KR102022242B1 - Terpene synthase gene from Polyporus brumalis, Shizosaccharomyces pombe mutant transformants containing the gene - Google Patents
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Abstract
본 발명은 테르펜 합성 효소인 pobTPS에 관한 것으로, 보다 상세하게는 pobTPS 유전자와 이를 포함하는 벡터, 상기 벡터를 통해 형질 전환된 형질전환체에 관한 것으로, 겨울우산 버섯 유래의 테르펜 합성 효소인 pobTPS 의 유전자를 제공하여, 야생형 균주보다 활성 능력이 우수한 테르펜 합성 효소를 제공할 수 있다. The present invention relates to pobTPS, a terpene synthetase, and more particularly, to a pobTPS gene and a vector comprising the same, a transformant transformed through the vector, and a gene of pobTPS , a terpene synthetase derived from winter mushrooms. It can be provided to provide a terpene synthetase having better activity than the wild type strain.
Description
본 발명은 테르펜 합성 효소인 pobTPS에 관한 것으로, 보다 상세하게는 pobTPS 유전자와 이를 포함하는 벡터, 상기 벡터를 통해 형질 전환된 형질전환체에 관한 것이다. The present invention relates to a terpene synthase, pobTPS, and more particularly, to a pobTPS gene, a vector comprising the same, and a transformant transformed through the vector.
식물이나 미생물이 만드는 물질 중 탄수화물, 단백질, 핵산, 지질 등 세포 기능 수행에 직접적으로 관여하는 1차 대사산물 이외에 생존에 필수적이지는 않으나 부차적으로 생성되는 2차 대사 산물들이 존재한다. 버섯류 또한 다양한 2차 대사산물을 만들어 내는데 특히 인간에게 유용하게 적용할 수 있는 생리활성 물질들이 다양하게 존재하며, 그 종류가 다양함에도 불구하고 관련 생합성 경로에 대한 정보는 부족한 편이다. 현재 연구 동향을 살펴보면 NGS(next generation sequencing) 기술 발달로 많은 진균류에서 genome sequence가 해독되었으며 이를 통한 이차 대사산물 생합성 관련 유전자 cluster를 탐색하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이차 대사산물 중 대표적으로 존재하는 화합물이 테르펜(terpene)계 화합물이다. 천연 테르펜은 주로 식물이나 미생물에 의해 생합성 되는 성분들로 현재까지 약 5 만개의 구조가 밝혀져 있으며 항암, 항균, 항염증 등 유용 생리 활성을 지닌 구조들이 밝혀진 바 있다. In addition to carbohydrates, proteins, nucleic acids, and lipids, primary metabolites that are directly involved in cell function, such as those produced by plants and microorganisms, are secondary metabolites that are not essential for survival but are secondary. Mushrooms also produce a variety of secondary metabolites, and there are a variety of bioactive materials that can be useful in humans, and despite the variety, there is a lack of information on related biosynthetic pathways. Current research trends show that genome sequences have been decoded in many fungi due to the development of next generation sequencing (NGS) technology, and studies are actively underway to explore gene clusters related to secondary metabolite biosynthesis. Representative compounds among secondary metabolites are terpene compounds. Natural terpenes are mainly biosynthesized by plants or microorganisms, and about 50,000 structures have been identified to date, and structures with useful physiological activities such as anticancer, antibacterial, and anti-inflammatory properties have been identified.
겨울우산 버섯(Polyporus brumalis) 균사체는 glucose 및 마그네슘 (MgSO4) 무기원소를 포함하는 액체 배지에서 세스퀴테르펜(sesquiterpenes)의 eudesmol (C15H24O) 물질을 만들어 내는 사실을 확인하였다. Eudesmol 성분은 항염증(anti-inflammatory effect) 및 항미생물(anti-microbial effect) 효과를 나타내는 유용물질로 밝혀진 바 있다. Eudesmol 생성에 직접적인 역할을 하는 유전자 및 효소 정보를 파악하기 위해 P. brumalis 균사체의 mRNA 및 protein의 발현량 profiling을 수행하였다. 미생물의 2차 대사산물 생합성 경로(biosynthesis pathway)는 전구물질(precursor)에 따라 구분되는데 테르펜 성분의 경우 메발로네이트(mevalonate pathway) 대사 경로를 통해 합성한다고 알려져 있다. 메발로네이트 합성 경로는 8개의 enzyme들에 의해 세스퀴테르펜 전구체인 farnesyl diphosphate 구조를 생성한다. 생성된 전구체에 추가적인 효소 반응에 의해 다양한 구조의 세스퀴테르펜 구조들이 생성되는데 이와 같은 다양한 구조를 결정짓는 중요 효소를 terpene synthase라 칭한다. 기존 terpene synthase의 연구를 살펴보면 테르펜 물질이 상대적으로 미생물보다 식물 조직에 함유량의 높아 주로 식물 유래 TPS가 밝혀져 왔다. Polyurus brumalis mycelium was confirmed to produce eudesmol (C 15 H 24 O) substance of sesquiterpenes in liquid medium containing glucose and magnesium (MgSO 4 ) inorganic elements. Eudesmol has been found to be a useful material that exhibits anti-inflammatory and anti-microbial effects. Profiling of mRNA and protein expression levels of P. brumalis mycelium was performed to identify gene and enzyme information that plays a direct role in eudesmol production . Secondary metabolite biosynthesis pathways of microorganisms are classified according to precursors, and terpene components are known to be synthesized through the mevalonate pathway metabolic pathway. The mevalonate synthesis pathway produces a farnesyl diphosphate structure, a sesquiterpene precursor by eight enzymes. Sesquiterpene structures of various structures are produced by additional enzymatic reactions to the resulting precursors. An important enzyme that determines these various structures is called a terpene synthase. In studies of existing terpene synthase, terpene substances have relatively higher contents in plant tissues than microorganisms.
본래 유전자의 기능을 확인하기 위해서는 동종(homologous)의 host system을 이용하여 타겟 유전자를 제거한 후 유전자의 필수성과 모습의 변화를 살펴보는 방법을 가장 많이 사용되고 있으나, 현재까지 버섯균을 이용한 형질전환 시스템은 시간 소요 및 안정성 확립의 문제로 이용에 한계점이 있어 본 발명에서는 이종(heterologous)인 효모(yeast)를 이용하여 확인하였다. 사용된 효모 쉬조사카로미세스 폼베(Schizosaccaharomyces pombe) 균주의 경우 genome wide deletion mutant library가 한국생명공학연구원에 의해 개발된 바 있다. 또한 S. pombe는 기존에 밝혀진 유전자 level에서 겨울우산 버섯과 유사한 기능의 terpene synthase에 밝혀진 바가 없기 때문에 pobTPS의 유전자 기능 확인에 유리하였고 또한 terpene 전구체 생성에 관한 mevalonate pathway가 존재 한다고 알려져 있다. In order to confirm the function of the original gene, the most common method is to remove the target gene using a homologous host system and then look at the changes in the essentiality and shape of the gene. There is a limitation in the use as a matter of time and stability established in the present invention was confirmed using a heterologous yeast (yeast). Used yeast Schizosaccaharomyces pombe For the strain, genome wide deletion mutant library was developed by Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology. In addition, S. pombe has not been found in terpene synthase which has similar function to winter mushroom in the existing gene level, so it is advantageous for pobTPS gene function and mevalonate pathway for terpene precursor generation.
한편, 공개특허공보 제10-2014-0033002호에는 테르펜을 생산하기 위한 효모세포에 관하여 기재되어 있다. 특히, 가용성 하이드록시메틸글루타릴-코엔자임-A(HMG-CoA) 환원효소를 암호화하는 기능성 유전자를 포함하고 있고, 스테릴 아실전이효소를 암호화하는 하나 이상의 유전자가 제거됨으로써 테르펜 생산을 증가시켰다는 점은 테르펜 합성 효소의 구체적인 유전자에 관한 본 발명과는 기술적 특징이 상이하다. On the other hand, Patent Publication No. 10-2014-0033002 discloses a yeast cell for producing a terpene. In particular, it contains a functional gene encoding a soluble hydroxymethylglutaryl-coenzyme-A (HMG-CoA) reductase and increased terpene production by eliminating one or more genes encoding steril acyltransferase. Technical characteristics differ from the present invention regarding the specific gene of silver terpene synthase.
따라서 본 발명에서는, 겨울우산 버섯 유래의 테르펜 합성 효소 유전자를 분리하고, 상기 유전자를 포함하는 벡터 및 상기 벡터를 이용하여 돌연변이 효모 형질전환체를 제공하는 것에 발명의 목적이 있다.Therefore, an object of the present invention is to isolate a terpene synthase gene derived from a winter umbrella mushroom and to provide a vector comprising the gene and a mutant yeast transformant using the vector.
상기 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 겨울우산 버섯 유래의 테르펜 합성 효소인 pobTPS 의 유전자를 제공하고자 한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention is to provide a gene of pobTPS which is a terpene synthase derived from the winter umbrella.
