positive control (FIG. 3C) and the vector without promoter without any insert was used as a negative control.

그 다음, 유전자 전환 식물의 GUS 활성을 식물 전체를 사용하는 표준 방법에 따라 분석하였다(Jefferson 및 Wilson 1991). TCTP 프로모터는 35S 프로모터를 가진 것과 같은 도관(vascular) 조직에서 가장 짙은 착색이 나타났으며, 잎, 줄기, 떡잎 및 뿌리를 포함하는 모든 식물 부분에서 기능하는 것으로 분명하게 나타났다(도 4). 한 가지 다른 점은 TCTP 발현 카세트를 포함하는 유전자 전환 식물에서는 뿌리의 분열조직이 가장 짙게 착색되었으나, 35S 프로모터를 포함하는 조직은 그러한 분포 양식을 나타내지 않았다는 것이다. 게다가, TCTP 프로모터를 포함하는 유전자 전환 식물의 경우에는 35S 대조군 유전자 전환 식물에서 보다 훨씬 빨리 염색 용액에 담근 후 수분 내로 블루 스팟이 분명하게 가시화 되었다. 이것은 TCTP 프로모터는 적어도 35S 프로모터만큼은 강하며, 35S 프로모터보다는 강하다는 것을 타나낸다.The GUS activity of the transgenic plants was then analyzed according to standard methods using the whole plant (Jefferson and Wilson 1991). The TCTP promoter showed the deepest pigmentation in vascular tissue, such as with the 35S promoter, and was clearly seen to function in all plant parts including leaves, stems, cotyledons and roots (FIG. 4). One difference was that in transgenic plants containing the TCTP expression cassette, the meristem of the root was most heavily pigmented, but the tissue containing the 35S promoter did not exhibit such a distribution pattern. In addition, for transgenic plants containing the TCTP promoter, blue spots were clearly visible within minutes after soaking in the staining solution much faster than in 35S control transgenic plants. This indicates that the TCTP promoter is at least as strong as the 35S promoter and stronger than the 35S promoter.

300-bp의 프로모터300-bp promoter

GUS 활성 분석은 300bp의 TCTP 프로모터가 리포터 유전자 발현의 조절에서 기능하며, 그 활성은 2K 프로모터의 활성과 크게 다르지 않음이 입증되었다(도 4). 흥미롭게도, 뿌리의 분열조직에서 GUS의 발현이 TCTP 프로모터로부터 절제한 5' 말단 서열보다 더 우세하였다(도 4 및 도 5). 잎과 줄기 따위의 다른 식물 기관에서는 GUS 활성 분포가 다른 프로모터 구성물들 사이에서 거의 동일한 반면에, 뿌리의 분열 조직에서 0.3K의 프로모터는 GUS 발현을 거의 독점적으로 유도하였다(도 4).이러한 결과는 염기 위치 -300 및 -1사이의 서열은 뿌리의 분열 조직에서 TCTP 유전자의 집중적 발현을 유도하거나 또는 다른 조직에서 TCTP 유전자의 발현을 억제하는 시스-작용 요소를 포함한다는 것을 나타낸다.GUS activity analysis demonstrated that the 300 bp TCTP promoter functions in the regulation of reporter gene expression and its activity is not significantly different from that of the 2K promoter (FIG. 4). Interestingly, expression of GUS in the meristem of the roots was more dominant than the 5 'terminal sequence excised from the TCTP promoter (Figures 4 and 5). In other plant organs such as leaves and stems, the distribution of GUS activity was nearly identical among other promoter constructs, whereas a 0.3K promoter in root meristem induced almost exclusively GUS expression (FIG. 4). The sequence between base positions -300 and -1 indicates that it contains a cis-acting element that induces intensive expression of the TCTP gene in meristem of the root or inhibits the expression of the TCTP gene in other tissues.

