KR101349070B1 - Compulsory expression vector of foreign gene - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외래 유전자 강제 발현 벡터에 관한 것으로, 구체적으로, T7 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 유전자 3-프레임 동시번역(Three-Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트[3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 각기 다른 프레임으로 개시되는 3개의 개시 코돈(ATG) 포함 단편]가 순차적으로 연결된 유전자 강제 발현 카세트를 제작하고, 상기 유전자 강제발현 카세트 1개 또는 2개가 포함된 유전자 강제 발현 카세트를 벡터에 도입하여, 클로닝되는 DNA 단편이 한 개의 전사단위(mRNA)로 전사되고 이로부터 3개 또는 6개의 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 강제발현 벡터를 제작하고, 상기 벡터에 3개 또는 6개의 프레임으로 녹색 형광 단백질 유전자를 클로닝한 후, 얻어진 각각의 재조합 발현 벡터가 형질전환 균주에서 녹색 형광 단백질이 모두 높은 수준으로 발현됨을 확인하였으므로, 본 발명의 신규 발현 벡터는 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA 라이브러리 제작에 이용될 수 있을 뿐 아니라, 메타게놈 라이브러리, 게놈 라이브러리 또는 cDNA 라이브러리를 제작하여 활성형 단백질을 발현하는 방법, 이들 라이브러리로부터 유용 유전자를 스크리닝하거나, 또는 시험관내 전사/번역 시스템을 이용한 유전자 발굴에 유용하게 이용될 수 있다.The present invention relates to a foreign gene forced expression vector, specifically, T7 promoter, lactose operator and three-frame Simultaneous Translation (TFST) construct [three ribosomal binding sites (RBS) and Three start codons (ATG) -containing fragments which are started in different frames] were sequentially constructed, and a gene-forced expression cassette including one or two gene-expression cassettes was introduced into the vector. A DNA fragment to be cloned is transcribed into one transcription unit (mRNA), from which a forced expression vector can be produced from which three or six frames of polypeptide can be translated simultaneously, and the green fluorescence in three or six frames on the vector. After cloning the protein gene, each recombinant expression vector obtained was high in all the green fluorescent protein in the transformed strain. Since it was confirmed that the expression level, the novel expression vector of the present invention can be used for the production of metagenome, genome, or cDNA library, as well as a method for expressing the active protein by preparing a metagenomic library, genomic library or cDNA library The present invention can be useful for screening useful genes from these libraries, or for discovering genes using an in vitro transcription / translation system.

Description

외래 유전자 강제 발현 벡터{Compulsory expression vector of foreign gene}Compulsory expression vector of foreign gene}

본 발명은 유용 유전자 탐색용 신규 발현 벡터에 관한 것이다.
The present invention relates to novel expression vectors for the search for useful genes.

미생물로부터 생산된 효소를 산업적으로 이용하려는 연구는 지난 100여 년간 여러 분야에서 폭넓게 진행되어 왔다. 이러한 연구는 주로 배양이 가능한 미생물을 대상으로 이루어졌고, 이로부터 밝혀진 다양한 미생물 효소들이 산업적으로 이용되고 있다. The industrial use of enzymes produced from microorganisms has been extensively conducted in various fields for the last 100 years. These studies were mainly conducted on microorganisms that can be cultured, and various microbial enzymes found therefrom are being used industrially.

그러나, 최근 분자미생물 생태학의 연구를 통해서 자연계에 존재하는 미생물의 99% 이상이 전형적인 배지에서 배양되지 않는다는 사실이 증명되었다(Amann et al ., Microbiol. Rev. 59:143-169, 1995; Hugenholtz and Pace, Trends Biotechnol. 14:190-197, 1996; Ward et al ., Nature 345:63-65, 1990). 따라서, 아직까지 배양 및 동정이 불가능한 미생물들로부터 효소를 찾으려는 노력이 필요하며, 이는 분자생물학적인 유전자 재조합 발현을 통하여 가능하리라 여겨진다.However, recent studies of molecular microbial ecology have demonstrated that more than 99% of the microorganisms in nature are not cultured in typical media (Amann et al. al . , Microbiol. Rev. 59: 143-169, 1995; Hugenholtz and Pace, Trends Biotechnol. 14: 190-197, 1996; Ward et al . , Nature 345: 63-65, 1990). Therefore, efforts are needed to find enzymes from microorganisms that are not yet cultivable and identified, which is believed to be possible through molecular biological recombinant expression.

이러한 접근 방법의 일환으로 메타게놈(metagenome)에 관한 연구가 시도되고 있는데, 메타게놈은 자연계에 존재하는 모든 미생물의 유전체를 통칭하며, 일반적으로, 메타게놈 연구는 자연계 시료로부터 미생물을 배양하지 않고 메타게놈을 분리한 후, 이들을 라이브러리로 작성하여 배양가능한 대장균에 도입하는 단계로 구성된다. 이는 난배양 미생물에 대한 전체 유전체 정보 해석은 어렵더라도 해당 미생물 유래의 유전자원 산물을 확보할 수 있는 장점이 있다.As part of this approach, research on metagenome has been attempted, which refers to the genomes of all microorganisms in nature, and in general, metagenome studies do not incubate microorganisms from natural samples. After separating the genomes, they are prepared into a library and introduced into cultivable Escherichia coli. Although it is difficult to interpret the entire genome information for the cultivated microorganisms, there is an advantage that can secure the gene source product derived from the microorganism.

환경 시료에서 메타게놈을 추출하여 라이브러리를 구축한 후 여기에서 유용한 유전자를 스크리닝하는 방법은 1990년대 중반 이후 진행되기 시작하였다. 가장 전형적인 스크리닝 방법은 메타게놈을 토양, 해수 등 환경 시료에서 추출하여 BAC (bacterial artificial chromosome), 포스미드(fosmid), 혹은 플라스미드(plasmid) 벡터에 삽입하여 E. coli에 형질전환한 후, 기질이 들어있는 평판 배지 위에서 활성을 보는 방법이다. 현재까지 메타게놈 라이브러리 스크리닝을 통하여 항생제 합성 및 항생제 내성에 관련된 단백질 유전자들과 아가라제(agarase), 아미다제(amidase), 아밀라제(amylase), 에스테라제(esterase), 리파제(lipase), 자일라나아제(xylanase), 펙테이트 리아제(pectate lyase), 폴리케타이드 합성효소(polyketide synthases) 등 산업체에 쓰이는 효소 유전자들이 스크리닝 되었음이 보고되었다(Daniel, D. Curr. Opinion Biotechnol. 15:199-204, 2004; Streit, W. R. et al ., Curr. Opinion Biotechnol. 15:285-290, 2004; Yun, J. and S. Ryu, Microbial. Cell Factories 4:8, 2005).The process of extracting metagenomes from environmental samples to build libraries and screening for useful genes began in the mid-1990s. The most typical screening method involves extracting metagenome from environmental samples such as soil and seawater, inserting them into bacterial artificial chromosome (BAC), fosmid, or plasmid vectors to transform E. coli , It is a method of viewing activity on a flat plate containing. To date, gene genomes related to antibiotic synthesis and antibiotic resistance, as well as agarase, amidase, amylase, esterase, lipase and xyl It has been reported that enzyme genes used in industry such as lanase, pectate lyase and polyketide synthases have been screened (Daniel, D. Curr. Opinion Biotechnol. 15: 199-204) , 2004; Streit, WR et al . , Curr. Opinion Biotechnol. 15: 285-290, 2004; Yun, J. and S. Ryu, Microbial. Cell Factories 4: 8, 2005).

최근에는 메타게놈 라이브러리를 구축하고 스크리닝하는 과정에서 위의 방법을 개선시키는 방법들이 연구되었다. 우선 숙주인 대장균(E. coli)을 이용하여 환경 시료 중의 다양한 미생물에서 유래한 메타게놈 유전자를 활성형 단백질로 발현하는데 수반되는 전사, 번역 시스템의 부적합 등의 한계성을 인식하고 E. coli 이외에 스트렙토마이세스 리비단스(Streptomyces lividans)나 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 등을 숙주로 이용하여 메타게놈 라이브러리 구축에 이용한 예도 보고되었다(Courtois, S. et al ., Appl. Environ. Microbiol. 69:49-55, 2003; Martinez, A. et al ., Appl. Environ. Microbiol. 70:2452-2463, 2004; Wang, G. Y. S. et al ., Org. Lett. 2:2401-2404, 2000). 그리고 특정한 효소를 스크리닝하기 위하여 해당 기질을 넣은 배지에서 라이브러리를 전-강화(pre-enrichment)시키는 방법도 시도되었다(Entcheva, P. et al ., Appl. Environ Microbiol. 67:89-99, 2001; Gabor, E. M. et al ., Environ. Microbiol. 6:948-958, 2004a; Knietsch, A. et al ., Appl. Environ. Microbiol. 69:1408-1416, 2003; Voget, S. et al ., Appl. Environ. Microbiol. 69:6235-6242, 2003). 또한 액체 배양 상태의 메타게놈 라이브러리에서 원하는 기질에 의하여 발현이 유도되는 유전자를 FACS로 스크리닝하는 방법(SIGEX)도 보고되었으며(Uchiyama, T. et al ., Nat. Biotechnol. 23:88-93, 2005), 이외에도 메타게놈 라이브러리에서 원하는 유전자를 찾아낼 수 있는 확률적 효용성을 생물정보학적 접근방법으로 검증하기도 하였다(Gabor, E. M. et al ., Environ. Microbiol. 6:879-886, 2004b). 아울러, 메타게놈 라이브러리를 구축한 후, shotgun sequencing을 하여, 배양할 수 없는 세균의 DNA 정보가 무작위적으로 밝혀지고 있다(Tyron, G. et al ., Nature 428: 37-73, 2004; Venter, J. C. et al ., Science 304: 66-74, 2004). 하지만, 이러한 메타게놈 라이브러리를 구축하는데 사용하는 기존의 벡터 시스템은 주로 단순한 목적의 클로닝을 위한 벡터로서 유전자 발현에는 적합하지 않은 문제점이 있다. 즉, 이종의 발현 숙주에서 외래 유전자를 발현하고자 할 때 프로모터를 포함한 전사 조절 인자와 리보솜 결합 부위, 개시 코돈 등의 번역 조절 인자, 그리고 각 요소들간의 거리 등 다양한 조건이 충족되어야 하며 이러한 요소들이 발현 숙주의 유전자 전사 및 번역 시스템과 부합해야 한다. Recently, methods for improving the above methods have been studied in building and screening the metagenome library. First, the host E. coli was used to recognize the limitations of transcription and translation system involvement in expressing metagenome genes derived from various microorganisms in environmental samples as active proteins, and in addition to E. coli , streptomy Streptomyces lividans or Pseudomonas putida ) has also been reported to build a metagenome library using the host (Courtois, S. et. al . , Appl. Environ. Microbiol. 69: 49-55, 2003; Martinez, A. et al . , Appl. Environ. Microbiol. 70: 2452-2463, 2004; Wang, GYS et al . , Org. Lett. 2: 2401-2404, 2000). In addition, a method of pre-enrichment of the library in a medium containing the substrate has been attempted to screen specific enzymes (Entcheva, P. et. al . , Appl. Environ Microbiol. 67: 89-99, 2001; Gabor, EM et al . , Environ. Microbiol. 6: 948-958, 2004a; Knietsch, A. et al . , Appl. Environ. Microbiol. 69: 1408-1416, 2003; Voget, S. et al . , Appl. Environ. Microbiol. 69: 6235-6242, 2003). In addition, a method (SIGEX) for screening genes induced by expression of a desired substrate in a metagenome library in liquid culture (SIGEX) has been reported (Uchiyama, T. et. al . , Nat. Biotechnol. 23: 88-93, 2005). In addition, a bioinformatics approach has been used to verify the stochastic utility of finding desired genes in the metagenome library (Gabor, EM et al. al . , Environ. Microbiol. 6: 879-886, 2004b). In addition, after constructing the metagenome library, shotgun sequencing is performed to randomly reveal DNA information of bacteria that cannot be cultured (Tyron, G. et. al . Nature 428: 37-73, 2004; Venter, JC et al . , Science 304: 66-74, 2004). However, the existing vector system used to build such a metagenome library has a problem that is not suitable for gene expression as a vector mainly for cloning for simple purposes. In other words, when expressing a foreign gene in a heterologous expression host, various conditions such as a transcriptional regulator including a promoter, a ribosome binding site, a translational regulator such as an initiation codon, and a distance between the elements must be satisfied. It must match the host's gene transcription and translation system.

한편, 진핵생물 유래의 유용 유전자원을 확보하기 위해서는 해당 생물체 유래의 전체 mRNA를 분리하여 cDNA로 전환한 후 벡터에 클로닝하는 방법을 많이 사용한다. 그러나 이때도 해당 유전자를 발현숙주에서 발현하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같은 발현하고자 하는 유전자와 연결된 프로모터를 포함한 전사 조절 인자와 리보솜 결합 부위, 개시 코돈 등의 번역 조절 인자, 그리고 각 요소들 간의 거리 등 다양한 조건이 충족되어야 하기 때문에 발현하고자 하는 유전자 서열을 일일이 PCR 등을 이용해 증폭하여 정확한 위치에 클로닝하기 위한 추가적인 분자생물학적 조작이 요구되는 어려움이 있다.
On the other hand, in order to secure a useful gene source derived from eukaryotes, a lot of methods are used to isolate the whole mRNA from the organism, convert it to cDNA, and then clone it into a vector. However, in this case, in order to express the gene in the expression host, a variety of transcriptional regulators including a promoter linked to the gene to be expressed as described above, a ribosome binding site, a translational regulator such as an initiation codon, and a distance between the elements Since conditions must be satisfied, there is a difficulty in that additional molecular biological manipulations are required to amplify the gene sequence to be expressed one by one using PCR or the like to clone it in the correct position.