또한, 본 발명은 겨울우산버섯 균주에서 상기 pobTPS 의 유전자를 분리하고, 분리된 pobTPS 의 유전자를 벡터에 삽입하여 재조합 벡터를 제조한 후, 상기 재조합 벡터를 이용하여 효모에 형질전환시켜 돌연변이 효모 형질전환체를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is to isolate the gene of the pobTPS in the winter Umbrella strain, insert the gene of the isolated pobTPS into a vector to produce a recombinant vector, transformed to yeast using the recombinant vector transformed mutant yeast Provided are methods for preparing a sieve.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 pobTPS 유전자를 포함하는 재조합 벡터를 제공한다.The present invention also provides a recombinant vector comprising the pobTPS gene produced by the above method.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 형질전환된 돌연변이 효모 형질전환체를 제공한다. The present invention also provides a mutant yeast transformant transformed by the above method.
구체적으로는, 서열번호 1의 염기서열로 이루어진 pobTPS 유전자를 제공하며, 상기 유전자는 테르펜 합성 효소를 코딩하는 pobTPS 유전자이며, 겨울우산버섯에서 유래된 것을 특징으로 하는 pobTPS 유전자를 제공한다.Specifically, there is provided a pobTPS gene consisting of the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, wherein the gene is a gene encoding a terpene synthase pobTPS, provides pobTPS gene, characterized in that derived from winter mushroom umbrella.
또한, 상기 유전자가 도입된 재조합 벡터를 제공하며, 더욱 구체적으로는 도 5에 개시된 개열지도를 갖는 pSLF273-pobTPS 재조합 벡터를 제공한다.The present invention also provides a recombinant vector into which the gene is introduced, and more specifically, a pSLF273-pobTPS recombinant vector having a cleavage map disclosed in FIG. 5.
또한, 상기의 재조합 벡터가 도입된 형질전환체를 제공하며, 상기 형질전환체는 형질전환된 효모인 것을 특징으로 하는 형질전환체이고, 상기 효모는 쉬조사카로마이세스 폼베(Shizosaccharomyces pombe)인 것을 특징으로 하는 형질전환체를 제공한다.In addition, the recombinant vector is provided a transformant, wherein the transformant is a transformant, characterized in that the transformed yeast, the yeast is Shizosaccharomyces pombe It provides a transformant characterized by.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 겨울 우산 버섯(Polyporus brumalis) 유래 terpene synthase (pobTPS) 유전자를 분리하고, 플라스미드를 이용하여 상기 유전자를 효모에 주입하고, 상기 유전자가 발현될 수 있는 형질전환체를 제조하는 것이다. The present invention is to isolate a terpene synthase ( pobTPS ) gene derived from the winter umbrella mushroom ( Polyporus brumalis ), inject the gene into yeast using a plasmid, and to prepare a transformant capable of expressing the gene.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "효모 세포"는 최대의 광의적 의미로, 상기 효모 세포는 자낭균류(ascomycota)일 수 있다. 상기 자낭균류는 사카로미세타시에(saccharomycetaceae) 일 수 있다. 상기 사카로미세타시에는 사카로마이세스(Saccharomyces) 속, 클루이베로마이세스(Kluyveromyces) 속, 캔디다(Candida) 속, 피치아(Pichia) 속, 이사첸키아(Issatchenkia) 속, 데바리오마이세스(Debaryomyces) 속, 자이고사카로마이세스(Zygosaccharomyces) 속, 쉬조사카로마이세스(Shizosaccharomyces) 또는 사카로마이콥시스(Saccharomycopsis) 속 일 수 있다. 사카로마이세스 속은 예를 들면, 사카로마이세스 세레비지애(S. cerevisiae), 사카로마이세스 바야누스(S. bayanus), 사카로마이세스 보울라디(S. boulardii), 사카로마이세스 불데리(S. bulderi), 사카로마이세스 카리오카누스(S. cariocanus), 사카로마이세스 카리오쿠스(S. cariocus), 사카로마이세스 체발리에리(S. chevalieri), 사카로마이세스 다이레넨시스(S. dairenensis), 사카로마이세스 엘립소이데우스(S. ellipsoideus), 사카로마이세스 유바야뉴스(S. eubayanus), 사카로마이세스 엑시거스(S. exiguus), 사카로마이세스 플로렌티누스(S. florentinus), 사카로마이세스 클루이베리(S. kluyveri), 사카로마이세스 마티니에 (S. martiniae), 사카로마이세스 모나센시스(S. monacensis), 사카로마이세스 노르벤시스(S. norbensis), 사카로마이세스 파라독서스(S. paradoxus), 사카로마이세스 파스토리아누스(S. pastorianus), 사카로마이세스 스펜서로룸(S. spencerorum), 사카로마이세스 투리센시스(S. turicensis), 사카로마이세스 우니스포루스(S. unisporus), 사카로마이세스 우바룸(S.uvarum), 또는 사카로마이세스 조나투스(S. zonatus)일 수 있다. 클루이베로마이세스 속은 클루이베로마이세스 락티스(Kluyveromyces lactis), 클루이베로마이세스 마르시아누스(Kluyveromyces marxianus), 클루이베로마이세스 서모톨러란스(Kluyveromyces thermotolerans)일 수 있다. 캔디다 속은 캔디다 글라브라타(Candida glabrata), 캔디다 보이디니(Candida boidinii), 캔디다 마그놀리아(Candida magnolia), 캔디다 메타노소르보사(Candida methanosorbosa), 캔디다 소노렌시스(Candida sonorensis), 또는 캔디다 유틸러스(Candida utilis)일 수 있다. 피치아(Pichia) 속은 피치아 스티피티스(Pichia stipitis) 일 수 있다. 이사첸키아(Issatchenkia) 속은 이사첸키아 오리엔탈리스(Issatchenkia orientalis)일 수 있다. 데바리오마이세스(Debaryomyces) 속은 데바리오마이세스 한세니(Debaryomyces hansenii)일 수 있다. 자이고사카로마이세스 속은 자이고사카로마이세스 바일리(Zygosaccharomyces bailli) 또는 자이고사카로마이세스 룩시이(Zygosaccharomyces rouxii)일 수 있다. 쉬조사카로마이세스 속은 쉬조사카로마이세스 크리오필러스(S.cryophilus), 쉬조사카로마이세스 자포니쿠스(S. japonicus), 쉬조사카로마이세스 옥토스포루스(S.octosporus) 또는 쉬조사카로마이세스 폼베(S. pombe)일 수 있다. 바람직하게는 쉬조사카로마이세스 폼베(S. pombe)일 수 있다As used herein, the term “yeast cell” is in the broadest sense, and the yeast cell may be an ascomycota. The aseptic fungus may be saccharomycetaceae. The Saccharomycesettas include Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida, Pichia, Issatchenkia, and Debaryomyces. ), Genus Zygosaccharomyces, Genus Shizosaccharomyces or Saccharomycopsis. Examples of genus Saccharomyces include S. cerevisiae, Saccharomyces S. bayanus, Saccharomyces S. boulardii, Saccharomyces S. bulderi, S. cariocanus, S. cariocans, S. cariocus, S. romealis, S. chevalieri, Saccharomyces S. dairenensis, S. ellipsoideus, S. eubayanus, S. exiguus, Saccharo S. florentinus, S. kluyveri, S. martiniae, S. romacensis, Saccharin S. norbensis, S. paradoxus, S. romanis Pastorianus (S. pastori) anus, S. spencerorum, S. turicensis, Saccharomyces unisporus, Saccharomyces uvarum .uvarum), or S. zonatus. The genus Kluyveromyces lactis can be Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces thermotolerans. Candida genus is Candida glabrata, Candida boidinii, Candida magnolia, Candida methanosorbosa, Candida sonorensis, or Candida utility It may be Candida utilis. The genus Pichia may be Pichia stipitis. The genus Issatchenkia may be Issatchenkia orientalis. The genus Debaryomyces may be Debaryomyces hansenii. The genus Zaygo Saccharomyces may be Zygosaccharomyces bailli or Zygosaccharomyces rouxii. In the genus Schizocaromyosis S.cryophilus, S. japonicus, Schizocaromyces S.octosporus or Schizozo It may be S. pombe. Preferably may be S. pombe (S. pombe)
본 발명에서, 용어 "영양요구성"은 최대의 광의적 의미로 효모가 이의 생육에 요구되는 특정 유기 화합물을 합성할 수 없는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 효모 세포는 히스티딘, 류신 및/또는 우라실에 대해 영양요구성일 수 있다. 그러므로, 상기 세포는 히스티딘, 류신 및/또는 우라실을 자체적으로 합성할 수 없으며, 따라서 히스티딘-, 류신- 및/또는 우라실-유리(free) 배지에서 및 히스티딘-, 류신- 및/또는 우라실-유리 세포 컬쳐 플레이트상에서 생육할 수 없다. 상기 영양요구성 효모 세포는 배양 배지 중에 히스티딘, 류신 및/또는 우라실을 각각 보충할 필요가 있다. 효모 세포는 또한 이들로 제한되는 것은 아니나, 비타민, 아미노산, 슈가 및 지방산으로 이루어진 군의 다른 영양 인자에 대해서도 영양요구성인 것일 수 있다.In the present invention, the term "nutrition" can be understood in the broadest sense that yeast is unable to synthesize certain organic compounds required for its growth. In the context of the present invention, the yeast cells may be nutriotrophic for histidine, leucine and / or uracil. Therefore, the cells cannot synthesize histidine, leucine and / or uracil on their own, and therefore in histidine-, leucine- and / or uracil-free medium and histidine-, leucine- and / or uracil-free cells. It cannot grow on culture plates. The trophogenic yeast cells need to be supplemented with histidine, leucine and / or uracil, respectively, in the culture medium. Yeast cells may also be nutritional for other nutritional factors in the group consisting of, but not limited to, vitamins, amino acids, sugars and fatty acids.
