본 발명은 정밀 화학물질의 조절을 포함하면서, 코리네박테리움 글루타미쿰 대사의 조절에 관련된 MR 핵산 및 MR 단백질 분자를 제공한다. 본 발명의 분자는 코리네박테리움 글루타미쿰과 같은 미생물로부터 정밀 화학물질의 생산을 조절하기 위해 직접적으로 (예를 들어, 리신 대사 경로의 조절 단백질의 활성 조절이 이 미생물로부터 리신의 수율, 생산성 및(또는) 생산 효율에 직접적인 영향을 끼치는 경우) 또는 간접적으로 사용될 수 있지만, 후자는 관심 화합물의 수율, 생산성 및(또는) 생산 효율을 증가시키는 후자의 방식으로 사용될 수 있다 (예를 들어, 혹은 뉴클레오티드 생합성의 변형된 조절에 대한 작용으로서 상기 화학물질에 대해 생합성 또는 분해 경로에서 조절 변형을 수행하기 때문에, 뉴클레오티드 생합성 단백질의 조절을 조절하는 것이 박테리아로부터 유기산 또는 지방산의 생산에 영향을 끼치는 경우). 본 발명의 측면은 아래에서 더 자세히 기재되어 있다.
I. 정밀 화학물질
용어 "정밀 화학물질"은 당업계에 공지되어 있고, 유기체에 의해 생산되는 분자를 포함하며, 제약 산업, 농업 및 화장품 산업 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 산업에 이용된다. 이러한 화합물로는 타르타르산, 이타콘산 및 디아미노피멜산과 같은 유기산, 단백질원성 및 비단백질원성 아미노산, 퓨린 및 피리미딘 염기, 뉴클레오시드 및 뉴클레오티드 (예를 들어, 문헌 [Kuninaka, A. (1996) Nucleotides and related compounds, p. 561-612, in Biotechnology vol. 6, Rehm et al., eds. VCH: Weinheim]과 그의 참고문헌에 기재된 바와 같음), 지질, 포화 및 불포화 지방산 (예컨대, 아라키돈산), 디올 (예컨대, 프로판디올 및 부탄디올), 탄수화물 (예컨대, 히알루론산 및 트레할로스), 방향족 화합물 (예를 들어, 방향족 아민, 바닐린 및 인디고), 비타민 및 보조인자 (문헌 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. A27, "Vitamins", p. 443-613 (1996) VCH: Weinheim] 과 그의 참고문헌 및 문헌 [Ong, A. S., Niki, E. & Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health, and Disease" Proceedings of the UNESCO/Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia, and the Society for Free Radical Research Asia, held Sept. 1-3,1994 at Penang, Malaysia, AOCS Press, (1995)]에 기재된 바와 같음), 효소, 폴리펩티드 [Cane et al. (1998) Science 282: 63-68), 및 문헌 (Gutcho (1983) Chemicals by Fermentation, Noyes Data Corporation, ISBN: 0818805086] 및 상기 참고문헌에 인용된 다른 모든 화학물질이 있다. 특정 정밀 화학물질의 대사 및 용도는 하기에서 추가로 설명한다.
A. 아미노산 대사 및 용도
아미노산은 모든 단백질의 기본 구조 단위를 이루기 때문에, 세포의 정상적인 기능에 필수적이다. 용어 "아미노산"은 당업계에 공지되어 있다. 아미노산 중 단백질원성 아미노산에는 20종의 유형이 있으며 이들이 펩티드 결합에 의해 결합되어 있는 단백질에 대한 구조 단위로 작용하는 반면, 비단백질원성 아미노산 (수백 종이 공지되어 있음)은 통상적으로는 단백질 내에 존재하지 않는다 (문헌 [Ulmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. A2, pp. 57-97 VCH: Weinheim (1985)] 참조). 아미노산은 광학적 D 또는 L 배위로 존재할 수 있지만, 천연 단백질에 존재하는 것은 통상적으로 L-아미노산 뿐이다. 20종의 단백질원성 아미노산 각각의 생합성 및 분해 경로는 원핵세포 및 진핵세포 둘다에 대하여 특징규명되어있다 (예를 들어, 문헌 [Stryer, L. Biochemistry, 3rd edition, p. 578-590 (1988)] 참조). 생합성의 복잡성으로 인해 통상적으로 식품을 통해 섭취해야 하기 때문에 "필수 아미노산"이라 불리는 아미노산 (히스티딘, 이소루이신, 루이신, 리신, 메티오닌, 페닐알라닌, 트레오닌, 트립토판 및 발린)은 단순한 생합성 경로를 통해 다른 11종의 "비필수" 아미노산 (알라닌, 아르기닌, 아스파라긴, 아스파르테이트, 시스테인, 글루타메이트, 글루타민, 글리신, 프롤린, 세린 및 티로신)으로 전환된다. 고등동물은 필수 아미노산 중 일부를 합성하는 능력을 보유하지만, 상기 필수 아미노산은 음식물로부터 공급되어야 정상적인 단백질 합성이 일어난다.
단백질 생합성에서의 이러한 아미노산의 기능 이외에, 이들 아미노산은 그 자체가 관심 화학물질이고, 다수의 아미노산이 식품, 동물 사료, 화학물질, 화장품, 농업 및 제약 산업에 다양하게 사용될 수 있는 것으로 밝혀져 있다. 리신은 인간 뿐만 아니라 가금 및 돼지와 같은 단위 (monogastric) 동물의 영양에 있어서도 중요한 아미노산이다. 글루타메이트는 향미제 첨가물 (일나트륨 글루타메이트, MSG)로서 가장 흔히 사용되고, 그 밖의 식품 산업에 사용되는 것은 아스파르테이트, 페닐알라닌, 글리신 및 시스테인이다. 글리신, L-메티오닌 및 트립토판은 모두 제약 산업에 사용된다. 글루타민, 발린, 루이신, 이소루이신, 히스티딘, 아르기닌, 프롤린, 세린 및 알라닌은 제약 산업 및 화장품 산업 둘다에 사용된다. 트레오닌, 트립토판 및 D/L-메티오닌은 사료 첨가제로 광범위하게 사용된다. [Leuchtenberger, W. (1996) Amino acids-technical production and use, pp. 466-502 in Rehm et al. (editors) Biotechnology vol. 6, chapter 14a, VCH: Weinheim]. 추가로, 이러한 아미노산은 합성 아미노산 및 단백질을 합성하기 위한 전구체, 예를 들어 N-아세틸시스테인, S-카르복시메틸-L-시스테인, (S)-5-히드록시트립토판 및 문헌 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A2, pp. 57-97, VCH, Weinheim, 1985]에 기재된 기타 물질로서 적합한 것으로 밝혀졌다.
이들 천연 아미노산을 생산할 수 있는 유기체, 예컨대, 박테리아에서 이들 천연 아미노산의 생합성은 자세하게 특징규명되어 있다 (박테리아 아미노산 생합성 및 그의 조절에 대한 자세한 것은 문헌 [Umbarger, H. E. (1978) Ann. Rev. Biochem. 47: 533-606)을 참조함]. 글루타메이트는 시트르산 사이클의 중간체인 α-케토글루타레이트의 환원적 아미노화로 합성된다. 글루타민, 프롤린 및 아르기닌 각각은 글루타메이트로부터 연속적으로 생성된다. 세린의 생합성은 3 단계 과정으로 이루어지며 3-포스포글리세레이트 (해당작용의 중간체)로 출발하여, 산화, 아미노 교환 반응 및 가수분해 단계 이후에 세린을 제공한다. 시스테인 및 글리신 각각은 세린으로부터 생성되는데, 보다 명확히 말하면, 시스테인은 호모시스테인과 세린의 축합에 의해 생성되고, 글리신은 세린 트랜스히드록시메틸라제에 의해 촉매되는 반응에서 측쇄 β-탄소 원자가 테트라히드로폴레이트로 전달되어 생성된다. 페닐알라닌 및 티로신은 해당작용과 펜토스 포스페이트 경로의 전구체인 에리트로스 4-포스페이트와 포스포에놀피루베이트로부터 9-단계 생합성 경로를 거쳐 합성되는데, 이는 프레페네이트가 합성된 후의 마지막 2개 단계만이 다르다. 또한, 트립토판도 이러한 2종의 출발 분자로부터 생산되지만 11-단계 경로로 합성된다. 티로신은 또한 페닐알라닌 히드록실라제에 의해 촉매되는 반응에서 페닐알라닌으로부터 제조될 수 있다. 알라닌, 발린 및 루이신은 해당작용의 최종 생성물인 피루베이트로부터 유도된 각각의 생성물이다. 아스파르테이트는 시트르산 사이클의 중간체인 옥살로아세테이트로부터 형성된다. 아스파라긴, 메티오닌, 트레오닌 및 리신 각각은 아스파르테이트의 전환으로 생성된다. 이소루이신은 트레오닌으로부터 형성된다. 히스티딘은 활성화된 당인 5-포스포리보실 1-피로포스페이트로부터 복잡한 9-단계 경로로 형성된다.
단백질 생합성에서의 필요량을 초과하는 양의 아미노산은 저장될 수 없으며, 그 대신에 분해되어 세포의 주요 대사 경로에 중간체로서 제공된다 (검토하기 위해서는 문헌 [Stryer, L., Biochemistry, 3rd edition, Chapter 21 Amino Acid Degradation and the Urea Cycle"; pp. 495-516 (1988)] 참조). 세포가 불필요한 아미노산을 유용한 대사 중간체로 전환시킬 수 있다 하더라도, 아미노산 생성은 그의 합성에 필요한 에너지, 전구체 분자, 및 효소를 고려할 때 손실이 크다. 따라서, 특정한 아미노산의 존재가 그 자신의 생성을 서서히 또는 완전히 중지시키는 피드백 억제에 의해 아미노산의 생합성이 조절된다는 것은 놀라운 일이 아니다 (아미노산 생합성 경로의 피드백 메카니즘에 대해 검토하기 위해서는 문헌 [Stryer, L., Biochemistry, 3rd edition, Chapter 24, "Biosynthesis of Amino acids and Heme", pp. 575-600 (1988)] 참조). 따라서, 특정 아미노산의 생산량은 세포에 있는 해당 아미노산의 양에 의해 제한된다.
B. 비타민, 보조인자 및 영양제의 대사 및 용도
비타민, 보조인자 및 영양제는 분자의 또다른 군을 포함한다. 고등 동물은 이들에 대한 합성 능력이 없기 때문에 섭취해야만 하지만, 박테리아 등과 같은 다른 유기체는 이들을 쉽게 합성한다. 이들 분자는 그 자체가 생물활성 물질이거나, 또는 수많은 대사 경로에서 전자 캐리어 또는 중간체로 작용할 수 있는 생물활성 물질의 전구체이다. 이들의 영양 가치 이외에, 이들 화합물은 착색제, 항산화제 및 촉매, 또는 기타 가공 보조제로서 유의한 산업적 가치를 갖는다 (이들 화합물의 구조, 활성 및 산업적 용도를 검토하기 위해서는 예를 들어 문헌 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Vol. A27, pp. 443-613, VCH: Weinheim, 1996] 참조). 용어 "비타민"은 당업계에 공지되어 있으며, 유기체의 정상적인 기능수행에는 필요하지만 이러한 유기체 자체로는 합성할 수 없는 영양소를 포함한다. 비타민 군은 보조인자 및 영양제 화합물도 포함할 수 있다. 용어 "보조인자"는 정상적인 효소 활성이 일어나는 데 필요한 비단백질원성 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은 유기성 또는 무기성일 수 있지만, 본 발명의 보조인자 분자는 유기성인 것이 바람직하다. 용어 "영양제"는 식물 및 동물, 특히 인간에게 건강을 증진시키는 식품 보충물을 포함한다. 이러한 분자의 예로는 비타민, 항산화제 및 특정 지질 (예를 들어, 다불포화 지방산) 등이 있다.
이들을 생산할 수 있는 유기체, 예컨대, 박테리아에서 이들 분자의 생합성은 포괄적으로 특징규명되어 있다 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Vitamins", Vol. A27, pp. 443-613, VCH: Weinheim, 1996], [Michal, G. (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley & Sons], [Ong, A.S., Niki, E. and Packer, L. (1995) "Nutrition, Lipids, Health and Disease" Proceedings of the UNESCO/Confederation of Scientific and Technological Associations in Malaysia and the Society for free Radical Research - Asia, held on Sept. 1-3, 1994, in Penang, Malaysia, AOCS Press, Champaign, IL X, 374 S].