한편, 외래 유전자를 발현하기 위한 수단으로 무세포 단백질 합성 시스템(cell-free protein synthesis; in vitro transcription/translation system)을 사용할 수 있다. 무세포 단백질 합성 기술은 세포배양을 통하지 않고 시험관 내(in vitro)에서 단백질을 합성할 수 있도록 하는 기술인데 T7 프로모터를 이용한 TNT Quick coupled Transcription translation system (Promega) 시스템이 한 예이다. 이러한 시스템은 펩티드를 몇 시간 이내에 합성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 숙주 세포에서 생성되는 단백질 분해효소들에 의해 분해되는 펩티드 및 숙주 세포에 독성을 나타내는 펩티드들의 제조를 가능하게 하므로, 자연적으로는 발생하지 않는 펩티드 유도체들 또는 mRNA, 리보솜(ribosome) 및 펩티드로 구성된 복합체의 제조도 가능하다(Mendel D. et al ., Annu Rev Biophys Biomol Struct. 24:435-62, 1995). 따라서, 이러한 시스템은 각종 효소, 호르몬, 항체 등의 연구에 보다 쉽게 적용 가능할 뿐만 아니라, 분자적 진단, 새로운 의약품이나 촉매 등의 개발에도 유용하게 응용할 수 있다. 그러나 무세포 단백질 합성 시스템을 활용하기 위해서도 전술한 바와 같은 유전자 발현조건을 모두 충족시키기 위하여 추가적인 분자생물학적 조작이 필수적이기 때문에 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA 라이브러리로부터 유용 유전자를 발굴하기 위해서 이 시스템을 쉽게 적용할 수 없는 단점이 있다.
Meanwhile, cell-free protein synthesis (in vitro transcription / translation system) may be used as a means for expressing foreign genes. Cell-free protein synthesis technology enables the synthesis of proteins in vitro without cell culture. For example, TNT Quick coupled Transcription translation system (Promega) system using T7 promoter. Such a system has the advantage that the peptide can be synthesized within a few hours. In addition, it is possible to prepare peptides that are degraded by proteolytic enzymes produced in the host cell and peptides that are toxic to the host cell, so that peptide derivatives or mRNAs, ribosomes and peptides that do not occur naturally do not occur. It is also possible to prepare composed complexes (Mendel D. et. al . , Annu Rev Biophys Biomol Struct. 24: 435-62, 1995). Therefore, such a system is not only easily applicable to the study of various enzymes, hormones, antibodies and the like, but also useful for molecular diagnosis, development of new medicines and catalysts, and the like. However, in order to utilize a cell-free protein synthesis system, additional molecular biological manipulations are essential to meet all of the gene expression conditions as described above. There is a disadvantage that can not.

이에, 본 발명자들은 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA 라이브러리와 같은 대량의 유전자원으로부터 단백질 발현을 통하여 유용 유전자를 탐색하고자 할 때, 클로닝 되는 외래 DNA 단편 상에 포함되어 있는 전사 또는 번역 요소들이 숙주의 유전자 발현시스템과 부합하지 않을 때는 발현이 잘 되지 않는 기존 발현 시스템의 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과, 현재 사용되는 대장균용 발현 시스템 중 가장 강력한 T7 RNA 폴리머라제(polymerase) 기반의 T7 프로모터(promoter) 활용 시스템과 연계하여 삽입되는 DNA 단편의 발현을 혁신적으로 높인 신규 발현벡터 시스템을 구축하였다.Therefore, when the inventors want to search for useful genes through protein expression from a large number of gene sources such as metagenome, genome, or cDNA library, the transcription or translation elements contained on the foreign DNA fragment to be cloned are the gene of the host. As a result of efforts to solve the problems of the existing expression system that is not well expressed when it does not match the expression system, the most powerful T7 RNA polymerase-based T7 promoter utilization system among the E. coli expression systems currently used. In this study, a novel expression vector system was constructed to dramatically increase the expression of DNA fragments to be inserted.

구체적으로, 본 발명자들은 T7 프로모터와 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역 (Three-Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트[3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 각기 다른 프레임으로 번역이 개시되는 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 단편]가 연결된 유전자 강제 발현 카세트를 벡터에 도입하여, 클로닝되는 DNA 단편이 한 개의 전사단위(mRNA)로 전사되고 이로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 3 프레임 강제발현 벡터 pTFSX를 제작하였다. 또한, T7 프로모터와 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트가 연결된 유전자 강제 발현 카세트 2 개가 전사종결자를 중심으로 서로 마주 보도록 배열된 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 벡터에 도입하여 2개 유전자 강제발현 카세트 사이에 클로닝되는 DNA 단편이 각 강제발현 카세트를 이용하여 각각 한 개의 전사단위로 전사되고 이들로부터 각기 3개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어 총 6 프레임의 폴리펩티드가 번역될 수 있는 6 프레임 강제발현 벡터 pSFSX를 제작하였다. 이러한 강제발현 벡터 시스템을 검증하고자, 자체 개시 코돈이 제거된 녹색 형광 단백질 유전자(GFPuv)를 강제발현 카세트의 프레임에 맞게 제작 후 클로닝하고, 이로부터 얻어진 각각의 재조합 발현 벡터가 형질전환된 균주에서 각각 녹색 형광 단백질이 높은 수준으로 발현됨을 확인하였다. 이를 통해, 본 발명의 신규 발현 벡터들이 클로닝되는 DNA를 한방향 또는 양방향에서 각각 1개 전사단위로 전사하고 이로부터 각각 3개 프레임씩 최대 가능한 모든 6개 프레임으로 강제 발현시킴으로써 활성형 단백질의 발현 가능성을 증진시킬 수 있으므로 메타게놈 라이브러리, 게놈 라이브러리 또는 cDNA 라이브러리의 구축 또는 시험관내 전사/번역 시스템에 적용할 경우, 이들로부터 유용 유전자를 효율적으로 스크리닝하는데 이용될 수 있음을 밝힘으로써, 본 발명을 완성하였다.
Specifically, we translated the T7 promoter with lactose operator and three-frame Simultaneous Translation (TFST) constructs (three ribosomal binding sites (RBS) and different frames). A fragment comprising the three initiating codons (ATG) to which the initiation is linked is introduced into the vector so that the cloned DNA fragment is transcribed into one transcription unit (mRNA) and three frames of polypeptide A three-frame forced expression vector pTFSX that can be translated at the same time was constructed. In addition, two gene coercion expression cassettes linked to a T7 promoter, a lactose operator, and a gene three-frame co-translation construct were introduced into the vector by arranging bidirectional gene coercion cassettes arranged so as to face each other around the transcription terminator. DNA fragments cloned between two gene expression cassettes are transcribed into one transcription unit each using each of the expression genes, from which three frames of polypeptides can be translated, resulting in a total of six frames of polypeptides. A frame forced expression vector pSFSX was constructed. To verify this coexpression vector system, a green fluorescent protein gene (GFPuv) free of self-initiation codons was constructed and cloned into the frame of the coexpression cassette, and each recombinant expression vector obtained therefrom was transformed into a strain. It was confirmed that the green fluorescent protein was expressed at high levels. Through this, a novel expression vector of the present invention is transcribed into one transcription unit, respectively, in one or two directions of the cloned DNA, thereby forcibly expressing the expression of the active protein by forcibly expressing all six frames with three frames each. The present invention has been accomplished by revealing that it can be used to efficiently screen useful genes from them when applied to the construction of metagenome libraries, genomic libraries or cDNA libraries or in vitro transcription / translation systems.

본 발명의 목적은 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA로부터 임의의 유전자원을 탐색하기 위한, 신규 유전자 3-프레임 동시번역(Three-Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트, 프로모터와 상기 TFST 컨스트럭트가 연결된 유전자 강제발현 카세트를 하나 또는 두 개 이상 포함하는 유전자 강제 발현 벡터 및 상기 벡터가 도입된 형질전환체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a novel three-frame simultaneous translation (TFST) construct, a promoter and the TFST construct to search for any gene source from the metagenome, genome, or cDNA. It is to provide a gene-forced expression vector comprising one or two or more linked gene expression cassette and a transformant to which the vector is introduced.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 벡터를 이용하여 메타게놈으로부터 임의의 유전자를 스크리닝하는 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method for screening any gene from metagenome using the vector according to the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프로모터(promoter), 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역(Three-Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트를 포함하고, DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 한 개의 전사 단위로 전사되며 이로부터 다시 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는 유전자 강제 발현 카세트를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention comprises a promoter, lactose operator and three-frame Simultaneous Translation (TFST) constructs, The linked DNA fragment is transcribed into one transcription unit, from which again a gene forced expression cassette is provided in which three frames of polypeptide are simultaneously translated.

또한, 본 발명은 In addition,

프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 정방향으로 도입된 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트;The first gene forced expression cassette introduced forward and including promoter, lactose operator and TFST construct;

rrnB 전사종결자; 및rrnB transcription terminator; And

프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트의 역방향으로 도입된 두 번째 유전자 강제발현 카세트를 포함하고, A second gene coexpression cassette, including a promoter, a lactose operator and a TFST construct, introduced backwards of the first gene coexpression cassette,

상기 2개 유전자 강제 발현 카세트 사이에 rrnB 전사종결자를 대신하여 DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 각각 1개의 전사단위로 전사되고, 이들로부터 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 양방향으로 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 제공한다.Linking DNA fragments in place of the rrnB transcription terminator between the two gene expression cassettes, the linked DNA fragments are transcribed into one transcription unit from the bidirectional promoter, and three frames of polypeptides are bidirectionally translated from them. A bidirectional gene force expression cassette is provided in which a total of six frames of polypeptide are translated simultaneously.

또한, 본 발명은 상기 유전자 강제 발현 카세트 또는 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 1개 이상 포함하는 재조합 발현 벡터를 제공한다.In addition, the present invention provides a recombinant expression vector comprising at least one of said gene forced expression cassette or bidirectional gene forced expression cassette.

또한, 본 발명은 상기 재조합 발현 벡터를 숙주세포에 도입한 형질전환체를 제공한다.The present invention also provides a transformant in which the recombinant expression vector is introduced into a host cell.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 메타게놈 유전자 라이브러리 제작방법을 제공한다.:In addition, the present invention provides a method for producing a metagenomic gene library comprising the following steps:

1) 메타게놈(metagenome) 유래 DNA를 제한 효소로 절단하는 단계; 및1) cleaving the metagenome-derived DNA with a restriction enzyme; And

2) 상기 단계 1)의 절단된 DNA를 본 발명에 따른 발현 벡터에 삽입하는 단계.2) inserting the cleaved DNA of step 1) into the expression vector according to the present invention.

아울러, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 메타게놈 유래 활성 유전자 스크리닝 방법을 제공한다.:In addition, the present invention provides a metagenome-derived active gene screening method comprising the following steps:

1) 메타게놈으로부터 DNA를 분리하는 단계;1) separating DNA from the metagenome;

2) 단계 1)의 DNA를 본 발명에 따른 발현 벡터에 삽입하는 단계;2) inserting the DNA of step 1) into an expression vector according to the present invention;

3) 단계 2)의 발현 벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; 및3) preparing a transformant by introducing the expression vector of step 2) into a host cell; And

4) 단계 3)의 형질전환체를 배양하여 단백질 발현을 검증하는 단계.
4) culturing the transformant of step 3) to verify protein expression.

본 발명의 신규 발현 벡터는 강력한 T7 프로모터에 3개의 RBS-ATG로 이루어진 단순하면서도 효율적인 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트가 연결된 유전자 강제발현 카세트를 사용하고 있어, 그 구조가 복잡하고 클로닝되는 DNA 단편의 특정 프레임에서만 단백질 발현이 관찰되는 문제를 지닌 기존 유사 발현 시스템에 비해 동시에 3개 프레임 모두에서 높은 발현을 나타내도록 개선된 것이다. 뿐만 아니라, 유전자 강제발현 카세트 2조를 서로 마주보도록 배열한 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 개발하여, 한 개의 벡터를 이용하여 6개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어 발현될 수 있도록 하였다.The novel expression vector of the present invention employs a gene expression cassette in which a simple and efficient gene three-frame co-translation construct consisting of three RBS-ATGs is linked to a powerful T7 promoter, which is complex and cloned. Compared to the existing analogous expression system with the problem that protein expression is observed only in certain frames of, it is improved to show high expression in all three frames at the same time. In addition, a two-way gene expression cassette was developed by arranging two sets of gene expression cassettes to face each other so that six frames of polypeptide could be translated and expressed using one vector.

