KR100419530B1 - Method for mass-producing human ferritin using recombinant methylotropic yeasts - Google Patents

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KR100419530B1 KR10-2000-0067695A KR20000067695A KR100419530B1 KR 100419530 B1 KR100419530 B1 KR 100419530B1 KR 20000067695 A KR20000067695 A KR 20000067695A KR 100419530 B1 KR100419530 B1 KR 100419530B1
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Abstract

본 발명은 효모를 이용하여 인간의 철 저장 단백질인 페리틴 (ferritin)을 대량 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인간 페리틴 유전자를 메탄올에 의해 발현이 유도되는 AOX (alcohol oxidase) 프로모터에 기능적으로 연결하여 발현 벡터를 제조하는 단계; 상기 발현 벡터로 메탄올 자화 효모인 피키아 (Pichia) 속 균주를 형질전환시키는 단계; 상기 형질전환 효모를 1차적으로 포도당과 글리세롤을 포함하는 배지에서 배양하여 대량 증식시킨 후 2차적으로 메탄올을 첨가하여 페리틴의 발현을 유도하는 단계; 및 배양액으로부터 인간 페리틴을 회수하는 단계를 포함하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 인간 페리틴을 대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 의하면 높은 수율로 페리틴을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 안전성이 높고, 기능 및 작용 면에서 효율성을 갖는 페리틴을 생산할 수 있으므로, 안전하고 기능적인 철분 공급 제제의 원료로 사용될 수 있는 페리틴을 대량 공급할 수 있다.The present invention relates to a method for mass-producing ferritin, a human iron storage protein, using yeast, and more particularly, to a functional AOX (alcohol oxidase) promoter in which human ferritin genes are induced by methanol. Linking to prepare an expression vector; Transforming the Pichia strain, which is a methanol magnetized yeast with the expression vector; Inducing the expression of ferritin by culturing the transgenic yeast primarily in a medium containing glucose and glycerol to massively multiply and then adding methanol secondly; And it relates to a method for mass production of human ferritin using methanol magnetizing yeast, comprising the step of recovering human ferritin from the culture. According to the method of the present invention, not only ferritin can be produced with high yield, but also ferritin can be produced with high safety and efficiency in terms of function and action, so that ferritin can be used as a raw material for safe and functional iron supply preparation. Can be supplied in bulk.

Description

재조합 메탄올 자화 효모를 이용한 인간 페리틴의 대량 생산 방법 {Method for mass-producing human ferritin using recombinant methylotropic yeasts}Method for mass-producing human ferritin using recombinant methylotropic yeasts

본 발명은 효모를 이용하여 인간의 철 저장 단백질인 페리틴 (ferritin)을 대량 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인간 페리틴 유전자를 메탄올에 의해 발현이 유도되는 AOX (alcohol oxidase) 프로모터에 기능적으로 연결하여 발현 벡터를 제조하고, 상기 발현 벡터로 메탄올 자화 효모인 피키아 (Pichia) 속균주를 형질전환시킨 다음, 상기 형질전환 효모를 1차적으로 포도당과 글리세롤을 포함하는 배지에서 배양하여 대량 증식시킨 후 2차적으로 메탄올을 첨가하여 페리틴의 발현을 유도함으로써 효모를 이용하여 인간 페리틴을 대량으로 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for mass-producing ferritin, a human iron storage protein, using yeast, and more particularly, to a functional AOX (alcohol oxidase) promoter in which human ferritin genes are induced by methanol. Ligation was performed to prepare an expression vector, and transform the Pichia genus strain, which is a methanol magnetized yeast with the expression vector, and then culture the transformed yeast primarily in a medium containing glucose and glycerol to multiply. And secondly, by adding methanol to induce the expression of ferritin, the present invention relates to a method for mass production of human ferritin using yeast.

철 (Fe)은 인체에 필수적인 미량 원소의 하나로, 체내에서 헤모글로빈 (hemoglobin), 미오글로빈 (myoglobin), 시토크롬 (cytochrome), 철-황 단백질, 락토페린 (lactoferrin) 및 각종 효소 등의 필수 성분으로서 중요한 역할을 한다. 정상적인 성인 남자의 경우 약 4∼5g의 철을 포함하고 있는데, 이 중 2/3 정도는 순환하는 적혈구 세포에서 헤모글로빈에 결합된 형태로 존재하고, 11% 정도는 세포 대사에서 중요한 역할을 하는 철 효소 (iron enzymes) 형태로, 또 15∼25% 정도는 페리틴 또는 헤모시데린 (hemosiderin)과 같은 저장형으로 존재한다.Iron (Fe) is one of the trace elements essential for the human body, and plays an important role in the body as an essential component such as hemoglobin, myoglobin, cytochrome, iron-sulfur protein, lactoferrin and various enzymes. do. Normal adult males contain about 4-5g of iron, about two-thirds of which are in the form of hemoglobin bound in circulating red blood cells, and about 11% of iron enzymes play an important role in cellular metabolism. In the form of iron enzymes, about 15-25% are in storage form, such as ferritin or hemosiderin.

페리틴 (ferritin)은 세포내 철 저장 단백질로서 철 이온을 중심으로 둘러싸인 구형 단백질이다. 모든 페리틴은 24개의 단백질 단위체 (subunit)로 구성되며, 척추 동물에서 분리된 페리틴은 H 및 L의 두 종류 단위체로 이루어지는 반면, 식물과 박테리아에서 분리된 페리틴은 H 단위체로만 구성된다. 일반적으로 하나의 페리틴은 최대 4,500개의 철 분자를 저장할 수 있는 것으로 알려져 있다. H 단위체는 두 개의 Fe(Ⅱ) 이온의 산화를 촉매하는 중심부 (core)와 연결되어 있는데, H 단위체는 Fe(Ⅱ)의 산화에 중요한 역할을 하며 L 단위체는 중심부의 형성을 돕는 역할을 한다.Ferritin is an intracellular iron storage protein, a spherical protein surrounded by iron ions. All ferritins consist of 24 protein subunits, while ferritin isolated from vertebrates consists of two units, H and L, while ferritin isolated from plants and bacteria consists only of H units. In general, one ferritin is known to store up to 4,500 iron molecules. The H unit is connected to a core that catalyzes the oxidation of two Fe (II) ions. The H unit plays an important role in the oxidation of Fe (II) and the L unit plays a role in forming the center.

페리틴에 저장된 철은 배아 적혈구 세포 (embryonic red blood cell)에서 헤모글로빈의 생산을 위해 이용되는 등, 페리틴은 체내의 철분 상태에 따라 철을 저장하기도 하고, 저장된 철을 필요한 대사 과정에 공급하는 역할을 하기도 하는 주된 철 저장 단백질이다. 또한 페리틴은 과잉의 철에 의한 독성으로부터 세포를 보호하고, 산소와의 반응을 막아 세포 단백질과 지질을 보호하는 작용을 하는 중요한 단백질로 보고되고 있다 (Leviset al., Biochemistry28:5179-5184, 1989). 페리틴에 의한 세포 보호 효과는 하이드록시 라디칼을 형성할 수 있는 높은 독성의 Fe(Ⅱ)를 보다 독성이 낮은 Fe(Ⅲ)으로 산화시켜 내공 (cavaty)에 저장할 수 있는 페리틴의 능력에 기인한다. 대부분의 고등 동물에서 페리틴은 철 저장 단백질로서의 기능이 보다 중요하지만, 원핵세포 등에 있어서는 독성 제거 물질로서의 중요성이 더 강조된다.Ferritin stores iron in the embryonic red blood cells and uses it to produce hemoglobin.In addition, ferritin stores iron and supplies it to the necessary metabolic processes. It is the main iron storage protein. Ferritin is also reported to be an important protein that protects cells from excess iron toxicity and prevents the reaction with oxygen to protect cellular proteins and lipids (Levis et al., Biochemistry 28: 5179-5184, 1989). The cell protective effect of ferritin is due to the ability of ferritin to oxidize highly toxic Fe (II) to form hydroxy radicals into less toxic Fe (III) and store it in the cavity. In most higher animals, ferritin functions more importantly as an iron storage protein, but in prokaryotic cells and the like, the importance of ferritin is more emphasized.