티아민 (비타민 B1)은 피리미딘과 티아졸 단위의 화학적 커플링에 의해 형성된다. 리보플라빈 (비타민 B2)는 구아노신-5'-트리포스페이트 (GTP) 및 리보스-5'-포스페이트로부터 합성된다. 또한, 리보플라빈은 플라빈 모노뉴클레오티드 (FMN) 및 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드 (FAD)의 합성에 이용된다. "비타민 B6"로 통칭되는 군의 화합물들 (예컨대 피리독신, 피리독스아민, 피리독살 5'-포스페이트 및 시판되는 피리독신 히드로클로라이드)은 모두가 공통적인 구조 단위인 5-히드록시-6-메틸피리딘의 유도체이다. 판토테네이트 (판토텐산, R-(+)-N-(2,4-디히드록시-3,3-디메틸-1-옥소부틸)-β-알라닌)은 화학적 합성 또는 발효를 통해 제조될 수 있다. 판토테네이트 생합성에서의 마지막 단계는 β-알라닌 및 판토산이 ATP-구동되어 축합되는 것으로 이루어진다. 판토산으로의 전환과 β-알라닌으로의 전환 및 판토텐산으로의 축합에 대한 생합성 단계를 담당하는 효소는 공지되어 있다. 판토테네이트의 대사 활성 형태는 5가지 효소 단계로 생합성되는 조효소 A이다. 판토테네이트, 피리독살 5'-포스페이트, 시스테인 및 ATP가 조효소 A의 전구체이다. 이러한 효소는 판토테네이트의 형성 뿐 아니라 (R)-판토산, (R)-판토락톤, (R)-판테놀 (프로비타민 B5), 판테테인 (및 그의 유도체) 및 조효소 A의 생산까지도 촉매한다.
미생물에서 전구체 분자인 피멜로일-CoA로부터 바이오틴이 생합성되는 과정은 상세하게 연구되어 왔으며, 이에 관련된 여러가지 유전자가 확인되었다. 상응하는 다수의 단백질은 Fe-클러스터 합성에 관여하며, nifS 단백질 클래스에 속한다는 것이 밝혀졌다. 리폰산은 옥탄산에서 유도되어, 에너지 대사의 조효소로 작용하며 피루베이트 데히드로게나제 복합체 및 α-케토글루타레이트 데히드로게나제 복합체의 성분이 된다. 폴레이트는 L-글루탐산, p-아미노벤조산 및 6-메틸프테린으로부터 유도되는 엽산에서 유도되는 모든 물질들의 군이다. 구아노신 5'-트리포스페이트 (GTP), L-글루탐산 및 p-아미노벤조산의 생체내변환의 중간체로부터 출발하는 엽산 및 그의 유도체의 생합성은 특정 미생물에서 상세하게 연구되어 왔다.
코리노이드 (예컨대 코발라민 및 특히 비타민 B12) 및 포르피린은 테트라피롤 고리계로 구별되는 화학물질들의 군에 속한다. 비타민 B12의 생합성은 매우 복잡하여 완전하게 특징규명되지 못했으나, 이에 관여하는 많은 효소 및 기질이 현재 공지되어 있다. 니코틴산 (니코티네이트) 및 니코틴아미드는 "니아신"이라고도 지칭되는 피리딘 유도체이다. 니아신은 중요한 조효소인 NAD (니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드) 및 NADP (니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 포스페이트) 및 이들의 환원 형태의 전구체이다.
리보플라빈, 비타민 B6, 판토테네이트 및 바이오틴 등과 같은 이들 화학물질 중 일부는 미생물의 대량 배양으로 생산되기도 하지만, 이들 화합물의 산업적 규모의 생산은 대부분이 무세포 화학적 합성을 기초로 한다. 오직 비타민 B12만이 그의 복잡한 합성법으로 인해 발효에 의해서만 생산된다. 시험관내 공정에는 상당한 재료 및 시간 소요가 요구되며, 종종 고비용이다.
C. 퓨린, 피리미딘, 뉴클레오시드 및 뉴클레오티드의 대사 및 용도
퓨린 및 피리미딘 대사 유전자 및 이들의 대응하는 단백질은 종양증 및 바이러스 감염의 치료에 중요한 표적이다. 용어 "퓨린" 또는 "피리미딘"은 핵산, 조효소 및 뉴클레오티드의 구성 성분인 질소 함유 염기를 포함한다. 용어 "뉴클레오티드"는 질소 함유 염기, 오탄당 (RNA의 경우, 상기 당은 리보스이고; DNA의 경우, 상기 당은 D-데옥시리보스임) 및 인산으로 구성된, 핵산 분자의 기본 구조 단위를 포함한다. 용어 "뉴클레오시드"는 뉴클레오티드의 전구체로 작용하지만 뉴클레오티드와는 달리 인산 단위가 없는 분자를 포함한다. 이들 분자의 생합성을 억제하거나 또는 핵산 분자를 형성하기 위한 이들 분자의 동원을 억제함으로써, RNA 및 DNA 합성을 억제할 수 있으며, 암 세포에서 이러한 활성 억제를 표적으로 하면 종양 세포의 분열력 및 복제력을 억제할 수 있다.
또한, 핵산 분자를 형성하기 보다는 에너지 저장물 (즉, AMP) 또는 조효소 (즉, FAD 및 NAD)로 작용하는 뉴클레오티드도 존재한다.
이들 화학물질이 퓨린 및(또는) 피리미딘 대사에 영향을 줌으로써 이러한 의학적 조치에 사용될 수 있다는 것은 여러 간행물에 기재된 바 있다 (예를 들어 문헌 [Christopherson, R. I. and Lyons, S. D. (1990) "Potent inhibitors of de novo pyrimidine and purine biosynthesis as chemotherapeutic agents. "Med. Res. Reviews 10:505-548]). 퓨린 및 피리미딘 대사에 관여하는 효소에 대한 연구는 예를 들어 면역저해제 또는 항-증식제 등으로 이용할 수 있는 신약의 개발에 집중되어 왔다 ([Smith, J.L. "Enzymes in Nucleotide Synthesis" Curr. Opin. Struct. Biol. 5 (1995) 752-757], [Biochem. Soc. Transact. 23 (1995) 877-902]). 그러나, 퓨린 및 피리미딘 염기, 뉴클레오시드 및 뉴클레오티드는 각종 정밀 화학물질의 생합성에서 중간체 (예컨대 티아민, S-아데노실메티오닌, 폴레이트 또는 리보플라빈)로서의 용도, 세포의 에너지 운반체 (예컨대 ATP 또는 GTP)로서의 용도 및 통상적으로 향미 증진제로서 사용되는 화학물질 자체 (예컨대 IMP 또는 GMP)로서의 용도 또는 많은 의학적 용도 (예를 들어 문헌 [Kuninaka, A., (1996) "Nucleotides and Related Compounds in Biotechnology" Vol. 6, Rehm et al., editors VCH: Weinheim, pp. 561-612] 참조) 등을 비롯한 다른 용도에도 가능하다. 퓨린, 피리미딘, 뉴클레오시드 또는 뉴클레오티드 대사에 관여하는 효소는 살진균제, 제초제 및 살곤충제 등을 비롯하여 작물 보호용으로 개발되고 있는 화학물질을 위한 표적으로 점점 더 크게 기능하고 있다.
박테리아에 있어서 이들 화합물의 대사는 특징규명되어 있다 (검토하기 위해서는 예를 들어 문헌 [Zalkin, H. and Dixon, J.E. (1992) "De novo purine nucleotide biosynthesis" in Progress in Nucleic Acids Research and Molecular Biology, Vol. 42, Academic Press, pp. 259-287] 및 [Michal, G. (1999) Nucleotides and Nucleosides", Chapter 8 in: Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, Wiley, New York] 참조). 집중적인 연구 대상인 퓨린 대사는 세포의 정상적인 기능수행에 필수적이다. 고등 동물에서의 퓨린 대사 장애는 통풍 등과 같은 심각한 질병을 일으킬 수 있다. 퓨린 뉴클레오티드는 리보스 5'-포스페이트로부터 중간체 화합물인 이노신 5'-포스페이트 (IMP)를 거치는 수많은 단계를 통해 합성되어 구아노신 5'-모노포스페이트 (GMP) 또는 아데노신 5'-모노포스페이트 (AMP)를 생성하고, 이로부터 뉴클레오티드로서 사용되는 트리포스페이트 형태가 쉽게 제조될 수 있다. 이들 화합물은 에너지 저장물로도 사용되어, 이들의 분해는 세포의 여러가지 상이한 생화학적 과정을 위한 에너지를 제공한다. 피리미딘 생합성은 리보스 5'-포스페이트로부터의 유리딘 5'-모노포스페이트 (UMP) 형성을 통해 일어난다. 이후, UMP는 시티딘 5'-트리포스페이트 (CTP)로 전환된다. 모든 뉴클레오티드의 데옥시 형태는 뉴클레오티드의 디포스페이트 리보스 형태로부터의 1-단계 환원 반응으로 제조되어 뉴클레오티드의 디포스페이트 데옥시리보스 형태를 생성한다. 이들 분자는 인산화 후에 DNA 합성에 이용될 수 있다.
D. 트레할로스의 대사 및 용도
트레할로스는 α,α-1,1 연결기를 통해 함께 연결된 2개의 글루코스 분자로 구성된다. 이는 통상적으로 감미료, 건조 또는 동결 식품용 첨가제로서 식품 산업에 사용되고 음료 산업에 사용된다. 그러나, 이들은 제약 산업 또는 화장품 산업 및 생명공학 산업에서도 이용된다 (예를 들어, 니시모또 (Nishimoto) 등의 미국 특허 제5,759,610호 (1998), [Singer, M.A. and Lindquist, S. Trends Biotech. 16 (1998) 460-467], [Paiva, C.L.A. and Panek, A.D. Biotech Ann. Rev. 2 (1996) 293-314] 및 [Shiosaka, M. J. Japan 172 (1997) 97-102] 참조). 트레할로스는 많은 미생물의 효소에 의해 생산되어 주변 배지에 자연적으로 방출되며, 이로부터 트레할로스를 당업계에 공지된 방법으로 단리해 낼 수 있다.
Ⅱ. 대사 조절의 메카니즘
모든 살아있는 세포는 또다른 것과 결합된 다수의 대사 경로와 함께 복잡한 이화 및 동화 능력을 갖는다. 이러한 매우 복잡한 대사망의 다양한 부분 사이에서 평형을 유지하기 위해, 세포는 세밀하게 조율된 조절망을 갖고 있다. 효소 합성 및 효소 활성을 조절함으로써, 독립적으로 또는 동시에, 세포는 세포의 변화하는 요구를 충족시키기 위해 완전히 상이한 대사 경로의 활성을 조절할 수 있다.
효소 합성의 유도 또는 억제는 전사 또는 번역 단계 또는 둘 다의 단계에서 일어날 것이다. (검토를 위해서는 문헌 [Lewin, B. (1990) Genes Ⅳ, part 3: "Controlling prokaryotic genes by transcription", Oxford University Press, Oxford, pp. 213-301]과 그의 참고문헌, [Michal, G. (1999) Biochemical Pathway: An Atlas of Biochemisry and Molecular Biology, Johe Wiley & Sons] 참조). 이러한 알려진 조절 과정 모두는 다양한 외부 영향 (예를 들어, 온도, 영양 공급 또는 빛)에 자체적으로 반응하는 부가적인 유전자에 의해 매개된다. 이러한 형태의 조절에 관련된 단백질 인자의 예는 전사 인자를 포함한다. 이들은 DNA와 결합하는 단백질로 그러한 결합으로 인해 유전자의 발현을 증가시키거나 (E. coli ara 오페론의 경우처럼 가조절) 또는 감소시킨다 (E. coli lac 오페론의 경우처럼 부조절). 이러한 발현을 조절하는 전사 인자는 그들 자체적으로도 조절될 수 있다. 이들의 활성은 예를 들어, DNA 결합 단백질에 결합하는 저분자량 화합물에 의해 조절될 수 있고, 이에 의해 DNA 상에서의 적합한 결합 부위에 대한 상기 단백질의 결합을 자극시키거나 (ara 오페론에 대한 아라비노스의 경우) 또는 저해시킨다 (lac 오페론에 대한 락토스의 경우) (예를 들어, 문헌 [Helmann, J.D. and Chamberlin, M.J. (1988) "Structure and function of bacterial sigma factor" Ann. Rev. Biochem. 57: 839-872], [Adhya, S. (1995) "The lac and gal operons today" and Boos, W. et al., "The maltose system", both in Regulation of Gene Expression in Escherichia coli (Lin, E.C.C. and Lynch, A.S. editors) Chapman & Hall: New York, pp. 181-200 and 201-229] 및 [Moran, C. P. (1993) "RNA polymerase and transcription factor" in Bacilius subtilis and other Gram-positive bacteria, Sonenshein, A.L. editors ASM: Washington D. C. pp. 653-667] 참조).
단백질 합성은 전사 단계 뿐만 아니라 번역 단계에서도 종종 조절된다. 이러한 조절은 다수의 메카니즘을 통해 수행되고, 이 메카니즘은 리보솜이 하나 이상의 mRNA와 결합하는 능력의 변형, 리보솜의 mRNA에의 결합, mRNA 이차 구조의 유지및 제거, 특정 유전자에 대한 통상적이거나 덜 통상적인 코돈의 사용 및, 하나 이상의 tRNA의 풍부도 및 약독화 같은 특이 조절 메카니즘을 포함한다 [Vellanoweth, R.I. (1993) Translation and its regulation in Bacillus subtilus and other Gram-posistive bacteria, Sonenshein, A.L. et al. editors ASM: Washington, D.C., pp. 699-711] 및 그의 참고문헌 참조).