따라서, 상기 본 발명의 신규 벡터는 메타게놈 유래 유전자원 등으로부터 활성형 단백질을 발현할 수 있는 가능성을 획기적으로 높일 뿐 아니라, 메타게놈 유래 유전자에 국한되지 않고, 게놈 라이브러리(genomic library) 또는 cDNA 라이브러리 유래 유전자의 발현에도 효과적으로 이용될 수 있다. 아울러, 본 발명의 신규 발현 벡터는 시험관내 전사/번역 시스템(in vitro transcription/translation system)에도 유용한 도구로 이용될 수 있다.
Therefore, the novel vector of the present invention not only significantly increases the possibility of expressing an active protein from a metagenome-derived gene source or the like, but is not limited to a metagenomic-derived gene, and may be a genomic library or a cDNA library. It can also be effectively used for the expression of the derived gene. In addition, the novel expression vector of the present invention can be used as a useful tool in an in vitro transcription / translation system.

도 1은 클로닝된 외래 DNA 단편이 T7 프로모터(promoter)를 이용하여 1개의 전사 단위로 전사되고 이로부터 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위하여, 3개의 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS)와 3개의 개시 코돈(ATG)이 포함된 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트, 락토오즈 오퍼레이터(lacO) 및 앰피실린(ampicillin) 항생제 내성 유전자를 포함하고 있는 대장균용 3 프레임 강제발현 벡터 pTFSX를 도식화하여 나타낸 그림이다:
ori: 복제 기점;
lacO: 락토오즈 오퍼레이터;
lacI: 락토오즈 레프레서;
Amp: 앰피실린(ampicillin) 항생제 내성 유전자;
MCS: 다중 클로닝 부위;
PT7: T7 프로모터(promoter);
TFST: 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트; 및
f1 ori: f1 복제 기점.
도 2는 본 발명의 신규 발현 벡터 pTFSX 내에 클로닝된 외래 DNA 단편이 T7 프로모터(promoter)를 이용하여 1개의 전사단위로 전사되고 이로부터 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위한 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 개시 코돈(ATG)의 순차적인 배열을 도식화하여 나타낸 그림이다:
T7 promoter: T7 프로모터 시퀀스;
lacO: 락토오즈 오퍼레이터;
RBS: 리보솜 결합 부위(ribosome binding site);
ATG: 개시 코돈; 및
MCS: 다중 클로닝 부위.
도 3은 본 발명의 신규 발현 벡터 pTFSX 내에 클로닝된 외래 DNA 단편이 T7 프로모터(promoter)를 이용하여 1개의 전사단위로 전사되고 이로부터 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위한 T7 프로모터와 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 개시 코돈(ATG)의 순차적인 배열, 다중 클로닝 부위(MCS), 그리고 다중클로닝 부위 이후에 위치한 각 프레임 별 첫 번째 번역 정지 코돈을 구체적인 서열에 표시하여 나타낸 그림이다:
T7 promoter: T7 프로모터(promoter);
lacO: 락토오즈 오퍼레이터;
RBS: 리보솜 결합 부위(ribosome binding site);
IC : 번역 개시 코돈;
SC: 번역 정지 코돈;
BamH I: BamH I 제한 효소 인식 부위;
EcoR I: EcoR I 제한 효소 인식 부위;
Sac I: Sac I 제한 효소 인식 부위;
Hind III: Hind III 제한 효소 인식 부위;
Eag I/Not I: Eag I/Not I 제한 효소 인식 부위; 및
Xho I: Xho I 제한 효소 인식 부위.
도 4는 본 발명의 신규 발현 벡터 pTFSX에 자체 개시 코돈이 제거된 녹색 형광 단백질(Green fluorescence protein, GFPuv) 유전자를 3개 프레임으로 각각 번역될 수 있도록 단편들을 증폭한 후, 이를 클로닝하여 얻어진 재조합 발현 벡터, pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터를 도식화하여 나타낸 그림이다.
도 5는 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터에서 각각 3개의 개시 코돈(ATG)을 통하여 번역될 수 있는 모든 경우의 폴리펩티드의 아미노산 서열을 첫 번째 정지 코돈(stpo codon)까지 표시하여 나타낸 결과이다.
도 6은 재조합 발현 벡터 pTFSX-GFP1 벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 7은 재조합 발현 벡터 pTFSX-GFP2 벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 8은 재조합 발현 벡터 pTFSX-GFP3 벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 9는 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터를 형질전환한 균주에서 GFPuv의 발현을 확인하기 위하여, 형질전환 균주 배양액에 IPTG를 첨가하여 발현을 유도하기 전과 후의 배양액으로부터 회수한 해당 형질전환 균주 세포를 파쇄하여 얻어진 단백질을 12% SDS-PAGE로 전기영동을 수행한 후, 쿠마시 브릴리언트 블루(coomassie brilliant blue R-250)로 염색한 결과를 나타낸 그림이다.
도 10은 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터를 형질전환한 균주에서 GFPuv의 발현을 확인하기 위하여, 형질전환 균주 배양액에 IPTG를 첨가하여 발현을 유도하기 전과 후의 배양액을 시료로 하여 형광 분광계를 이용하여 그 형광 정도를 측정하고 이를 표로 나타낸 그림이다.
도 11은 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터를 형질전환한 균주에서 GFPuv의 발현을 확인하기 위하여, 형질전환 균주 배양액에 IPTG를 첨가하여 발현을 유도하기 전과 후의 배양액으로부터 회수한 해당 형질전환 균주 세포를 파쇄하여 얻어진 단백질을 12% SDS-PAGE로 전기영동을 수행한 후, 웨스턴 블랏(Western blot)을 수행하고 그 결과를 나타낸 그림이다.
도 12는 클로닝된 외래 DNA 단편이 양방향에서 T7 프로모터(promoter)를 이용하여 각각 1개의 전사단위로 전사되고 이들로부터 각각 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위하여, T7 프로모터(promoter), 락토오즈 오퍼레이터 및 3개의 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS)와 3개의 개시 코돈(ATG)이 포함된 유전자 3-프레임 동시 번역 컨스트럭트가 순차적으로 연결된 유전자 강제발현 카세트 2개가 클로닝 벡터의 안정성을 유지하기 위해 도입한 전사종결자(TrrnB)를 중심으로 서로 마주보도록 배열된 양방향 유전자 강제발현 카세트, 및 앰피실린(ampicillin) 항생제 내성 유전자를 포함하고 있는 대장균용 6 프레임 강제발현 벡터 pSFSX를 도식화하여 나타낸 그림이다.
도 13은 본 발명의 신규 발현 벡터 pSFSX 내에 클로닝된 외래 DNA 단편이 T7프로모터(promoter)를 이용하여 양방향으로 각각 1개의 전사단위로 전사되고 이들로부터 각각 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위한 양방향 유전자 강제발현 카세트의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 개시 코돈(ATG)의 순차적인 배열을 도식화하여 나타낸 그림이다:
TrrnB: rrnB transcriptional terminator(전사 종결자).
도 14는 본 발명의 신규 발현 벡터 pSFSX내에 클로닝된 외래 DNA 단편이 양방향에서 T7 프로모터(promoter)를 이용하여 각각 1개의 전사 단위로 전사되고 이로부터 각기 3개의 프레임으로 폴리펩티드가 동시에 번역되도록 유도하기 위한 양방향 유전자 강제발현 카세트의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 개시 코돈(ATG)의 순차적인 배열, 그리고 BamHI 제한효소 클로닝 부위를 구체적인 서열에 표시하여 나타낸 그림이다.
도 15는 본 발명의 신규 발현 벡터 pSFSX에 자체 개시 코돈이 제거된 녹색 형광 단백질(Green fluorescence protein, GFPuv) 유전자를 3개 프레임으로 각각 번역될 수 있도록 단편들을 증폭한 후, 이를 클로닝하여 얻어진 orientation 별 재조합 발현벡터, pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3 벡터를 도식화하여 나타낸 그림이다. 녹색 형광 단백질 유전자 아래의 화살표는 각 벡터에 의한 녹색 형광 단백질 유전자 발현 방향을 나타낸다.
도 16은 재조합 발현 벡터 pSFSX-5-GFP1 및 pSFSX-3-GFP1벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 17은 재조합 발현 벡터 pSFSX-5-GFP2 및 pSFSX-3-GFP2벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 18은 재조합 발현 벡터 pSFSX-5-GFP3 및 pSFSX-3-GFP3벡터의 DNA 서열 중, RBS, 개시 코돈 및 클로닝 부위를 포함한 GFPuv 유전자 서열, 및 상기 벡터가 형질전환된 균주에서 발현되는 GFPuv 단백질의 아미노산 서열을 나타낸 그림이다.
도 19은 pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3벡터를 형질전환한 균주에서 GFPuv의 발현을 확인하기 위하여, 형질전환 균주 배양액에 IPTG를 첨가하여 발현을 유도하기 전과 후의 배양액을 시료로 하여 형광 분광계를 이용하여 그 형광 정도를 측정하고 이를 표로 나타낸 그림이다.
도 20은 pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3 벡터를 형질전환한 균주에서 GFPuv의 발현을 확인하기 위하여 형질전환 균주 배양액에 IPTG를 첨가하여 발현을 유도하기 전과 후의 배양액으로부터 회수한 해당 형질전환 균주 세포를 파쇄하여 얻어진 단백질을 12% SDS-PAGE로 전기영동을 수행한 후, 웨스턴 블랏(Western blot)을 수행하고 그 결과를 나타낸 그림이다.
Figure 1 shows three ribosome binding sites (RBS) in order to induce the cloned foreign DNA fragments to be transcribed into one transcription unit using the T7 promoter and to translate the polypeptides simultaneously into three frames. ) And a three-frame coexpression construct pTFSX for Escherichia coli containing a three-frame co-translation construct, a lactose operator (lacO), and an ampicillin antibiotic resistance gene containing three initiation codons (ATG) Schematic diagram:
ori: origin of replication;
lacO: lactose operator;
lacI: lactose repressor;
Amp: ampicillin antibiotic resistance gene;
MCS: multiple cloning site;
P T7 : T7 promoter;
TFST: gene 3-frame co-translation construct; And
f1 ori: The origin of f1 replication.
FIG. 2 is a gene 3-frame for inducing foreign DNA fragments cloned in the novel expression vector pTFSX of the present invention to be transcribed into one transcription unit using a T7 promoter and to simultaneously translate the polypeptide into three frames. Schematic representation of the sequential arrangement of the ribosomal binding site (RBS) and initiation codon (ATG) of the co-translation construct:
T7 promoter: T7 Promoter sequence;
lacO: lactose operator;
RBS: ribosomal binding site;
ATG: start codon; And
MCS: multiple cloning site.
3 shows a gene and a T7 promoter for inducing foreign DNA fragments cloned in the novel expression vector pTFSX of the present invention to be transcribed into one transcription unit using a T7 promoter and to simultaneously translate the polypeptide into three frames. Specify the sequential arrangement of the ribosomal binding site (RBS) and initiation codon (ATG) of the three-frame co-translation construct, the multiple cloning site (MCS), and the first translation stop codon for each frame located after the multicloning site. Here is a pictorial representation of the sequence:
T7 promoter: T7 promoter;
lacO: lactose operator;
RBS: ribosomal binding site;
IC: translation initiation codon;
SC: translation stop codon;
Bam H I: Bam H I restriction enzyme recognition site;
Eco R I: Eco R I restriction enzyme recognition site;
Sac I: Sac I restriction enzyme recognition site;
Hind III: Hind III restriction enzyme recognition site;
Eag I / Not I: Eag I / Not I restriction enzyme recognition site; And
Xho I: Xho I restriction enzyme recognition site.
4 is a recombinant expression obtained by amplifying fragments so that each of the green fluorescence protein (GFPuv) genes from which the self-initiation codon was removed can be translated into three frames, and then cloned into the novel expression vector pTFSX of the present invention. A schematic representation of the vector, pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 vectors.
FIG. 5 shows the amino acid sequence of the polypeptide in all cases that can be translated through three initiation codons (ATG) in the pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 vectors, respectively, up to the first stop codon The result is.
FIG. 6 is a diagram showing the GFPuv gene sequence including the RBS, the start codon and the cloning site, and the amino acid sequence of the GFPuv protein expressed in the transformed strain of the DNA sequence of the recombinant expression vector pTFSX-GFP1 vector.
7 is a diagram showing the GFPuv gene sequence including the RBS, the start codon and the cloning site, and the amino acid sequence of the GFPuv protein expressed in the strain transformed with the vector among the DNA sequences of the recombinant expression vector pTFSX-GFP2 vector.
FIG. 8 is a diagram showing the GFPuv gene sequence including the RBS, the start codon, and the cloning site, and the amino acid sequence of the GFPuv protein expressed in the transformed strain of the DNA sequence of the recombinant expression vector pTFSX-GFP3 vector.
Figure 9 shows the traits recovered from the culture medium before and after induction of expression by adding IPTG to the transformed strain culture in order to confirm the expression of GFPuv in strains transformed with pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 vectors After the electrophoresis of the protein obtained by crushing the transformed strain cells with 12% SDS-PAGE, and stained with Coomassie brilliant blue (coomassie brilliant blue R-250) is shown.
10 is a fluorescence of the culture medium before and after induction of expression by adding IPTG to the transformed strain culture in order to confirm the expression of GFPuv in strains transformed with pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 vectors The fluorescence level is measured using a spectrometer and the figure is shown in a table.
Figure 11 shows the traits recovered from the culture medium before and after induction of expression by adding IPTG to the transformed strain culture in order to confirm the expression of GFPuv in the strains transformed with pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 vectors The protein obtained by crushing the transformed strain cells was subjected to electrophoresis with 12% SDS-PAGE, followed by Western blot, and the result is shown.
FIG. 12 shows the T7 promoter, lactose, in order to induce the cloned foreign DNA fragments to be transcribed into one transcription unit each using the T7 promoter in both directions and to simultaneously translate the polypeptide into three frames each. Two gene coexpression cassettes, in which the Oz operator and three ribosome binding sites (RBSs) and the gene three-frame co-translation constructs containing three initiation codons (ATGs) are sequentially linked, provide stability of the cloning vector. Schematic representation of a six-frame coexpression vector pSFSX for Escherichia coli containing a bidirectional gene coexpression cassette arranged to face each other around a transcription terminator (TrrnB) introduced to maintain, and an ampicillin antibiotic resistance gene. Picture.
FIG. 13 shows that foreign DNA fragments cloned in the novel expression vector pSFSX of the present invention are transcribed into one transcription unit each in both directions using the T7 promoter and from which the polypeptides are simultaneously translated into three frames each. Schematic representation of the sequential arrangement of the ribosomal binding site (RBS) and initiation codon (ATG) of the bidirectional gene expression cassette:
TrrnB: rrnB transcriptional terminator.
FIG. 14 shows that foreign DNA fragments cloned in the novel expression vector pSFSX of the present invention are transcribed into one transcription unit each using a T7 promoter in both directions and from which the polypeptides are simultaneously translated into three frames each. Sequential arrangement of the ribosomal binding site (RBS) and initiation codon (ATG) of the bidirectional gene expression cassette and the Bam HI restriction enzyme cloning site are shown in the specific sequence.
FIG. 15 shows amplification of fragments so that the green fluorescence protein (GFPuv) gene from which the self-initiation codon has been removed can be translated into three frames, and then cloned into the novel expression vector pSFSX of the present invention. Recombinant expression vectors, pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3 vectors are shown in the diagram. The arrow below the green fluorescent protein gene indicates the direction of green fluorescent protein gene expression by each vector.
FIG. 16 shows GFPuv gene sequences including RBS, initiation codon and cloning site, and GFPuv protein expressed in strains transformed with the vector among DNA sequences of recombinant expression vectors pSFSX-5-GFP1 and pSFSX-3-GFP1 vectors. Figure shows the amino acid sequence.
Figure 17 shows the GFPuv gene sequence including the RBS, the start codon and the cloning site in the DNA sequences of the recombinant expression vectors pSFSX-5-GFP2 and pSFSX-3-GFP2 vectors, and the GFPuv protein expressed in the strain transformed with the vector. Figure shows the amino acid sequence.
FIG. 18 shows GFPuv gene sequences including RBS, initiation codon and cloning site, and GFPuv protein expressed in strains transformed with the vector among DNA sequences of recombinant expression vectors pSFSX-5-GFP3 and pSFSX-3-GFP3 vectors. Figure shows the amino acid sequence.
19 shows the expression of GFPuv in strains transformed with pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3 vectors. In order to determine the degree of fluorescence using a fluorescence spectrometer, the culture medium before and after induction of expression by adding IPTG to the transformed strain culture medium was measured and the figure is shown in a table.
20 shows the expression of GFPuv in strains transformed with pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3 vectors. To this end, the protein obtained by crushing the transformed strain cells recovered from the culture medium before and after inducing expression by adding IPTG to the transformed strain culture was subjected to electrophoresis with 12% SDS-PAGE, followed by Western blot. ) And the result.