이러한 이유로 페리틴은 체내 철분의 과부족을 측정하는 지표로 사용되는 이외에도 철분 결핍에 의한 빈혈 등 각종 질병의 치료를 위한 철분 공급 제제로 이용되고 있다. 철은 체내에서 합성되는 성분이 아니기 때문에 철의 대사는 전적으로 음식물을 통한 섭취를 통해 이루어지고, 일단 체내에 흡수된 철은 비록 소변이나 담즙의 형태로 배출되는 양이 적기는 하나, 지속적으로 배출 혹은 파괴될 뿐 새로이 생성되는 것이 아니므로 반드시 음식 혹은 철분 제제 등을 통해 섭취되어야 한다. 특히, 유아, 임산부, 청소년 및 아동은 철분 결핍과 이로 인한 빈혈 등이 심각하게 나타나는 경우로서, 이들의 경우 음식물에 포함된 철분을 자연적으로 섭취하는 것만으로는 결핍 증세를 해결할 수 없는 경우가 많아 10∼50 ㎎의 철분을 생체내 이용률이 높은 제제 형태로 매일 복용하는 것이 요구된다.For this reason, ferritin is used as an index for measuring iron deficiency in the body, and is used as an iron supply agent for treating various diseases such as anemia due to iron deficiency. Since iron is not a component synthesized in the body, the metabolism of iron is entirely through ingestion through food, and once absorbed into the body, iron is excreted continuously, although in small amounts in the form of urine or bile. Destroyed, not newly produced, so must be consumed through food or iron preparations. In particular, infants, pregnant women, adolescents, and children are seriously deficient in iron deficiency and anemia caused by them, and in these cases, deficiency may not be resolved by naturally ingesting iron in food. It is required to take ˜50 mg of iron daily in the form of a formulation having high bioavailability.

일반적으로 철분을 공급하기 위한 기존의 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째로는, 소나 말의 비장에서 페리틴을 추출하여 이를 환자에게 투여하는 방법으로, 소나 말의 비장 추출물을 황산암모늄 (ammonium sulfate)으로 처리한 다음 침전물을 분무 건조하여 페리틴을 얻는 방법이다 (L'Informatore Farmaceutico, Italian directory of drugs and manufacturers 52th edit, Italy, A-13, 1992). 그러나, 상기 방법은 광우병 등과 같이 동물에서 유발될 수 있는 질병의 위험 때문에 위생상 문제점이 제기되어 왔으며, 이로 인하여 대부분 부적합 판정을 받아 소비자들에게 큰 불신을 주었다. 또한 가축의 페리틴 아미노산 서열과 인간 페리틴의 아미노산 서열에 일부 차이가 있기 때문에 기능과 작용면에서 효율성에 문제가 제기되어 왔다.In general, there are two main methods for supplying iron. The first method is to extract ferritin from the bovine or horse's spleen and administer it to the patient.The bovine horse's spleen extract is treated with ammonium sulfate, and then the precipitate is spray-dried to obtain ferritin (L 'Informatore Farmaceutico, Italian directory of drugs and manufacturers 52th edit, Italy, A-13, 1992). However, the method has been raised hygiene problems due to the risk of diseases that can be caused in animals, such as mad cow disease, which was largely judged to be unsuitable and gave great distrust to consumers. In addition, some differences in the fermentin amino acid sequence and human ferritin amino acid sequence has been raised problems in efficiency and function.

또다른 철분 공급 방법은 비페리틴 제제로, 철분의 호박산염이나 철분의 폴리말토스 복합체와 같은 유기 화학철을 이용하는 방법이다. 그러나, 이 방법 또한 페리틴에 비해 철의 용해도가 매우 낮아 체내 흡수 효율이 떨어지며, 구토, 설사, 속쓰림, 상복부 불쾌감 등을 유발하여 위장 장애를 초래한다는 단점이 있다 (Jojnsonet al., Exp. Hematol.18:1064-1069, 1990; Klaassenet al., Toxicology 3th edit, USA, 613, 1986).Another method for supplying iron is a nonferritin preparation, which uses organic iron, such as iron succinate or iron polymaltose complex. However, this method also has a disadvantage in that the solubility of iron is very low compared to ferritin, resulting in poor absorption of the body and causing gastrointestinal disorders by causing vomiting, diarrhea, heartburn, and discomfort in the upper abdomen (Jojnson et al., Exp. Hematol. 18: 1064-1069, 1990; Klaassen et al. , Toxicology 3th edit, USA, 613, 1986).

따라서, 페리틴 제제와 같이 체내 흡수 효율이 높으면서도, 가축 등에서 유발될 수 있는 질병 등의 위험요소로부터 안전성을 갖는 새로운 페리틴 공급 방법이 요구되어 왔다. 특히, 국내 철분 조혈 제제 시장은 연간 약 700억원대에 달하지만국내 철분 제제의 약 90% 이상이 부적합 판정을 받아 대부분의 식품 첨가제 및 의약품으로서의 철분 제제가 수입에 의존하고 있는 실정을 감안할 때, 새로운 고기능성 및 안전성을 갖는 철분 제제의 개발은 시장에 대한 파급효과 면에서도 그 가치가 크다 할 것이다.Therefore, there has been a need for a new method of supplying ferritin, such as ferritin preparation, which has high body absorption efficiency and is safe from risk factors such as diseases that can be caused in livestock. In particular, the domestic iron hematopoietic product market reaches about 70 billion won per year, but considering that more than 90% of domestic iron preparations are inadequate, most of the food additives and iron products as pharmaceuticals depend on imports. The development of iron formulations with high functionality and safety will be of great value in terms of ripple effects on the market.

이에 본 발명자들은 안전성이 높으면서도 기존의 페리틴 제제보다 높은 기능성을 갖는 페리틴의 제조방법을 개발하고자 노력한 결과, 인간의 페리틴 유전자를 효모, 바람직하게는 메탄올 자화 효모에 도입함으로써 메탄올에 의해 유도되는 페리틴 유전자의 높은 발현율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 인간 유전자를 이용하여 안전성을 향상시키고, 또한 진핵세포 발현계인 효모를 이용하여 번역 후 수식 (posttranslational modification)이 올바르게 일어난 기능적인 페리틴을 대량 생산할 수 있는 발현 시스템을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have tried to develop a method for preparing ferritin, which has high safety and higher functionality than conventional ferritin preparations, and thus, a ferritin gene induced by methanol by introducing human ferritin gene into yeast, preferably methanol magnetized yeast. In addition to achieving a high expression rate, the human gene is used to improve safety, and the eukaryotic expression system, yeast, is used to produce an expression system capable of mass-producing functional ferritin with correct posttranslational modification. The present invention was completed by developing.

본 발명의 목적은 기존의 철분 공급 제제로서의 페리틴 생산이 갖는 문제점을 해결하여 안전성 및 기능성이 높은 페리틴을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing ferritin with high safety and functionality by solving the problems of ferritin production as a conventional iron supply formulation.

구체적으로 본 발명의 목적은 가축으로부터 분리하는 페리틴에 비해 안전하고, 발현율이 높으며, 기능적으로도 효율적인 페리틴을 재조합 효모를 통해 대량생산하는 방법 및 상기 페리틴 생산을 위한 발현 시스템을 제공하는 것이다.Specifically, an object of the present invention is to provide a method for mass production of ferritin, which is safer, higher in expression rate, and more functionally efficient than ferritin isolated from livestock, and an expression system for producing ferritin.

또한 본 발명의 목적은 인간 페리틴을 생산하기 위한 재조합 효모 발현 시스템에 있어 페리틴 생산을 최대화하기 위하여 최적화된 발현 조건을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide optimized expression conditions for maximizing ferritin production in recombinant yeast expression systems for producing human ferritin.

아울러 본 발명은 상기 방법으로 생산된 인간 페리틴을 유효 성분으로 하는, 식품 첨가용 또는 의약품용 철분 공급 제제를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an iron supply formulation for food addition or pharmaceuticals, using as an active ingredient human ferritin produced by the above method.

도 1은 인간 페리틴 H-형 및 L-형 유전자가 pPICZaA 발현 벡터에 도입된 pPICH-FE 및 pPICL-FE의 벡터 구성을 나타내는 개열 지도이고, 1 is a cleavage map showing the vector composition of pPICH-FE and pPICL-FE in which human ferritin H-type and L-type genes were introduced into a pPICZaA expression vector,

도 2는 상기 재조합벡터로 형질전환된 대장균에서 인간 페리틴 유전자가 제대로 클로닝된 형질 전환체를 선별하기 위해 PCR반응을 수행한 결과이고, 2 is a result of performing a PCR reaction to select a transformant cloned with the human ferritin gene in E. coli transformed with the recombinant vector,

레인 1 : 크기 표지 (λ- Hind III)Lane 1: size marker (λ- Hind III)

레인 17,33 : 양성 대조구 (페리틴)Lanes 17,33: positive control (ferritin)

레인 2-16 : H-페리틴 형질 전환체 Lanes 2-16: H-ferritin transformants

레인 18-32 : L-페리틴 형질 전환체Lane 18-32: L-ferritin transformant

도 3은 상기 재조합벡터로 형질전환된 효모(Pichia pastoris)에서 인간 페리틴 유전자가 제대로 클로닝된 형질 전환체를 선별하기 위해 PCR 반응을 수행한 결과이고, Figure 3 is the result of performing a PCR reaction to select a transformant is cloned properly in the human ferritin gene in the yeast ( Pichia pastoris ) transformed with the recombinant vector,

1, 14 : 크기 표지 (λ- Hind III)1, 14: size marker (λ- Hind III)

레인 11 : 양성 대조구 (페리틴)Lane 11: positive control (ferritin)

레인 12, 13 : 음성 대조구Lanes 12 and 13: negative control

레인 2-6 : H-페리틴 형질 전환체Lane 2-6: H-ferritin transformant

레인 7-10 : L-페리틴 형질 전환체Lane 7-10: L-ferritin transformant

도 4는 상기 재조합벡터로 형질전환된 효모에서 페리틴 단백질의 발현 여부를 전기영동 (SDS-PAGE) 패턴으로 확인한 결과이고, 4 is a result of confirming the expression of ferritin protein in the yeast transformed with the recombinant vector by an electrophoresis (SDS-PAGE) pattern,

레인 1 : 크기 표지 (단백질 High)Lane 1: Size Cover (Protein High)

레인 2-5 : H-페리틴 발현 샘플Lane 2-5: H-ferritin expression sample

레인 6-9 : L-페리틴 발현 샘플Lane 6-9: L-ferritin expression sample

도 5는 상기 재조합벡터로 형질전환된 효모에서 페리틴 단백질의 발현 여부를 웨스턴 블럿으로 확인한 결과이다. 5 is a result confirming the expression of the ferritin protein in yeast transformed with the recombinant vector by Western blot.