전사 및 번역 조절은 단일 단백질에 대한 것이거나 (순차 조절), 또는 다양한 대사 경로에서 복수의 단백질에 대하여 이루어 질 것이다 (동조 조절). 그것의 발현이 동조 방식으로 조절되는 유전자는 종종 오페론 또는 레귤론에 근접하여 게놈에 위치해 있다. 유전자 전사 및 유전자 번역의 이러한 상향 또는 하향 조절은 다양한 요인의 세포내 또는 세포외 양에 의해 조절되고, 이러한 요인으로는 기질 (하나 이상의 경로에서 사용되는 전구체 및 중간체), 이화대사물 (당 같은 복잡한 유기 분자의 분해로부터의 에너지 생성과 연결된 생화학적 경로에 의해 생성되는 분자) 및 최종 산물 (대사 경로의 마지막에 얻게 되는 분자)이 있다. 특정 대사 경로의 활성에 필요한 효소를 코딩하는 유전자의 발현은 상기 대사 경로에 대한 다량의 기질 분자에 의해 유도된다. 상응하게는, 이러한 유전자 발현은 경로의 최종 산물이 세포내 다량 존재함으로 억제된다 (Snyder, L. and Champness, W. (1977) The Molecular Biology of Bacteria ASM: Washington). 유전자 발현은 마찬가지로 환경 조건 (예를 들어, 열, 산화 스트레스 또는 기아) 같은 다른 외부적 및 내부적 요인에 의해 조절될 수 있다. 이들의 전체적인 환경 변화는 특화된 조절 유전자의 발현에서 변화를 야기시키며, 상기 유전자는 DNA와 결합하여 전사를 유도시키거나 억제함으로써 유전자 발현을 직접적 또는 간접적으로 (추가 유전자 또는 단백질을 통해) 일어나게 한다 (참조예: Lin, E.C.C. and Lynch, A.S. editors (1995) Rerulation of Gene Expression in Escheichia coli, Chapman & Hall: New York).
세포 대사가 조절될 수 있는 또다른 메카니즘은 단백질 수준으로 일어난다. 이런 조절은 다른 효소의 활성을 통해서 또는 단백질의 정상 기능을 방해하거나 또는, 기능할 수 있게 하는 저분자량 성분의 결합을 통해서 수행된다. 저분자량 화합물의 결합에 의한 단백질 조절의 예는 GTP 또는 NAD의 결합을 포함한다. 예를 들어, GTP-결합 단백질의 경우처럼, 저분자량 화학물질의 결합은 통상적으로 가역적이다. 이러한 단백질은 단백질의 활성 형태 및 비활성 형태인 첫번째 상태와 함께 두번째 상태 (결합 GTP 또는 GDP와 함께)에서 발생한다.
단백질 활성은 단백질의 공유결합적 변형 (즉, 히스티딘 또는 아스파르테이트 같은 아미노산 잔기의 인산화 또는 메틸화)을 거친 다른 효소의 작용에 의해 통상적으로 조절된다. 이러한 공유결합적 변형은 통상적으로 가역적이고 이것은 반대 활성을 갖는 효소에 의해 영향을 받는다. 이것에 대한 예는 단백질 인산화에서 키나제와 포스포릴라제의 반대 활성이다: 단백질 키나제는 표적 단백질의 특이 잔기 (예를 들어, 세린 또는 트레오닌)를 인산화시키는 반면, 단백질 포스포릴라제는 상기 단백질로부터 포스페이트 기를 제거한다. 다른 단백질의 활성을 조절하는 효소는 외부 자극에 의해 자체적으로 통상 조절될 수 있다. 이러한 자극은 센서로서 작용하는 단백질에 의해 매개된다. 이러한 센서 단백질이 상기의 외부 신호를 매개하는 잘 알려진 메카니즘은 이량체화이고 다른 메카니즘도 알려져 있다 (예를 들어, [Msadek, T. et al. (1993) "Two-component Regulatory Systems" in: Bacilus subtilis and Other Gram-Positive Bacteria, Sonenshein, A.L. et al., editors, ASM: Washington, pp. 729-745]과 그의 참고문헌 참조).
미생물에서 세포 대사를 조절하는 조절망의 상세한 이해는 발효에 의한 화학물질의 생산 수율을 높이는데 중요하다. 대사 경로를 하향 조절하기 위한 조절 시스템은 관심 화학물질의 합성을 개선시키기 위해서 제거하거나 또는 감소시킬 수 있고, 그에 상응해서, 관심 생성물의 대사 경로의 상향 조절을 위한 조절 시스템을 활성에 대해 구조적으로 활성화시키거나 최적화시킬 수 있다 (Hirose, Y. and Okada, H. (1979) "Microbial Production of Amino Acid", in: Peppler, H.J. and Perlman, D. (editors) Microbial Technology 2nd edition, Vol. 1, Chapter 7, Academic Press, New York).
Ⅲ. 본 발명의 요소 및 방법
본 발명은, 부분적으로는, 코리네박테리움 글루타미쿰에서 전사시, 번역시 또는 번역후 조치에 의해 하나 이상의 대사 경로를 조절하는, 본원에서 MR 핵산 또는 MR 단백질 분자로 언급되는 신규 분자의 발견을 기초로 한다. 한 실시양태에서, MR 분자는 코리네박테리움 글루타미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시 또는 번역후에 조절한다. 바람직한 실시양태에서, 코리네박테리움 글루타미쿰의 하나 이상의 대사 경로를 조절하는 본 발명의 MR 분자의 활성은 상기 유기체에 의해 관심 정밀 화학물질의 생산에 영향을 준다. 특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 MR 분자는 조절된 활성을 가져서, 본 발명의 MR 단백질에 의해 조절되는 코리네박테리움 글루타미쿰 대사 경로는 그의 효율 또는 그의 처리량에 대하여 조절되고, 이것은 코리네박테리움 글루타미쿰에 의한 관심 정밀 화학물질의 수율, 생산성 및(또는) 생산 효율을 직접적 또는 간접적으로 조절한다.
용어 "MR 단백질" 또는 "MR 폴리펩티드"는 코리네박테리움 글루타미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시, 번역후에 조절하는 단백질을 포함한다. MR 단백질의 예는 표 1 및 첨부문서 A에 기재된 MR 유전자에 의해 코딩된 단백질을 포함한다. 용어 "MR 유전자" 또는 "MR 핵산 서열"은 코딩 영역 및 대응하여 번역되지 않는 5'-및 3' 서열 영역으로 이루어진 MR 단백질을 코딩하는 핵산 서열을 포함한다. MR 유전자의 예는 표 1에 기재되어 있다. 용어 "생산" 또는 "생산성"은 당업계에서 인식되는 용어이며, 소정의 시간 및 소정의 발효 용적내에서 형성되는 발효 생성물의 농도(예를 들어, 1시간에 1리터 당 kg 생성물)가 포함된다. 용어 "생산 효율"에는 특정 생성물 농도를 달성하는데 요구되는 시간(예를 들어, 세포가 특정 비율의 정밀 화학물질 생성물을 얻는데 걸리는 시간)이 포함된다. 용어 "수율" 또는 "생성물/탄소 수율"은 당업계에서 인식되는 용어이며, 탄소 공급원의 생성물(즉, 정밀 화학물질)로의 전환 효율이 포함된다. 이 용어는 일반적으로는, 예를 들어, 탄소 공급원 kg 당 생성물 kg으로 표기된다. 화합물의 수율 또는 생산율을 증대시킴으로써, 소정의 시간 동안 얻어지는 수득량의 배양물 중 이 화합물의 회수된 분자의 양 또는 유용한 분자의 양은 증가하게 된다. 용어 "생합성" 또는 "생합성 경로"는 당업계에서 인식되는 용어이고, 세포에 의한 중간체 화합물로부터의 화합물, 바람직하게는 유기 화합물의 합성을 포함하며, 다단계의 고도로 조절되는 과정일 수 있다. 용어 "분해" 또는 "분해 경로"는 당업계에서 인식되는 용어이고, 세포에 의한 화합물, 바람직하게는 유기 화합물의 분해 생성물(일반적으로 말해서, 더 작거나 덜 복잡한 구조의 분자)로의 분해를 포함하며, 다단계의 고도로 조절되는 과정일 수 있다. 용어 "대사"는 당업계에서 인식되는 용어이고, 유기체에서 발생하는 생화학 반응 전체가 포함된다. 이어서, 특정 화합물의 대사(예를 들어, 글리신 등의 아미노산의 대사)에는 이러한 화합물과 관련되는 세포의 전체 생합성, 변형, 및 분해 경로가 포함된다. 용어 "조절"은 당업계에 공지되어 있고, 또다른 단백질의 활성을 조절하기 위한 단백질의 활성을 의미한다. 용어 "전사시 조절"은 당업계에 공지되어 있고, 표적 단백질을 코딩하는 DNA의 mRNA로의 전환을 억제시키거나 활성화시키기 위한 단백질의 활성을 의미한다. 용어 "번역시 조절"은 당업계에 공지되어 있고, 표적 단백질을 코딩하는 mRNA의 단백질 분자로의 전환을 억제시키거나 활성화시키기 위한 단백질의 활성을 의미한다. 용어 "번역후 조절"은 당업계에 공지되어 있고, 표적 단백질을 (예를 들어, 메틸화, 글루코실화 또는 인산화에 의해) 공유결합적으로 변형함으로써 표적 단백질의 활성을 억제시키거나 개선시키기 위한 단백질의 활성을 의미한다.
또다른 실시양태에서, 본 발명의 MR 분자는 코리네박테리움 글루타미쿰과 같은 미생물에서 정밀 화학물질 같은 관심 분자의 생산을 조절할 수 있다. 유전자 재조합 기술의 도움으로, 대사 경로에 대한 본 발명의 하나 이상의 조절 단백질을 조작하여 이들의 기능을 조절하는 것은 가능하다. 예를 들어, 효율에 관한 생합성 효소를 개선시키거나 또는 이들의 알로스테릭 조절 영역을 파괴하여 화합물의 생산의 피드백 억제를 방해할 수 있다. 따라서, 분해 효소를 치환, 결실, 부가에 의해 결실시키거나 또는 변형시켜서, 관심 화합물에 대한 이들의 분해 활성을 세포 생존력을 손상시키지 않고 감소시킨다. 어떤 경우이든, 상기 관심 정밀 화학물질의 총 수율 또는 생산율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 단백질 및 핵산 분자의 이러한 변형은 정밀 화학물질의 생산성을 간접적으로 증진시킬 수 있다. 세포의 대사 경로의 조절 메카니즘은 불가피하게 연결되어 있고 하나의 대사 경로의 활성은 수반하는 방식으로 또다른 대사 경로의 억제 또는 활성화를 야기시킬 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 단백질의 활성을 조절하는 것은 다른 정밀 화학물질 생합성 또는 분해 경로의 활성의 생산성 또는 효율에 영향을 끼칠 수 있다. 아미노산 생합성에서 특정 단백질을 코딩하는 유전자의 전사를 억제하는 MR 단백질의 능력을 감소시키는 것은, 이러한 대사 경로가 또다른 것들과 이어져 있기 때문에 다른 아미노산 생합성 경로를 동시에 억제해제하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 MR 단백질을 변형시킴으로써, 이들의 외부 환경으로부터 어느 정도 세포 성장 및 세포 분열을 분리시키는 것은 가능하며; 세포의 성장 및 분열하는 기능을 결여시키기 위해, 세포 성장 및 분열을 위한 외부 조건을 차선의 상태가 되게 할 때, 뉴클레오티드의 생합성을 통상적으로 억제하는 MR 단백질에 영향을 끼쳐서, 외부 조건이 불량한 상태라도 성장하게 할 수 있다. 이것은 대규모 발효 배양에 특히 중요하며, 상기 발효 배양을 위한 온도, 영양 공급 및 에어레이션 (aeration)에 관한 조건은 대개 차선의 상태이나, 상기 요인에 대한 세포 조절 시스템이 제거된 후에도 성장 및 세포 분열을 여전히 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 핵산 서열을 제조하기 위한 적합한 출발점은 ATCC 13032하에 아메리칸 타입 컬쳐 컬렉션으로부터 입수할 수 있는 코리네박테리움 글루타미쿰 균주의 게놈이다.
본 발명의 핵산 서열은 통상의 방법을 사용하여, 표 1에 표시된 변형을 거쳐 이들 핵산 서열로부터 제조될 수 있다.
본 발명의 MR 단백질 또는 그의 생물학적 활성 절편 또는 단편은 코리네박테리움 글루타미쿰에서 대사 경로를 전사시, 번역시 또는 번역후에 조절할 수 있거나 또는 표 1에 기재된 하나 이상의 활성을 가질 수 있다.