0.3K 프로모터는 TATA 박스를 제외하고는 임의로 인식할 수 있는 시스-작용 요소를 포함하지 않으나, 리포터 유전자 발현에 있어서 강한 조절 활성을 나타낸다. 특히 중요한 것은 뿌리의 분열조직에서 리포터 유전자의 발현이 우세하다는 것이다. 이러한 특성은 바람직한 유전자, 특히 뿌리의 성장 및 발달에 관련된 유전자를 뿌리의 분열조직에서 선택적으로 발현할 때 매우 유용하다.The 0.3K promoter does not contain any recognizable cis-acting elements except for the TATA box, but exhibits strong regulatory activity in reporter gene expression. Of particular importance is the expression of reporter genes in the meristem of the roots. This property is very useful for the selective expression of desirable genes, particularly those related to root growth and development, in the meristem of the roots.

TCTP 프로모터의 상대적 강도Relative Strength of TCTP Promoter

프로모터 융합물을 포함하는 유전자 전환 식물의 GUS 활성을 대조군 프로모터 융합물을 포함하는 유전자 전환 식물의 GUS 활성과 비교함으로써, 프로모터의 조절 하에 위치한 구조 유전자가 발현하는 동안의 프로모터의 조절 기능을 더욱 정확하게 분석할 수 있다. 더욱 정확한 측정을 위하여, 실험군 및 대조군 유전자 전환 식물은 동일한 수의 프로모터 융합물을 삽입하였다.By comparing the GUS activity of the transgenic plant comprising the promoter fusion with the GUS activity of the transgenic plant comprising the control promoter fusion, more precise analysis of the regulatory function of the promoter during expression of the structural gene under control of the promoter can do. For more accurate measurements, experimental and control gene transgenic plants inserted the same number of promoter fusions.

각각의 TCTP 프로모터 융합물로 감염시킨 유전자 전환 아라비돕시스 식물뿐만 아니라 35S 프로모터 융합물을 가지는 유전자 전환 아라비돕시스 식물로부터 10-15의 동질 접합체(homozygotic lines)를 분리하였다. 그 다음, 게놈 DNAs를 사용하여 서던 블랏 분석을 실시함으로써 각각의 유전자 전환 식물에서 삽입물 수(insertion numbers)를 측정하였다. 모체의 아라비돕시스 식물이 본 발명에서 사용한 고유의 TCTP 프로모터를 가지기 때문에 TCTP 프로모터 서열의 카피 수보다는 GUS 서열의 카피 수를 이용하였다. GUS 서열에 나타나지 않은 인식 서열인 EcoRⅠ 및 HindⅢ의 제한 효소로 게놈 DNAs를 분해하였으며, 분해된 DNAs를 막에 옮겨 아가로스 겔을 실시하였다. 그 다음, 막을 방사성-라벨링한 GUS 서열로 실험하여 단일 삽입물을 가지는 유전자 전환 식물을 선택하였다. 유전자 전환 식물은 빛을 비추어 9일 동안 성장시켰으며, 종자 전체를 형광 GUS 활성 분석을 위해 사용하였다. 조 추출물을 준비하여 표준적인 방법에 따라 GUS 활성을 측정하였다(Kim 및 Guiltinan 1999; Jefferson 1998). 그 중 한 결과를 도 6에 나타내었다.10-15 homozygous lines were isolated from transgenic Arabidopsis plants infected with each TCTP promoter fusion as well as transgenic Arabidopsis plants with 35S promoter fusions. Next, Southern blot analysis was performed using genomic DNAs to determine the insertion numbers in each transgenic plant. Since the parental arabidopsis plants have the unique TCTP promoter used in the present invention, the copy number of the GUS sequence was used rather than the copy number of the TCTP promoter sequence. Genomic DNAs were digested with restriction enzymes of EcoR I and Hind III, which were not shown in the GUS sequence, and the digested DNAs were transferred to a membrane to perform agarose gel. The membrane was then experimented with radio-labeled GUS sequences to select transgenic plants with a single insert. The transgenic plants were grown for 9 days under light, and the whole seed was used for fluorescence GUS activity analysis. A crude extract was prepared and measured for GUS activity according to standard methods (Kim and Guiltinan 1999; Jefferson 1998). One result is shown in FIG.