레인 1-4 : H-페리틴 발현 샘플Lanes 1-4: H-ferritin expression samples

레인 5-8 : L-페리틴 발현 샘플Lanes 5-8: L-ferritin expression samples

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 재조합 메탄올 자화 효모를 이용하여 인간의 철 저장 단백질인 페리틴 (ferritin)을 대량 생산하는 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 인간 H형 또는 L형 페리틴 유전자의 발현이 메탄올에 의해 유도되는 AOX (alcohol oxidase) 프로모터에 의해 조절되는 재조합 진핵세포 발현벡터 ; 상기 벡터로 형질전환된 메탄올 자화 효모 균주; 상기 재조합 메탄올 자화 효모를 1차적으로 포도당과 글리세롤을 포함하는 배지에서 배양하여 대량 증식시킨 후 2차적으로 메탄올을 첨가하여 페리틴 유전자의 발현을 유도함으로써 인간 페리틴을 대량으로 생산하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for mass production of ferritin, a human iron storage protein, using recombinant methanol magnetized yeast. In addition, the present invention provides a recombinant eukaryotic expression vector wherein the expression of human H or L ferritin gene is regulated by an AOX (alcohol oxidase) promoter induced by methanol; Methanol magnetized yeast strain transformed with the vector; The recombinant methanolized magnetized yeast is primarily cultured in a medium containing glucose and glycerol, followed by mass propagation, and secondly, methanol is added to induce the expression of the ferritin gene, thereby providing a method of producing human ferritin in large quantities.

아울러, 본 발명은 상기 재조합 효모 또는 상기 방법으로 생산된 인간 페리틴을 유효 성분으로 하는 철분 공급 제제를 제공한다.In addition, the present invention provides an iron supply formulation comprising the recombinant yeast or human ferritin produced by the method as an active ingredient.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 메탄올 자화 효모를 이용한 인간 페리틴의 생산 방법은,The production method of human ferritin using the methanol magnetized yeast of the present invention,

1) 인간 페리틴 유전자가 AOX 유전자 프로모터에 의해 발현 조절되도록 상기AOX 프로모터와 기능적으로 연결된 효모 발현용 재조합 플라스미드를 제조하는 단계;1) preparing a recombinant plasmid for yeast expression functionally linked with the AOX promoter such that the human ferritin gene is regulated by the AOX gene promoter;

2) 상기 재조합 플라스미드로 메탄올 자화 효모를 형질전환하는 단계;2) transforming methanol magnetized yeast with the recombinant plasmid;

3) 상기 재조합 메탄올 자화 효모의 배양액에 메탄올을 첨가하여 인간 페리틴 유전자 발현을 유도하는 단계; 및3) inducing human ferritin gene expression by adding methanol to the culture medium of the recombinant methanolized yeast; And

4) 상기 배양액으로부터 인간 페리틴을 회수하는 단계를 포함한다.4) recovering human ferritin from the culture.

상기에서, 인간 페리틴 유전자는 H형 또는 L형 인간 페리틴 유전자일 수 있다. 본 발명에서 " H형 페리틴 유전자" 또는 " L형 페리틴 유전자"라 함은 각각 페리틴을 구성하는 H 단위체 (subunit) 또는 L 단위체를 암호화하는 유전자를 의미한다.In the above, the human ferritin gene may be a H or L human ferritin gene. In the present invention, "H-type ferritin gene" or "L-type ferritin gene" means a gene encoding H unit or L unit constituting ferritin, respectively.

본 발명의 실시예에서는 인간 페리틴 유전자 발현을 위한 재조합 플라스미드의 바람직한 예로서, 인간 H형 또는 L형 페리틴 유전자가 pPICZaA에 도입된 pPICH-FE 또는 pPICL-FE를 제작하였다.In the embodiment of the present invention, as a preferred example of the recombinant plasmid for the expression of human ferritin gene, pPICH-FE or pPICL-FE in which human type H or L type ferritin gene was introduced into pPICZaA was prepared.

본 발명에서 인간 페리틴 유전자를 메탄올 자화 효모에서 발현시키기 위한 재조합 플라스미드 제작에 바람직한 예로서 사용된 pPICZaA 벡터는 AOX (alcohol oxidase) 프로모터, α-인자 분비 신호 서열 (α-factor secretion signal), C-말단의 폴리 히스티딘 부위 (6 ×His), AOX의 전사 종결 부위 및 선별 표지 유전자로서 제오신 (zeocin) 저항성 유전자를 포함한다. 상기 AOX 프로모터는 비-탄소원이 존재할 때는 유전자 발현을 억제하고, 메탄올 첨가에 의해서만 발현이 유도되므로 하류에 연결된 유전자의 발현을 정교하게 조절할 수 있고, 피키아 (Pichia) 속 효모에서 목적하는 외래 유전자를 높은 수준으로 발현시키는 장점을 갖는다. 또한, α-인자 분비 신호 서열은 균주로부터 대부분의 단백질을 분비형으로 얻을 수 있도록 하며, 6 ×His 부위는 재조합 단백질의 분리를 용이하게 하고, AOX의 전사 종결 부위는 mRNA의 폴리아데닐화와 같은 mRNA 프로세싱을 통해 안정성을 높이는 역할을 한다.In the present invention, the pPICZaA vector, which is used as a preferred example for constructing a recombinant plasmid for expressing a human ferritin gene in methanol magnetized yeast, is an AOX (alcohol oxidase) promoter, α-factor secretion signal (α-factor secretion signal), C-terminal Poly histidine site (6 × His), transcription termination site of AOX and zeocin resistance gene as selection marker gene. The AOX promoter suppresses gene expression in the presence of a non-carbon source, and expression is induced only by the addition of methanol, thereby precisely regulating the expression of the downstream linked genes, and targeting foreign genes of interest in Pichia yeast. Has the advantage of expressing at high levels. In addition, the α-factor secretion signal sequence allows the secretion of most proteins from the strain, the 6 × His site facilitates the isolation of recombinant proteins, and the transcription termination site of AOX is the same as polyadenylation of mRNA. mRNA processing enhances stability.

본 발명의 인간 페리틴 생산 방법은, 메탄올을 배지에 첨가하여 인간 페리틴 유전자의 발현을 유도하기에 앞서 배지의 탄소원으로 포도당과 글리세롤만을 순차적으로 포함시켜 외래 유전자인 인간 페리틴 유전자의 발현을 억제 (repression) 및 탈억제 (derepression)하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.In the method for producing human ferritin of the present invention, prior to inducing the expression of the human ferritin gene by adding methanol to the medium, glucose and glycerol are sequentially included as the carbon source of the medium to suppress the expression of the human ferritin gene. And derepression.

상기 본 발명의 인간 페리틴 생산방법에 있어, 메탄올 자화 효모는 피키아 속 균주, 보다 바람직하게는 피키아 패스토리스 (Pichia pastoris)인 것이 바람직하다. 상기와 같이 피키아 속 균주를 이용하면 동물 세포를 통해 인간 페리틴을 생산하는 것보다 배양이 용이하고, 진핵세포 발현계를 사용하므로 번역 후 수식(posttranslational modification) 과정이 올바르게 일어나 기능과 작용 면에서 효율적인 페리틴을 생산할 수 있으며, 동물에서 분리한 페리틴에 비해 질병의 감염 우려가 적다는 장점이 있다. 또한 상기 효모에 존재하는 AOX 유전자 부위로 목적하는 외래 유전자의 삽입 (integration)이 효율적으로 일어나게 되며, 메탄올에 의해 외래 유전자의 발현을 정교하게 조절할 수 있게 된다.In the method for producing human ferritin of the present invention, the methanol magnetizing yeast is preferably Pichia strain, more preferably Pichia pastoris . As described above, the Pichia strain is more easily cultured than the production of human ferritin through animal cells, and since the eukaryotic cell expression system is used, the posttranslational modification process is correctly performed, which is efficient in terms of function and function. Ferritin can be produced, and compared with ferritin isolated from animals, there is an advantage of less infection of the disease. In addition, the integration of the desired foreign gene into the AOX gene region present in the yeast occurs efficiently, and the expression of the foreign gene can be precisely controlled by methanol.