하기 단락에서는 본 발명의 여러가지 측면을 더욱 상세히 기재한다:
A. 단리된 핵산 분자
본 발명의 한 측면은 MR 폴리펩티드 또는 그의 생물학적 활성 부분을 코딩하는 단리된 핵산 분자 및 MR-코딩 핵산 (예를 들어, MR DNA)을 확인하거나 증폭시키기 위한 혼성화 프로브 또는 프라이머로 사용하기에 충분한 핵산 단편에 관한 것이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "핵산 분자"는 DNA 분자 (예를 들어, cDNA 또는 게놈 DNA) 및 RNA 분자 (예를 들어, mRNA), 및 뉴클레오티드 유사체를 사용하여 생성되는 DNA 또는 RNA 유사체를 의미한다. 이 용어는 또한 코딩 유전자 영역의 3' 및 5' 말단에 위치하는 비번역 서열: 코딩 영역의 5' 말단으로부터 상류의 약 100개 이상의 뉴클레오티드 서열, 및 코딩 유전자 영역의 3' 말단으로부터 하류의 약 20개 이상의 뉴클레오티드 서열이 포함된다. 핵산 분자는 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있으며, 바람직하게는 이중 가닥 DNA이다. "단리된" 핵산 분자는 핵산의 천연 공급원에 존재하는 다른 핵산 분자로부터 분리된다. 바람직하게는, "단리된" 핵산은 이 핵산이 유래된 유기체의 게놈 DNA에서 본래 핵산을 플랭키하는 어느 한 서열 (즉, 핵산의 5' 및 3' 말단에 위치하는 서열)도 가지지 않는다. 예를 들어, 다양한 실시양태에서, 단리된 MR 핵산 분자는 이 핵산이 유래된 세포 (예를 들어, 코리네박테리움 글루타미쿰 세포)의 게놈 DNA에서 본래 핵산 분자를 플랭키하는 약 5 kb, 4 kb, 3 kb, 2 kb, 1 kb, 0.5 kb 또는 0.1 kb 보다 작은 크기의 뉴클레오티드 서열을 포함할 수 있다. 게다가, 예를 들어, cDNA 분자와 같은 "단리된" 핵산 분자는, 재조합 기술에 의해 제작된 경우에 있어 다른 세포 물질 또는 배양 배지를 실질적으로 함유하지 않거나 또는 화학적으로 합성되는 경우에 있어 화학물질 전구체 또는 다른 화학물질을 실질적으로 함유하지 않는다.
본 발명의 핵산 분자, 예를 들어 첨부문서 A에서 뉴클레오티드 서열을 가지는 핵산 분자 또는 그의 절편은 분자 생물학적 표준 기술과 본원에서 제공된 서열 정보를 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, 코리네박테리움 글루타미쿰 MR cDNA를 혼성화 프로브로 첨부문서 A 또는 그의 그의 부분으로부터 완전한 서열을 사용하고 표준 혼성화 기술을 사용함으로써 코리네박테리움 글루타미쿰 뱅크로부터 단리할 수 있다 (예를 들어, 문헌[Sambrook, J., Fritsh, E.F., and Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989]에 기재됨). 더우기, 첨부문서 A로부터 완전한 서열로 구성된 핵산 분자 또는 그의 절편은 상기 서열을 기초로 하여 제조된 올리고뉴클레오티드 프라이머를 사용하는 중합효소 연쇄 반응에 의해 단리될 수 있다 (예를 들어, 첨부문서 A로부터 동일한 서열에 기초하여 제작된 올리고뉴클레오티드 프라이머를 사용하고 중합효소 연쇄 반응에 의해 첨부문서 A로부터의 완전한 서열로 구성된 핵산 분자 또는 그의 절편을 단리할 수 있음). 예를 들어, mRNA는 정상 내피 세포로부터 단리할 수 있고 (예를 들어, 문헌[Chirgwin et al.(1979) Biochemistry 18:5294-5299]의 구아니디늄-티오시아네이트 추출 방법에 의해), cDNA는 역전사효소 (예를 들어, Gibco/BRL, Bethesda, MD로부터 입수 가능한 몰로니(Moloney)-MLV 역전사효소 또는, 세이까가꾸 아메리카, 인크.(Seikagaku America, Inc., St. Petersburg, FL)로부터 입수 가능한 AMV 역전사효소)에 의해 제작될 수 있다. 첨부문서 A에 기재된 뉴클레오티드 서열 중 하나를 기초로 하여 중합효소 연쇄반응 증폭을 위한 합성 올리고뉴클레오티드 프라이머를 설계할 수 있다. 본 발명의 핵산은 cDNA 또는, 별법으로, 게놈 DNA를 주형으로 사용하고 표준 PCR 증폭 기술에 따라 적절한 올리고뉴클레오티드 프라이머를 사용하여 증폭시킬 수 있다. 이와 같이 증폭된 핵산을 적절한 벡터내에 클로닝하고 DNA 서열 분석에 의해 특성화할 수 있다. 또한, MR 뉴클레오티드 서열에 상응하는 올리고뉴클레오티드는 표준 합성 기술, 예를 들어, 자동 DNA 합성기를 사용하여 제조할 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명의 단리된 핵산 분자는 첨부문서 A에 기재된 뉴클레오티드 서열 중 하나를 포함한다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 단리된 핵산 분자는 첨부문서 A에 나타낸 뉴클레오티드 서열 중 하나와 상보적인 핵산 분자 또는 그의 절편을 포함하며, 상기 핵산 분자는 첨부문서 A에 나타낸 뉴클레오티드 서열 중 어느 하나에 대해 충분히 상보적이어서, 첨부문서 A에 나타낸 서열 중 어느 하나와 혼성화하여 안정한 이중쇄를 형성한다.
한 실시양태에서, 본 발명의 핵산 분자는 아미노산 서열로 구성된 단백질 또는 그의 절편을 코딩하고, 상기 아미노산 서열은 코리네박테리움 글루타미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시 또는 번역후에 여전히 조절할 수 있는 단백질 또는 그의 절편에 대한 첨부문서 B의 아미노산 서열과 충분히 상동적이다. 본원에서 사용된, 용어 "충분히 상동적"이란 것은 단백질 또는 그의 절편이 코리네박테리움 글루타미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시, 번역후에 조절할 수 있도록, 첨부문서 B의 아미노산과 비교하여 그 아미노산이 소수의 동일한 또는 동등한 아미노산 잔기 (예를 들어, 첨부문서 B의 임의의 서열의 아미노산 잔기의 측쇄와 유사한 측쇄를 갖는 아미노산)를 갖는 단백질 또는 그의 절편에 관한 것이다. 본원에서 기재된, 이러한 대사 경로의 단백질 성분은 1종 이상의 정밀 화학물질의 생합성 또는 분해를 조절할 수 있다. 이들 활성의 예는 본원에서 설명한 것과 마찬가지다. 따라서, "MR 단백질의 기능"은 1종 이상의 정밀 화학물질의 대사 경로의 총체적 조절에 관한 것이다. 표 1은 MR 단백질 활성의 예를 기재하고 있다.
본 발명의 MR 핵산 분자에 의해 코딩된 단백질 절편은 바람직하게는 MR 단백질의 어느 하나의 생물학적 활성 절편이다. 본원에서 사용하는, 용어 "MR 단백질의 생물학적 활성 절편"은 코리네박테리움 글루타미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시, 번역후에 조절하는 MR 단백질의 절편, 예를 들어, 도메인 또는 모티브를 포함하거나 표 1에 기재된 활성을 보유한다. MR 단백질 또는 그의 생물학적 활성 절편이 코리네박테리움 글루티미쿰의 대사 경로를 전사시, 번역시, 번역후에 조절할 수 있는지를 결정하기 위해, 효소 활성 분석법을 수행할 수 있다. 실시예 8의 예에서 자세하게 설명된 이 분석 방법은 당업자에게 공지되어 있다.
집단에 존재할 수 있는 천연 발생 MR-서열 변이체 이외에, 당업자는 코딩된 MR 단백질의 기능성을 손상시키지 않고, 코딩된 MR 단백질의 아미노산 서열의 변화를 유도하여, 돌연변이를 통해 변화를 첨부문서 A의 뉴클레오티드 서열로 도입할 수 있음을 이해한다. 따라서, 예를 들어 첨부문서 A의 서열에서 "비필수" 아미노산 잔기에서의 아미노산 치환을 일으키는 뉴클레오티드 치환을 생성할 수 있다. "비필수" 아미노산 잔기는 임의의 MR 단백질의 야생형 서열 (첨부문서 B)을 변경시키면서도 상기 MR 단백질의 활성을 변화시키지 않을 수 있는 잔기이며, "필수" 아미노산 잔기는 MR 단백질 활성에 필요한 잔기이다. 그러나, 다른 아미노산 잔기 (예컨대 MR 활성을 갖는 도메인에서 비-보존 또는 단지 반-보존된 아미노산 잔기)가 활성에 비필수적일 수도 있기 때문에 이를 변형시키면서 MR 활성은 변형시키지 않을 수도 있을 것이다.
첨부문서 B의 단백질 서열과 상동성인 MR 단백질을 코딩하는 단리된 핵산 분자는 하나 이상의 뉴클레오티드 치환, 부가 및 결실을 첨가문서 A의 핵산 서열로 도입함으로써 생성할 수 있고, 이에 의해 코딩된 단백질에는 하나 이상의 아미노산 치환, 부가 또는 결실이 도입된다. 상기 돌연변이는 부위-지정 돌연변이유발법 및 PCR-매개 돌연변이유발법 등과 같은 표준 기술을 통해 첨부문서 A에 나타낸 임의의 서열에 도입될 수 있다. 하나 이상의 추정 비필수 아미노산 잔기에 보존적 아미노산 치환을 도입하는 것이 바람직하다. "보존적 아미노산 치환"은 해당 아미노산 잔기를 유사한 측쇄를 갖는 아미노산 잔기로 치환한다. 유사한 측쇄를 갖는 아미노산 잔기의 군은 당업계에 규정되어 있다. 이들 군은 염기성 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 리신, 아르기닌, 히스티딘), 산성 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 아스파르트산, 글루탐산), 비하전 극성 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 글리신, 아스파라긴, 글루타민, 세린, 트레오닌, 티로신, 시스테인), 비극성 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 알라닌, 발린, 루이신, 이소루이신, 프롤린, 페닐알라닌, 메티오닌, 트립토판), 베타-분지된 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 트레오닌, 발린, 이소루이신) 및 방향족 측쇄를 갖는 아미노산 (예컨대 티로신, 페닐알라닌, 트립토판, 히스티딘)을 포함한다. 따라서, MR 단백질에서 비필수라고 추정된 아미노산 잔기는 동일 측쇄군의 또다른 아미노산 잔기로 치환되는 것이 바람직하다. 별법으로, 또다른 실시양태에서는 돌연변이를 MR-코딩 서열 전체 또는 일부에 예를 들어 포화 돌연변이유발법 등을 통해 무작위로 도입할 수 있고, 생성되는 돌연변이체를 본원에 기재한 MR 활성에 대해 시험하여 MR 활성을 유지하는 돌연변이체를 확인할 수 있다. 첨부문서 A에 나타낸 임의의 서열을 돌연변이유발시킨 후에, 코딩되는 단백질을 재조합으로 발현시킬 수 있고, 상기 단백질의 활성을 예를 들어 본원에 기재한 분석법을 이용하여 측정할 수 있다 (실시예 단락의 실시예 8 참조).
B. 재조합 발현 벡터 및 숙주 세포
본 발명의 또다른 측면은 MR 단백질 (또는 그의 절편)을 코딩하는 핵산을 함유하는 벡터, 바람직하게는 발현 벡터에 관한 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "벡터"는 그와 결합된 또다른 핵산을 수송할 수 있는 핵산 분자와 관련된 것이다. 벡터의 유형 중 하나는 추가의 DNA 세그먼트가 라이게이션될 수 있는 원형 이중 가닥 DNA 루프를 의미하는 용어인 "플라스미드"이다. 또다른 유형의 벡터는 바이러스 벡터이며, 여기서는 추가의 DNA 세그먼트를 바이러스 게놈에 라이게이션시킬 수 있다. 몇몇 벡터들은 그들이 도입된 숙주 세포 내에서 자율적으로 복제될 수 있다 (예를 들어, 박테리아 복제 기점을 갖는 박테리아 벡터 및 에피솜 포유동물 벡터). 다른 벡터들 (예컨대 비-에피솜 포유동물 벡터)은 숙주 세포에 도입될 때 상기 숙주 세포의 게놈에 통합됨으로써 숙주 게놈과 함께 복제된다. 추가로, 몇몇 벡터들은 기능적으로 연결된 유전자의 발현을 제어할 수 있다. 이러한 벡터를 "발현 벡터"라고 지칭한다. 통상, DNA 재조합 기술에 사용되는 발현 벡터는 플라스미드 형태이다. 플라스미드가 가장 일반적으로 사용되는 유형의 벡터이므로, 본 명세서에서는 "플라스미드" 및 "벡터"를 혼용한다. 그러나, 본 발명은 유사한 기능을 발휘하는 다른 유형의 발현 벡터, 예를 들어 바이러스 벡터 (예컨대 복제-결핍 레트로바이러스, 아데노바이러스 및 아데노바이러스-관련 바이러스)를 포함한다.