본 발명에서 사용되는 바와 같은 용어 "벡터"는 효모 세포로 유전자 정보를 이동시키는 임의의 조성물로 언급될 수 있다. 상기 유전자 정보는 데옥시리보핵산(DNA),이중사 DNA(dsDNA), 단일사 DNA(ssDNA)), 리보핵산(RNA) (단일사 RNA(ssRNA), 이중사 RNA(dsRNA))로서, 또는 예를 들어, 펩티드 핵산(PNA), 모르폴리노(morpholino), 글리콜 핵산(GNA), 트레오스 핵산(TNA) 또는 메틸화된 DNA와 같은 DNA 유사체로 암호화될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유전자 정보가 DNA로 암호화된다. 상기 벡터는 예를 들어, 선형 벡터, 환형 벡터, 바이러스성 벡터 또는 세균성 벡터와 같이 당해 분야에 알려져 있는 임의의 벡터일 수 있다. 바람직하게는, 상기 벡터가 선형 DNA 또는 환형 DNA, 더욱 바람직하게는 환형 DNA, 특히 플라스미드를 포함한다. 상기 벡터는 당해 분야에 알려져 있는 방법에 의해 세포중으로 삽입될 수 있으며, 형질감염제(들) (예, 리튬 아세테이트, 폴리에틸렌 이민(PEI), 퓨젠(fugene), LT-1, JetPEI, 트랜스펙타민, 리포펙타민, UptiFectin, PromoFectin, GenePORTER, Hilymax, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브 세포-침투 펩티드(CPPs), 단백질 형질도입 도메인(PTDs), 리포좀, DEAE-덱스트란, 덴드리머), 전기자극법(electrophoration), 또는 유전자총, 광학적 형질감염법, 유전자 전기전달법, 임페일펙션(impalefection), 마그네토펙션(magnetofection) 및/또는 자석-보조형 형질감염법과 함께 또는 이들 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 벡터가 환형 DNA 벡터이고, 더욱 바람직하게는, 상기 벡터가 플라스미드이다. 상기 플라스미드는 예를 들어, YEpH2 또는 pUC19 플라스미드와 같이, 당해 분야에 알려져 있는 임의의 플라스미드일 수 있다. 상기 벡터는 또한 표적 세포의 게놈에 통합될 수 있거나 되지 않을 수 있는 선형 발현 카세트일 수 있다. 그러나, 이들 이외의 다른 모든 벡터가 또한 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.The term "vector" as used in the present invention may refer to any composition that transfers genetic information to yeast cells. The genetic information is as deoxyribonucleic acid (DNA), double-stranded DNA (dsDNA), single-stranded DNA (ssDNA), ribonucleic acid (RNA) (single-ray RNA (ssRNA), double-stranded RNA (dsRNA)), or For example, it may be encoded with a DNA analog such as peptide nucleic acid (PNA), morpholino, glycol nucleic acid (GNA), threose nucleic acid (TNA) or methylated DNA. Preferably, the genetic information is encoded in DNA. The vector can be any vector known in the art, such as, for example, a linear vector, a cyclic vector, a viral vector or a bacterial vector. Preferably, the vector comprises linear DNA or cyclic DNA, more preferably cyclic DNA, in particular plasmid. The vector may be inserted into cells by methods known in the art and may be transfectant (s) (e.g., lithium acetate, polyethylene imine (PEI), fugene, LT-1, JetPEI, transfectamine , Lipofectamine, UptiFectin, PromoFectin, GenePORTER, Hilymax, carbon nanofibers, carbon nanotube cell-penetrating peptides (CPPs), protein transduction domains (PTDs), liposomes, DEAE-dextran, dendrimers, electrophoresis ), Or with or without gene gun, optical transfection, gene electrotransmission, impalefection, magnetofection and / or magnet-assisted transfection. Preferably, the vector is a cyclic DNA vector, more preferably the vector is a plasmid. The plasmid can be any plasmid known in the art, such as, for example, a YEpH2 or pUC19 plasmid. The vector may also be a linear expression cassette, which may or may not be integrated into the genome of the target cell. However, it can be understood that all other vectors besides these may also be used.
상기 용어 "유전자 삽입"은 효모 세포중으로 유전자를 내포시키는 임의의 수단을 언급한다. 상기 유전자는 예를 들어, DNA (이중사 DNA(dsDNA), 단일사 DNA(ssDNA)), RNA (단일사 RNA(ssRNA), 이중사 RNA(dsRNA)), 또는 예를 들어, 펩티드 핵산(PNA), 모르폴리노(morpholino), 글리콜 핵산(GNA), 트레오스 핵산(TNA) 또는 메틸화된 DNA와 같은 DNA 유사체, 또는 이들의 하이브리드와 같은 유전자 정보의 임의의 담체상에 암호화될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유전자가 DNA 상에, 더욱 바람직하게는 이중사 DNA, 특히 환형 이중사 DNA 스트랜드, 특히 플라스미드 상에 암호화된다. 상기 플라스미드는 당해 분야에 알려져 있는 임의의 플라스미드일 수 있다.The term "gene insertion" refers to any means of incorporating a gene into yeast cells. The gene can be, for example, DNA (double-stranded DNA (dsDNA), single-stranded DNA (ssDNA)), RNA (single-threaded RNA (ssRNA), double-stranded RNA (dsRNA)), or, for example, peptide nucleic acid (PNA). ), DNA analogs such as morpholino, glycol nucleic acids (GNA), threose nucleic acids (TNA) or methylated DNA, or hybrids thereof, or any carrier of genetic information. Preferably, the gene is encoded on DNA, more preferably on duplex DNA, in particular cyclic duplex DNA strands, in particular on plasmids. The plasmid can be any plasmid known in the art.
상기 유전자 정보가 벡터로서 세포중으로 삽입될 수 있다. 상기 상세하게 기재한 바와 같이, 상기 벡터는 예를 들어, 선형 벡터, 환형 벡터, 바이러스성 벡터 또는 세균성 벡터와 같이 당해 분야에 알려져 있는 임의의 벡터일 수 있다. 바람직하게는, 상기 벡터가 선형 DNA 또는 환형 DNA, 더욱 바람직하게는 환형 DNA, 특히 플라스미드를 포함한다. 상기 벡터는 당해 분야에 알려져 있는 방법에 의해 세포중으로 삽입될 수 있으며, 형질감염제(들), 퓨젠(fugene), LT-1, JetPEI, 트랜스펙타민, 리포펙타민, UptiFectin, PromoFectin, GenePORTER, Hilymax, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브 세포-침투 펩티드(CPPs), 단백질 형질도입도메인(PTDs), 리포좀, DEAE-덱스트란, 덴드리머), 전기자극법(electrophoration), 또는 유전자총, 광학적 형질 감염법, 유전자 전기전달법, 임페일펙션(impalefection), 마그네토펙션(magnetofection) 및/또는 자석-보조형 형질감염법과 함께 또는 이들 없이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 벡터가 환형 DNA 벡터이고, 더욱 바람직하게는, 상기 벡터가 플라스미드이고, 당해 분야에 알려져 있는 임의의 플라스미드일 수 있다. 그러나, 이와 다른 모든 벡터가 또한 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.The genetic information can be inserted into the cell as a vector. As described in detail above, the vector may be any vector known in the art, such as, for example, a linear vector, a cyclic vector, a viral vector or a bacterial vector. Preferably, the vector comprises linear DNA or cyclic DNA, more preferably cyclic DNA, in particular plasmid. The vector can be inserted into the cells by methods known in the art and may be transfectant (s), fugene, LT-1, JetPEI, transfectamine, lipofectamine, UptiFectin, PromoFectin, GenePORTER, Hilymax, carbon nanofibers, carbon nanotube cell-penetrating peptides (CPPs), protein transduction domains (PTDs), liposomes, DEAE-dextran, dendrimers), electrophoration, or gene guns, optical transfection, It may be used with or without gene electrophoresis, impalefection, magnetofection and / or magnet-assisted transfection. Preferably, the vector is a cyclic DNA vector, more preferably the vector is a plasmid and may be any plasmid known in the art. However, it can be understood that all other vectors can also be used.