특히, 발효 공학적 측면에서도 10.000 배 이상으로 배양 규모를 확대 (scale up)하는 것이 용이하고, 외래 유전자의 발현율이 기존에 많이 사용되고 있는효모(Saccharaomyces cerevisiae)에 비해 월등히 높다는 장점을 가진다.In particular, in terms of fermentation engineering, it is easy to scale up the culture scale to 10.000 times or more, and has an advantage that the expression rate of foreign genes is much higher than that of Saccharaomyces cerevisiae .

상기와 같은 특성으로 인해 피키아 속 균주는 지금까지 여러 가지 외래 단백질을 생산하는데 있어 성공적으로 적용되어 왔는데, 특히 종양괴사 인자 (tumor necrosis factor)의 경우 8 g/ℓ(Sreekrishnaet al., Biochemistry28:4117-4125, 1989), 파상풍 독소 단편 C (tetanus toxin fragment C)의 경우 12 g/ℓ(Clareet al., Bio/Technology9:455-460, 1991), 인간 혈청 알부민 (human serum albumin)의 경우 4g/ℓ의 높은 발현율을 나타내었으나 (Ikegayaet al., Anal. Chem.69:1986-1991, 1997), 아직까지 이를 이용하여 인간 페리틴 단백질을 생산한 보고는 없었다.Due to the above characteristics, Pichia strains have been successfully applied to produce various foreign proteins until now, especially 8 g / l (tumre necrosis factor) (Sreekrishna et al., Biochemistry 28 : 4117-4125, 1989), 12 g / L (teareus toxin fragment C) (Clare et al., Bio / Technology 9: 455-460, 1991), human serum albumin In the case of the high expression rate of 4g / L (Ikegaya et al., Anal. Chem. 69: 1986-1991, 1997), but has not been reported to produce human ferritin protein using this yet.

본 발명의 인간 페리틴 생산 방법에서, 상기 단계 3은 메탄올을 약 0.5%의 농도로 첨가한 후 약 5일간 배양함으로써 AOX 프로모터를 통한 인간 페리틴 유전자의 발현을 유도하는 것이 바람직하다.In the method of producing human ferritin of the present invention, the step 3 is preferably induced by the expression of the human ferritin gene through the AOX promoter by culturing for about 5 days after adding methanol at a concentration of about 0.5%.

상기와 같은 방법으로 생산된 인간 페리틴은 사용한 재조합 플라스미드에 따라 H형 페리틴 단위체 또는 L형 페리틴 단위체의 모노머 (monomer) 또는 이중합체 (dimer) 이상의 단일 중합체 (homopolymer)를 형성하게 된다.Human ferritin produced by the above method forms a homopolymer of at least a monomer or a dimer of an H-type ferritin unit or an L-type ferritin unit according to the recombinant plasmid used.

한편, 본 발명의 방법으로 인간의 페리틴을 생산함에 있어, H형 인간 페리틴 유전자와 L형 인간 페리틴 유전자를 각각 포함하는 두 종류의 재조합 플라스미드로 피키아 속 효모 균주에 각각 형질전환하여 개별적으로 단일 중합체를 형성할 수 있으며, 더 나아가 본 발명에서 개발한 재조합 플라스미드를 이용하여 발현 카세트를 제작한 다음 H형 페리틴 유전자와 L형 페리틴 유전자를 동시에 포함하는 플라스미드를 제작하여 형질전환된 효모를 배양함으로써 인간 페리틴을 이종 중합체 (heteropolymer)의 형태로 생산할 수 있는 장점을 가진다.Meanwhile, in the production of human ferritin by the method of the present invention, two recombinant plasmids each comprising an H-type human ferritin gene and an L-type human ferritin gene, respectively, are transformed into Pichia yeast strains and individually homopolymerized. In addition, by using the recombinant plasmid developed in the present invention, an expression cassette was prepared, and then a human ferritin was produced by culturing the transformed yeast by constructing a plasmid containing both an H-type ferritin gene and an L-type ferritin gene. It has the advantage that can be produced in the form of a heteropolymer (heteropolymer).

예를 들어, 본 발명의 재조합 플라스미드 pPICH-FE 및 pPICL-FE를 제한효소처리에 의하여 AOX프로모터, 페리틴 유전자 및 발현종결 유전자가 포함된 카세트를 만들고 다시 재조합하여 H형과 L형 유전자가 동시에 삽입된 새로운 플라스미드를 만든다. 이것을 피키아 패스토리스에 형질전환시켜 상기 형질전환 효모를 배양함으로써 인간 페리틴을 H형과 L형 페리틴 단위체 (subunit)들의 이종중합체 형태로 생산하는 것이 가능하다.For example, the recombinant plasmids pPICH-FE and pPICL-FE of the present invention were made by restriction enzyme treatment to make a cassette including the AOX promoter, ferritin gene and expression termination gene, and recombined to insert H and L genes simultaneously. Make a new plasmid. It is possible to produce human ferritin in the form of a heteropolymer of H-type and L-type ferritin subunits by culturing the transgenic yeast by transforming it into Pichia pastoris.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 생산되는 인간 페리틴 및 상기 페리틴을 유효 성분으로 하는 철분 공급 제제를 제공한다. 상기에서 인간 페리틴은 효모 배양액으로부터 순수 분리하여 이용될 수도 있으나, 보다 바람직하게는 배양된 효모 자체 또는 그 건조 분말과 같은 형태로 첨가될 수도 있으며, 이 경우 특별한 정제 과정을 거치지 않고도 즉시 이용될 수 있는 장점이 있다. 상기 철분 공급 제제는 철분 공급을 위한 기능성 식품 첨가물 또는 철분 부족 증상의 치료를 위한 빈혈 치료제의 목적으로 이용될 수 있으며, 경구 또는 비경구 투여를 위한 일반적인 약학 제제의 제조 방법에 따라 제형화 될 수 있다.The present invention also provides a human ferritin produced by the above method and an iron supply preparation containing the ferritin as an active ingredient. The human ferritin may be used as a pure separation from the yeast culture, but more preferably may be added in the form of cultured yeast itself or dry powder thereof, in which case it can be used immediately without going through a special purification process There is an advantage. The iron supply preparation may be used for the purpose of functional food additives for iron supply or for the treatment of anemia for the treatment of iron deficiency symptoms, and may be formulated according to the preparation of general pharmaceutical preparations for oral or parenteral administration. .

경구투여를 위한 고형제제로는 정제, 환제, 산제, 과립제, 캡슐제 등이 포함되며, 경구를 위한 액상제제로는 현탁제, 내용액제, 유제, 시럽제 등이 해당되는데 흔히 사용되는 단순 희석제인 물, 리퀴드 파라핀 이외에 여러 가지 부형제, 예를 들면 습윤제, 감미제, 방향제, 보존제 등이 포함될 수 있다. 비경구투여를 위한제제에는 멸균된 수용액, 비수성용제, 현탁제, 유제, 동결건조제제, 좌제가 포함된다.Solid preparations for oral administration include tablets, pills, powders, granules, capsules, etc., and liquid preparations for oral use include suspensions, solvents, emulsions, and syrups. Water is a simple diluent commonly used. In addition to liquid paraffin, various excipients may be included such as wetting agents, sweetening agents, fragrances, preservatives and the like. Preparations for parenteral administration include sterile aqueous solutions, non-aqueous solvents, suspensions, emulsions, lyophilized preparations, suppositories.