본 발명의 재조합 발현 벡터는 본 발명의 핵산을 숙주 세포에서의 발현에 적합한 형태로 포함하며, 이는 재조합 발현 벡터가 발현에 사용될 숙주 세포를 기초로 하여 선택되고 발현될 핵산 서열에 기능적으로 연결된 하나 이상의 조절 서열을 포함함을 의미한다. 재조합 발현 벡터에서, 용어 "기능적으로 연결된"은 관심 뉴클레오티드 서열이 그의 발현 (예를 들어 시험관내 전사/번역 시스템에서 발현되거나 또는 상기 벡터가 숙주 세포에 도입된 경우에는 그 숙주 세포에서 발현됨)이 가능하도록 조절 서열(들)에 결합된 것을 의미한다. 용어 "조절 서열"은 프로모터, 인핸서 및 다른 발현 제어 요소 (예컨대 폴리아데닐화 신호)를 포함한다. 이러한 조절 서열에 대해서는 예를 들어 문헌 [Goeddel: Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990)] 등에 기재되어 있다. 조절 서열은 여러 유형의 숙주 세포에서 뉴클레오티드 서열의 구성적 발현을 제어하는 서열 및 특정 숙주 세포에서만 뉴클레오티드 서열의 발현을 제어하는 서열을 포함한다. 당업자라면, 발현 벡터의 고안이 형질전환시킬 숙주 세포의 선택, 원하는 단백질 발현 정도 등과 같은 인자에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 발현 벡터를 숙주 세포에 도입함으로써, 본원에 기재한 바와 같은 핵산에 의해 코딩되는 융합 단백질 또는 융합 펩티드 (예컨대 MR 단백질, MR 단백질의 돌연변이된 형태, 융합 단백질 등)를 비롯한 단백질 또는 펩티드를 제조할 수 있다.
본 발명의 재조합 발현 벡터는 원핵 세포 또는 진핵 세포에서 MR 단백질을 발현하도록 고안될 수 있다. 예를 들어, MR 유전자는 박테리아 세포, 예를 들어 코리네박테리움 글루타미쿰, 곤충 세포 (이 경우에는 바큘로바이러스 발현 벡터를 사용함), 효모 세포 및 기타 진균 세포 (문헌 [Romanos, M.A. et al. (1992) "Foreign gene expression in yeast: a review" Yeast 8: 423-488], [van den Hondel, C.A.M.J.J. et al. (1991) "Heterologous gene expression in filamentous fungi" in: More Gene Manipulations in Fungi, J.W. Bennet & L.L. Lasure, Editors, pp. 396-428: Academic Press: San Diego] 및 [van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene transfer systems and vector development for filamentous fungi" in: Applied Molecular Genetics of Fungi, Peberdy, J.F. et al., Editors, pp. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge] 참조), 조류 및 다세포 식물 세포 (문헌 [Schmidt, R. and Willmitzer, L. (1988) "High efficiency Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation of Arabidopsis thaliana leaf and cotyledon explants", Plant Cell Rep.: 583-586] 참조) 또는 포유동물 세포에서 발현될 수 있다. 적합한 숙주 세포는 문헌 [Goeddel, Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, CA (1990)]에 추가로 논의되어 있다. 별법으로, 재조합 발현 벡터는 예를 들어 T7 프로모터 조절 서열 및 T7 폴리머라제를 사용하여 시험관내 전사 및 번역시킬 수 있다.
단백질은 융합 또는 비융합 단백질의 발현을 제어하는 구성적 또는 유도가능한 프로모터를 함유하는 벡터를 주로 사용하여 원핵생물에서 발현시킨다. 융합 벡터는 그에 의해 코딩되는 단백질에, 통상적으로는 재조합 단백질의 아미노 말단에 수많은 아미노산을 부가한다. 이러한 융합 벡터는 통상적으로 다음의 3가지 기능을 수행한다: 1) 재조합 단백질의 발현을 증진시킴; 2) 재조합 단백질의 가용성을 증가시킴; 3) 친화성 정제시에 리간드로서 작용하여 재조합 단백질의 정제를 보조함. 종종, 융합 발현 벡터에서 융합 단위와 재조합 단백질의 접합부에 단백질분해성 절단 부위를 도입함으로써, 재조합 단백질이 융합 단백질의 정제 후에 상기 융합 단위로부터 분리될 수 있도록 한다. 이러한 효소 및 이들의 상응하는 인식 서열은 인자 Xa, 트롬빈 및 엔테로키나제를 포함한다.
통상의 융합 발현 벡터는 재조합 표적 단백질에 글루타티온 S-트랜스퍼라제 (GST)가 융합된 pGEX (파마시아 바이오테크 인크. (Pharmacia Biotech Inc.) 제품, [Smith, D.B. and Johnson, K.S. (1988) Gene 67:31-40]), 재조합 표적 단백질에 말토스 E-결합 단백질이 융합된 pMAL (미국 매사추세츠주 배벌리에 소재하는 뉴 잉글랜드 바이오랩스 (New England Biolabs) 제품) 및 재조합 표적 단백질에 단백질 A가 융합된 pRIT 5 (미국 뉴저지주 피스카타웨이에 소재하는 파마시아 제품)를 포함한다. 한 실시양태에서, MR 단백질-코딩 서열을 pGEX 발현 벡터에 클로닝하여, 상기 벡터가 N-말단에서 C-말단 방향으로 GST-트롬빈 절단 부위-단백질 X를 포함하는 융합 단백질을 코딩하도록 한다. 융합 단백질은 글루타티온-아가로스 수지를 사용한 친화성 크로마토그래피로 정제할 수 있다. GST에 융합되지 않은 재조합 MR 단백질은 융합 단백질을 트롬빈으로 절단하여 수득할 수 있다.
적합한 유도가능한 비-융합 대장균 발현 벡터의 예로는 pTrc [Amann et al., (1988) Gene 69:301-315] 및 pET 11d [Studier et al. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 60-89]이 있다. pTrc 벡터로부터의 표적-유전자 발현은 숙주 RNA 폴리머라제에 의한 하이브리드 trp-lac 융합 프로모터로부터의 전사를 기초로 한다. pET 11d 벡터로부터의 표적-유전자 발현은 동시발현되는 바이러스 RNA 폴리머라제 (T7 gn1)에 의해 매개되는 T7-gn10-lac 융합 프로모터로부터의 전사를 기초로 한다. BL 21 (DE3) 또는 HMS174 (DE3) 숙주 균주에서, 상기 바이러스 폴리머라제는 lacUV 5 프로모터의 전사 제어를 받는 T7 gn1 유전자를 보유하는 상재성 λ 프로파지에 의해 제공된다.
재조합 단백질의 발현을 최대화하기 위한 전략 중 하나는 상기 재조합 단백질을 그에 대한 단백질분해성 절단력이 파괴된 숙주 박테리아에서 발현시키는 것이다 [Gottesman, S. Gene Expression Technology: Methods in Enzymology 185, Academic Press, San Diego, California (1990) 119-128]. 또다른 전략은 발현 벡터로 삽입될 핵산의 핵산 서열을 변형시켜 각 아미노산에 대한 개개의 코돈이 발현을 위해 선택한 박테리아, 예를 들어 코리네박테리움 글루타미쿰에서 바람직하게 이용되는 코돈이 되도록 하는 것이다 [Wada et al. (1992) Nucleic Acids Res. 20:2111-2118]. 본 발명의 핵산 서열에 대한 이러한 변형은 DNA 합성의 표준 기술을 이용하여 수행할 수 있다.
추가의 실시양태에서, MR-단백질 발현 벡터는 효모 발현 벡터이다. 효모 사카로마이세스 세레비지애 (Saccharomyces cerevisiae)에서 발현시키기 위한 벡터의 예로는 pYepSec1 [Baldari et al., (1987) Embo J. 6:229-234], pMFa [Kurjan and Herskowitz (1982) Cell 30:933-943], pJRY88 [Schultz et al. (1987) Gene 54:113-123] 및 pYES2 (미국 캘리포니아주 샌 디에고에 소재하는 인비트로젠 코포레이션 (Invitrogen Corporation) 제품) 등이 있다. 다른 진균, 예를 들어 섬유상 진균에 사용하기에 적합한 벡터 및 그의 제작 방법은 문헌 [van den Hondel, C.A.M.J.J. & Punt, P.J. (1991) "Gene Transfer systems and vector development for filamentous fungi, in: Applied Molecular Genetics of Fungi, J.F. Peberdy et al., Editors, pp. 1-28, Cambridge University Press: Cambridge]에 상세하게 기재된 것들을 포함한다.
별법으로, 본 발명의 MR 단백질은 바큘로바이러스 발현 벡터를 사용한 곤충 세포에서 발현될 수도 있다. 배양된 곤충 세포 (예컨대 Sf9 세포)에서의 단백질 발현에 이용가능한 바큘로바이러스 벡터로는 pAc 계열 [Smith et al., (1983) Mol. Cell Biol. 3:2156-2165] 및 pVL 계열 [Lucklow and Summers (1989) Virology 170:31-39] 등이 있다.
추가의 실시양태에서, 본 발명의 MR 단백질은 단세포 식물 세포 (예컨대 조류) 또는 고등 식물 (예컨대 작물 등의 종자식물) 세포에서 발현될 수 있다. 식물 발현 벡터의 예로는 문헌 ([Becker, D., Kemper, E., Schell, J. and Masterson, R. (1992) "New plant binary vectors with selectable markers located proximal to the left border", Plant Mol. Biol. 20:1195-1197] 및 [Bevan, M.W. (1984) "Binary Agrobacterium vectors for plant transformation", Nucl. Acids Res. 12:8711-8721])에 상세하게 기재된 것들을 포함한다.
또다른 실시양태에서, 본 발명의 핵산 발현을 포유동물 발현 벡터를 사용한 포유동물 세포에서 발현된다. 포유동물 발현 벡터의 예로는 pCDM8 [Seed, B. (1987) Nature 329:840] 및 pMT2PC [Kaufman et al. (1987) EMBO J. 6:187-195] 등이 있다. 포유동물 세포에서 사용할 경우, 발현 벡터의 제어 기능은 종종 바이러스 조절 요소에 의해 제공된다. 통상 사용되는 프로모터는 예를 들어 폴리오마, 아데노바이러스 2, 사이토메갈로바이러스 및 시미안 바이러스 40에서 유래된 것이다. 원핵 세포 및 진핵 세포에 적합한 다른 발현 시스템에 대해서는 문헌 [Sambrook, J., Fritsch, E.F. and Maniatis, T., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989]의 제16장 및 제17장에서 찾을 수 있다.
추가의 실시양태에서, 재조합 포유동물 발현 벡터는 바람직하게는 특정 세포 유형에서 핵산을 발현시킬 수 있다 (예를 들어, 조직-특이적 조절 요소를 사용하여 핵산을 발현시킴). 조직-특이적 조절 요소는 당업계에 공지되어 있다. 적합한 조직-특이적 프로모터의 예로는 알부민 프로모터 (간-특이적; [Pinkert et al. (1987) Genes De. 1:268-277]), 림프양-특이적 프로모터 [Calame and Eaton (1988) Adv. Immunol. 43:235-275], 특히 T-세포 수용체의 프로모터 [Winoto and Baltimore (1989) EMBO J. 8:729-733] 및 이뮤노글로불린의 프로모터 ([Banerji et al. (1983) Cell 33:729-740], [Queen and Baltimore (1983) Cell 33:741-748]), 뉴런-특이적 프로모터 (예컨대 신경필라멘트 프로모터; [Byrne and Ruddle (1989) PNAS 86:5473-5477]), 췌장-특이적 프로모터 [Edlund et al., (1985) Science 230:912-916] 및 유선-특이적 프로모터 (예컨대 유청 프로모터; 미국 특허 제4,873,316호 및 유럽 특허 출원 번호 제264,166호) 등이 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 발생-조절되는 프로모터의 예로는 뮤린 hox 프로모터 [Kessel and Gruss (1990) Science 249:374-379] 및 α-태아단백질 프로모터 [Campes and Tilghman (1989) Genes Dev. 3:537-546] 등이 있다.
추가로, 본 발명은 발현 벡터에 안티센스 방향으로 클로닝된 본 발명의 DNA 분자를 포함하는 재조합 발현 벡터를 제공한다. 이는 DNA 분자가 조절 서열에 기능적으로 연결되어 MR-mRNA에 대해 안티센스인 RNA 분자가 발현 (DNA 분자의 전사를 통해 발현됨)될 수 있음을 의미한다. 안티센스 방향으로 클로닝된 핵산에 기능적으로 결합되고 다수의 세포 유형에서 안티센스-RNA 분자가 지속적으로 발현되도록 제어하는 조절 서열을 선택할 수 있으며, 예를 들어 안티센스 RNA가 구성적으로 조직-특이적 발현되거나 세포 유형-특이적 발현되도록 제어하는 바이러스 프로모터 및(또는) 인핸서 또는 조절 서열을 선택할 수 있다. 안티센스 발현 벡터는 재조합 플라스미드, 파지미드 또는 약독화 바이러스의 형태일 수 있으며, 이는 벡터가 도입된 세포 유형에 따라 활성이 결정되는 고도로 효과적인 조절 영역의 제어하에서 안티센스 핵산을 생산한다. 안티센스 유전자를 이용한 유전자 발현의 조절에 관해서는 문헌 [Weintraub, H. et al., Antisense-RNA as a molecular tool for genetic analysis, Reviews - Trends in Genetics, Vol. 1(1) 1986]에 논의되어 있다.