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

본 발명은 T7 프로모터와 유전자 3-프레임 동시번역 (Three-Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트[3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 각기 다른 프레임으로 개시되는 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 단편]가 연결된 유전자 3 프레임 강제 발현 카세트를 벡터에 도입하여, 클로닝되는 DNA 단편이 한 개의 전사단위(mRNA)로 전사되고 이로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 유전자 3 프레임 강제발현 벡터 pTFSX를 제작하였다. 또한, 상기 유전자 3-프레임 강제 발현 카세트 2개가 번역 종결자 (TrrnB) 서열을 중심으로 서로 마주보도록 도입된 유전자 6-프레임 강제발현 벡터 pSFSX를 제작하였으며, 아울러, 상기 벡터들의 유전자 3-프레임 강제 발현 카세트에 자체 개시 코돈이 제거된 녹색 형광 단백질 유전자(GFPuv)를 3개 프레임에 맞게 각각 클로닝하고, 이들로부터 얻어진 각각의 재조합 발현 벡터가 형질전환된 균주들에서 각각 녹색 형광 단백질이 높은 수준으로 발현됨을 확인하였다.
The present invention comprises a T7 promoter and a three-frame Simultaneous Translation (TFST) construct [three ribosomal binding sites (RBS) and three start codons (ATG) initiated in different frames. Fragment] linked gene 3 frame forced expression cassette to the vector, the gene 3 frame forced expression vector which can be cloned DNA fragment to be transcribed into one transcription unit (mRNA) from which three frames of polypeptide can be translated simultaneously pTFSX was produced. In addition, a gene 6-frame coexpression vector pSFSX, in which two gene 3-frame coercion expression cassettes were opposed to each other based on a translation terminator (TrrnB) sequence, was produced. The green fluorescent protein gene (GFPuv) from which the self-initiation codon was removed from the cassette was cloned into three frames, and each recombinant expression vector obtained from them was expressed at high levels in each of the transformed strains. Confirmed.

본 발명은 프로모터(promoter), 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역(Three Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트를 포함하고, DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 한 개의 전사 단위로 전사되며 이로부터 다시 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는 유전자 3 프레임 강제 발현 카세트를 제공한다. The present invention includes a promoter, a lactose operator, and a Genetic Three-Frame Simultaneous Translation (TFST) construct, wherein when the DNA fragments are linked, the linked DNA fragment is linked to one transcription unit. To a gene 3 frame forced expression cassette from which 3 frames of polypeptide are simultaneously translated.

상기 프로모터는 T7 프로모터(promoter)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 대장균에서 외래 유전자의 발현을 유도할 수 있는 프로모터라면 모두 사용가능하다.The promoter is preferably a T7 promoter, but is not limited thereto. Any promoter capable of inducing the expression of a foreign gene in E. coli may be used.

상기 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트는 순차적으로 포함되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The promoter, lactose operator and gene 3-frame co-translation constructs are preferably included sequentially, but are not limited thereto.

상기 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트는 프로모터(promoter), 락토오즈 오퍼레이터, 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 개시 코돈(ATG), 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 개시 코돈(ATG), 개시 코돈(ATG)이 순차적으로 작동가능하게 연결된 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The gene 3-frame co-translation construct may include a promoter, a lactose operator, a ribosomal binding site (RBS), a ribosomal binding site (RBS), an initiation codon (ATG), a ribosome binding site (ribosome binding site, RBS), start codon (ATG), start codon (ATG) is preferably operably linked sequentially, but is not limited thereto.

상기 유전자 강제 발현 카세트는 도 2로 기재된 구조를 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The gene forcing expression cassette preferably has the structure described in FIG. 2, but is not limited thereto.

상기 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트는 서열번호 14의 염기 서열로 구성된 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The gene 3-frame co-translation construct is preferably composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 14, but is not limited thereto.

상기 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS)는 서열번호 7의 염기 서열인 "aggaga"인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The ribosomal binding site (RBS) is preferably "aggaga" which is the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7, but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서, T7 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터, 및 3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트로 구성된 유전자 강제발현 카세트를 포함하고, 클로닝되는 외래 DNA 단편이 한 개의 전사 단위(mRNA)로 전사되고, 이로부터 다시 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 유전자 3 프레임 강제 발현 벡터 pTFSX를 제작하였다(도 1 내지 도 3 참조).
In a specific embodiment of the invention, a gene coexpression cassette consisting of a T7 promoter, a lactose operator, and a gene three-frame co-translation construct comprising three ribosome binding sites (RBS) and three initiation codons (ATG) And a foreign DNA fragment to be cloned was transcribed into one transcription unit (mRNA), from which a three-frame forced expression vector pTFSX was constructed in which three frames of polypeptide could be simultaneously translated (FIGS. 1 to 3). Reference).

또한, 본 발명은 In addition,

프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 정방향으로 도입된 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트;The first gene forced expression cassette introduced forward and including promoter, lactose operator and TFST construct;

rrnB 전사종결자; 및rrnB transcription terminator; And

프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트의 역방향으로 도입된 두 번째 유전자 강제발현 카세트를 포함하고, A second gene coexpression cassette, including a promoter, a lactose operator and a TFST construct, introduced backwards of the first gene coexpression cassette,

상기 2개 유전자 강제 발현 카세트 사이에 rrnB 전사종결자를 대신하여 DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 각각 1개의 전사단위로 전사되고, 이들로부터 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 양방향으로 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 제공한다.Linking DNA fragments in place of the rrnB transcription terminator between the two gene expression cassettes, the linked DNA fragments are transcribed into one transcription unit from the bidirectional promoter, and three frames of polypeptides are bidirectionally translated from them. A bidirectional gene force expression cassette is provided in which a total of six frames of polypeptide are translated simultaneously.

상기 프로모터는 T7 프로모터(promoter)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 대장균에서 외래 유전자의 발현을 유도할 수 있는 프로모터라면 모두 사용가능하다.The promoter is preferably a T7 promoter, but is not limited thereto. Any promoter capable of inducing the expression of a foreign gene in E. coli may be used.

상기 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator) 및 유전자 3-프레임 동시번역 컨스트럭트는 순차적으로 포함되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The promoter, lactose operator and gene 3-frame co-translation constructs are preferably included sequentially, but are not limited thereto.

상기 양방향 유전자 강제 발현 카세트의 첫 번째 유전자 강제발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 리보솜 결합 부위, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈 및 개시 코돈이 순차적으로 작동가능하게 연결되고, 두 번째 유전자 강제발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 개시 코돈, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위 및 리보솜 결합 부위가 순차적으로 연결되어 첫 번째 TFST 컨스트럭트의 역방향으로 작동가능하게 연결된 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The TFST construct of the first gene coexpression cassette of the bidirectional gene coexpression cassette is a sequentially operably linked ribosome binding site, ribosomal binding site, initiation codon, ribosomal binding site, initiation codon and initiation codon, second gene The TFST construct of the coexpression cassette is preferably a start codon, a start codon, a ribosomal binding site, a start codon, a ribosomal binding site, and a ribosomal binding site sequentially linked to be operably linked in the reverse direction of the first TFST construct. It is not limited to this.

상기 양방향 유전자 강제 발현 카세트는 도 13으로 기재된 구조를 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The bidirectional gene forced expression cassette preferably has the structure described in FIG. 13, but is not limited thereto.

상기 첫 번째 유전자 강제발현 카세트의 TFSX 컨스트럭트는 서열번호 14의 염기 서열로 구성되고, 두 번째 발현 카세트의 TFSX 컨스트럭트는 서열번호 24의 염기 서열로 구성된 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The TFSX construct of the first gene expression cassette is preferably composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 14, the TFSX construct of the second expression cassette is preferably composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 24, but is not limited thereto.

상기 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS)는 서열번호 7의 염기 서열인 "aggaga"인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The ribosomal binding site (RBS) is preferably "aggaga" which is the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 7, but is not limited thereto.

상기 rrnB 전사종결자는 서열번호 23의 염기 서열로 구성된 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The rrnB transcription terminator is preferably composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 23, but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서, T7 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 TFST가 순차적으로 연결된 유전자 강제발현 카세트 2개가 rrnB 전사종결자를 중심으로 서로 마주보도록 도입된 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 포함하고, rrnB 전사종결자 대신에 상기 유전자 강제발현 카세트 2개 사이에 클로닝되는 외래 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 각각 한 개의 전사 단위(mRNA)로 전사되고, 이들로부터 다시 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 양방향으로 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 강제 발현 벡터 pSFSX를 제작하였다(도 12 내지 도 14 참조).
In a specific embodiment of the present invention, two gene-expression cassettes sequentially linked by a TFST comprising a T7 promoter, a lactose operator and three ribosomal binding sites (RBS) and three initiation codons (ATG) are centered on the rrnB transcription terminator. And foreign DNA fragments which are introduced to face each other, and which are cloned between the two gene expression cassettes instead of the rrnB transcription terminator, are transcribed from the bidirectional promoter into one transcription unit (mRNA) each From these, three frames of polypeptides were bidirectionally translated, respectively, to produce a forced expression vector pSFSX capable of simultaneously translating a total of six frames of polypeptides (see FIGS. 12 to 14).

또한, 본 발명은 상기 제작된 유전자 강제 발현 카세트를 1개 이상 포함하는 재조합 발현 벡터를 제공한다.In addition, the present invention provides a recombinant expression vector comprising at least one gene forcing expression cassette produced above.