상기 삽입된 유전자는 상기 세포에서 활성적이거나 수동적일 수 있다. 바람직하게는, 상기 삽입된 유전자가 세포에서 활성적으로 전사되어 발현된다. 상기 유전자는 활성적으로 전사되어 핵외 플라스미드로서, 핵내 플라스미드로서, 핵외 선형 벡터로서, 핵내 선형 벡터로서 발현될 수 있거나, 효모 세포의 게놈중으로 삽입될 수 있다.The inserted gene may be active or passive in the cell. Preferably, the inserted gene is actively transcribed and expressed in the cell. The gene can be actively transcribed and expressed as an extranuclear plasmid, as an intranuclear plasmid, as an extranuclear linear vector, as an intranuclear linear vector, or inserted into the genome of a yeast cell.
본 발명에 따른 겨울우산 버섯 유래의 테르펜 합성 효소인 pobTPS 의 유전자를 제공하여, 야생형 균주보다 활성 능력이 우수한 테르펜 합성 효소를 제공할 수 있다. By providing a gene of pobTPS which is a terpene synthetase derived from a winter umbrella mushroom according to the present invention, it is possible to provide a terpene synthetase having better activity than a wild type strain.
도 1은 Terpene synthase에 의한 eudesmol 생성 모식도(FPP, farnesyl pyrophosphate)를 나타낸 것이다.
도 2는 메발로네이트 경로를 나타낸 것이다.
도 3은 S. pombe로의 형질전환용 pSLF vector map을 나타낸 것이다.
도 4는 pCR2.1-TOPO vector 클로닝 및 확인을 나타낸 것이다.
도 5는 pSLF 273 vector (S. pombe expression용) 클로닝 및 확인을 나타낸 것이다.
도 6은 pobTPS 유전자가 도입된 pSLF273-pobTPS의 개열지도를 나타낸 것이다.
도 7은 RACE PCR 수행을 통한 젤 전기영동 사진(a. GSPs PCR: 5’-1300bp, 3’-800bp, b. Nested GSPs PCR: 5’-1,000bp, 3’-600 bp, c. ladder)을 나타낸 것이다.
도 8은 pobTPS 아미노산 서열을 비교한 것으로, 상동성이 높은 유전자(Gene bank accession number XP_007269573: Fomitiporia mefiterranea; Gene bank accession number KZT23360: Neopentinus lepideus; Gene bank accession number XP_007868748: Gloeophyllum trabeum)를 나타낸 것이다.
도 9는 고체 YE배지에서의 야생형 균주 및 형질전환체의 생장 패턴을 나타낸 것이다.
도 10은 WT과 WT+TPS의 유전자 resequencing 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 말라카이트 그림 assay를 나타낸 것이다.
도 12는 말라카이트를 이용한 효소활성 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 메발론산 경로에 존재하는 8개의 유전자의 각 유전자 별 돌연변이 균주에 pobTPS 삽입 후 유전자 발현량 패턴 분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic diagram of eudesmol production (FPP, farnesyl pyrophosphate) by Terpene synthase.
2 shows the mevalonate pathway.
Figure 3 shows the pSLF vector map for transformation into S. pombe .
4 shows the cloning and confirmation of pCR2.1-TOPO vector.
5 shows the cloning and confirmation of the pSLF 273 vector (for S. pombe expression).
Fig. 6 shows a cleavage map of pSLF273-pobTPS into which the pobTPS gene was introduced.
Figure 7 is a gel electrophoresis picture by performing the RACE PCR (a. GSPs PCR: 5'-1300bp, 3'-800bp, b. Nested GSPs PCR: 5'-1,000bp, 3'-600 bp, c. Ladder) It is shown.
FIG. 8 is a comparison of pobTPS amino acid sequences and shows high homology genes (Gene bank accession number XP_007269573: Fomitiporia mefiterranea; Gene bank accession number KZT23360: Neopentinus lepideus; Gene bank accession number XP_007868748: Gloeophyllum trabeum).
Figure 9 shows the growth pattern of wild-type strains and transformants in solid YE medium.
Figure 10 shows the gene resequencing results of WT and WT + TPS.
Figure 11 shows malachite assay.
Figure 12 shows the results of the enzyme activity test using malachite.
Figure 13 shows the results of the gene expression pattern analysis after insertion of pobTPS in the mutant strain for each gene of the eight genes present in the mevalonic acid pathway.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are only illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.
<실시예 1> <Example 1> pobTPSpobTPS 유전자의 서열 확인 Sequence identification of genes
1-1. RNA 추출 및 유전자 확보 1-1. RNA extraction and gene acquisition
겨울우산버섯은 국립산림과학원에 의해 분리된 균주로 Korean Collection for Type culture에 기탁(KCTC46459) 되어 있는 공시균주를 사용하였다. Potato dextrose agar 배지에 배양되어 있는 균사체로부터 total RNA를 분리하였다. RNA 분리는 Gene all kit (Korea)를 이용하여 추출하였다. cDNA 합성. PCR 반응 조건은 94℃에서 5분간 예비 변성한 다음 94℃에서 1분간 변성, 55℃에서 1분간 풀림, 72℃에서 1분간 신장하는 과정을 35 사이클 반복하고 마지막으로 72℃에서 10분간 신장시켰다. PCR 반응에 특이적 프라이머를 사용하였으며 사용된 forward는 (5’-TGTACTATGCTCACTTCCACC-3’) 프라이머(서열번호 3) 및 reverse 프라이머(서열번호 4)는 (5’-CTCATCCCACGGTTACAG-3’)이다. PCR 산물은 1% agarose gel에서 전기 영동 (gel electrophoresis)하여 확인하였으며 gel elution kit(bioneer)를 이용하여 최종 PCR 산물을 분리하였으며 Nanodrop(USA) 으로 최종 농도를 측정하였다. Winter Umbrella was a strain isolated by the National Forest Research Institute. The test strain was deposited in Korean Collection for Type culture (KCTC46459). Total RNA was isolated from mycelium cultured in Potato dextrose agar medium. RNA isolation was extracted using Gene all kit (Korea). cDNA synthesis. PCR reaction conditions were premodified at 94 ° C. for 5 minutes, then denatured at 94 ° C. for 1 minute, unrolled at 55 ° C. for 1 minute, and extended at 72 ° C. for 1 minute, and finally extended at 72 ° C. for 10 minutes. Specific primers were used for the PCR reaction and the forward used (5'-TGTACTATGCTCACTTCCACC-3 ') primer (SEQ ID NO: 3) and reverse primer (SEQ ID NO: 4) were (5'-CTCATCCCACGGTTACAG-3'). PCR products were identified by gel electrophoresis on 1% agarose gel. Final PCR products were separated by gel elution kit (bioneer) and the final concentration was measured by Nanodrop (USA).
1-2. Rapid Amplification of cDNA ends-PCR (RACE-PCR) 1-2. Rapid Amplification of cDNA ends-PCR (RACE-PCR)
RACE-PCR은 cDNA (Clonetech, Mountain View CA, USA)의 염기서열을 부분적으로 알고 있는 경우 기지 영역의 염기서열 정보를 바탕으로 cDNA 말단까지 미지 영역을 cloning하는 PCR 방법이다. Total RNA 1ug을 주형으로 smart RACE cDNA amplification kit(클론테크)를 사용하여 RT 반응을 수행하였고, 이를 통해 5‘과 3’cDNA를 합성하였다. 이전 전사체 NGS 분석을 통해 얻은 유전자 레퍼런스(gene ID:00005412-RA)의 서열을 바탕으로 gene specific primer(pobTPS: 5′-GAT TAC GCC AAG CTT ACC ATT CGC ACC ATC GAC AGC TAC C-3′(서열번호 5; forward), 5‘-GAT TAC GCC AAG CTT GCT CAT CCC ACG GTT ACA GGG CTC-3’(서열번호 6; reverse) nested gene specific primer (5′-CAT TAC GCC AAG CTT AAC AAG GAA CAA GCA ACG GGA GAC G-3’(서열번호 7; forward), 5‘-GAT TAC GCC AAG CTT GAG GAA CCG CAT CTC GCC TTC TTT G-3’(서열번호 8; reverse)를 제작하여 PCR을 수행함으로써 양 말단의 미지 부분을 증폭하였다. RACE-PCR is a PCR method that cloning the unknown region to the cDNA terminal based on the nucleotide sequence information of the known region when the nucleotide sequence of cDNA (Clonetech, Mountain View CA, USA) is partially known. RT reaction was carried out using smart RACE cDNA amplification kit (Clontech) as a template of total RNA, and 5 ′ and 3′cDNA were synthesized through this. Gene specific primer (pobTPS: 5′-GAT TAC GCC AAG CTT ACC ATT CGC ACC ATC GAC AGC TAC C-3 ′ () based on the sequence of the gene reference (gene ID: 00005412-RA) obtained from previous transcript NGS analysis. SEQ ID NO: 5; forward), 5'-GAT TAC GCC AAG CTT GCT CAT CCC ACG GTT ACA GGG CTC-3 '(SEQ ID NO: 6; reverse) nested gene specific primer (5'-CAT TAC GCC AAG CTT AAC AAG GAA CAA GCA ACG GGA GAC G-3 '(SEQ ID NO: 7; forward), 5'-GAT TAC GCC AAG CTT GAG GAA CCG CAT CTC GCC TTC TTT G-3' (SEQ ID NO: 8) Unknown portions at both ends were amplified.