본 발명의 또다른 측면은 본 발명의 재조합 발현 벡터가 도입된 숙주 세포에 관한 것이다. 본원에서는 용어 "숙주 세포" 및 "재조합 숙주 세포"를 혼용하여 사용한다. 사실상, 이러한 용어는 특정 표적 세포와만 관련된 것이 아니라 그 세포의 자손 또는 잠재적인 자손과도 관련된 것이다. 돌연변이 또는 환경적 요인으로 인해서 특정 변형이 세대에 걸쳐 연속적으로 나타날 수 있기 때문에, 이 자손이 모세포와 반드시 동일한 것은 아니지만, 본원에서 사용된 바와 같이 상기 용어의 범위에 포함되는 것은 마찬가지이다.
숙주 세포는 원핵 세포이거나 진핵 세포일 수 있다. 예를 들어, MR 단백질은 박테리아 세포, 예를 들어 코리네박테리움 글루타미쿰, 곤충 세포, 효모 또는 포유동물 세포 (예컨대 차이니스 햄스터 난소 (CHO) 세포 또는 COS 세포)에서 발현될 수 있다. 다른 적합한 숙주 세포는 당업자에게 공지되어 있다. 코리네박테리움 글루타미쿰과 관련되어 있고 적합한 방식으로 본 발명의 핵산 분자 및 단백질 분자를 위한 숙주 세포로서 사용될 수 있는 미생물은 표 3에 기재되어 있다.
통상의 형질전환 또는 형질감염 방법을 이용하여 벡터 DNA를 원핵 세포 또는 진핵 세포에 도입할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "형질전환" 및 "형질감염"은 외래 핵산 (예컨대 DNA)을 숙주 세포에 도입하는 것과 관련하여 인산칼슘 또는 염화칼슘 동시침전법, DEAE-덱스트란-매개된 형질감염법, 리포펙션법 (lipofection) 또는 전기천공법 등과 같이 당업계에 공지된 다수의 방법을 포함한다. 숙주 세포의 형질전환 또는 형질감염에 적합한 방법은 문헌 [Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual. 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, 1989] 및 다른 실험 안내서에서 찾을 수 있다.
포유동물 세포의 안정한 형질감염의 경우, 사용된 발현 벡터 및 이용된 형질감염 기술에 따라 오직 적은 비율의 세포만이 외래 DNA를 그의 게놈에 통합시킬 수 있음이 공지되어 있다. 통상적으로, 이러한 통합체는 (예컨대 항생제 내성인) 선별가능한 마커를 코딩하는 유전자를 관심 유전자와 함께 숙주 세포에 도입함으로써 확인 및 선별된다. 바람직한 선별가능한 마커로는 G418, 하이그로마이신 및 메토트렉세이트 등과 같은 약물에 내성을 부여하는 유전자 등이 있다. 선별가능한 마커를 코딩하는 핵산을 MR 단백질을 코딩하는 벡터에 함께 함유시켜서 숙주 세포에 도입하거나, 상기 벡터와는 별개인 벡터를 통해 숙주 세포에 도입할 수 있다. 안정하게 형질감염되어 핵산이 도입된 세포는 약물 선별을 통해 확인할 수 있다 (예를 들어 선별가능한 마커가 통합된 세포는 생존하지만 다른 세포는 사멸함).
상동성 재조합된 미생물을 생성하기 위해서는, MR 유전자에 결실, 부가 또는 치환을 도입하여 그를 변형시키거나 또는 기능적으로 파괴시킨 하나 이상의 MR-유전자 절편을 함유하는 벡터를 제조한다. 상기 MR 유전자는 코리네박테리움 글루타미쿰 MR 유전자인 것이 바람직하지만, 그와 관련된 박테리아 또는 심지어는 포유동물, 효모 또는 곤충 공급원으로부터의 상동체를 사용할 수도 있다. 바람직한 실시양태에서, 벡터는 상동성 재조합이 내인성 MR 유전자를 기능적으로 파괴 (즉, 유전자가 더이상 기능적 단백질을 코딩하지 않게됨; "녹아웃 (knockout) 벡터"라고 지칭하기도 함)하도록 고안될 수 있다. 별법으로, 벡터는 상동성 재조합 돌연변이체 등이 내인성 MR 유전자를 변형시키지만 여전히 기능적 단백질을 코딩하도록 고안될 수 있다 (예를 들어, 상류에 위치한 조절 영역을 변형시킴으로써 내인성 MR 단백질의 발현이 변형되도록 할 수 있음). 상동성 재조합 벡터 내에 존재하는 변형된 MR-유전자 절편의 5' 및 3' 말단에는 MR 유전자의 추가 핵산이 플랭킹되어 있는데, 이는 벡터가 운반하는 외인성 MR 유전자와 미생물의 내인성 MR 유전자 사이의 상동성 재조합을 가능케 한다. 추가의 플랭킹 MR 핵산은 내인성 유전자와의 성공적인 상동성 재조합에 충분한 길이이다. 통상적으로, 벡터는 플랭킹 DNA를 수 킬로베이스 함유한다 (5' 말단 및 3' 말단 모두에서) (상동성 재조합 벡터에 관해서는 예를 들어 문헌 [Thomas, K.R. and Capecchi, M.R. (1987) Cell 51:503]의 기재 참조). 벡터를 미생물에 도입 (예를 들어 전기천공법에 의한 도입)하고, 도입된 MR 유전자가 내인성 MR 유전자와 상동성 재조합된 세포를 당업계에 공지된 방법으로 선별한다.
또다른 실시양태에서, 도입된 유전자의 발현을 조절할 수 있는 것으로 선택한 시스템을 함유하는 재조합 미생물을 생산할 수 있다. 벡터로의 MR 유전자 삽입은 상기 유전자가 lac 오페론의 제어를 받게 하기 때문에, 예를 들어 MR-유전자 발현이 IPTG의 존재하에서만 가능해 진다. 이러한 조절 시스템은 당업계에 공지되어 있다.
본 발명의 숙주 세포, 예를 들어 배양된 원핵 세포 또는 진핵 숙주 세포를 사용하여 MR 단백질을 생산할 수 있다 (즉, 발현시킬 수 있음). 추가로, 본 발명은 본 발명의 숙주 세포를 이용한 MR 단백질의 생산 방법을 제공한다. 한 실시양태에서, 상기 방법은 본 발명의 숙주 세포 (MR 단백질을 코딩하는 재조합 발현 벡터가 도입되어 있거나 그의 게놈에 야생형 또는 변형된 MR 단백질을 코딩하는 유전자가 도입되어 있음)를 적합한 배지 중에서 MR 단백질이 생산될 때까지 배양하는 단계를 포함한다. 추가의 실시양태에서, 상기 방법은 상기 배지 또는 숙주 세포로부터 MR 단백질을 단리하는 단계를 포함한다.
C. 본 발명의 용도 및 방법
본원에 기재한 핵산 분자, 단백질, 단백질 상동체, 융합 단백질, 프라이머, 벡터 및 숙주 세포는 하기한 방법 중 하나 이상에서 사용할 수 있다: 코리네박테리움 글루타미쿰 및 그와 관련된 유기체의 확인, 코리네박테리움 글루타미쿰과 관련이 있는 유기체의 게놈 맵핑, 코리네박테리움 글루타미쿰 관심 서열의 확인 및 위치분석, 진화 연구, 기능수행에 필요한 MR-단백질 영역의 결정, MR 단백질의 활성 조정; MR 경로의 활성 조정; 및 관심 화합물, 예컨대 정밀 화학물질의 세포내 생산 조정. 본 발명의 MR 핵산 분자에는 여러가지 용도가 있다. 첫째로, 이들은 코리네박테리움 글루타미쿰 또는 그와 밀접한 관련이 있는 유기체의 확인에 이용될 수 있다. 또한, 이들은 미생물들이 혼합된 집단 내에서 코리네박테리움 글루타미쿰 또는 그와 관련된 유기체를 확인하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 매우 다양한 코리네박테리움 글루타미쿰 유전자의 핵산 서열을 제공한다. 1종 미생물의 집단 또는 미생물들이 혼합된 집단의 배양물에서 추출한 게놈 DNA를 엄격 조건하에서 코리네박테리움 글루타미쿰에 고유한 유전자 영역을 포함하는 프로브로 프로빙 (probing)함으로써 상기 유기체의 존재 여부를 결정할 수 있다. 코리네박테리움 글루타미쿰 자체는 병원성이 아니지만, 코리네박테리움 디프테리애 등과 같은 병원성 종과 관련이 있다. 이러한 유기체의 검출은 실질적인 임상적 중요성을 갖는다.
본 발명의 핵산 및 단백질 분자는 게놈의 특정 영역에 대한 마커로 작용할 수 있다. 이는 코리네박테리움 글루타미쿰의 게놈 맵핑 뿐만 아니라 기능 연구에 유용하다. 특정 코리네박테리움 글루타미쿰 DNA-결합 단백질이 결합하는 게놈 영역은 예를 들어 코리네박테리움 글루타미쿰 게놈을 절단하고 그 단편들을 DNA-결합 단백질과 함께 인큐베이션 시켜서 확인할 수 있다. 상기 단백질과 결합하는 단편은 본 발명의 핵산 분자로 바람직하게는 쉽게 검출가능한 표지를 이용하여 추가로 프로빙될 수 있다. 이러한 핵산 분자와 게놈 단편의 결합을 통해, 코리네박테리움 글루타미쿰의 게놈 맵에서 상기 단편의 위치를 결정할 수 있으며 여러가지 효소를 사용하여 이 방법을 여러 회 수행함으로써, 단백질이 결합하는 핵산 서열의 신속한 결정을 용이하게 할 수 있다. 추가로, 본 발명의 핵산 분자는 관련 종의 서열에 충분한 상동성이 있을 수 있으며, 이 경우에도 이러한 핵산 분자를 이용하여 해당 박테리아 (예컨대 브레비박테리움 락토페르멘툼 (Brevibacterium lactofermentum))의 게놈 맵을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 MR 핵산 분자는 진화 연구 및 단백질 구조 연구에도 적합하다. 여러 원핵 세포 및 진핵 세포는 본 발명의 분자가 관여하는 대사 과정을 이용한다. 본 발명의 핵산 분자 서열을 다른 유기체에서의 유사 효소를 코딩하는 핵산 분자 서열과 비교함으로써 상기 유기체의 진화 관계 정도를 조사할 수 있다. 따라서, 이러한 비교를 통해 서열 영역이 보존되었는지의 여부를 결정할 수 있고, 이는 효소 기능에 필수적인 단백질의 보존 영역을 조사하는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 방식의 조사는 단백질 조작 연구에 중요하며, 단백질에서 그의 기능 손실 없이 돌연변이유발을 허용할 수 있는 수준에 관한 지침을 제공할 수 있다.
본 발명의 MR 핵산 분자의 조작을 통해, 야생형 MR 단백질과는 기능적으로 상이한 MR 단백질이 생산되도록 할 수 있다. 이러한 단백질은 효율 또는 활성과 관련하여 개선될 수 있어서, 이들이 세포 내에 통상적인 수보다 더 많은 수로 존재하게 하거나 이들의 효율 또는 활성을 약화시킬 수도 있다.
이러한 활성 변화를 통해 코리네박테리움 글루타미쿰에서 1종 이상의 정밀 화학물질의 수율, 생산량 및(또는) 생산 효율을 직접 조정할 수 있다. 관심 정밀 화학물질의 생합성의 단백질을 코딩하는 유전자의 전사 또는 번역을 활성화시키는 MR 단백질의 활성을 최적화함으로써, 또는 상기 유전자의 전사 또는 번역을 억제하는 MR 단백질의 활성에 영향을 끼치거나 결핍시킴으로써, 예컨대 제한 효소의 증가량 때문에 상기 생합성 경로의 활성 및 활성율이 증가할 것이다. 상응하게, MR 단백질의 활성을 변형함으로 관심 정밀 화학물질의 분해 경로에 관련한 단백질을 번역후에 구조적으로 비활성화시킬 수 있고, 혹은 MR 단백질의 활성을 변형함으로 화합물의 분해를 감소시켜 세포로부터 상기 정밀 화학물질의 수율 및(또는) 생산율을 증가시키는 유전자의 전사 또는 번역을 구조적으로 억제할 수 있다.