본 발명의 인간 페리틴을 유효 성분으로 하는 철분 공급 제제에 있어, 유효성분인 인간 페리틴 또는 상기 인간 페리틴을 생산하는 메탄올 자화 효모의 철 함유량은 2000ppm 이상이므로, 이를 감안하여 일반적인 철분 공급량인 10~50 mg/일을 충족시키기 위해 공지의 방법에 따라 적정량을 제제화하여 투여할 수 있다. 이때 구체적인 투여량은 공지의 철분 제제 사용량을 기준하여 결정하되, 환자의 상태에 따라 구체적으로 변경 조절이 가능하다.In the iron supply formulation containing the human ferritin of the present invention as an active ingredient, the iron content of the human ferritin as the active ingredient or the methanol magnetized yeast producing the human ferritin is 2000 ppm or more, and in view of this, the general iron supply amount is 10 to 50 mg. Appropriate amounts may be formulated and administered according to known methods to meet / day. At this time, the specific dosage is determined based on the known amount of iron formulation, it can be specifically modified and adjusted according to the condition of the patient.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 인간 페리틴 유전자를 증폭하여 클로닝하고 발현 벡터를 제작하기 위하여 먼저 PCR을 수행하였다. PCR 주형으로는 인간 페리틴 cDNA를 이용하고, PCR 프라이머로는 공지의 인간 H-페리틴 및 L-페리틴 유전자 서열을 기초로 하여 재조합 벡터에 삽입되기 위한 제한 효소 절단 부위를 갖는 4 종류의 올리고뉴클레오티드를 합성하여 사용하였다. 상기 PCR에서 증폭된 유전자를 발현하는 재조합 플라스미드로는 발현벡터에 삽입된 페리틴 유전자를 과발현하기 위해, 기존의 GAL 프로모터보다 훨씬 강력하며 메탄올을 탄소원으로 이용하여 발현을 유도할 수 있는 AOX 프로모터를 가지고 선별 표지 유전자로서 항생제 제오신 저항성 유전자를 가지는 피키아 발현 벡터 (pPICZaA; Invitrogen, 미국)를 사용하였다. 상기와 같이 PCR 증폭된 H형 페리틴 유전자 및 L형 페리틴 유전자 각각을 pPICZaA 벡터의EcoRI/XbaI 위치에 삽입하여 인간 페리틴 유전자를 발현하는 재조합 플라스미드를 제조하였으며, 이들을 각각 pPICH-FE 및 pPICL-FE로 명명하였다. 이후 상기 재조합 플라스미드로 각각E.coliDH5α를 형질전환하였다. 본 발명자들은 상기 인간 H형 페리틴 유전자를 포함하는 대장균 형질전환체를 2000년 8월 22일자로 한국 미생물 배양 센터에 기탁하였으며 (기탁번호 : KCCM-10209), 인간 L형 페리틴 유전자를 포함하는 대장균을 2000년 8월 29일자로 동 수탁기관에 기탁하였다 (기탁번호 : KCCM-10213).In a preferred embodiment of the present invention, PCR was first performed to amplify and clone the human ferritin gene and to produce an expression vector. As a PCR template, four types of oligonucleotides having restriction enzyme cleavage sites for insertion into a recombinant vector are synthesized based on human ferritin cDNA and PCR primers based on known human H-ferritin and L-ferritin gene sequences. Was used. Recombinant plasmids expressing the gene amplified by the PCR were selected with an AOX promoter, which is much more potent than the conventional GAL promoter and can induce expression using methanol as a carbon source to overexpress the ferritin gene inserted into the expression vector. As a marker gene, a Pichia expression vector (pPICZaA; Invitrogen, USA) having an antibiotic zeocin resistance gene was used. Recombinant plasmids expressing the human ferritin gene were prepared by inserting each of the PCR-amplified H-ferritin gene and L-ferritin gene into the Eco RI / Xba I position of the pPICZaA vector, respectively, and the pPICH-FE and pPICL-FE, respectively. Named. Thereafter, each of the recombinant plasmids was transformed with E. coli DH5α. The present inventors deposited the E. coli transformant containing the human H-type ferritin gene in Korea microbial culture center on August 22, 2000 (Accession No .: KCCM-10209), and E. coli containing the human L-type ferritin gene. The deposit was made on August 29, 2000 with the Depositary (KCCM-10213).

한편, 대장균에서 대량 증식된 상기 재조합 플라스미드를PmeI으로 절단하여 선형으로 만든 후 전기천공법 (electroporation)을 이용하여 메탄올 자화 효모인 피키아 속 효모 게놈 DNA의 AOX 유전자 자리로 도입하였다. 본 발명의 실시예에서는 형질전환되는 피키아 패스토리스 효모의 바람직한 예로서 피키아 패스토리스 KM71 (aox1Δ::SARG4 his4 arg4, MutsHis-, Invitrogen)을 사용하였다. 이후, 형질 전환된 효모를 선별하기 위해 제오신 항생제 저항성 유전자가 선별 표지 유전자로 하여 제오신을 함유하는 YPD (Yeast Peptone Dextrose) 배지에서 콜로니를 형성한 개체를 선택하였다.On the other hand, the recombinant plasmid that has been mass-proliferated in E. coliPmeI was cut into I, made linear, and then introduced into the AOX locus of genomic DNA of the genus Pichia, a methanol magnetizing yeast, by electroporation. In an embodiment of the invention transformed Pichia pastoris As a preferred example of yeast, Pichia pastoris KM71 (aox1Δ :: SARG4 his4 arg4, MutsHis-, Invitrogen) was used. Subsequently, in order to select the transformed yeast, an individual whose colonies were formed in YPD (Yeast Peptone Dextrose) medium containing zeosin was selected as the zeocin antibiotic resistance gene as the selection marker gene.

선택된 콜로니가 제대로 형질전환되어 형성된 콜로니임을 확인하기 위하여 각각의 게놈 DNA를 추출하여 PCR을 수행하였으며, PCR 결과 페리틴 유전자가 증폭된 것만 선별하여 최소배지 (minimal media)에 접종시켰다.In order to confirm that the selected colonies were formed by transforming properly, each genomic DNA was extracted and PCR was performed. Only the ferritin genes were amplified by PCR and inoculated in minimal media.

상기 형질전환된 효모의 발현 유도 조절은 크게 2 단계로 나누어 수행하였다. 먼저 최소배지에서 탄소원으로 포도당과 글리세롤을 차례로 첨가하여 억제 기작 (repression mechanism)과 탈억제 기작 (derepression mechanism)을 유도시켰다. 상기 억제 및 탈억제 단계에서는 페리틴이 발현되지 않으며 효모 (Pichia pastoris) 자체가 가지고 있는 유전자에 의해 탄소원을 이용하여 증식한다. 이후 2 단계로 최소배지 내에 메탄올을 첨가함으로써 효모 게놈 DNA에 삽입된 메탄올에 의해 유도되는 AOX 프로모터가 활성화되고, AOX 프로모터 하류에 연결된 인간 페리틴 유전자의 전사가 일어나 인간 페리틴이 생산되었다. 최종적으로 배양액으로 SDS-PAGE 및 웨스턴 블럿을 하여 페리틴이 발현되었음을 확인하였다.Expression induction control of the transformed yeast was largely divided into two steps. First, glucose and glycerol were added sequentially as a carbon source in a minimal medium to induce a suppression mechanism and a derepression mechanism. Ferritin is not expressed in the suppression and deinhibition stages and is propagated using a carbon source by a gene possessed by the yeast ( Pichia pastoris ) itself. Subsequently, by adding methanol in the minimal medium in two steps, the AOX promoter induced by methanol inserted into the yeast genomic DNA was activated, and the transcription of the human ferritin gene linked downstream of the AOX promoter occurred to produce human ferritin. Finally, it was confirmed that ferritin was expressed by SDS-PAGE and Western blot in culture.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> 인간 페리틴 유전자의 클로닝 및 발현 벡터의 제조Example 1 Cloning of Human Ferritin Gene and Preparation of Expression Vector

1-1) 인간 페리틴 유전자의 증폭1-1) Amplification of the Human Ferritin Gene

인간 페리틴 유전자를 증폭하기 위하여 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction; PCR)을 수행하였다. 주형 (template)으로는 인간 페리틴 cDNA를 이용하였으며, PCR용 프라이머로 인간 H-페리틴 (GenBank Accession No. M97164) 및 L-페리틴 (GenBank Accession No. M11147) 유전자 서열을 기초로EcoRⅠ 절단부위를 갖는 정방향 프라이머 (서열번호 1 및 3)와XbaⅠ절단부위를 갖는 역방향 프라이머 (서열번호 2 및 4)를 합성하여 이용하였다. 상기에서 PCR에 이용된 프라이머 염기서열은 하기 표와 같다.Polymerase chain reaction (PCR) was performed to amplify the human ferritin gene. As a template, human ferritin cDNA was used, and as primers for PCR, Eco- R1 cleavage sites were obtained based on human H-ferritin (GenBank Accession No. M97164) and L-ferritin (GenBank Accession No. M11147) gene sequences. Forward primers (SEQ ID NOs: 1 and 3) and reverse primers (SEQ ID NOs: 2 and 4) having Xba I cleavage sites were synthesized and used. Primer base sequences used in the PCR are shown in the table below.

증폭대상 유전자Gene to be amplified 시발체Primer 서열order 서열번호SEQ ID NO: 인간 H-페리틴Human H-ferritin 정방향Forward direction GCGCGAATTCATGACGACCGCGTCCACCGCGCGAATTCATGACGACCGCGTCCACC 1One 역방향Reverse GCGCTCTAGATTAGCTTTCATTATCACTGCGCTCTAGATTAGCTTTCATTATCACT 22 인간 L-페리틴Human L-ferritin 정방향Forward direction GCGCGAATTCATGAGCTCCCAGATTCGTGCGCGAATTCATGAGCTCCCAGATTCGT 33 역방향Reverse GCGCTCTAGATTAGTCGTGCTTGAGAGTGCGCTCTAGATTAGTCGTGCTTGAGAGT 44

PCR 조건은 열순환기 (PTC-100, MJ Research, USA)를 이용하여, Taq DNA 중합효소 1 unit를 포함하는 PCR 완충용액 (10mM dNTP, 1.5mM MgCl2, 20mM Tris-Cl, 50mM KCl)에 상기 주형과 프라이머를 첨가하여 94℃에서 5분간 변성시킨 후, 94℃ 1분, 50℃ 1분, 73℃ 1분으로 30 싸이클을 수행하고, 최종적으로 73℃ 에서 5분간 반응시켰다. 상기와 같은 PCR을 통해 약 560 bp의 산물이 증폭되었다( H형: 572 bp, 및 L형: 548 bp).PCR conditions using a thermocycler (PTC-100, MJ Research, USA), PCR buffer containing 1 unit of Taq DNA polymerase (10mM dNTP, 1.5mM MgCl 2 , 20mM Tris-Cl, 50mM KCl) After modifying the template and the primer for 5 minutes at 94 ° C, 30 cycles were performed at 94 ° C for 1 minute, 50 ° C for 1 minute, and 73 ° C for 1 minute, and finally reacted at 73 ° C for 5 minutes. About 560 bp of product was amplified by the above PCR (H-type: 572 bp, L-type: 548 bp).