<실시예 2> 형질전환체 (transgenics) 제작Example 2 Preparation of Transgenics
2-1. 사용 균주 및 plasmid2-1. Used strain and plasmid
pobTPS 발현을 위한 효모 숙주 세포로는 mevalonate pathway 내 8개 유전자 결손 변이주 및 uracil 영양 요구성 변이주인 쉬조사카로마이세스 폼베(Shizosaccharomyces pombe) (ura4-D18, diploid, bioneer)를 사용하였다(표 1). S. pombe의 원활한 생장을 위해 yeast extract broth medium에 아미노산인 아데닌(adenine), 우리실(uracil), 루이신(leucine)을 각각 0.3g/L씩 첨가해주었다.As a yeast host cell for pobTPS expression, Shizosaccharomyces pombe (ura4-D18, diploid, bioneer), which is an 8 gene deletion strain and a uracil nutritional requirement strain in the mevalonate pathway, were used (Table 1). . For smooth growth of S. pombe , 0.3g / L of adenine, uracil, and leucine were added to yeast extract broth medium.
효모로의 형질전환을 위한 pobTPS 유전자 공여 plasmid는 promotor nmt1(no message in thiamine 1) 영역이 존재하는 pSLF vector(ATCC, USA)를 사용하였다 (도 3). pSLF vector는 S. pombe의 expression vector로 자주 사용되는 plasmid이다. pSLF 273 vector와 insert(pobTPS)를 각각 pCR2.1-TOPO vector(ThermoFisher, USA)로 sub-cloning하여 구축하였다(도 4). sub-cloning 용 균주로는 대장균 Escherichia coli (DH-5a) 균주를 이용하였고 대장균의 배양을 위해서 일반적으로 사용되는 Luria-Bertani(LB: 0.5% 효모 추출물, 1% bacto-tryton, 1% 염화나트륨) 액체 배지를 사용하였고, selective marker로는 엠피실린(ampicillin)을 100 ug/ml를 첨가하여 배양하였다.The pobTPS gene donor plasmid for transformation into yeast was used pSLF vector (ATCC, USA) in which the promotor nmt1 (no message in thiamine 1) region exists (FIG. 3). pSLF vector is a plasmid that is frequently used as an expression vector of S. pombe . pSLF 273 vector and insert ( pobTPS ) were constructed by sub-cloning with pCR2.1-TOPO vector (ThermoFisher, USA), respectively (FIG. 4). As a sub-cloning strain, E. coli Escherichia coli (DH-5a) strain was used, and Luria-Bertani (LB: 0.5% yeast extract, 1% bacto-tryton, 1% sodium chloride) liquid commonly used for the culture of E. coli. Medium was used and 100 μg / ml of ampicillin was added as a selective marker.
2-2.2-2. Sub-cloning 및 clone 확보Sub-cloning and clone acquisition
competent cell E.coli DH5a(MacCellTM-DH5a 109,iNtRON Biotechnology, Inc.)에 target 유전자가 삽입된 vector를 형질전환 시켰다. Competent cell 50 ul에 target 유전자와 ligation 시킨 vector를 5 ul 섞어서 15분간 얼음에서 정체 시킨 후 42℃에서 90초간 heat shock을 주었다. 그리고 곧바로 얼음으로 옮겨서 5분간 정치시킨 후 LB broth 450 ul를 넣고 37℃에서 1시간 동안 regeneration을 위해 incubation하였다. 1시간 후 ampicillin(50 ug/ml)과 X-Gal(40 ug/ml)이 포함된 LB agar plate에 100 ul 씩 도말하였다. 도말된 plate를 37℃에서 하루 동안 배양하였다. plasmid extraction kit (bioneer)를 이용하여 plasmid만을 추출한 후 enzyme cutting 확인을 통해 각각의 clone을 확보하였다. 이 후, pSLF vector와 insert(pobTPS)를 제한효소인 Not1과 BamH1으로 36℃에서 90분 동안 digesion 반응을 하였다. 두 효소 모두 blunt end 특성을 지녔기 때문에 ligation kit(DNA ligation kit long, takara 6024)를 이용해 16℃에서 over night 반응을 실시하여 circle 형태로 제작하였다. Ligation이 잘 되었는지 확인하기 위해 동일한 enzyme(Not1, bamH1)으로 잘라 target band(pSLF 273 vector: 8.5 kb, pobTPS insert: 1.2 kb) 부분 및 PCR을 통해 terpene synthase의 sequence를 확인하여 최종적으로 ligation product인 pSLF273-pobTPS 클론(9.7 kb)을 확보하였다(도 6).A vector containing a target gene was transformed into competent cell E. coli DH5a (MacCell TM -
2-3. 효모로의 형질전환 2-3. Transformation with Yeast
구축된 재조합 클론(pSLF273-TPS)은 화학적 방법(chemical methods)으로 효모 쉬조사카로마이세스 폼베(Shizosaccharomyces pombe)의 야생형 균주(wild type, bioneer)와 메발론산 경로 내 8개의 유전자가 각각 결손된 돌연변이(mutant 1-8)(표 1 참조) 균주에 형질전환 하였다(표 2).The constructed recombinant clone (pSLF273-TPS) is a mutant in which each of the eight genes in the wild type (bioneer) and mevalonic acid pathways of the yeast Shizosaccharomyces pombe is deleted by chemical methods. (mutant 1-8) (see Table 1) strains were transformed (Table 2).
in host(결손 유전자)Deletion gene
in host
TPS 유전자 형질전환체의 선발마커(selective marker)로는 영양요구성 마커 uracil를 사용하였다. chemical transformation 방법은 다음과 같다. 먼저 S. pombe는 Yeast extract(YE) medium에서 colony를 배양시켜 적정 농도 1×109 cell/ml로 맞춘 뒤 LiAc-TE buffer에 harvest 시켰다. 이후 확보한 클론 pSLF273-TPS 5ul와 함께 상온에서 5분 반응시킨 후 260 ul의 40% LiAc-TE buffer를 첨가하여 30도에서 60분 반응하였다. 43 ul의 DMSO를 첨가 한 후 42도에서 5분 동안 열적 충격(heat shock)을 가한 뒤 최종적으로 선별배지에 spreading 하여 4~6일 후 형질 전환체를 확보하였다. 효모 S. pombe 형질 전환체의 선별을 위한 배지로는 uracil 결핍 배지인 EMM (Edinburgh Minimal Media)+L(leucine)를 사용하였다(표 3).As a selective marker of the TPS gene transformant, a trophic marker uracil was used. Chemical transformation method is as follows. First, S. pombe was incubated in yeast extract (YE) medium, colonized to an appropriate concentration of 1 × 10 9 cells / ml, and harvested in LiAc-TE buffer. After the reaction for 5 minutes at room temperature with the cloned pSLF273-TPS 5ul secured by the addition of 260ul of 40% LiAc-TE buffer for 60 minutes at 30 degrees. After adding 43 ul of DMSO, heat shock was applied at 42 ° C. for 5 minutes, and finally spreading to selective medium to secure transformants after 4-6 days. EMM (Edinburgh Minimal Media) + L (leucine), a uracil deficient medium, was used as a medium for selection of yeast S. pombe transformants (Table 3).