하나 이상의 MR 단백질의 활성을 조절하는 것이 다양한 대사 경로와 이어져있기 때문에, 간접적으로 생산을 자극시키거나, 세포로부터 1종 이상의 정밀 화학물질의 생산율을 증진시킬 수 있다. 예를 들어, 리신 생합성에서 하나 이상의 효소의 발현을 활성화시켜서 수율, 생산성 및(또는) 생산 효율의 증가를 통해, 다량의 리신이 필요할 때, 통상적으로 세포가 다량으로 필요로 하는 다른 아미노산과 같은 다른 화합물의 발현이 동시에 증가할 수 있다. 또한, 전체 세포의 대사 조절을 변형시켜서 발효 배양의 환경 조건 (여기서 영양 및 산소 공급은 부족하고 아마도 독성 폐기 산물은 주변 환경에 대량 존재함)하의 세포의 성장 또는 복제를 증진시킬 수 있다. 성장 조건이 차선일지라도 예를 들어, 세포 외부 배지에 있는 높은 수준의 폐기 산물 (차선의 성장 조건에서 세포 성장과 분열을 막기 위함)에 대한 반응으로 세포막 생성에 필요한 분자 합성을 억제하는 MR 단백질을 돌연변이를 통해 상기 단백질이 상기 합성을 더이상 억제할 수 없게 함으로써, 배양에서 세포의 성장 및 증식을 증진시킬 수 있다. 배양에서 상기 화합물을 생산하는 대략으로 많은 수의 세포로 인해 증가된 성장 증가 또는 이런 증가된 생존력이 발효 배양으로부터 관심 정밀 화학물질의 수율 및(또는) 생산율을 증가시킬 것이다.
코리네박테리움 글루타미쿰으로부터의 관심 정밀 화학물질 수율을 증가시키기 위해서 MR 단백질을 돌연변이유발시키는 상기 전략들은 그에 제한되는 것이 아니며, 당업자에게는 이러한 돌연변이유발 전략들에 대한 변형법이 매우 명백하다. 이러한 전략을 사용하고 본원에 개시한 메카니즘을 포함시킴으로써, 돌연변이된 MR 핵산 및 단백질 분자를 발현하는 코리네박테리움 글루타미쿰 또는 그와 관련된 박테리아 균주를 생성하여 관심 화합물의 수율, 생산량 및(또는) 생산 효율을 개선시키는데 본 발명의 핵산 및 단백질 분자를 이용할 수 있다. 관심 화합물은 생합성 경로의 최종 생성물 및 천연 대사 경로의 중간체를 포함한 코리네박테리움 글루타미쿰 천연 생성물과 코리네박테리움 글루타미쿰 대사시에 천연적으로 생성되는 것은 아니지만 본 발명의 코리네박테리움 글루타미쿰 균주에 의해 생산되는 분자일 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 추가로 예시하기 위한 것으로써, 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안된다. 본 명세서에서 인용한 모든 참고문헌, 특허 출원 명세서, 특허 문헌 및 공개된 특허 출원 명세서의 내용은 본원에 참고로 도입된다.
실시예 1: 코리네박테리움 글루타미쿰 ATCC13032의 전체 게놈 DNA의 제조
BHI 배지 (디프코 (Difco) 제품) 중의 코리네박테리움 글루타미쿰 (ATCC 13032) 배양물을 30℃에서 격렬히 진탕시키면서 밤새 배양하였다. 원심분리하여 세포를 회수하여 상층액은 버리고, 세포를 완충액-I 5 mL (배양물 처음 부피의 5%에 해당함-언급한 모든 부피는 배양 부피 100 mL에 대해 계산한 값임) 중에 재현탁했다. 완충액-I의 조성은 다음과 같았다: 140.34 g/L 수크로스, 2.46 g/L MgS04 ×7 H2O, 10 mL/L KH2PO4 용액 (100 g/L, KOH를 사용하여 pH 6.7로 조정함), 50 mL/L M12 농축물 (10 g/L (NH4)2SO4, 1 g/L NaCl, 2 g/L MgSO4 ×7 H2O, 0.2 g/L CaCl2, 0.5 g/L 효모 추출물 (디프코 제품), 10 mL/L 미량 원소 혼합물 (200 mg/L FeSO4 ×H2O, 10 mg/L ZnSO4 ×7 H2O, 3 mg/L MnCl2
×4 H2O, 30 mg/L H3BO3, 20 mg/L CoCl2 ×6 H2O, 1 mg/L NiCl2 ×6 H2O, 3 mg/L Na2MoO
4 ×2 H2O), 500 mg/L 착화제 (EDTA 또는 시트르산), 100 mL/L 비타민 혼합물 (0.2 mg/L 바이오틴, 0.2 mg/L 엽산, 20 mg/L p-아미노 벤조산, 20 mg/L 리보플라빈, 40 mg/L Ca 판토테네이트, 140 mg/L 니코틴산, 40 mg/L 피리독살 히드로클로라이드, 200 mg/L 미오이노시톨). 상기 현탁액에 리소짐을 최종 농도 2.5 mg/mL로 첨가했다. 37℃에서 대략 4시간 동안 인큐베이션시킨 후, 세포벽을 파괴하고 원심분리하여 원형질체를 수거했다. 펠렛을 완충액-I 5 mL로 1회 세척하고, TE 완충액 (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8) 5 mL로 1회 세척했다. 펠렛을 TE 완충액 4 mL 중에 재현탁하고, SDS 용액 (10%) 0.5 mL 및 NaCl 용액 (5 M) 0.5 mL을 첨가했다. 프로테이나제 K를 최종 농도 200 ㎍/mL로 첨가한 후, 상기 현탁액을 37℃에서 대략 18시간 동안 인큐베이션시켰다. 표준 방법에 따라 DNA를 페놀, 페놀/클로로포름/이소아밀 알콜 및 클로로포름/이소아밀 알콜로 추출하여 정제했다. 이어서, 1/50배 부피의 3 M 아세트산나트륨 및 2배 부피의 에탄올을 첨가하여 DNA를 침전시킨 후, -20℃에서 30분 동안 인큐베이션시키고, SS34 회전자 (소르발 (Sorvall) 제품)를 사용한 고속 원심분리기에서 12,000 rpm로 30분 동안 원심분리했다. DNA를 20 ㎍/mL RNaseA를 함유하는 TE 완충액 1 mL 중에 용해시키고, 4℃에서 3시간 이상 동안 TE 완충액 1000 mL 중에 투석했다. 투석 동안, 상기 완충액을 3회 교환하였다. 투석된 DNA 용액을 0.4 mL씩 분취하여, 2 M LiCl 0.4 mL 및 에탄올 0.8 mL을 첨가했다. -20℃에서 30분 동안 인큐베이션시킨 후, 원심분리 (13,000 rpm, 독일 하나우 헤래우스에 소재하는 바이오퓨지 프레스코 (Biofuge Fresco) 제품)하여 DNA를 수집했다. DNA 펠렛을 TE 완충액 중에 용해했다. 이 방법으로 제조된 DNA를 서던 블롯팅 또는 게놈 뱅크 제작 등의 모든 목적에 이용했다.
실시예 2: 대장균에서 코리네박테리움 글루타미쿰 (ATCC13032)의 게놈 뱅크 제작
실시예 1에 기재한 바와 같이 제조된 DNA를 사용하여, 공지되고 확립되어 있는 방법 (예를 들어 문헌 [Sambrook, J. et al. (1989) "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press] 또는 문헌 [Ausubel, F.M. et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons] 참조)에 따라 코스미드 및 플라스미드 뱅크를 제작했다.
임의의 플라스미드 또는 코스미드를 사용할 수 있었다. 특히, 플라스미드 pBR322 [Sutcliffe, J.G. (1979) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75:3737-3741]; pACYC177 [Change & Cohen (1978) J. Bacteriol 134:1141-1156], pBS 계열의 플라스미드 (pBSSK+, pBSSK- 등; 미국 라졸라에 소재하는 스트라타진 (Stratagene) 제품) 또는 SuperCos I (미국 라졸라에 소재하는 스트라타진 제품) 또는 Lorist6 [Gibson, T.J., Rosenthal A. and Waterson, R.H. (1987) Gene 53:283-286] 등의 코스미드를 사용하는 것이 바람직했다.
실시예 3: DNA 서열분석 및 컴퓨터를 이용한 기능 분석
실시예 2에 기재한 바와 같은 게놈 뱅크를 사용하여, 표준 방법, 특히 ABI377 서열 분석기를 사용한 쇄 종결 방법 (예를 들어 문헌 [Fleischman, R.D. et al. (1995) "Whole-genome Random Sequencing and Assembly of Haemophilus Influenzae Rd.", Science, 269:496-512])에 따른 DNA 서열분석을 수행했다. 하기 뉴클레오티드 서열을 갖는 서열분석 프라이머를 사용했다: 5'-GGAAACAGTATGACCATG-3' 또는 5'-GTAAAACGACGGCCAGT-3'.
실시예 4: 생체내 돌연변이유발
코리네박테리움 글루타미쿰의 생체내 돌연변이유발은 유전 정보의 통합성을 유지할 수 없는 대장균 또는 다른 미생물 (예를 들면, 바실러스 종 또는 사카로마이세스 세레비지애 등의 효모)에 플라스미드 (또는 다른 벡터) DNA를 계대배양하여 수행할 수 있다. 전형적인 돌연변이유발 균주는 DNA 복구 시스템에 관한 유전자 (예를 들면, mutHLS, mutD, mutT 등; 비교하기 위해서는 문헌 [Rupp, W.D. (1996) DNA repair mechanisms, in Escherichia coli and Salmonella, pp. 2277-2294, ASM: Washington] 참조)에 돌연변이가 있다. 이러한 균주들은 당업자에게 공지되어 있다. 이러한 균주의 사용법은 예를 들어 문헌 [Greener, A. and Callahan, M. (1994) Strategies 7:32-34]에 예시되어 있다.
실시예 5: 대장균과 코리네박테리움 글루타미쿰 사이의 DNA 전달
여러 코리네박테리움 및 브레비박테리움 종은 자율적으로 복제되는 내인성 플라스미드 (예를 들면, pHM1519 또는 pBL1 등)를 함유하고 있다 (이에 관해 검토하기 위해서는 예를 들어 문헌 [Martin, J.F. et al. (1987) Biotechnology, 5:137-146] 참조). 대장균 및 코리네박테리움 글루타미쿰에 사용하기 위한 셔틀 벡터는 대장균의 경우에 사용하는 표준 벡터 (문헌 [Sambrook, J. et al. (1989), "Molecular Cloning: A Laboratory Manual", Cold Spring Harbor Laboratory Press] 또는 문헌 [Ausubel, F.M. et al. (1994) "Current Protocols in Molecular Biology", John Wiley & Sons])에 코리네박테리움 글루타미쿰의 복제 기점 및 적당한 마커를 부가하여 사용함으로써 쉽게 제작될 수 있다. 이러한 복제 기점은 코리네박테리움 및 브레비박테리움 종에서 단리한 내인성 플라스미드로부터 얻는 것이 바람직하다. 이들 종에 특히 유용한 형질전환 마커는 카나마이신 내성 유전자 (예를 들면, Tn5 또는 Tn903 트란스포손에서 유래함) 또는 클로람페니콜 내성 유전자 [Winnacker, E.L. (1987) "From Genes to Clones-Introduction to Gene Technology", VCH, Weinheim]이다. 대장균 및 코리네박테리움 글루타미쿰에서 복제되고 유전자 과다발현을 비롯한 각종 목적에 사용할 수 있는 매우 다양한 셔틀 벡터의 제조법에 관한 문헌들이 많이 있다 (예를 들어 [Yoshihama, M. et al. (1985) J. Bacteriol. 162:591-597], [Martin J.F. et al. (1987) Biotechnology, 5:137-146] 및 [Eikmanns, B.J. et al. (1991) Gene, 102:93-98] 참조).
표준 방법을 이용하여, 관심 유전자를 상기 기재한 셔틀 벡터들 중 하나에 클로닝하고 이러한 하이브리드 벡터를 코리네박테리움 글루타미쿰 균주에 도입할 수 있다. 코리네박테리움 글루타미쿰은 원형질체 형질전환법 [Kastsumata, R. et al. (1984) J. Bacteriol. 159:306-311], 전기천공법 [Liebl, E. et al. (1989) FEMS Microbiol. Letters, 53:399-303]을 이용하고 특정 벡터가 사용되는 경우에는 접합법 (예를 들어 문헌 [Schaefer, A et al. (1990) J. Bacteriol. 172:1663-1666]에 기재된 바와 같음)도 이용하여 형질전환시킬 수 있다. 또한, 코리네박테리움 글루타미쿰으로부터 플라스미드 DNA를 제조 (당업계에 공지된 표준 방법을 사용함)하고, 이것으로 대장균을 형질전환시켜 코리네박테리움 글루타미쿰의 셔틀 벡터를 대장균에 전달할 수도 있다. 이러한 형질전환 단계는 표준 방법으로 수행할 수 있지만, NM522 [Gough & Murray (1983) J. Mol. Biol. 166:1-19] 등과 같은 Mcr-결핍 대장균 균주를 사용하는 것이 유리하다.