상기 발현 벡터는 클로닝되는 DNA 단편이 1개의 전사 단위로 전사되고 이로부터 3개 프레임(frame)의 폴리펩티드로 번역되어 발현될 수 있거나, 또는 클로닝되는 DNA 단편이 각각의 프로모터로부터 양방향으로 1개의 전사단위로 전사되고, 이로부터 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어 발현될 수 있는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The expression vector may be expressed by transcoding the DNA fragment to be cloned into one transcription unit and translated into three frames of polypeptide, or the DNA fragment to be cloned may be expressed by one transcription unit in each direction from each promoter. Is transcribed into, and each of three frames of polypeptides is translated so that a total of six frames of polypeptides can be translated and expressed, but is not limited thereto.

상기 재조합 발현 벡터는 유전자 강제 발현 카세트를 1개 이상 포함하는 것이 바람직하고, 1개 내지 3개를 포함하는 것이 더욱 바람직하며, 1개 내지 2 개인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
The recombinant expression vector preferably comprises one or more gene-forced expression cassettes, more preferably one to three, most preferably one to two, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 재조합 발현 벡터를 숙주세포에 도입한 형질전환체를 제공한다.The present invention also provides a transformant in which the recombinant expression vector is introduced into a host cell.

상기 숙주세포는 대장균(E. coli)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 재조합 발현 벡터를 도입할 수 있는 숙주세포라면 모두 사용가능하다.The host cell is preferably E. coli , but is not limited thereto. Any host cell capable of introducing a recombinant expression vector may be used.

본 발명의 구체적인 실시예에서, T7 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 TFST가 순차적으로 연결된 유전자 강제발현 카세트 2개가 rrnB 전사종결자를 중심으로 서로 마주보도록 도입된 양방향 유전자 강제 발현 카세트를 포함하고, rrnB 전사종결자 대신에 상기 유전자 강제발현 카세트 2개 사이에 클로닝되는 외래 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 각각 한 개의 전사 단위(mRNA)로 전사되고, 이들로부터 다시 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 양방향으로 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 강제 발현 벡터 pSFSX를 제작하였다.In a specific embodiment of the present invention, two gene-expression cassettes sequentially linked by a TFST comprising a T7 promoter, a lactose operator and three ribosomal binding sites (RBS) and three initiation codons (ATG) are centered on the rrnB transcription terminator. And foreign DNA fragments which are introduced to face each other, and which are cloned between the two gene expression cassettes instead of the rrnB transcription terminator, are transcribed from the bidirectional promoter into one transcription unit (mRNA) each From each of these, three frames of polypeptides were bidirectionally translated to produce a forced expression vector pSFSX capable of simultaneously translating a total of six frames of polypeptides.

이후, 상기 벡터에 자체 개시코돈이 제거된 녹색 형광 단백질 유전자를 클로닝하여 각각의 재조합 발현 벡터를 제작하였고(도 4 내지 도 8, 및 도 15 내지 도 18 참조), 이후 상기 재조합 발현 벡터가 형질전환된 균주를 선별하였으며, 선별된 균주 모두에서 GFPuv 단백질이 높은 수준으로 발현되고(도 9, 도 11, 및 도 20 참조), 현저히 높은 형광을 나타냄을 확인하였다(도 10 및 도 19 참조).Subsequently, each recombinant expression vector was constructed by cloning the green fluorescent protein gene from which the self-initiation codon was removed (see FIGS. 4 to 8, and FIGS. 15 to 18), and then the recombinant expression vector was transformed. Strains were selected, and it was confirmed that the GFPuv protein was expressed at high levels in all of the selected strains (see FIGS. 9, 11, and 20), and exhibited significantly high fluorescence (see FIGS. 10 and 19).

이를 통해, 본 발명의 신규 발현 벡터들이 클로닝되는 DNA 단편이 1개의 전사 단위로 전사되고 이로부터 3개 프레임(frame)의 폴리펩티드로 번역되어 발현될 수 있거나, 또는 클로닝되는 DNA 단편이 각각의 프로모터로부터 양방향으로 1개의 전사단위로 전사되고, 이로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어, 6개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어 발현될 수 있음을 알 수 있다.
This allows DNA fragments to which the novel expression vectors of the invention are cloned can be transcribed into one transcription unit and translated into three frames of polypeptide, or the DNA fragments cloned from each promoter It can be seen that one frame is transcribed in both directions, from which three frames of polypeptide are translated, thereby six frames of polypeptide can be translated and expressed.

DNA를 단백질로 암호화함에 있어서, DNA를 구성하는 염기는 3개의 단위가 하나의 코돈을 이루고, 한 개의 코돈은 한 개의 아미노산을 암호화하게 된다. 본 발명의 벡터에 포함된 유전자 3-프레임 동시 번역 컨스트럭트는 3개의 리보좀 결합 부위(RBS) 및 3개의 개시 코돈(ATG)으로 구성되어, 1개의 염기 단위씩 다르게 번역되어 3개 프레임으로 폴리펩티드를 암호화할 수 있다. In encoding DNA into proteins, the base constituting the DNA consists of three units of one codon, and one codon encodes one amino acid. The gene 3-frame co-translation construct included in the vector of the present invention is composed of three ribosomal binding sites (RBS) and three initiation codons (ATG), which are translated differently by one base unit, thereby converting the polypeptide into three frames. It can be encrypted.

따라서, 1개 염기 단위로 코돈이 변화될 경우, 같은 방향으로 코딩되는 모든 경우의 폴리펩티드를 3개를 번역할 수 있으며, 본 발명의 신규 발현 벡터를 이용할 경우 클로닝된 DNA를 정방향과 역방향에서 각각 다른 3개 프레임의 폴리펩티드로 번역할 수 있으므로, 외래 유전자를 강제로 발현시켜, 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA 라이브러리와 같은 대량의 유전체자원으로부터 활성형 단백질 유전자 탐색에 유용하게 이용될 수 있다.
Therefore, when the codon is changed by one base unit, it is possible to translate three polypeptides of all cases encoded in the same direction, and when using the novel expression vector of the present invention, the cloned DNA is different in the forward and reverse directions. Since it can be translated into three frames of polypeptide, foreign genes can be forcibly expressed and used to search for active protein genes from a large amount of genomic resources such as metagenome, genome, or cDNA library.

본 발명의 신규 벡터는 3개의 RBS-ATG의 단순한 배열로 이루어져 있어 유전자의 삽입이 간단하면서도 3개 프레임 모두에서 단백질의 발현이 가능하고, 3개 프레임에서 발현된 단백질이 모두 높은 발현을 나타내는 강력한 발현 시스템으로, 벡터 내 특정 배열을 통해 한 개의 염기 단위로 유전자의 전사가 가능하므로, 메타게놈 유전자의 활성형 유전자원의 탐색에 유용하게 이용될 수 있다.
The novel vector of the present invention consists of a simple arrangement of three RBS-ATGs, which allows simple expression of the gene and expression of the protein in all three frames, and powerful expression of all the expressed proteins in the three frames. As a system, since a gene can be transcribed by a single base unit through a specific arrangement in a vector, it can be usefully used to search for an active gene source of a metagenome gene.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 메타게놈 유래 유전자 라이브러리 제작 방법을 제공한다:In addition, the present invention provides a method for producing a metagenome-derived gene library comprising the following steps:

1) 메타게놈(metagenome) 유래 DNA를 제한 효소로 절단하는 단계; 및1) cleaving the metagenome-derived DNA with a restriction enzyme; And

2) 상기 단계 1)의 절단된 DNA를 본 발명의 발현 벡터에 삽입하는 단계.2) inserting the cleaved DNA of step 1) into the expression vector of the present invention.

상기 단계 1)의 절단은 Sau3A1 제한 효소로 부분 절단하는 단계 또는 기계적 절단 후 평활 말단(blunt end)으로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
The cleavage of step 1) preferably further includes a step of partially cleaving with a Sau 3A1 restriction enzyme or a step of making a blunt end after mechanical cleavage, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 메타게놈 유래 활성 유전자 스크리닝 방법을 제공한다:The present invention also provides a method for screening an active gene derived from a metagenome, comprising the following steps:

1) 메타게놈으로부터 DNA를 분리하는 단계;1) separating DNA from the metagenome;

2) 단계 1)의 DNA를 본 발명의 발현 벡터에 삽입하는 단계;2) inserting the DNA of step 1) into the expression vector of the present invention;

3) 단계 2)의 발현 벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; 및3) preparing a transformant by introducing the expression vector of step 2) into a host cell; And

4) 단계 3)의 형질전환체를 배양하여 단백질 발현을 검증하는 단계.4) culturing the transformant of step 3) to verify protein expression.

상기 단계 4)의 단백질 발현 검증은 면역형광법, 효소면역분석법(ELISA), 웨스턴 블롯(Western Blot) 및 RT-PCR로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 수행하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The protein expression verification of step 4) is preferably performed by any one method selected from the group consisting of immunofluorescence, enzyme immunoassay (ELISA), Western blot and RT-PCR, but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에서, T7 프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 3개의 리보솜 결합 부위(RBS) 및 3개의 개시 코돈(ATG)을 포함하는 TFST가 순차적으로 연결된 유전자 강제발현 카세트를 1개 또는 2개 포함하고 있는 강제 발현 벡터를 제작하고 상기 벡터에 자체 개시 코돈이 제거된 녹색 형광 단백질 유전자를 클로닝하여 각각의 재조합 발현 벡터를 제작하였다. 이후, 상기 재조합 발현 벡터가 형질전환된 균주에서 각각 녹색 형광 단백질이 모두 높은 수준으로 발현됨을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 신규 벡터는 메타게놈, 게놈, 혹은 cDNA 라이브러리의 제작 또는 그것들로부터 활성 유전자를 스크리닝하는 방법에 유용하게 이용될 수 있다. 아울러, 이러한 본 발명의 신규 발현 벡터는 무세포 단백질 합성 시스템인 시험관내 전사/번역 시스템(in vitro transcription/translation system)에도 유용하게 이용될 수 있다.
In specific embodiments of the invention, one or two gene coexpression cassettes are sequentially linked to a TFST comprising a T7 promoter, a lactose operator and three ribosomal binding sites (RBS) and three initiation codons (ATG) Each recombinant expression vector was produced by constructing a forced expression vector and cloning the green fluorescent protein gene from which the self-initiation codon was removed. Then, it was confirmed that all of the green fluorescent proteins were expressed at high levels in the transformed strains of the recombinant expression vector. Therefore, the novel vectors of the present invention can be usefully used for the construction of metagenomes, genomes, or cDNA libraries, or for screening active genes from them. In addition, the novel expression vector of the present invention may be usefully used in an in vitro transcription / translation system, which is a cell-free protein synthesis system.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are only illustrative of the present invention in detail, and the content of the present invention is not limited by the examples.

<< 실시예Example 1> 3개 프레임 발현을 유도하기 위한 신규 발현 벡터  1> New Expression Vectors to Induce Three Frame Expression pTFSXpTFSX 제작 making

본 발명의 3개 프레임 발현을 유도하기 위한 신규 발현 벡터를 제작하기 위하여, pET-21a+(Novagen, EMD Biosciences Inc, Madison, USA) 플라스미드(plasmid)를 이용하였다.PET-21a + (Novagen, EMD Biosciences Inc, Madison, USA) plasmid was used to construct a novel expression vector for inducing three frame expression of the present invention.

구체적으로, pET-21a+(Novagen, EMD Biosciences Inc, Madison, USA) 플라스미드를 주형으로 하고, 서열번호 1 및 2의 프라이머 쌍을 이용하고, PrimeStar HS polymerase (Takara, Japan)를 이용하여 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 5 분, 30 cycles의 조건에서 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)을 수행하여, 5,426 bp 크기의 DNA 단편을 증폭하였다. 증폭된 DNA 단편을 DNA 분리 정제 키트(Xprep PCR purification kit, JMC R&D, INC., 대전, 대한민국)를 이용하여 순수 정제하여 제한효소 BamHI(TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan)으로 절단한 후, 셀프-라이게이션(self-ligation)하여, 대장균 DH5α에 형질전환하였다. 이후, 상기 재조합된 플라스미드가 형질전환된 대장균으로부터 플라스미드 DNA를 분리하고, 분리된 DNA를 시퀀싱(sequencing, 제노텍, 대전, 대한민국)하여, 그 염기 서열을 확인하였다.Specifically, pET-21a + (Novagen, EMD Biosciences Inc, Madison, USA) plasmid as a template, using primer pairs of SEQ ID NO: 1 and 2, using PrimeStar HS polymerase (Takara, Japan) for 10 seconds at 98 ℃ Polymer chain reaction (Polymerase Chain Reaction, PCR) was performed at 58 ° C. for 5 seconds, 72 ° C. for 5 minutes, and 30 cycles to amplify DNA fragments having a size of 5,426 bp. The amplified DNA fragment was purified using a DNA separation purification kit (Xprep PCR purification kit, JMC R & D, INC., Daejeon, South Korea) and purified by restriction enzyme Bam HI (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan). E. coli DH5α was transformed by self-ligation. Thereafter, plasmid DNA was isolated from the recombinant E. coli transformed, and the isolated DNA was sequenced (sequencing, Genotech, Daejeon, South Korea) to confirm its nucleotide sequence.

그 결과, 클로닝되는 DNA 단편을 한 개의 전사단위로 전사하고 이로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 발현 벡터가 제작되었음을 확인하였고, 이를 pTFSX라 명명하였다(도 1 내지 도 3).
As a result, it was confirmed that an expression vector capable of transcribing the DNA fragment to be cloned into one transcription unit and translating three frames of polypeptides simultaneously was named pTFSX (FIGS. 1 to 3).