<실험예 1> Experimental Example 1 pobTPS pobTPS 유전자의 complementaion 확인 Complementaion confirmation of genes
1-1. genomic DNA 추출 1-1. genomic DNA extraction
액체 질소를 이용해 WT과 형질전환체로부터 genomic DNA를 추출하였다. 약 20 ml의 sub-culture을 원심분리하여 cell만 따로 분리하였다. 분리된 cell은 곧바로 비즈와 DNA extraction buffer(1M Tris-HCL pH 8.0, 5M NaCl, 0.5M EDTA pH 8.0, 20% SDS)를 300 ㎕ 첨가하여 세포를 lysis시켰다. 원심분리기를 이용하여 15분간 세포를 침전시킨 후 상층액 250㎕를 새로운 ep-tube에 옮긴 후, phenol-chloroform-isoamyl alcohol (25:24:1) (Bioneer사) 250 ㎕ 를 넣고 잘 섞은 후 원심분리기를 이용하여 protein과 분리시켰다. 상층액을 또 다시 새로운 tube에 옮기고 95% 에탄올 500 ㎕ 를 첨가하여 DNA를 침전시켰다. 70% 에탄올로 2번 세척을 한 후 에탄올을 완전히 증발시킨 후 RNase 10 ug/ml이 포함된 멸균된 증류수로 pellet으로 침전된 DNA를 녹였다. Genomic DNA was extracted from WT and transformants using liquid nitrogen. About 20 ml of sub-culture was centrifuged to separate only the cells. The isolated cell was immediately lysed with 300 μl of beads and DNA extraction buffer (1M Tris-HCL pH 8.0, 5M NaCl, 0.5M EDTA pH 8.0, 20% SDS). Precipitate the cells for 15 minutes using a centrifuge,
1-2. Illumina paired-end library construction and sequencing1-2. Illumina paired-end library construction and sequencing
효모로부터 genomic DNA를 추출한 후 Agilent Technologies 2100 Bioanalyzer를 이용하여 RNA QC(quality check)를 진행하였다. Hiseq2000을 이용하여 목재부후균 2종으로부터 추출한 Total RNA에 대한 quality를 확인하였다. 선별된 Total RNA로부터 Bacterial Alkaline Phosphatase(BAP) 및 Tobbaco Acid Pyrophosphatase(TAP) 반응에 의해 total RNA 중의 intact mRNA의 5’말단에만 phosphate가 존재하게 한 후 oligo dT column을 사용하여 total RNA에서 mRNA를 분리하였다. 분리한 mRNA를 Covaris(Adaptive Focused Acoustics™(AFA) technology를 통해 단편화시킨 후 random primer를 이용한 PCR based Oligocapping법을 통해 고효율의 목재부후균 2종의 cDNA 라이브러리를 각각 제조하였다. 제조된 cDNA 중 약 300~400bp에 해당하는 단편만을 선별하여 PCR amplification에 의해 적절한 농도로 증폭시키고 이를 Agilent Bioanalyzer을 통해 확인하였다. 각각의 sample로부터 Sickle(vl.33)을 이용하여 sequence redad를 필터하여 high quality read를 추출하였다. 확보된 read는 EquCab2.0 using BWA ver. 0.7.12 프로그램을 이용하여 S. pombe genome에 mapping 하였다. mapping 후에 GATK(ver. 2.3-9) 프로그램으로 realignment를 수행한 후 SnpEff(v.4.1)을 이용하여 변이된 annotation 결과를 확인하였다. After extracting genomic DNA from yeast, RNA quality check was performed using Agilent Technologies 2100 Bioanalyzer. The quality of Total RNA extracted from two species of wood fungi was confirmed using Hiseq2000. From the selected total RNA, phosphate was present only at the 5 'end of intact mRNA in total RNA by Bacterial Alkaline Phosphatase (BAP) and Tobbaco Acid Pyrophosphatase (TAP) reaction, and then mRNA was separated from total RNA using oligo dT column. . The isolated mRNA was fragmented through Covaris (Adaptive Focused Acoustics ™ (AFA) technology), and two cDNA libraries of high-efficiency wood fungus were prepared by PCR based oligocapping using random primers. Only fragments corresponding to ˜400 bp were selected and amplified to the appropriate concentration by PCR amplification, and confirmed by Agilent Bioanalyzer, and high quality reads were extracted from each sample by filtering the sequence redad using Sickle (vl.33). The acquired reads were mapped to S. pombe genome using EquCab2.0 using BWA ver.0.7.12 program, and after realignment with GATK (ver. 2.3-9) program after mapping, SnpEff (v.4.1) The modified annotation result was confirmed using.
pobTPS의 경우 P. brumalis의 대량 유전체 분석(NGS)을 통해 확인된 유전자로 de novo sequencing을 통해 예측되었기 때문에 ORF(open reading frame)를 포함하는 정확한 유전자 서열 정보가 필요하였다. RACE PCR을 위해 Gene specific primer와 nested gene specific primer를 이용하여 PCR을 수행하여(도 7), ORF 영역을 포함하는 pobTPS 유전자의 전체 서열 정보 및 ORF 영역을 포함하는 pobTPS protein의 전체 서열 정보 각각의 sequence를 확보하였고 유전자를 alinement(web program: Clustal Omega)를 수행한 결과 약 1.2 kb의 전체 시퀀스 서열정보를 확보하였다. Since pobTPS was identified through de novo sequencing as a gene identified through mass genome analysis (NGS) of P. brumalis , accurate gene sequence information including an open reading frame (ORF) was needed. PCR was performed using a gene specific primer and a nested gene specific primer for RACE PCR (FIG. 7), and the sequence information of the entire sequence information of the pobTPS protein including the ORF region and the entire sequence information of the pobTPS protein including the ORF region. As a result of performing alinement (web program: Clustal Omega) on the gene, total sequence sequence information of about 1.2 kb was obtained.
또한 분리한 terpene synthase 유전자 정보를 이용해 ORF finder라는 프로그램을 이용하여 ORF 길이를 예측한 결과 1,185 bp, 394 amino acid, MW과 PI 값은 각각 45.74 kDa, 5.07로 확인되었다. 확보된 pobTPS 유전자 서열 정보(서열번호 1) 및 pobTPS protein의 전체 서열 정보(서열번호 2)를 NCBI (미국 국립 생물정보센터)의 gene bank library에 등록 (accession number: KY063082)한 상태이다. In addition, the ORF length was estimated by using the ORF finder program using the isolated terpene synthase gene information. The 1,185 bp, 394 amino acid, MW and PI values were 45.74 kDa and 5.07, respectively. The pobTPS gene sequence information (SEQ ID NO: 1) and the complete sequence information of the pobTPS protein (SEQ ID NO: 2) are registered in the gene bank library of the NCBI (National Institute of Biological Information) (accession number: KY063082).
확보된 유전자 정보를 blast searching한 결과 이종 버섯인 Fomitiporia mefiterranea, Neopentinus lepideus, Gloeophyllum trabeum과 60~70%의 유전자 서열 상동성(gene similarity)을 나타냈다(도 8). 이는 앞서 기술한 바와 같이 TPS 유전자의 빠른 변이로 인해 유전자 상동성이 낮게 나타난 것이라고 보여지며 유전체 분석 결과가 상대적으로 적은 버섯이기 때문이라 예상된다. 기존에 밝혀진 TPS 유전자의 경우 미생물 이외에 식물(plant), 동물(animal), 사람(human) 유래 유전자에서 공통적으로 conserved domain이 존재하는데 2개의 특징적인 motif, DDXXD와 NSE 영역인 aspartate-rich region이 존재한다. pobTPS 유전자의 경우 conserved domain 확인 한 결과 DDXXD motif에는 DEYTD region이 확인되었고 NSE motif는 NDIASYNKE region이 확인되었다. pobTPS의 경우 첫 번째 motif가 DDXXD가 아닌 DEXXD의 아미노산 서열을 가지고 있는데 또 다른 버섯종인 Armillaria gallica 종도 TPS region에 DEXXD motif가 존재한다고 보고된바 있으며 이 버섯종은 세스튀테르펜 구조의 일종인 protoilludene 물질을 합성한다. 또한 이 motif는 마그네슘 이온에 의해 활성화되는 특징을 지니고 있다고 알려져 있다. 따라서 마그네슘을 포함하는 배양액에서 pobTPS enzyme의 의해 활성화되고 세스퀴테르펜 생합성에 연관성이 있을 것으로 사료된다. As a result of blast searching for the obtained genetic information, gene similarity of 60-70% was shown with the heterologous mushrooms Fomitiporia mefiterranea, Neopentinus lepideus, and Gloeophyllum trabeum (FIG. 8). As described above, it seems that the gene homology is low due to the rapid mutation of the TPS gene, and it is expected that the result of the genome analysis is a relatively small mushroom. In the case of the previously known TPS gene, conserved domains are common in plant, animal, and human-derived genes other than microorganisms, and there are two characteristic motifs, DDXXD and NSE regions, aspartate-rich regions. do. For the pobTPS gene, the conserved domain confirmed that the DEYTD region was identified in the DDXXD motif, and the NDIASYNKE region was identified in the NSE motif. In the case of pobTPS , the first motif has an amino acid sequence of DEXXD rather than DDXXD. Another mushroom species, Armillaria gallica, has also been reported to have a DEXXD motif in the TPS region. Synthesize It is also known that this motif is characterized by being activated by magnesium ions. Therefore, the pobTPS enzyme is activated in the culture medium containing magnesium and may be related to sesquiterpene biosynthesis.
<실험예 2> 형질전환체 선별 및 확인Experimental Example 2 Transformant Selection and Confirmation
실시예 2-2에서 확보된 pSLF273-pobTPS 벡터를 Uracil 영양 요구성 변이주(S. pombe)에 도입한 형질전환체들의 고체 YE 배지에서 생장 패턴을 확인하여 형질전환체(transgenics)를 선별하였다. Transgenics were selected by confirming the growth pattern in the solid YE medium of the transformants in which the pSLF273-pobTPS vector obtained in Example 2-2 was introduced into the Uracil nutritionally demanding mutant strain (S. pombe).