실험한 모든 TCTP 프로모터는 35S 프로모터보다 약 25-38%정도 높은 GUS 활성을 나타내었다. 0.3K TCTP 프로모터도 대조군 프로모터보다 강하게 나타났다. 2K TCTP 프로모터는 TCTP 프로모터 사이에서 가장 낮은 활성을 가지는 것으로 나타났는데(도 6), 이는 개시 코돈(+1)에 관련된 -1300∼-2000의 염기들을 포함하는 서열이 아라비돕시스 TCTP 전사에 대한 마이너스의 조절 서열을 포함한다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 TCTP 프로모터가 유전자 전환 식물에서 유용한 유전자를 발현하는데 있어서 35S 프로모터보다 우세하다는 것을 나타낸다. 게다가, TCTP 프로모터는 추가적인 이점을 가지는데 그것은 급속히 성장하는 뿌리의 정상에서 유용한 유전자를 높은 수준으로 발현시킬 수 있다는 것이다.All tested TCTP promoters showed about 25-38% higher GUS activity than the 35S promoter. The 0.3K TCTP promoter was also stronger than the control promoter. The 2K TCTP promoter was shown to have the lowest activity among the TCTP promoters (FIG. 6), indicating that a sequence comprising bases of −1300 to −2000 related to the initiation codon (+1) regulates the negative for Arabidopsis TCTP transcription. Indicates that the sequence is included. These results indicate that the TCTP promoter is superior to the 35S promoter in expressing useful genes in transgenic plants. In addition, the TCTP promoter has the added benefit of being able to express high levels of useful genes at the top of rapidly growing roots.

상기에 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 생물학적으로 중요한 물질을 대량 생산하고 성장률과 발달을 증진시키거나 환경 변화에 대한 적응력을 높이기 위하여 식물을 조작할 수 있는 이점이 있다.As described above, according to the present invention, there is an advantage in that plants can be manipulated to mass produce biologically important substances and to promote growth and development or to adapt to environmental changes.

Claims (5)

서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 포함하는 TCTP 프로모터의 조절 하에서 핵산 분자를 클로닝 벡터와 결합하는 단계, 상기 클로닝 벡터를 식물 세포내에 도입하여 식물 세포를 형질 전환하는 단계, 상기 형질 전환된 식물 세포를 성장시키는 단계를 포함하여, 유전자를 발현하는 것을 특징으로 하는 유전자 전환 식물의 제조 방법.Binding a nucleic acid molecule with a cloning vector under the control of a TCTP promoter comprising the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1, introducing the cloning vector into a plant cell to transform the plant cell, and growing the transformed plant cell Including the step of, Gene expression plant, characterized in that for expressing a gene. 아라비돕시스 게놈 DNA를 주형으로 사용하고, 한 쌍의 특이적 PCR 프라이머를 사용하여 상기 PCR에 의해 아라비돕시스로부터 서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 포함하는 TCTP 프로모터 서열을 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.Using arabidopsis genomic DNA as a template and separating a TCTP promoter sequence comprising the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1 from arabidopsis by said PCR using a pair of specific PCR primers. 서열 번호 1에 나타난 염기 서열을 가지는 아라비돕시스 번역 조절 종양 단백질(TCTP) 유전자의 5' 비전사 영역으로부터 분리되는 TCTP 프로모터의 조절하에서 유전자를 발현하는 유전자 전환 식물 세포.A transgenic plant cell expressing a gene under the control of a TCTP promoter that is isolated from the 5 ′ non-transcribed region of the Arabidopsis translational regulatory tumor protein (TCTP) gene having the nucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 1. 제3항에 있어서, 상기 식물은 완두, 아라비돕시스, 담배 또는 일본 나팔꽃인 것을 특징으로 하는 유전자 전환 식물.4. The transgenic plant of claim 3, wherein the plant is pea, arabidopsis, tobacco or Japanese morning glory. 제4항의 유전자 전환 식물의 종자, 잎, 줄기, 떡잎 및 뿌리.Seed, leaf, stem, cotyledon and root of the transgenic plant of claim 4.
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