<< 실시예Example 2>  2> pTFSXpTFSX 벡터 내  In my vector 녹색형광Green fluorescence 단백질( protein( GFPuvGFPuv ) 유전자의 A) gene 클로닝Cloning

본 발명에서 제작된 신규 발현 벡터 pTFSX를 이용하여 1개의 전사단위로 전사되고 이로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 각각 번역될 수 있는지의 여부를 확인하기 위하여, 먼저 상기 제조된 pTFSX 벡터에 녹색형광 단백질(GFP, Green fluorescence protein) 유전자를 클로닝하였다.In order to confirm whether the novel expression vector pTFSX produced in the present invention can be transcribed into one transcription unit and three frames of the polypeptide can be translated from each other, a green fluorescent protein ( Green fluorescence protein (GFP) gene was cloned.

구체적으로, 녹색 형광 단백질(GFPuv) 유전자의 클로닝은 pGFPuv(Clontech Laboratories, Inc., Palo Alto, Calif. USA)을 주형으로 하고, 서열번호 3의 GFP 1 정방향 프라이머, 서열번호 4의 GFP 2 정방향 프라이머, 혹은 서열번호 5의 GFP 3 정방향 프라이머와 서열번호 6의 GFP 역방향 프라이머를, 각각의 정방향 프라이머와 역방향 프라이머를 쌍으로 조합하여 PrimeStar HS polymerase(Takara, Japan)를 이용하여 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 30초, 30 cycles 조건으로 PCR을 수행하였다. 상기 PCR 증폭을 통해 얻어진 자체 개시 코돈이 제거되고 각기 다른 3개의 프레임으로 번역될 수 있는 GFP 1, GFP 2 및 GFP 3 유전자 단편을 PCR 산물 분리 정제 키트(Xprep PCR purification kit, JMC R&D, INC., 대전, 대한민국)를 이용해 순수 정제하고 제한효소 BglII(TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan)를 처리한 후, 이를 인써트(insert)로 준비하였다. 이때, 상기 <실시예 1>에서 제조된 발현 벡터 pTFSX는 제한효소 BamHI (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan)으로 절단하고 탈인산화효소를 처리하여 준비한 다음, 상기 제조된 인써트(inset)와 라이게이션(ligation)을 수행하였다. 이후, 라이게이션된 혼합물을 대장균 DH5α에 형질전환하고, 얻어진 재조합 형질전환체에서 플라스미드 DNA를 분리하여, 제한효소 절단을 통한 DNA 절편 크기 확인 및 DNA 씨퀀싱(sequencing)을 통한 서열 분석을 수행하였다.Specifically, cloning of the green fluorescent protein (GFPuv) gene is based on pGFPuv (Clontech Laboratories, Inc., Palo Alto, Calif. USA) as a template, GFP 1 forward primer of SEQ ID NO: 3, GFP 2 forward primer of SEQ ID NO: 4 Alternatively, GFP 3 forward primer of SEQ ID NO: 5 and GFP reverse primer of SEQ ID NO: 6 are combined in a pair of respective forward primers and reverse primers, using PrimeStar HS polymerase (Takara, Japan) at 98 ° C for 10 seconds, 58 ° C. PCR was performed at 5 seconds, 72 ° C., 30 seconds, and 30 cycles. The GFP 1, GFP 2, and GFP 3 gene fragments, which can be removed by self-initiation codons obtained through the PCR amplification and translated into three different frames, were subjected to PCR product purification kit (Xprep PCR purification kit, JMC R & D, INC., After pure purification using Daejeon, South Korea) and processing the restriction enzyme Bgl II (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan), it was prepared by insert (insert). At this time, the expression vector pTFSX prepared in Example 1 was digested with restriction enzyme Bam HI (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan) and prepared by treating with dephosphorase, and the prepared insert and lye were prepared. Ligation was performed. Thereafter, the ligated mixture was transformed into E. coli DH5α, plasmid DNA was isolated from the resulting recombinant transformants, and DNA fragment size confirmation and restriction analysis were performed through restriction sequencing and DNA sequencing.

그 결과, 발현 벡터 pTFSX 벡터에 각각 GFP 1, GFP 2 및 GFP 3의 3개의 유전자 단편이 클로닝되었음을 확인하였고, 제작된 재조합 발현 벡터를 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3로 명명하였다(도 4). As a result, it was confirmed that three gene fragments of GFP 1, GFP 2 and GFP 3 were cloned into the expression vector pTFSX vector, and the resulting recombinant expression vectors were named pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 and pTFSX-GFP3 (Fig. 4).

이때, 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 제작된 재조합 벡터들은 각각 모두 3개의 개시 코돈이 존재하나, 3개의 개시 코돈에서 번역될 수 있는 모든 경우의 수를 확인하여 보면, GFPuv 유전자가 정상적으로 번역되는 경우 (붉은색 화살표)는 번역되는 폴리펩티드의 아미노산 서열이 GFPuv 단백질과 일치하고 해당 번역 프레임의 서열상에는 중간에 정지 코돈(*)이 없는 것을 확인할 수 있었으며, 그 외의 프레임(frame)에서는 번역되는 폴리펩티드의 아미노산 서열이 GFPuv 단백질과는 전혀 다르게 바뀌고 또한 중간에 정지 코돈이 존재하여 정상적인 GFPuv 단백질로 번역될 수 없음을 확인하였다(도 5).
At this time, as shown in Figure 5, each of the produced recombinant vector has three start codons, but if you check the number of all cases that can be translated in the three start codons, when the GFPuv gene is normally translated (Red arrow) indicates that the amino acid sequence of the polypeptide to be translated coincides with the GFPuv protein and there is no stop codon (*) in the middle of the sequence of the corresponding translation frame, and in other frames, the amino acid of the polypeptide to be translated It was confirmed that the sequence was completely different from the GFPuv protein and also there was a stop codon in the middle, which could not be translated into a normal GFPuv protein (FIG. 5).

<< 실시예Example 3> 녹색 형광 단백질( 3> green fluorescent protein ( GFPuvGFPuv ) 유전자를 이용한 3개 프레임에서의 발현 확인) Expression Detection in Three Frames Using Genes

본 발명의 신규 발현 벡터인 pTFSX 내에 녹색형광 단백질(GFPuv) 유전자가 클로닝된 재조합 벡터에서 GFPuv 단백질의 발현 여부를 확인하기 위하여 실험을 수행하였다.
Experiments were performed to determine whether GFPuv protein was expressed in a recombinant vector cloned with the green fluorescent protein (GFPuv) gene in pTFSX, a novel expression vector of the present invention.

<3-1> 재조합 형질전환체 균주의 배양<3-1> Culture of Recombinant Transformant Strain

상기 <실시예 2>에서 제작된 pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2, 및 pTFSX-GFP3 플라스미드를 전기천공법으로 RecA 파쇄 균주인 대장균 BLR(DE3)에 형질전환하여 재조합 형질전환체를 제작하고, 이를 Luria-Bertani(LB) 배지(트립톤 10 g/L, 효모추출물 5 g/L, 염화나트륨 10 g/L)로 37℃에서 12시간 이상 전배양하였다. 이후, 상기 전배양액을 100분의 1 부피 비로 다시 LB 배지에 접종하여, 37℃에서 흡광도 600 nm 0.6이 될 때까지 배양한 다음, 녹색 형광 단백질(GFPuv)의 발현을 유도하기 위해 이소프로필-베타-티오갈락토피라노사이드(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, IPTG, Duchefa, the Netherlands)를 최종 0.5 mM이 되게 첨가하고 16℃에서 24시간을 더 배양한 후 배양액을 원심분리하여 세포를 회수하였다.
PTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2, and pTFSX-GFP3 plasmids prepared in <Example 2> were transformed to E. coli BLR (DE3), a RecA disrupted strain, by electroporation to prepare a recombinant transformant, and this was Luria. Pre-incubated at 37 ° C. with Bertani (LB) medium (Tryptone 10 g / L, Yeast extract 5 g / L, Sodium chloride 10 g / L). Thereafter, the preculture was inoculated again in LB medium at a volume ratio of 100%, incubated at 37 ° C. until absorbance 600 nm 0.6, and then isopropyl-beta to induce the expression of green fluorescent protein (GFPuv). -Thiogalactopyranoside (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, IPTG, Duchefa, the Netherlands) was added to a final 0.5 mM, and further incubated at 16 ° C for 24 hours, followed by centrifugation of the culture to recover the cells. .

<3-2> 재조합 형질전환체에서 <3-2> In recombinant transformants GFPuvGFPuv 의 발현 확인Confirmation of expression of

상기 재조합 형질전환체에서 SDS-PAGE 및 웨스턴 블랏(Western blot) 분석을 통해 GFPuv의 발현 정도 및 양상을 확인하였다. SDS-PAGE and Western blot analysis of the recombinant transformants confirmed the expression level and pattern of GFPuv.

구체적으로, SDS-PAGE 분석은 상기 <실시예 3-1>의 배양액에서 회수된 세포를 파쇄하고 얻어진 세포 내 단백질을 12% SDS-PAGE를 이용해 분리한 후, 쿠마시 브릴리언트 블루(coomassie brilliant blue R-250)로 염색하였다.Specifically, SDS-PAGE analysis was performed by crushing the cells recovered in the culture medium of <Example 3-1> and separating the obtained intracellular protein using 12% SDS-PAGE, Coomassie brilliant blue R (coomassie brilliant blue R -250).

또한, 웨스턴 블랏(western blot) 분석은 10% SDS-PAGE를 통해 단백질을 분리하고, 전기적인 방법(80V에서 40분)을 이용하여, PVDF 막에 단백질을 옮겨 수행하였다. 상기 단백질이 옮겨진 PVDF 막에 5% 탈지유(skim milk)가 함유된 TBST 차단 완충용액을 1시간 동안 처리하고, 1차 항체로 모노클로날 GFPuv 항체(Santa cruze)를 TBST 완충용액을 이용하여 1/1000의 비율로 희석하여, 1시간 동안 처리하였으며, 이후, TBST를 이용해 10분 간격으로 3회 동안 세척하고, 1/2000의 비율로 2차 항체(Anti-mouse HRP-conjugated secondary antibody, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 처리한 다음, TBST를 이용해 10분 간격으로 3회 세척한 뒤 ECL 용액(GE Healthcare)를 이용해 상기 PVDF 막으로부터 표적 단백질을 검출하였다.Western blot analysis was also performed by separating proteins via 10% SDS-PAGE and transferring the proteins to PVDF membranes using an electrical method (40 minutes at 80V). The protein was transferred to the PVDF membrane treated with TBST blocking buffer containing 5% skim milk for 1 hour, monoclonal GFPuv antibody (Santa cruze) as a primary antibody using TBST buffer 1/1 Diluted at a rate of 1000, treated for 1 hour, and then washed three times at 10 minute intervals using TBST, and the secondary antibody ( Anti-mouse HRP-conjugated secondary antibody, Sigma-Aldrich) at a rate of 1/2000 , St. Louis, MO, USA), followed by three washes at 10 minute intervals using TBST, followed by detection of the target protein from the PVDF membrane using ECL solution (GE Healthcare).

그 결과, 도 9 및 도 11에서 보는 바와 같이, pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2 및 pTFSX-GFP3 벡터를 형질전환한 재조합 균주에서 IPTG로 GFPuv의 발현을 유도한 경우에만 약 27 kDa의 형광 단백질이 발현되었음을 확인하였으며(도 9 및 도 11), 이를 통해, 각각의 재조합 벡터가 형질전환된 균주에서 GFPuv가 프레임에 맞게 발현되었음을 확인하였다.
As a result, as shown in FIGS. 9 and 11, about 27 kDa fluorescent protein was expressed only when the expression of GFPuv was induced by IPTG in the recombinant strain transformed with the pTFSX-GFP1, pTFSX-GFP2, and pTFSX-GFP3 vectors. (FIGS. 9 and 11), through which, it was confirmed that GFPuv was expressed in a frame in each recombinant vector transformed strain.

<3-3> 형광 분광계(<3-3> fluorescence spectrometer ( fluorescence여광체 spectrometer분광계 )를 이용한 ) GFPuvGFPuv 의 발현 확인Confirmation of expression of

상기 재조합 형질전환체에서 fluorescence spectrometer을 이용하여 GFPuv의 발현을 확인하기 위해, 상기 <실시예 3-1>의 배양액에서 회수된 세포를 파쇄하고 얻어진 세포 내 단백질을 시료로 하여, 형광 분광계(fluorescence spectrometer, Shimadzu RF5301PC, Japan)를 이용하여 발광파장(excitation wavelength): 395 nm, 방출 파장(emission wavelength): 509 nm으로 하여, 각 시료의 형광을 측정하였다.In order to confirm the expression of GFPuv using the fluorescence spectrometer in the recombinant transformant, the cells recovered in the culture medium of <Example 3-1> were crushed, and the obtained intracellular protein was used as a sample, a fluorescence spectrometer. , Shimadzu RF5301PC, Japan) was used to measure the fluorescence of each sample at an emission wavelength of 395 nm and an emission wavelength of 509 nm.