1-2) 인간 페리틴 유전자 발현 벡터의 제작1-2) Construction of human ferritin gene expression vector

상기에서 증폭된 약 560 bp의 PCR 산물을EcoRⅠ으로 절단하여 선형으로 만든 후, 100% 에탄올로 침전시켜 회수하였다. 상기 DNA를 다시XbaⅠ으로 절단하고, 아가로스 겔로 전기영동하여 인간 페리틴 유전자를 포함하는 564 bp (H형) 및 540 bp (L형) 크기의 목적 DNA 절편을 분리하였다. 상기 DNA 절편을 T4 접합효소 (ligase)를 이용하여 AOX (alcohol oxidase) 프로모터와 선별 표지 유전자로서 제오신 (zeocin) 저항성 유전자를 포함하는 효모 발현 벡터 pPICZaA (Invitrogen, 미국)의EcoRⅠ/XbaⅠ 위치에 삽입하였다.The PCR product of about 560 bp amplified above was cut into Eco Ri and linearized, and then recovered by precipitation with 100% ethanol. The DNA was again cleaved with Xba I and electrophoresed on agarose gel to separate target DNA fragments of 564 bp (type H) and 540 bp (type L) containing human ferritin genes. The DNA fragment was placed on the Eco R I / Xba I position of the yeast expression vector pPICZaA (Invitrogen, USA) containing an AOX (alcohol oxidase) promoter and a zeocin resistance gene as a selectable marker gene using a T4 ligase. Inserted in

상기와 같은 과정을 통해 인간 페리틴 H 유전자 또는 L 유전자가 각각 AOX 프로모터 하류에 기능적으로 연결되고, 제오신 저항성 유전자를 선별 표지 유전자로 갖는 발현 플라스미드를 pPICH-FE 및 pPICL-FE로 명명하였으며, 상기 벡터들의 제작과정 및 구조를 도 1에 나타내었다.Through the above process, the expression plasmids in which the human ferritin H gene or L gene is functionally linked downstream of the AOX promoter, respectively, and the zeocin resistance gene as the selection marker gene were named pPICH-FE and pPICL-FE. The manufacturing process and structure of these are shown in FIG.

한편, pPICH-FE와 pPICL-FE로 각각E.coliDH5α를 형질전환하여 대장균 형질전환체를 제조하였으며, 이를 각각 2000년 8월 22일 및 2000년 8월 29일자로 한국 미생물 보존 센터 (Korean Culture Center of Microorganisms)에 기탁하였다 (기탁번호 : KCCM-10209 및 KCCM-10213).Meanwhile, E. coli DH5α was transformed with pPICH-FE and pPICL-FE, respectively, to prepare an E. coli transformant, which was prepared on August 22, 2000 and August 29, 2000, respectively. Center of Microorganisms) (accession numbers: KCCM-10209 and KCCM-10213).

<실시예 2> 대장균에서 pPICH-FE 및 pPICL-FE의 대량 증식Example 2 Mass Propagation of pPICH-FE and pPICL-FE in Escherichia Coli

상기 실시예 1에서 제작된 인간 페리틴 발현 플라스미드 pPICH-FE와 pPICL-FE을 대장균에서 대량으로 증식시키기 위해, 각각의 플라스미드로E.coliDH5α를 형질전환시켰다. 먼저, 각각의 pPICH-FE와 pPICL-FE을 2.5 kV, 200Ω, 4.5∼4.8 msec의 조건으로 전기천공법 (electroporation)을 이용하여, 컴피턴트 (competent) 상태로 만든E.coliDH5α에 도입한 후, SOC 배지를 첨가하여 가볍게 흔들어 주면서 37℃에서 약 1시간 배양함으로써 회복시켰다. 형질전환된 대장균을 회복시킨 후, 25 ㎍/㎖의 제오신 (zeocin)을 포함하는 저염 LB 배지 (low-salt media zeocin plate)에 도말하여 37℃에서 배양하고, 콜로니 (colony)를 형성한 형질전환체를 선별하였다. 이들 중 인간 페리틴 H형 유전자 및 L형 유전자가 제대로 클로닝된 형질전환체를 선별하기 위해 약 30개의 콜로니를 대상으로 PCR을 수행하였다. PCR 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 하였으며, 표 1에 표시된 올리고뉴클레오티드를 각각의 프라이머로 사용하였다. PCR 산물에 대한 아가로스 겔 전기영동 결과, 5개의 콜로니에서 약 560 bp의 H형 페리틴이 증폭되었으며, 6개의 콜로니에서 540 bp의 L형 페리틴이 증폭되어 이들 유전자가 삽입되었음을 확인하였다 (도 2참조).In order to multiply the human ferritin expression plasmids pPICH-FE and pPICL-FE prepared in Example 1 in E. coli in a large amount, E. coli DH5α was transformed with each plasmid. First, each of the pPICH-FE and pPICL-FE was introduced into E. coli DH5α made in a competent state using electroporation under the conditions of 2.5 kV, 200 Ω and 4.5 to 4.8 msec. The solution was recovered by incubation at 37 ° C. for about 1 hour while gently shaking with addition of SOC medium. After recovering the transformed E. coli, plated on low-salt media zeocin plate containing 25 μg / ml zeocin, incubated at 37 ° C., and colonies were formed. The transformants were selected. Among them, PCR was performed on about 30 colonies to select transformants in which human ferritin H and L genes were cloned properly. PCR conditions were the same as in Example 1, oligonucleotides shown in Table 1 were used as each primer. Agarose gel electrophoresis of the PCR product confirmed that about 560 bp H-type ferritin was amplified in five colonies, and 540 bp L-type ferritin was amplified in six colonies to confirm that these genes were inserted (see FIG. 2 ). ).

상기에서 선별된 콜로니를 제오신 포함 LB배지에서 배양시키고, 페놀-클로로포름 유기 용매 (phenol:chloroform = 1:1)에 의해 단백질을 변성시켜 제거하고 플라스미드 DNA를 추출한 다음, 각각의 플라스미드를EcoRⅠ 및XbaⅠ으로 처리하여 전기영동 패턴을 확인함으로써 페리틴 유전자가 올바르게 삽입된 것을 최종 확인하였다. 페리틴 H형 또는 L형 유전자가 올바르게 삽입된 형질전환체에 클로로암페니콜 (chloramphenicol)을 처리하여 플라스미드를 대량 증식시킨 후, 이를 분리 정제하였다.The colonies selected above were cultured in LB medium containing zeocin, denatured protein by phenol-chloroform organic solvent (phenol: chloroform = 1: 1), extracted plasmid DNA, and then each plasmid was extracted with Eco RI and It was finally confirmed that the ferritin gene was correctly inserted by treating with Xba I to confirm the electrophoretic pattern. The transformants with the ferritin H or L gene inserted correctly were treated with chloroamphenicol to massively propagate the plasmids, and then purified.