S. pobme 균주 특성 상 아미노산 부재 고체 배지인 yeast extract medium에서 pink colony의 형태를 보인다. 반면 형질 전환체의 경우 영양 요구성 인자가 존재하기 때문에 white colony를 나타낸다. 형질전환체 selection을 위해 uracil이 결핍되고 아미노산 leucine이 포함되어 있는 EMM+Leucine medium을 만들어 사용하였다. 결과적으로 uracil 결핍 배지로부터 39개의 colony가 확인되었다(도 9). S. pobme strain shows pink colony in yeast extract medium, which is a solid medium without amino acids. On the other hand, the transformants show white colony because of the presence of nutritional requirements. For transformant selection, EMM + Leucine medium containing uracil deficient and amino acid leucine was used. As a result, 39 colonies were identified from the uracil deficient medium (FIG. 9).
pobTPS의 효모로의 transformation 의 확인을 위한 WT과 WT+pobTPS sample의 gDNA의 re-sequencing을 수행하였다. Re-sequencing은 Illumina Hiseq을 이용하여 수행하였다. 결과적으로 pobTPS 유전자를 cover하는 sample은 WT+pobTPS임을 확인할 수 있었다. Coverage rate는 pobTPS 유전자 서열과의 상동성을 나타내고 있다. WT의 경우 상동성이 0%인 경우 WT+TPS의 경우에는 100% coverage를 나타낸 결과 pobFPS유전자의 over expression 과 pobTPS 유전자가 S. pombe에 complementaion 되었다는 사실을 보여주고 있다. 또한, reverse-transcription PCR을 통해 확인할 수 있었다. 효모 형질전환체로부터 total RNA를 추출하여 TPS의 발현을 확인한 결과 WT에서는 발현이 확인되지 않았지만 WT+TPS sample에서는 발현 세기가 측정되었다(도 10).Re-sequencing of gDNA of WT and WT + pobTPS samples was performed to confirm the transformation of pobTPS into yeast. Re-sequencing was performed using Illumina Hiseq. As a result, it was confirmed that the sample covering the pobTPS gene was WT + pobTPS. Coverage rate shows homology with pobTPS gene sequence. In case of WT homology, 0%, WT + TPS showed 100% coverage, indicating that the overexpression of the pobFPS gene and the pobTPS gene were complementaioned to S. pombe . In addition, it could be confirmed by reverse-transcription PCR. Total RNA was extracted from the yeast transformants to confirm the expression of TPS, but expression was not confirmed in WT, but expression intensity was measured in the WT + TPS sample (FIG. 10).
<실험예 3> 형질전환체 특성 평가Experimental Example 3 Transformant Characteristic Evaluation
3-1. 효소 활성 (enzyme activity) 테스트3-1. Enzyme activity test
삽입한 유전자가 단백질 level에서 실제 발현되는지 확인하기 위해 효소 활성(enzyme activity) 측정을 수행하였다. 효소 활성 테스트는 말라카이트 그린(malachite green) assay(도 11)를 이용하여 수행하였다. 말라카이트 광물은 인산기와 결합하면 청록색으로 변하는 성질을 띠고 있으므로, 이때 탈리는 인산기와 malachite가 반응하면 노란색의 반응액이 청록색으로 변화하는 결과를 나타낸다. 따라서, TPS에 의해 전구체로부터 탈리되는 인산기(pyrophosphate)과 결합 시 연노란색에서 청색으로 변화는 정도를 측정하는 실험이다. Enzyme activity was measured to confirm that the inserted gene is actually expressed at the protein level. Enzyme activity test was performed using a malachite green assay (FIG. 11). Malachite minerals have a property of changing to blue green color when combined with phosphate groups. At this time, yellowing results in the yellow reaction solution changing to blue green color when the phosphate group and malachite react. Therefore, it is an experiment to measure the degree of change from light yellow to blue when combined with phosphate (pyrophosphate) released from the precursor by TPS.
실험 방법으로는 genomic DNA 추출시료와 마찬가지로 20 ml sub-culture로부터 cell을 확보한다. 확보된 cell과 protein extraction buffer와 비즈를 섞어 약 5분 동안 상온과 4℃를 번갈아 가며 vortaxing 한다. 이후 원심분리를 통해 분리된 상층액만을 분리하여 bradford 용액으로 단백질량을 정량하였다. 추출된 단백질 80 ul 은 즉시 말라카이트 용액 10 ul와 기질인 0.1M FPP와 섞어 상온에서 30분 동안 반응하였다. 이후 600 nm에서 흡광도를 측정하여 색 변화량을 측정하였다. As an experimental method, cells are obtained from 20 ml sub-culture as in genomic DNA extraction samples. Mix the obtained cell, protein extraction buffer, and beads and vortax the solution at room temperature and 4 ℃ for 5 minutes. Thereafter, only the supernatant separated through centrifugation was separated and the amount of protein was quantified by bradford solution. 80 ul of the extracted protein was immediately mixed with 10 ul of malachite solution and 0.1 M FPP as a substrate and reacted at room temperature for 30 minutes. Since the absorbance at 600 nm was measured by measuring the amount of color change.
실험결과, pobTPS를 형질전환 시킨 균주에서 흡광도 변화량과 변화 속도가 증가하는 경향을 나타내었고 정량적 수치로 나타냈을 때 반응에 의해 생성되는 free pyrophosphate 량이 약 3배 증가하였다(도 12). As a result, the change in absorbance and the rate of change were increased in the strain transformed with pobTPS , and the amount of free pyrophosphate produced by the reaction was increased by about 3 times when quantitatively indicated (FIG. 12).
3-2. 형질전환체의 대사산물 분석 (metabolites analysis) 3-2. Metabolite analysis of transformants
인산기(farnesyl pyrophosphate) 탈리 반응을 통해 어떠한 반응산물이 생산되는지에 대한 대사산물 분석이 함께 이뤄져야 하므로, 야생형 균주에 pobTPS 형질전환 균주 두 균주를 이용하여 각각의 균주로부터 생성되는 대사산물을 분석하였다. Since the metabolite analysis of which reaction product is produced through the phosphate (farnesyl pyrophosphate) desorption reaction should be performed together, the metabolites generated from each strain were analyzed using two strains of the pobTPS transformed strain in the wild type strain.
우선 20ml seed culture에서 배양한 배양액을 100ml sub-culture로 옮겨 24 시간 동안 선배양 하였다. 24 시간이 지난 후 세스퀴 테르펜의 전구체인 farnesyl pyrophosphate ammonia salt를 첨가하였다. 이후 28도에서 160 rpm의 조건에서 반응하여 32시간이 지난 후 100 ml의 배양액을 100 ml의 유기용매인 ethyl acetate를 이용하여 3번 반복 추출하였다. 추출한 용액은 evaporator를 이용하여 유기용매를 완전 농축하여 가스크로마토그래피 분석을 수행하였다. GC MS의 분석방법은 다음과 같다. 분석 조건은 injector 260℃, detector 280℃로 하고 검출된 피크의 질량 패턴(mass pattern)은 National Institute of Standards Technology 2005 library에 비교분석 하였다.First, the culture medium in 20ml seed culture was transferred to 100ml sub-culture and precultured for 24 hours. After 24 hours, farnesyl pyrophosphate ammonia salt, a precursor of sesqui terpene, was added. Thereafter, after reacting at 160 rpm at 28 ° C., after 32 hours, 100 ml of the culture solution was extracted three times using 100 ml of organic solvent, ethyl acetate. The extracted solution was subjected to gas chromatography analysis by completely concentrating the organic solvent using an evaporator. The analysis method of GC MS is as follows. The analytical conditions were injector 260 ℃ and detector 280 ℃ and the mass patterns of the detected peaks were compared to the National Institute of Standards Technology 2005 library.
분석에 사용된 sample은 총 3가지로 WT, WT+TPS를 이용하여 분석하였다. 분석은 Culture의 scale up을 통해 확인하였다. 기존의 20 ml culture에서 300 ml culture로 scale up을 실시하였다. 대사산물의 분석은 겨울우산 버섯의 대사산물 분석과 동일한 방법으로 수행하였으며 배양액을 ethyl acetate로 추출하여 GC MS(gas chromatograph-mass spectrometer)로 분석을 수행하였다. A total of three samples were used for analysis using WT and WT + TPS. The analysis was confirmed by scale up of the culture. The scale up was performed from the existing 20 ml culture to 300 ml culture. The metabolite was analyzed in the same way as the metabolite analysis of winter mushrooms. The culture was extracted with ethyl acetate and analyzed by gas chromatograph-mass spectrometer (GC MS).