그 결과, 도 10에서 보는 바와 같이, 각각의 재조합 형질전환체에서 IPTG로 GFPuv의 발현을 유도한 경우에만 현저히 높은 형광이 나타났으며(도 10), 이를 통해, 각각의 재조합 벡터가 형질전환된 균주에서 GFPuv가 프레임에 맞게 발현되었음을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 10, only when the expression of GFPuv was induced by IPTG in each recombinant transformant, significantly high fluorescence was observed (FIG. 10), whereby each recombinant vector was transformed. It was confirmed that GFPuv was expressed in a frame according to the strain.

<< 실시예Example 4> 6개 프레임 발현을 유도하기 위한 신규 발현 벡터  4> New Expression Vectors to Induce Six Frame Expression pSTFXpSTFX 제작 making

본 발명의 6개 프레임 발현을 유도할 수 있는 신규 발현 벡터를 제작하였다.A novel expression vector was constructed capable of inducing the six frame expressions of the invention.

먼저, 상기 <실시예 1>에서 제작된 pTFSX 벡터에서 TFSX 유전자 강제 발현 카세트의 안정성을 유지하기 위하여 rrnB 전사 종결자(terminator)를 삽입하였으며, 구체적으로, pTrc99a 벡터(Amann, E. et al, Gene 69(2): 301-315, 1988)를 주형으로, 서열번호 15 및 18 프라이머 쌍을 이용하고, PrimeStar HS 폴리머라제(polymerase)를 이용하여 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 30 초, 30 싸이클(cycles)의 조건하에서 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)을 수행하여, 407bp 크기의 TrrnB DNA 단편을 증폭하고 순수 정제 과정을 거친 뒤 제한효소 BamHI으로 절단한 후, 이를 인써트(insert)로 pTFSX의 BamHI 절단 부위에 클로닝한 뒤 이를 pTFSX-TrrnB라 명명하였다.First, a rrnB transcription terminator was inserted to maintain the stability of the TFSX gene expression cassette in the pTFSX vector prepared in Example 1, specifically, a pTrc99a vector (Amann, E. et al, Gene). 69 (2): 301-315, 1988) as a template, using SEQ ID NOs: 15 and 18 primer pairs, and PrimeStar HS polymerase using 98 ° C 10 seconds, 58 ° C 5 seconds, 72 ° C 30 seconds , Polymerization Chain Reaction (PCR) was carried out under the conditions of 30 cycles, amplified 407 bp TrrnB DNA fragment and purified by restriction enzyme Bam HI, and then inserted into the insert. (insert) was cloned into the Bam HI cleavage site of pTFSX and named it pTFSX-TrrnB.

그 후, pTFSX-TrrnB 플라스미드를 주형으로 하고, 서열번호 16 및 22 프라이머 쌍과 서열번호 20 및 21 프라이머 쌍을 이용하고, 각각 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 6 분, 30 싸이클(cycles) 및 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 20 초, 30 싸이클(cycles)의 조건하에서 PCR을 수행하여, 이를 통해 증폭된 5,675 bp 및 139 bp의 증폭 산물을 얻고, 이의 순수 정제 과정을 거친 뒤 제한효소 EcoRI과 SmaI으로 절단한 후 라이게이션(ligation)을 수행하였다. 이렇게 구축된 벡터 내에는 3개의 BamHI 절단 부위가 존재하기 때문에 이를 제한효소 BamHI으로 처리한 뒤, 앞서 증폭한 rrnB 전사종결자(terminator)를 BamHI 절단 부위에 삽입하여 681bp의 SFSX 카세트를 제작하였다.Then, using the pTFSX-TrrnB plasmid as a template, using SEQ ID NO: 16 and 22 primer pairs and SEQ ID NO: 20 and 21 primer pairs, respectively, 98 ℃ 10 seconds, 58 5 seconds, 72 6 minutes, 30 cycles ( cycles) and PCR under the conditions of 98 ° C. 10 sec, 58 ° C. 5 sec, 72 ° C. 20 sec, and 30 cycles to obtain amplified products of 5,675 bp and 139 bp, which were amplified through the pure purification process. After the ligation was cut with restriction enzymes Eco RI and Sma I and ligation was performed. Since there are three Bam HI cleavage sites in the constructed vector, after treatment with the restriction enzyme Bam HI, the amplified rrnB terminator was inserted into the Bam HI cleavage site to prepare a 681bp SFSX cassette. It was.

이후, 이를 다시 제한효소 BglII으로 처리한 뒤, pET-21a+ 플라스미드의 BamHI과 BglII 절단 부위에 삽입하고, 이를 대장균 DH5α에 형질전환하였으며, 상기 재조합된 플라스미드가 형질전환된 대장균으로부터 플라스미드 DNA를 분리하고, 분리된 DNA를 시퀀싱(sequencing, 제노텍, 대전, 대한민국)하여, 그 염기 서열을 확인하였다.Then, it was again treated with restriction enzyme Bgl II, and inserted into the Bam HI and Bgl II cleavage sites of the pET-21a + plasmid, which was transformed into E. coli DH5α, and the plasmid DNA was isolated from E. coli transformed with the recombinant plasmid. The separated DNA was sequenced (sequencing, Genotech, Daejeon, Korea) to confirm the base sequence.

이때, 상기 증폭된 모든 DNA 단편은 DNA 분리 정제 키트(Xprep PCR purification kit, JMC R&D, INC., 대전, 대한민국)를 이용하여 순수정제하였으며, 대장균 DH5α에 형질전환하였다. At this time, all the amplified DNA fragments were purified using a DNA purification kit (Xprep PCR purification kit, JMC R & D, INC., Daejeon, South Korea), and transformed into E. coli DH5α.

그 결과, 클로닝되는 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 1개의 전사단위로 전사되고 이들로부터 3개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역될 수 있는 발현 벡터가 제작되었음을 확인하였고, 이를 pSFSX라 명명하였다.
As a result, the cloned DNA fragment was transcribed into one transcription unit from the bidirectional promoter, and 3 frames of polypeptide were translated from them, thereby confirming that an expression vector capable of simultaneously translating a total of 6 frames of polypeptides was produced. It was named pSFSX.

<< 실시예Example 5>  5> pSFSXpSFSX 벡터 내  In my vector 녹색형광Green fluorescence 단백질( protein( GFPuvGFPuv ) 유전자의 A) gene 클로닝Cloning

본 발명에서 제작된 신규 발현 벡터 pSFSX를 이용하여 양방향 프로모터로부터 1개의 전사단위로 전사되고 3개 프레임의 폴리펩티드가 각각 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 번역될 수 있는지의 여부를 확인하기 위하여, 먼저 상기 제조된 pSFSX 벡터에 녹색형광 단백질(GFP, Green fluorescence protein) 유전자를 클로닝하였다.In order to confirm whether or not a total of six frames of polypeptides can be translated by transcribing a single transcription unit from a bidirectional promoter and translating three frames of polypeptides using the novel expression vector pSFSX produced in the present invention, First, the green fluorescence protein (GFP) gene was cloned into the prepared pSFSX vector.

먼저, pGFPuv(ClontechLaboratories, Inc., Palo Alto, Calif. USA) 플라스미드 내에 rrnB 전사종결자(terminator)를 도입하기 위하여, pTrc99a를 주형으로 하고, 서열번호 17 및 19 프라이머 쌍을 이용하고, PrimeStar HS polymerase를 이용하여 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 30 초, 30 싸이클(cycles)의 조건하에서 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)을 수행하여, 407bp 크기의 DNA 단편을 증폭하고, 순수 정제 과정을 거친 뒤, 이를 제한효소 EcoRI으로 절단하여, pGFPuv의 EcoRI 절단 부위에 클로닝하였다.First, in order to introduce the rrnB transcription terminator into the pGFPuv (ClontechLaboratories, Inc., Palo Alto, Calif. USA) plasmid, pTrc99a was used as a template, and SEQ ID NOs: 17 and 19 primer pairs were used, and PrimeStar HS polymerase. A polymerase chain reaction (PCR) was performed under conditions of 98 ° C. 10 seconds, 58 ° C. 5 seconds, 72 ° C. 30 seconds, and 30 cycles to amplify a DNA fragment having a size of 407 bp, After pure purification, it was digested with restriction enzyme Eco RI and cloned into Eco RI cleavage site of pGFPuv.

이후, 이를 주형으로 서열번호 3의 GFP 1 정방향 프라이머, 서열번호 4의 GFP 2 정방향 프라이머, 혹은 서열번호 5의 GFP 3 정방향 프라이머와 서열번호 19의 rrnB 전사종결자(terminator) GFP 역방향 프라이머를, 각각의 정방향 프라이머와 역방향 프라이머를 쌍으로 조합하여 PrimeStar HS polymerase(Takara, Japan)를 이용하여 98 ℃ 10 초, 58 ℃ 5 초, 72 ℃ 1 분, 30 싸이클(cycles)의 조건으로 PCR을 수행하였다. Then, as a template, a GFP 1 forward primer of SEQ ID NO: 3, a GFP 2 forward primer of SEQ ID NO: 4, or a GFP 3 forward primer of SEQ ID NO: 5 and a rrnB transcription terminator GFP reverse primer of SEQ ID NO: 19, respectively, PCR was performed under the conditions of 98 ℃ 10 seconds, 58 5 seconds, 72 1 minutes, 30 cycles using PrimeStar HS polymerase (Takara, Japan) by combining a pair of the forward primer and the reverse primer.

상기 PCR 증폭을 통해 자체 개시 코돈이 제거되고 각기 다른 3개의 프레임으로 번역될 수 있는 GFP1-TrrnB, GFP 2-TrrnB 및 GFP 3-TrrnB 유전자 단편을 얻었고, 이를 PCR 산물 분리 정제 키트(Xprep PCR purification kit, JMC R&D, INC., 대전, 대한민국)를 이용하여 순수 정제하고 제한효소 BglII(TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan)를 처리하여, 이를 인써트(insert)로 준비하였다. The PCR amplification yielded GFP1-TrrnB, GFP 2-TrrnB, and GFP 3-TrrnB gene fragments, which can be self-initiated codons removed and translated into three different frames, which were then subjected to PCR product purification kit (Xprep PCR purification kit). , JMC R & D, INC., Daejeon, South Korea) was purified pure and treated with restriction enzyme Bgl II (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan), it was prepared as an insert (insert).

이때, 상기 <실시예 4>에서 제조된 발현벡터 pSFSX는 제한효소 BamHI(TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan)으로 절단하고 탈인산화 효소를 처리하여 준비한 후, 상기 제조된 인써트(inset)와 라이게이션(ligation)을 수행하였다. 이후, 라이게이션된 혼합물을 대장균 DH5α에 형질전환하고, 얻어진 재조합 형질전환체에서 플라스미드 DNA를 분리하여, 제한효소 절단을 통한 DNA 절편 크기 확인 및 DNA 씨퀀싱(sequencing)을 통한 서열 분석을 수행하였다.At this time, the expression vector pSFSX prepared in Example 4 was cut with restriction enzyme Bam HI (TaKaRa Bio Inc., Shiga, Japan) and prepared by treating with dephosphorylated enzyme, and then prepared with the prepared insert (inset) and lye. Ligation was performed. Thereafter, the ligated mixture was transformed into E. coli DH5α, plasmid DNA was isolated from the resulting recombinant transformants, and DNA fragment size confirmation and restriction analysis were performed through restriction sequencing and DNA sequencing.

그 결과, 발현 벡터 pSFSX 벡터에 정방향으로 각각 GFP 1, GFP 2 및 GFP 3의 3개의 유전자 단편 및 역방향으로 각각 GFP 1, GFP 2 및 GFP 3의 3개의 유전자 단편이 클로닝되어, 총 6개의 유전자 단편이 클로닝되었음을 확인하였고, 이후, 제작된 재조합 발현 벡터를 pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3로 명명하였다(도 15).
As a result, three gene fragments of GFP 1, GFP 2 and GFP 3 in the forward direction and three gene fragments of GFP 1, GFP 2 and GFP 3 in the forward direction were respectively cloned into the expression vector pSFSX vector, resulting in a total of six gene fragments. The cloned recombinant expression vector was then identified as pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3. It was named (FIG. 15).

<< 실시예Example 6> 녹색 형광 단백질( 6> green fluorescent protein ( GFPuvGFPuv ) 유전자를 이용한 6개 프레임에서의 발현 확인Expression Detection in Six Frames Using Genes

본 발명의 신규 발현 벡터인 pSFSX 내에 녹색형광 단백질(GFPuv) 유전자가 클로닝된 재조합 벡터에서 GFPuv 단백질의 발현 여부를 확인하기 위하여 실험을 수행하였다.
Experiments were performed to confirm the expression of GFPuv protein in the recombinant vector cloned with the green fluorescent protein (GFPuv) gene in pSFSX, a novel expression vector of the present invention.