<실시예 3> 효모 균주의 형질전환 및 선별Example 3 Transformation and Selection of Yeast Strains

기능성을 갖는 인간 페리틴의 대량 생산을 위해 상기에서 제조한 발현 플라스미드 pPICH-FE 및 pPICL-FE를 이용하여 메탄올 자화 효모 균주인 피키아 패스토리스 (Pichia pastoris)를 형질전환시켰다. 우선, 상기 실시예 2에서 대량 정제된 pPICH-FE 및 pPICL-FE를 제한효소PmeⅠ으로 처리하여 선형 DNA 상태로 만들고 이를 농축시켰다. 형질전환될 효모 균주로 피키아 패스토리스 KM71 (Invitrogen, 미국)을 YPD (yeast, peptone, dextrose) 배지에 접종하여 OD600이 1.3∼1.5가 될 때까지 배양하였다. 배양된 균주를 4℃, 1500×g로 5분간 원심분리하고 냉각 멸균 증류수로 펠렛을 녹이는 과정을 반복하였다. 이후 1M의 솔비톨 (sorbitol)을 처리한 후 상기 원심분리 과정을 반복하여 최종 부피 1.5㎖가 되는 컴피턴트 세포를 얻었다. 상기 컴피턴트 세포 80㎕에,PmeⅠ을 처리하여 선형으로 만든 pPICH-FE 또는 pPICL-FE DNA 10㎕를 혼합하여 0.2 cm 전기천공 큐벳 (electroporation cuvette)에 넣고 얼음에서 5분간 정치한 후 1.5 kV, 200Ω의 조건으로 천기천공법을 통해 형질전환시켰다. 즉시, 1㎖의 1M 솔비톨을 첨가하여 멸균된 튜브로 옮긴 후 30℃에서 1∼2시간 정치 배양하여 세포들을 회복시켰다. 배양액 50∼200㎕를 100㎍/㎖의 제오신을 함유하는 YPDS (yeast extract peptone dextrose sorbitol) 고체 배지에 도말한 후 30℃에서 콜로니가 형성될 때까지 2∼3일간 배양하였다.The expression plasmids pPICH-FE and pPICL-FE prepared above for mass production of functional human ferritin were transformed into Pichia pastoris , a methanol magnetized yeast strain. First, the bulk purified pPICH-FE and pPICL-FE in Example 2 was treated with restriction enzyme Pme I to make a linear DNA state and concentrated. As a yeast strain to be transformed, Pichia pastoris KM71 (Invitrogen, USA) was inoculated in YPD (yeast, peptone, dextrose) medium and incubated until OD 600 reached 1.3 to 1.5. The cultured strain was centrifuged at 1500 ° C. for 5 minutes at 4 ° C. and the pellets were repeatedly dissolved in cold sterile distilled water. Thereafter, 1M of sorbitol was treated, and the centrifugation process was repeated to obtain competent cells having a final volume of 1.5 ml. 80 μl of the competent cells were mixed with 10 μl of pPICH-FE or pPICL-FE DNA which was linearly treated with Pme I, placed in a 0.2 cm electroporation cuvette, and allowed to stand on ice for 5 minutes, followed by 1.5 kV, Transformation was performed by puncturing at 200 Ω. Immediately, 1 ml of 1M sorbitol was added to transfer to sterile tubes and cells were recovered by standing incubation at 30 ° C. for 1-2 hours. 50-200 μl of the culture solution was plated in YPDS (yeast extract peptone dextrose sorbitol) solid medium containing 100 μg / ml of zeocine and incubated for 2 to 3 days until colonies were formed at 30 ° C.

형성된 콜로니 중 인간 페리틴 유전자가 효모의 게놈 내로 삽입된 것을 선별하기 위하여 게놈 DNA를 추출한 다음 상기 실시예 2와 동일한 조건으로 PCR을 수행하였다. PCR 산물은 1% 아가로스 겔 전기영동을 통해 확인하였으며, 그 결과 PCR을 수행한 9개의 콜로니 중 4개에서는 H형 페리틴 유전자가, 3개에서는 L형 페리틴 유전자가 증폭되었음을 확인하였다 (도 3참조).Genomic DNA was extracted in order to select that the human ferritin gene was inserted into the genome of the yeast among the colonies formed, and then PCR was performed under the same conditions as in Example 2. PCR products were confirmed by 1% agarose gel electrophoresis, and as a result, it was confirmed that 4 out of 9 colonies were subjected to amplification of the H-type ferritin gene and 3 of the L-type ferritin gene (see FIG. 3 ). ).

<실시예 4> 인간 페리틴의 발현 유도 및 확인Example 4 Induction and Confirmation of Expression of Human Ferritin

4-1) 재조합 효모의 배양을 통한 인간 페리틴 발현 유도4-1) Induction of Human Ferritin Expression through Culture of Recombinant Yeast

재조합 플라스미드로 형질전환된 효모 피키아 패스토리스에서 인간 페리틴을 발현시키기 위해, 상기 실시예 3에서 선별된 재조합 효모의 콜로니를 취한 다음 글리세롤을 탄소원으로 하는 20 ㎖의 BMGY 배지 (Yeast extract, Peptone, Yeast nitrogen base, Biotin, Glycerol)에 소량 접종하고 30℃에서 하루 동안 진탕배양하였다. 상기와 같이 탄소원으로 포도당과 글리세롤을 순차적으로 사용함으로써 외래 유전자의 발현을 억제 (repression) 및 탈억제 (derepression)하였다. 상기 배양액을 원심분리하여 효모를 분리한 후 무기철을 포함하는 200 ㎖의 BMMY 배지 (Yeast extract, Peptone, Yeast nitrogen base, Biotin, Methanol, 5 mM FeSO4)에 접종하고, 30℃, 호기적 조건 하에서 5일간 배양하여 AOX 프로모터에 의해 조절되는 인간 페리틴 유전자의 발현을 유도하였다.To express human ferritin in yeast Pichia pastries transformed with a recombinant plasmid, a colony of the recombinant yeast selected in Example 3 was taken, followed by 20 ml of BMGY medium using glycerol as a carbon source (Yeast extract, Peptone, Yeast). Nitrogen base, Biotin, Glycerol) was inoculated in small amounts and shaken for 30 days at 30 ℃. As described above, glucose and glycerol were sequentially used as carbon sources to suppress and depress expression of foreign genes. The culture broth was centrifuged to separate yeast and inoculated in 200 ml of BMMY medium containing inorganic iron (Yeast extract, Peptone, Yeast nitrogen base, Biotin, Methanol, 5 mM FeSO 4 ), and at 30 ° C., aerobic conditions. 5 days of incubation under induced expression of the human ferritin gene regulated by the AOX promoter.

5일간 배양한 후 배양액을 회수하여 4000 ×g로 10분간 원심분리하여 효모를 회수하였다. 상기에서 인간 페리틴의 발현을 확인하기 위하여 글래스 비드 (glass beads)와 브레킨 완충액 (Breakin buffer; PMSF, EDTA, Glycerol, sodium phosphate buffer)를 이용하여 회수된 효모를 파쇄하고 수용성 단백질을 추출하였다. 이를 13% SDS-PAGE로 확인한 결과, 약 20 kDa 위치에서 H-페리틴 및 L-페리틴 밴드를 확인할 수 있었다 (도 4참조).After culturing for 5 days, the culture solution was collected and centrifuged at 4000 × g for 10 minutes to recover yeast. In order to confirm the expression of human ferritin, the collected yeast was crushed using glass beads and Brekin buffer (PMrea, EDTA, Glycerol, sodium phosphate buffer) and water-soluble protein was extracted. This was confirmed by 13% SDS-PAGE, and the H-ferritin and L-ferritin bands were confirmed at about 20 kDa positions (see FIG. 4 ).

4-2) 웨스턴 블럿 분석4-2) Western Blot Analysis

한편, H-페리틴 및 L-페리틴의 발현을 보다 확실히 확인하기 위해, 상기 4-1)에서 추출된 단백질의 일부에 대해 웨스턴 블럿 분석을 수행하였다. 먼저, 13% SDS-PAGE로 단백질 추출물을 전기영동한 후, 니트로셀룰로스 (nitrocellulose) 막으로 전이시켰다. 상기 단백질의 전이는 미니 블럿전이 셀 키트 (mini transblot cell kit, BioRad, USA)를 이용하여, 4℃가 유지되는 저온실에서 전이 완충액 (20% 메탄올, 0.05% SDS, 25mM Tris-HCl, 192mM 글리신)을 이용하여 100V로 1시간 동안 수행하였다. 이후 1% 탈지유 (skim milk)가 포함된 인산 완충액 (phosphate buffered saline; PBS)으로 상온에서 1시간 동안 반응시키고, PBST 용액 (1% Triton X-100 in PBS)으로 3회 세척하였다. 1차 항체로서 페리틴 항체를 PBS 용액으로 1000배 희석하여 막에 결합된 단백질과 반응시켰다. 반응이 끝난 막을 상온에서 PBST 용액으로 회 세척한 후, 2차 항체로서 알칼라인 포스파타제 (alkaline phosphatase)와 결합된 IgG 항체를 희석하여 반응시켰다. 반응에 참가하지 않은 여분의 항체를 세척한 후, BCIP/NBT (5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate/nitro blue tetrazolium; Promega, USA)을 발색기질로서 첨가하여 신호를 검출하였다 (도 5참조). 그 결과, 인간 H형 페리틴과 L형 페리틴이 분자량 차이에 의해 각각 발현되었음을 확인하였다.On the other hand, in order to more clearly confirm the expression of H-ferritin and L-ferritin, Western blot analysis was performed on a part of the protein extracted in the above 4-1). First, protein extracts were electrophoresed with 13% SDS-PAGE and then transferred to nitrocellulose membranes. Transfer of the protein was carried out using a mini blot transition cell kit (BioRad, USA) in a low temperature chamber at 4 ° C. (20% methanol, 0.05% SDS, 25 mM Tris-HCl, 192 mM glycine). Was performed at 100V for 1 hour. Thereafter, the mixture was reacted with phosphate buffered saline (PBS) containing 1% skim milk at room temperature for 1 hour, and washed three times with PBST solution (1% Triton X-100 in PBS). The ferritin antibody as primary antibody was diluted 1000-fold with PBS solution to react with the protein bound to the membrane. After completion of the reaction, the membrane was washed with PBST solution at room temperature, and then reacted by diluting the IgG antibody bound with alkaline phosphatase as a secondary antibody. After washing off any excess antibody that did not participate in the reaction, BCIP / NBT (5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate / nitro blue tetrazolium; Promega, USA) was added as a chromogenic substrate to detect the signal ( Fig. 5 ). As a result, it was confirmed that human H-type ferritin and L-type ferritin were expressed by molecular weight difference, respectively.