각각의 대사산물을 24시간을 기준으로 24h, 48h, 72h로 분석한 결과 metabolites들은 72h에 각각 확인되었다. 특히 sample의 종류에 따라 대사산물의 양상이 다르게 나타났는데 가장 의미 있는 대사산물을 나타냈던 sample은 WT+TPS의 72h 째에 detection 된 sample 이었다. 이 sample에서 eudesmane의 backbone을 가지고 있는 5B, 7B, 10a-eudesm-11-en-1α-ol이 검출되었다. 이와 같은 구조는 eudesmol과 같이 측쇄에 alcohol이 결합되어 있는 것이 아니라 1번 위치에 alcohol이 결합되어 있다. 이와 같은 결과를 통해 유추해볼 수 있는 결과로는 FPS의 과발현과 downstream 유전자의 deletion 그리고 TPS의 존재로 인해 본 연구에서 타겟하는 eudesmol 유사 구조가 생성되었을 것으로 예상된다. 따라서 결과적으로 pobTPS 유전자가 테르펜 생성에 직접적인 연관을 하고 있을 것이라는 결과를 확인할 수 있었다. Each metabolite was analyzed at 24h, 48h, 72h for 24 hours and metabolites were identified at 72h, respectively. In particular, the metabolite pattern was different according to the sample type. The sample that showed the most meaningful metabolite was the sample detected at 72h of WT + TPS. In this sample, 5B, 7B and 10a-eudesm-11-en-1α-ol containing eudesmane backbone were detected. In this structure, alcohol is not bonded to the side chain as in eudesmol, but alcohol is bonded at
<실험예 4> UP-stream 유전자와의 상관성 확인 Experimental Example 4 Correlation with UP-stream Gene
본 실험예에서는 8개의 유전자가 결손된 돌연변이 균주를 이용한 pobTPS 유전자와 상위 8개의 유전자와의 연관성을 확인하고자 하였다. 각각의 mutant 에 pobTPS를 전기 충격법(electrophoration) 을 이용하여 형질전환 하였다. 이후 형질전환체는 yeast extract medium 배지에서 배양하였다. 20 ml 배지에서 배양한 후 균사로부터 RNA를 추출하여 TPS 유전자에 타겟하는 reverse transcription PCR을 수행하였다. 결과적으로 enzyme 2(HMG-CoA synthase), 3(isopentenyl-isomerase), 8(farnesyl pyrophosphate synthase) 결손 균주에 삽입한 pobTPS의 발현량이 상대적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 이와 같은 유전자가 결손 되었을 시 TPS의 발현량이 감소한다는 사실을 나타내고 이와 같은 상위 유전자가 TPS 유전자 발현에 가장 영향을 미치는 것으로 예상된다. 특히 HMG-CoA synthase, isopentenyl pyrophosphate isomerase, farnesyl pyrophosphate는 중간 골격 형성에 중요한 역할을 하는 유전자 및 효소로 알려져 있다. 특히 FPS 유전자의 경우 기질인 GPP와 FPP를 생성하는 transferase의 일종으로 알려져 있으며 여러 종류의 구조 생성에 key 역할을 한다. 식물의 경우 FPS가 과발현된 형질전환체에서 항말라리아 활성을 띠는 세스퀴테르펜인 artemisin의 농도를 증가시키는 결과를 나타내었다(도 13). In this experiment, we tried to confirm the association of the pobTPS gene with the top 8 genes using a mutant strain with 8 genes deleted. PobTPS was transformed into each mutant by electrophoresis. The transformants were then cultured in yeast extract medium medium. After culturing in 20 ml medium, RNA was extracted from mycelia and subjected to reverse transcription PCR targeting the TPS gene. As a result, the expression levels of pobTPS inserted into enzyme 2 (HMG-CoA synthase), 3 (isopentenyl-isomerase), and 8 (farnesyl pyrophosphate synthase) deficient strains tended to decrease. This indicates that the expression of TPS decreases when such a gene is deleted, and it is expected that such higher genes affect TPS gene expression most. In particular, HMG-CoA synthase, isopentenyl pyrophosphate isomerase, and farnesyl pyrophosphate are known as genes and enzymes that play an important role in intermediate skeletal formation. In particular, the FPS gene is known as a type of transferase that generates GPP and FPP, which are substrates, and plays a key role in the generation of various types of structures. In the case of plants, the results of increasing the concentration of artemisin, a sesquiterpene having antimalarial activity, in the transformant overexpressed FPS (FIG. 13).
<110> National Institute of Forest Science <120> Terpene synthase gene from Polyporus brumalis, Shizosaccharomyces pombe mutant transformants containing the gene <130> 18-11008 <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 1185 <212> RNA <213> Artificial Sequence <220> <223> pobTPS mRNA <400> 1 atgctcactt ccaccacctc cacctccatg tttgagccca ggcaatccgt cgtcgtccgc 60 accgaagacg gccgcgagca gaggtacctc tacttgccag acacgatggc caactggccg 120 tggccccgca agatcaaccc gtactacgag gaggtcaccg ccgagtccaa tgcatggttc 180 aagaccttca aggctttcac gcccgaatca cagtatgcgt acgacaagtg cgacttcggc 240 cggctggcat ccctcgcata cccggacgtc tctcgagagg cgctccgcac cggggtcgat 300 ctcatgaacg tcttattcct cgtggacgag tacacggatt tccagcccgc tcctgtcgtc 360 cgggagataa ccggggttgt gatcgacgcc atactgaacc ccgacaaggt ccgtccggag 420 ggcgagagca tcctcggcga ggtcacccga cagttctggg cgcgcggacg gaccaccgct 480 actccggagg ctgcgaagca cttcgtcgag actctcaagg cgtatttgaa ctccgtgatt 540 gtccaggccg aggaccggga caatgatacc attcgcacca tcgacagcta cctcgagata 600 cgccgtgaga acgtcggtgt acgctcggcc tacatgcctg gggagctgca cctctcgatt 660 cccgacgagg ccttctacca ccctgtcatc aaggaactcg aatacctcgc catagacctg 720 atcatccttg acaatgacat cgcatcctac aacaaggaac aagcaacggg agacgacagg 780 cacaatattc ttacaatcgc catgcaccag tttaataccg acttcgacag cgccatggac 840 tgggtcgcaa actaccacaa agaaggcgag atgcggttcc tcgacgcgct caagcgcgtg 900 ccctcctggg gcccggaggt cgacaagcag gtcgcggtgt acatcgagca ccttgcgaac 960 tggccgcggt gcaacgactg ctggaacttc gagtcgtggc ggtactttgg gcacaagggc 1020 ctcgagtacc agaagacgcg cctcgtgccg atgctttcga agcgtccgca gaatctgacc 1080 catcgtcggg agaacgtaga agtgccattt gtagacaagt tcgaggagat gatgtccggc 1140 attacgaacc cgctaggcca tcaggtagaa gacagagccc tgtaa 1185 <210> 2 <211> 394 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> pobTPS Protein <400> 2 Met Leu Thr Ser Thr Thr Ser Thr Ser Met Phe Glu Pro Arg Gln Ser 1 5 10 15 Val Val Val Arg Thr Glu Asp Gly Arg Glu Gln Arg Tyr Leu Tyr Leu 20 25 30 Pro Asp Thr Met Ala Asn Trp Pro Trp Pro Arg Lys Ile Asn Pro Tyr 35 40 45 Tyr Glu Glu Val Thr Ala Glu Ser Asn Ala Trp Phe Lys Thr Phe Lys 50 55 60 Ala Phe Thr Pro Glu Ser Gln Tyr Ala Tyr Asp Lys Cys Asp Phe Gly 65 70 75 80 Arg Leu Ala Ser Leu Ala Tyr Pro Asp Val Ser Arg Glu Ala Leu Arg 85 90 95 Thr Gly Val Asp Leu Met Asn Val Leu Phe Leu Val Asp Glu Tyr Thr 100 105 110 Asp Phe Gln Pro Ala Pro Val Val Arg Glu Ile Thr Gly Val Val Ile 115 120 125 Asp Ala Ile Leu Asn Pro Asp Lys Val Arg Pro Glu Gly Glu Ser Ile 130 135 140 Leu Gly Glu Val Thr Arg Gln Phe Trp Ala Arg Gly Arg Thr Thr Ala 145 150 155 160 Thr Pro Glu Ala Ala Lys His Phe Val Glu Thr Leu Lys Ala Tyr Leu 165 170 175 Asn Ser Val Ile Val Gln Ala Glu Asp Arg Asp Asn Asp Thr Ile Arg 180 185 190 Thr Ile Asp Ser Tyr Leu Glu Ile Arg Arg Glu Asn Val Gly Val Arg 195 200 205 Ser Ala Tyr Met Pro Gly Glu Leu His Leu Ser Ile Pro Asp Glu Ala 210 215 220 Phe Tyr His Pro Val Ile Lys Glu Leu Glu Tyr Leu Ala Ile Asp Leu 225 230 235 240 Ile Ile Leu Asp Asn Asp Ile Ala Ser Tyr Asn Lys Glu Gln Ala Thr 245 250 255 Gly Asp Asp Arg His Asn Ile Leu Thr Ile Ala Met His Gln Phe Asn 260 265 270 Thr Asp Phe Asp Ser Ala Met Asp Trp Val Ala Asn Tyr His Lys Glu 275 280 285 Gly Glu Met Arg Phe Leu Asp Ala Leu Lys Arg Val Pro Ser Trp Gly 290 295 300 Pro Glu Val Asp Lys Gln Val Ala Val Tyr Ile Glu His Leu Ala Asn 305 310 315 320 Trp Pro Arg Cys Asn Asp Cys Trp Asn Phe Glu Ser Trp Arg Tyr Phe 325 330 335 Gly His Lys Gly Leu Glu Tyr Gln Lys Thr Arg Leu Val Pro Met Leu 340 345 350 Ser Lys Arg Pro Gln Asn Leu Thr His Arg Arg Glu Asn Val Glu Val 355 360 365 Pro Phe Val Asp Lys Phe Glu Glu Met Met Ser Gly Ile Thr Asn Pro 370 375 380 Leu Gly His Gln Val Glu Asp Arg Ala Leu 385 390 <210> 3 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer <400> 3 tgtactatgc tcacttccac c 21 <210> 4 <211> 18 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse primer <400> 4 ctcatcccac ggttacag 18 <210> 5 <211> 40 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> gene specific primer(forward) <400> 5 gattacgcca agcttaccat 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