<6-1> 재조합 형질전환체 균주의 배양<6-1> Culture of Recombinant Transformant Strain

상기 <실시예 5>에서 제작된 pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3 플라스미드를 전기천공법으로 대장균 BLR(DE3)에 형질전환하여 재조합 형질전환체를 제작하고, 이를 Luria-Bertani(LB) 배지(트립톤 10 g/L, 효모추출물 5 g/L, 염화나트륨 10 g/L)로 37℃에서 12시간 이상 전배양하였다. 이후, 상기 전배양액을 100분의 1 부피 비로 다시 LB 배지에 접종하여, 37 ℃에서 흡광도 600 nm 0.6이 될 때까지 배양한 다음, 녹색 형광 단백질(GFPuv)의 발현을 유도하기 위해 이소프로필-베타-티오갈락토피라노사이드(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, IPTG, Duchefa, the Netherlands)를 최종 0.5 mM이 되게 첨가하고 16℃에서 24시간을 더 배양한 후 배양액을 원심분리하여 세포를 회수하였다.
PSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3 plasmids prepared in Example 5 were electroporated. E. coli BLR (DE3) was transformed to produce a recombinant transformant, which was subjected to Luria-Bertani (LB) medium (tryptone 10 g / L, yeast extract 5 g / L, sodium chloride 10 g / L) at 37 ° C. Preincubation for at least 12 hours. Thereafter, the preculture was inoculated again in LB medium at a volume ratio of 100%, incubated at 37 ° C. until absorbance of 600 nm 0.6, and then isopropyl-beta to induce the expression of green fluorescent protein (GFPuv). -Thiogalactopyranoside (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside, IPTG, Duchefa, the Netherlands) was added to a final 0.5 mM, and further incubated at 16 ° C for 24 hours, followed by centrifugation of the culture to recover the cells. .

<6-2> 재조합 형질전환체에서 <6-2> in recombinant transformants GFPuvGFPuv 의 발현 확인Confirmation of expression of

상기 재조합 형질전환체에서 GFPuv의 발현 정도 및 양상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 <3-2>의 방법과 같이, 웨스턴 블랏(Western blot) 분석을 수행하였다.In order to confirm the expression level and pattern of GFPuv in the recombinant transformants, Western blot analysis was performed as in the method of Example <3-2>.

그 결과, 도 20에서 보는 바와 같이, pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 및 pSFSX-3-GFP3 벡터를 형질전환한 재조합 균주에서 IPTG로 GFPuv의 발현을 유도한 경우에만 약 27 kDa의 형광 단백질이 발현되었음을 확인하였으며(도 20), 이를 통해, 각각의 재조합 벡터가 형질전환된 균주에서 GFPuv가 프레임에 맞게 발현되었음을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 20, pSFSX-5-GFP1, pSFSX-5-GFP2, pSFSX-5-GFP3, pSFSX-3-GFP1, pSFSX-3-GFP2 and pSFSX-3-GFP3 vectors were transformed. It was confirmed that about 27 kDa fluorescent protein was expressed only when the expression of GFPuv was induced by IPTG in the recombinant strain (FIG. 20), thereby confirming that GFPuv was expressed in a frame in each of the transformed strains. It was.

<6-3> 형광 분광계(<6-3> fluorescence spectrometer ( fluorescence여광체 spectrometer분광계 )를 이용한 ) GFPuvGFPuv 의 발현 확인Confirmation of expression of

상기 재조합 형질전환체에서 형광 분광계를 이용한 GFPuv의 발현을 확인하기 위해, 상기 <실시예 6-1>의 배양액에서 회수된 세포를 파쇄하고 얻어진 세포 내 단백질을 시료로 하여, 상기 <실시예 3-3>의 방법과 같이, 각 시료의 형광을 측정하였다.In order to confirm the expression of GFPuv using a fluorescence spectrometer in the recombinant transformant, the cells recovered from the culture medium of <Example 6-1> were disrupted and the obtained intracellular protein was used as a sample. As in the method of 3>, the fluorescence of each sample was measured.

그 결과, 도 19에서 보는 바와 같이, 각각의 재조합 형질전환체에서 IPTG로 GFPuv의 발현을 유도한 경우에만 현저히 높은 형광이 나타났으며(도 19), 이를 통해, 각각의 재조합 벡터가 형질전환된 균주에서 GFPuv가 프레임에 맞게 발현되었음을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 19, only when the expression of GFPuv was induced by IPTG in each recombinant transformant, significantly high fluorescence was observed (FIG. 19), whereby each recombinant vector was transformed. It was confirmed that GFPuv was expressed in a frame according to the strain.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 신규 발현 벡터들은 클로닝되는 DNA 단편을 한 개의 염기 단위씩 다른 3개 프레임으로 동시에 번역할 수 있다. 따라서 본 발현벡터들을 메타게놈, 게놈, cDNA 유래 유전자의 라이브러리 제작에 사용할 경우 해당 라이브러리에 포함된 유용한 미지 유전자의 발현 및 활성 스크리닝이 용이하다. 즉, 이러한 활성형 단백질 발현이 용이한 유전체 라이브러리 제작을 통해 광범위한 메타게놈, 유전체, cDNA 유전자원을 효율적으로 탐색할 수 있으며, 이렇게 확보된 유용 유전자원들은 바이오 시스템 기반의 정밀화학소재(효소, 기능성 대사산물 등) 또는 의약소재(항생물질, 재조합 의약품)의 개발에도 유용하게 이용될 수 있다.As described above, the novel expression vectors of the present invention can simultaneously translate the DNA fragment to be cloned into three different frames by one base unit. Therefore, when the expression vectors are used to produce a library of metagenome, genome, and cDNA derived genes, expression and activity screening of useful unknown genes included in the library are easy. In other words, the genome library can easily search for a wide range of metagenomes, genomes, and cDNA gene sources through the production of active genome libraries that can easily express active proteins. Metabolites, etc.) or pharmaceutical materials (antibiotics, recombinant drugs) can be usefully used.

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Claims (17)

프로모터(promoter), 락토오즈 오퍼레이터(lactose operator, lacO) 및 유전자 3-프레임 동시번역(Three Frame Simultaneous Translation, TFST) 컨스트럭트를 포함하는 발현 카세트로서, DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 한 개의 전사 단위로 전사되며 이로부터 다시 3개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는, 유전자 강제 발현 카세트.
An expression cassette that includes a promoter, lactose operator (lacO), and a Genetic Three-Frame Simultaneous Translation (TFST) construct. A gene forced expression cassette, which is transcribed in a transcription unit, from which three frames of polypeptide are simultaneously translated.
제 1항에 있어서, 상기 TFST 컨스트럭트는 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 개시 코돈(ATG), 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS), 개시 코돈(ATG) 및 개시 코돈(ATG)이 순차적으로 작동가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
The method of claim 1, wherein the TFST construct is a ribosome binding site (RBS), ribosomal binding site (RBS), initiation codon (ATG), ribosomal binding site (RBS), A gene coexpression cassette characterized in that the start codon (ATG) and the start codon (ATG) are operably linked in sequence.
제 1항에 있어서, 상기 TFST 컨스트럭트는 서열번호 14의 염기 서열로 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
The gene-forced expression cassette according to claim 1, wherein the TFST construct is composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO.
프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 정방향으로 도입된 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트;
rrnB 전사종결자; 및
프로모터, 락토오즈 오퍼레이터 및 TFST 컨스트럭트를 포함하며 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트의 역방향으로 도입된 두 번째 유전자 강제 발현 카세트를 포함하고,
상기 2개 유전자 강제발현 카세트 사이에 rrnB 전사종결자를 대신하여 DNA 단편을 연결하면 연결된 DNA 단편이 양방향 프로모터로부터 각각 1개의 전사단위로 전사되고, 이들로부터 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 양방향으로 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 동시에 번역되는 양방향 유전자 강제 발현 카세트.
The first gene forced expression cassette introduced forward and including promoter, lactose operator and TFST construct;
rrnB transcription terminator; And
A second gene forced expression cassette comprising a promoter, a lactose operator and a TFST construct and introduced in reverse of the first gene forced expression cassette,
Linking the DNA fragments in place of the rrnB transcription terminator between the two gene expression cassettes, the linked DNA fragments are transcribed into one transcription unit from the bidirectional promoter, and three frames of polypeptides are bidirectionally translated from them. A bidirectional gene force expression cassette in which a total of six frames of polypeptides are translated simultaneously.
제 4항에 있어서, 양방향 유전자 강제 발현 카세트의 첫 번째 유전자 강제 발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 리보솜 결합 부위, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈 및 개시 코돈이 순차적으로 작동가능하게 연결되고, 두 번째 유전자 강제 발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 개시 코돈, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위, 개시 코돈, 리보솜 결합 부위 및 리보솜 결합 부위가 순차적으로 연결되어 첫 번째 TFST 컨스트럭트의 역박향으로 작동가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
5. The method of claim 4, wherein the TFST construct of the first gene forced expression cassette of the bidirectional gene forced expression cassette comprises sequentially operably linked ribosomal binding sites, ribosomal binding sites, start codons, ribosomal binding sites, start codons, and start codons. And the TFST construct of the second gene-forced expression cassette can be operated in reverse reciprocation of the first TFST construct, with the start codon, the start codon, the ribosome binding site, the start codon, the ribosome binding site, and the ribosomal binding site sequentially linked. Gene expression cassette characterized in that the connection.
제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 프로모터는 T7 프로모터(promoter)인 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
5. The gene-forced expression cassette of claim 1 or 4, wherein the promoter is a T7 promoter.
제 2항 또는 제 5항에 있어서, 상기 리보솜 결합 부위(ribosome binding site, RBS)는 서열번호 7의 염기 서열로 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
The gene-forced expression cassette according to claim 2 or 5, wherein the ribosomal binding site (RBS) is composed of the nucleotide sequence of SEQ ID NO.
제 4항에 있어서, rrnB 전사종결자는 서열번호 23의 염기 서열로 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
5. The gene-forced expression cassette of claim 4, wherein the rrnB transcription terminator consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 23.
제 4항에 있어서, 첫 번째 발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 서열번호 14의 염기 서열로 구성되고, 두 번째 발현 카세트의 TFST 컨스트럭트는 서열번호 24의 염기 서열로 구성된 것을 특징으로 하는 유전자 강제 발현 카세트.
5. The gene-forced expression cassette of claim 4, wherein the TFST construct of the first expression cassette consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 14, and the TFST construct of the second expression cassette consists of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 24. .
제 1항 또는 제 4항의 유전자 강제 발현 카세트를 포함하는 재조합 발현 벡터.
A recombinant expression vector comprising the gene forced expression cassette of claim 1.
제 10항에 있어서, 상기 발현 벡터는 클로닝되는 DNA 단편이 1개의 전사 단위로 전사되고 이로부터 3개 프레임(frame)의 폴리펩티드로 번역되어 발현될 수 있거나, 또는 클로닝되는 DNA 단편이 각각의 프로모터로부터 양방향으로 각각 1개의 전사단위로 전사되고, 이들로부터 각각 3개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어, 총 6개 프레임의 폴리펩티드가 번역되어 발현될 수 있는 것을 특징으로 하는 발현 벡터.
The method of claim 10, wherein the expression vector can be expressed by transcribing the DNA fragment to be cloned into one transcription unit and translated into three frames of polypeptide, or the DNA fragment to be cloned from each promoter. An expression vector, wherein the expression vector is transcribed into one transcription unit in each direction, and three frames of polypeptides are translated from each of them, so that a total of six frames of polypeptides can be translated and expressed.
제 10항의 재조합 발현 벡터를 숙주세포에 도입한 형질전환체.
A transformant, wherein the recombinant expression vector of claim 10 is introduced into a host cell.
제 12항에 있어서, 상기 숙주세포는 대장균(E. coli)인 것을 특징으로 하는 형질전환체.
The transformant of claim 12, wherein the host cell is E. coli .
1) 메타게놈(metagenome) 유래 DNA를 제한 효소로 절단하는 단계; 및
2) 상기 단계 1)의 절단된 DNA를 제 10항의 발현 벡터에 삽입하는 단계를 포함하는 메타게놈 유래 유전자 라이브러리 제작 방법.
1) cleaving the metagenome-derived DNA with a restriction enzyme; And
2) A method for producing a metagenome derived gene library comprising inserting the cut DNA of step 1) into the expression vector of claim 10.
제 14항에 있어서, 상기 단계 1)의 절단은 Sau3A1 제한 효소로 부분 절단하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 메타게놈 유래 유전자 라이브러리 제작 방법.
The method of claim 14, wherein the cleavage of step 1) further comprises partially cleaving with a Sau 3A1 restriction enzyme.
제 14항에 있어서, 상기 단계 1)의 절단은 기계적 절단 후 평활 말단(blunt end)으로 만드는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 메타게놈 유래 유전자 라이브러리 제작 방법.
15. The method of claim 14, wherein the cleavage of step 1) further comprises the step of making a blunt end after mechanical cleavage.
1) 메타게놈으로부터 DNA를 분리하는 단계;
2) 단계 1)의 DNA를 제 10항의 발현 벡터에 삽입하는 단계;
3) 단계 2)의 발현 벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; 및
4) 단계 3)의 형질전환체를 배양하여 단백질 발현을 검증하는 단계를 포함하는, 메타게놈 유래 활성 유전자 스크리닝 방법.
1) separating DNA from the metagenome;
2) inserting the DNA of step 1) into the expression vector of claim 10;
3) preparing a transformant by introducing the expression vector of step 2) into a host cell; And
4) culturing the transformant of step 3) to verify protein expression, metagenomic derived active gene screening method.
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