4-3) 철의 함량 측정4-3) Determination of iron content

발현된 페리틴 단백질의 철 함량을 측정하기 위해 유도결합 플라즈마 발광광도계 (Inductively Coupled Plasma (ICP) Emission Spectrometer)를 사용하였다. SDS-PAGE에 의해 페리틴이 발현된 것으로 확인된 균체 0.5g을 원심분리기를 이용하여 모은 후, 100mM Tris-HCl(pH7.5) 용액으로 3회 세척하여 결합되지 않은 철들을 제거한 다음, 50℃에서 48시간 동안 건조시켰다. 건조된 균체는 질산 용액으로 12시간 분해하고 침전물을 제거한 후, ICP를 이용하여 철의 함량을 측정하였다. 그 결과 본 발명에서 생산된 인간 페리틴은 2000 ppm 이상의 철을 포함하고 있는 것으로 나타났다.Inductively Coupled Plasma (ICP) Emission Spectrometer was used to measure the iron content of expressed ferritin protein. 0.5 g of cells confirmed to express ferritin by SDS-PAGE were collected using a centrifuge, washed three times with 100 mM Tris-HCl (pH 7.5) solution to remove unbound iron, and then at 50 ° C. Dry for 48 hours. The dried cells were decomposed with nitric acid solution for 12 hours, the precipitates were removed, and iron content was measured using ICP. As a result, the human ferritin produced in the present invention was found to contain more than 2000 ppm iron.

본 발명의 재조합 효모 발현 시스템을 이용함으로써 기존의 철분 공급 제제로서의 페리틴 생산의 문제점을 해결한 안전성 및 기능성이 높은 페리틴을 높은 수율로 생산할 수 있다. 구체적으로는 가축으로부터 분리되는 페리틴에 비해 안전하고 발현율이 높으며, 비페리틴 제제에 비해 기능적으로도 효율적인 페리틴을 재조합 효모를 통해 대량 생산함으로써 식품 첨가용 또는 의약품용 철분 공급 제제의 유효 성분으로서 사용되는 안전하고 효율적인 인간 페리틴을 대량 생산하는 것이 가능하다.By using the recombinant yeast expression system of the present invention, it is possible to produce ferritin with high safety and high functionality which solves the problem of ferritin production as an existing iron supply agent. Specifically, it is safe to be used as an active ingredient for food supplement or pharmaceutical iron supply preparation by producing large quantities of ferritin through recombinant yeast, which is safer and higher in expression rate than ferritin isolated from livestock, and functionally efficient compared to nonferritin preparations. It is possible to mass produce efficient and efficient human ferritin.

Claims (13)

1) 인간 페리틴 유전자가 AOX (alcohol oxidase) 유전자 프로모터에 의해 발현 조절되도록 상기 AOX 프로모터와 기능적으로 연결된 효모 발현용 재조합 플라스미드를 제조하는 단계;1) preparing a recombinant plasmid for yeast expression functionally linked with the AOX promoter such that the human ferritin gene is regulated by an AOX (alcohol oxidase) gene promoter; 2) 상기 재조합 플라스미드로 메탄올 자화 효모를 형질전환하는 단계;2) transforming methanol magnetized yeast with the recombinant plasmid; 3) 상기 재조합 메탄올 자화 효모의 배양액에 메탄올을 첨가하여 인간 페리틴 유전자 발현을 유도하는 단계; 및3) inducing human ferritin gene expression by adding methanol to the culture medium of the recombinant methanolized yeast; And 4) 상기 배양액으로부터 인간 페리틴을 회수하는 단계를 포함하는,4) recovering human ferritin from the culture, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.Process for producing iron-containing human ferritin using methanol magnetized yeast. 제 1항에 있어서, 인간 페리틴 유전자는 H형 또는 L형 인간 페리틴 유전자인 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The method of claim 1, wherein the human ferritin gene is an H-type or L-type human ferritin gene. 제 1항에 있어서, 재조합 플라스미드는 pPICH-FE 또는 pPICL-FE인 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The method of claim 1, wherein the recombinant plasmid is pPICH-FE or pPICL-FE, using methanol magnetized yeast to produce iron-containing human ferritin. 제 1항에 있어서, 메탄올을 배지에 첨가하여 인간 페리틴 유전자의 발현을 유도하기에 앞서 배지의 탄소원으로 포도당과 글리세롤만을 순차적으로 포함시켜 외래 유전자인 인간 페리틴 유전자의 발현을 억제 (repression) 및 탈억제 (derepression)하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The method of claim 1, wherein only methanol and glycerol are sequentially included as a carbon source of the medium before methanol is added to the medium to induce the expression of the human ferritin gene, thereby suppressing and suppressing the expression of the foreign ferritin gene. A method for producing iron-containing human ferritin using methanol magnetizing yeast, further comprising the step of derepression. 제 1항에 있어서, 메탄올 자화 효모는 피키아 패스토리스 (Pichia pastoris)인 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The method of claim 1, wherein the methanol magnetizing yeast is Pichia pastoris , wherein the methanol-containing yeast is used to produce iron-containing human ferritin. 제 1항에 있어서, 단계 3은 메탄올을 0.5%의 농도로 첨가한 후 5일간 배양함으로써 AOX를 통한 인간 페리틴 유전자의 발현을 유도하는 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.[Claim 2] The human-containing iron using methanol magnetizing yeast according to claim 1, wherein step 3 induces expression of human ferritin gene through AOX by adding methanol at a concentration of 0.5% and incubating for 5 days. How to produce ferritin. 제 1항에 있어서, 페리틴은 H형 또는 L형 단위체의 단일체 (monomer), 이중합체 (dimer), 또는 3 분자 이상의 단위체를 포함하는 단일 중합체 (homopolymer)나 이종 중합체 (heteropolymer) 형태로 얻어지는 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The method of claim 1, wherein the ferritin is obtained in the form of a homopolymer or heteropolymer comprising a monomer, a dimer, or three or more molecules of the H- or L-type unit. A method of producing human ferritin containing iron using methanol magnetizing yeast. 제 1항에 있어서, 단계 2의 인간 페리틴 유전자를 포함하는 재조합 플라스미드로서 H형 인간 페리틴 단위체와 L형 인간 페리틴 단위체를 암호화하는 유전자를 동시에 포함하는 플라스미드를 이용함으로써 H형과 L형 페리틴 단위체 (subunit)들의 이종 중합체 (heteropolymer) 형태로 페리틴을 생산하는 것을 특징으로 하는, 메탄올 자화 효모를 이용하여 철을 함유하는 인간 페리틴을 생산하는 방법.The H-type and L-type ferritin monomers according to claim 1, by using a plasmid simultaneously containing a gene encoding H-type human ferritin monomer and L-type human ferritin monomer as a recombinant plasmid comprising the human ferritin gene of step 2. A method for producing iron-containing human ferritin using methanol magnetizing yeast, characterized in that the ferritin is produced in the form of a heteropolymer. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 인간 H형 페리틴 유전자가 AOX (alcohol oxidase) 프로모터의 조절을 받도록 기능적으로 연결되어 있고, 제오신 저항성 유전자를 선별 표지 유전자로 가지며, 메탄올 자화 효모 균주에 도입되어 인간 페리틴 유전자를 대량 발현할 수 있는 재조합 플라스미드 pPICH-FE (기탁번호 : KCCM-10209).The human H-type ferritin gene is functionally linked to be regulated by an AOX (alcohol oxidase) promoter, has a zeocin resistance gene as a selection marker gene, and is introduced into a methanol magnetized yeast strain to be capable of mass expression of human ferritin gene. Plasmid pPICH-FE (Accession No .: KCCM-10209). 인간 L형 페리틴 유전자가 AOX (alcohol oxidase) 프로모터의 조절을 받도록 기능적으로 연결되어 있고, 제오신 저항성 유전자를 선별 표지 유전자로 가지며, 메탄올 자화 효모 균주에 도입되어 인간 페리틴 유전자를 대량 발현할 수 있는 재조합 플라스미드 pPICL-FE (기탁번호 : KCCM-10213).The human L-type ferritin gene is functionally linked to be regulated by an AOX (alcohol oxidase) promoter, has a zeocin resistance gene as a selection marker gene, and is introduced into a methanol magnetized yeast strain to be capable of expressing a large amount of human ferritin gene. Plasmid pPICL-FE (Accession No .: KCCM-10213).
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