실시예 6: 돌연변이된 단백질의 발현 측정
형질전환된 숙주 세포에서 돌연변이된 단백질의 활성 관찰은 상기 돌연변이 단백질이 야생형 단백질과 유사한 방식 및 유사한 양으로 발현된다는 사실을 바탕으로 한다. 돌연변이된 유전자의 전사량 (유전자 생성물의 번역에 이용가능한 mRNA 양에 관한 지표) 측정에 적합한 방법은 관심 유전자에 결합하도록 고안되어 검출가능한 표지 (통상적으로 방사성 표지 또는 화학발광 표지)가 부착된 프라이머를 사용하여 노던 블롯팅 (예를 들어 문헌 [Ausubel et al. (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York] 참조)을 수행하는 것인데, 이는 유기체 배양물의 전체 RNA를 추출하고 겔상에서 분리하여 안정한 매트릭스에 옮긴 후에 상기 프로브와 인큐베이션시켜, 프로브의 결합 및 그 결합 활성이 상기 유전자에 대한 mRNA의 존재 여부 및 또한 그 존재량을 지시하는 방법이다. 이러한 정보는 돌연변이된 유전자의 전사 정도에 관한 지표가 된다. 예를 들어 문헌 [Bormann, E.R. et al. (1992) Mol. Microbiol. 6:317-326]에 기재된 것과 같이 당업계에 공지된 각종 방법들을 이용하여 코리네박테리움 글루타미쿰의 세포내 전체 RNA를 단리할 수 있다.
상기 mRNA로부터 번역된 단백질의 존재 여부 또는 그 상대량은 웨스턴 블롯팅과 같은 표준 기술을 사용하여 측정할 수 있다 (예를 들어 문헌 [Ausubel et al. (1988) Current Protocols in Molecular Biology, Wiley: New York] 참조). 이 방법에서는, 세포내 전체 단백질을 추출하여 겔 전기영동법으로 분리한 후에 이를 니트로셀룰로스 등과 같은 매트릭스에 옮겨서 관심 단백질에 특이적으로 결합하는 항체 등과 같은 프로브와 함께 인큐베이션시킨다. 통상적으로, 이 프로브에는 쉽게 검출될 수 있는 화학발광 표지 또는 비색 표지가 부착되어 있다. 표지의 존재 여부 및 그의 관찰된 양은 그 세포 내에서 원하는 돌연변이 단백질의 존재 여부 및 그 존재량을 지시한다.
실시예 7: 유전자 변형된 코리네박테리움 글루타미쿰의 성장 - 배지 및 배양 조건
유전자 변형된 코리네박테리움을 합성 또는 천연 성장 배지에서 배양한다. 코리네박테리움을 위한 여러 다양한 성장 배지는 당업계에 공지되어 있으며 쉽게 입수가능하다 (문헌 [Lieb et al. (1989) Appl. Microbiol. Biotechnol. 32:205-210], [von der Osten et al. (1998) Biotechnology Letters, 11:11-16], 독일 특허 제4,120,867호, [Liebl (1992) "The Genus Corynebacterium", in: The Procaryotes, Volume II, Balows, A. et al., eds. Springer-Verlag]). 이들 배지는 1종 이상의 탄소 공급원, 질소 공급원, 무기염, 비타민 및 미량 원소로 구성된다. 바람직한 탄소 공급원은 단당류, 이당류 또는 다당류 등의 당이다. 매우 훌륭한 탄소 공급원의 예로는 글루코스, 프럭토스, 만노스, 갈락토스, 리보스, 소르보스, 리불로스, 락토스, 말토스, 수크로스, 라피노스, 녹말 및 셀룰로스 등이 있다. 또한, 당 정제시 생성되는 당밀 또는 기타 부산물 등과 같은 복합 화합물 등으로서 배지에 당을 공급할 수도 있다. 또한, 각종 탄소 공급원들의 혼합물을 첨가하는 것이 유리할 수도 있다. 다른 가능한 탄소 공급원은 메탄올, 에탄올, 아세트산 또는 락트산 등의 알콜 및 유기산이다. 질소 공급원은 통상적으로 유기 또는 무기 질소 화합물이거나 이러한 화합물을 함유하는 물질이다. 질소 공급원의 예로는 암모니아 기체 및 NH4Cl 또는 (NH4)2SO4, NH40H 등의 암모늄염, 질산염, 우레아, 아미노산 또는 옥수수 침지액, 대두 가루, 대두 단백질, 효모 추출물, 육류 추출물 등과 같은 복합 질소 공급원 등이 있다.
배지에 함유시킬 수 있는 무기 염 화합물로는 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 코발트, 몰리브덴, 칼륨, 망간, 아연, 구리 및 철의 염산염, 인산염 또는 황산염 등이 있다. 킬레이팅제를 배지에 첨가하여 금속 이온을 용액 중에 유지할 수 있다. 특히 적합한 킬레이팅제로는 카테콜 또는 프로토카테쿠에이트 등과 같은 디히드록시페놀 또는 시트르산 등의 유기산 등이 있다. 또한, 배지에는 통상적으로 비타민 또는 성장 촉진제 등의 다른 성장 인자가 함유되어 있고, 이들의 예로는 바이오틴, 리보플라빈, 티아민, 엽산, 니코틴산, 판토테네이트 및 피리독신 등이 있다. 성장 인자 및 염은 흔히 효모 추출물, 당밀, 옥수수 침유 등과 같은 복합 배지 성분으로부터 생성된다. 배지의 정확한 조성은 특정 실험마다 크게 달라지고, 각 경우마다 따로 결정된다. 배지의 최적화에 관한 정보는 문헌 ["Applied Microbiol. Physiology, A Practical Approach (editors P.M. Rhodes, P.F. Stanbury, IRL Press (1997) pp.53-73, ISBN 0 19 963577 3)]에서 찾을 수 있다. 또한, 스탠다드 1 (Standard 1) (머크 (Merck) 제품) 또는 BHI (Brain Heart Infusion, 디프코 제품) 등과 같이 제조 회사가 시판하는 것을 구입할 수도 있다.
모든 배지 성분들을 열처리 (1.5 bar 및 121℃에서 20분) 또는 멸균 여과로 멸균시킨다. 이 성분들은 한꺼번에 멸균시킬 수도 있고 필요에 따라서는 따로 멸균시킬 수도 있다. 모든 배지 성분들은 배양 초기부터 함유시킬 수도 있고, 원한다면 연속적으로 또는 배치식으로 첨가할 수도 있다.
배양 조건은 각 실험마다 따로 정의된다. 온도는 15℃와 45℃ 사이의 범위이어야 하고, 실험하는 동안 일정하게 유지시키거나 변경시킬 수 있다. 배지의 pH는 5 내지 8.5의 범위, 바람직하게는 약 7.0 정도이어야 하며, 배지에 완충액을 첨가하여 유지시킬 수 있다. 이러한 목적으로 사용할 수 있는 완충액의 예로는 인산칼륨 완충액 등이 있다. MOPS, HEPES, ACES 등과 같은 합성 완충액을 대안적으로 사용하거나 동시에 사용할 수 있다. 또한, 배양하는 동안 NaOH 또는 NH4OH를 첨가하여 pH를 일정하게 유지시킬 수도 있다. 효모 추출물 등의 복합 배지 성분이 사용되는 경우, 많은 복합 화합물들은 완충 성능이 높기 때문에 추가 완충액에 대한 요구를 감소시킬 수 있다. 미생물 배양에 발효기를 사용하는 경우, pH는 암모니아 기체를 사용하여 조절할 수도 있다.
인큐베이션 기간은 통상적으로 수 시간 내지 수 일이다. 이 시간은 브로쓰에 축적되는 생성물의 양이 최대가 되도록 선택한다. 개시한 성장 실험을 다양한 크기의 미량역가 플레이트, 유리관, 유리 플라스크 또는 유리 또는 금속 발효기 등의 각종 용기에서 수행할 수 있다. 다수의 클론을 스크리닝하기 위해서는, 미생물을 배플이 있거나 없는 미량역가 플레이트, 유리관 또는 진탕 플라스크에서 배양해야 한다. 요구되는 성장 배지를 100 mL 진탕 플라스크에 10% (부피 기준) 채워 사용하는 것이 바람직하다. 이 플라스크들은 100 내지 300 rpm 속력 범위의 회전 진탕기 상에서 진탕 (진폭 25 mm)되어야 한다. 대기를 습하게 유지함으로써 증발로 인한 손실량을 감소시키거나, 별법으로는 증발로 인한 손실량을 정확하게 보정해야 한다.
유전자 변형된 클론을 연구하는 경우, 변형되지 않은 대조 클론 또는 인서트가 없는 원래의 플라스미드를 함유하는 대조 클론도 분석해야 한다. CM 플레이트 (10 g/L 글루코스, 2.5 g/L NaCl, 2 g/L 우레아, 10 g/L 폴리펩톤, 5 g/L 효모 추출물, 5 g/L 육류 추출물, 22 g/L 아가, 2 M NaOH을 사용하여 pH 6.8로 조정) 등과 같은 아가 플레이트 상에서 30℃에서 인큐베이션하여 성장시킨 세포를 OD600이 0.5 내지 1.5가 되도록 배지에 접종한다. 배지 접종은 CM 플레이트로부터의 코리네박테리움 글루타미쿰 세포의 염수 용액을 도입하거나, 상기 박테리아의 예비배양액을 첨가하여 수행한다.
실시예 8: 돌연변이된 단백질의 기능에 관한 시험관내 분석
효소의 활성 및 반응 속도 (kinetics) 측정법은 당업계에 공지되어 있다. 특정하게 변형된 효소의 활성 측정 실험은 야생형 효소의 비활성에 맞추어야 하며, 당업자라면 이를 잘 수행할 수 있다. 효소에 관한 일반적인 개요 뿐만 아니라 효소의 구조, 반응 속도, 원리, 방법, 적용에 관한 구체적인 세부사항 및 많은 효소들의 활성 측정 방법의 예는 예를 들어 하기의 참고문헌에서 찾을 수 있다: [Dixon, M., and Webb, E.C.: (1979) Enzymes. Longmans: London; Fersht (1985) Enzyme Structure and Mechanism. Freeman, New York], [Walsh (1979) Enzymatic Reaction Mechanisms. Freeman: San Francisco], [Price, N.C., Stevens, L. (1982) Fundamentals of Enzymology. Oxford Univ. Press: Oxford], [Boyer, P.D., editors (1983) The Enzymes, 3rd edition. Academic Press: New York], [Bisswanger, H., (1994) Enzymkinetik, 2nd edition. VCH: Weinheim (ISBN 3527300325)], [Bergmeyer, H.U., Bergmeyer, J., Grassl, M., editors (1983-1986) Methods of Enzymatic Analysis, 3rd edition, vol. I-XII, Verlag Chemie: Weinheim] 및 [Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (1987) vol. A9, "Enzymes". VCH: Weinheim, pp. 352-363].
DNA에 결합하는 단백질의 활성은 DNA 밴드쉬프트 분석법 (겔 지연 분석법이라고 지칭하기도 함) 등과 같이 잘 확립되어 있는 여러 방법들을 사용하여 측정할 수 있다. 상기 단백질들이 다른 분자들의 발현에 미치는 영향은 리포터 유전자 분석법 (예를 들어 문헌 [Kolmar, H. et al. (1995) EMBO J. 14:3895-3904]과 그의 참고문헌에 기재된 바와 같음)을 사용하여 측정할 수 있다. β-갈락토시다제 등의 효소, 녹색 형광 단백질 및 여러가지 기타 효소가 사용되는 리포터 유전자 시험 시스템은 원핵 세포 및 진핵 세포 모두에의 적용에 대해 공지되어 있으며 잘 확립되어 있다.
막 수송 단백질의 활성은 문헌 [Gennis, R.B. (1989) "Pores, Channels and Transporters", in Biomembranes, Molecular Structure and Function, Springer: Heidelberg, pp. 85-137, 199-234 및 270-322]에 기재된 기술에 따라 측정할 수 있다.
실시예 9: 돌연변이된 단백질이 관심 생성물의 생산에 미치는 영향의 분석
코리네박테리움 글루타미쿰에서의 유전자 변형이 관심 화합물 (예컨대 아미노산)의 생산에 미치는 영향은 변형된 미생물을 적합한 조건 (예를 들어 상기 기재한 조건)하에서 성장시키고, 관심 생성물 (즉, 아미노산)의 생산 증가에 관여한 배지 성분 및(또는) 세포내 성분을 시험하여 결정할 수 있다. 이러한 분석 기술은 당업자에게 익히 공지되어 있으며, 분광분석법, 박층 크로마토그래피법, 각종 유형의 착색법, 효소적 및 미생물학적 방법 및 고성능 액체 크로마토그래피법 등과 같은 분석용 크로마토그래피법 등이 있다 (예를 들어 문헌 ([Ullman, Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. A2, pp. 89-90 및 pp. 443-613, VCH: Weinheim (1985)], [Fallon, A. et al., (1987) "Applications of HPLC in Biochemistry" in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, vol. 17], [Rehm et al. (1993) Biotechnology, vol. 3, Chapter III: "Product recovery and purification", pp. 469-714, VCH: Weinheim], [Belter, P.A. et al. (1988) Bioseparations: downstream processing for biotechnology, John Wiley and Sons], [Kennedy, J.F. and Cabral, J.M.S. (1992) Recovery processes for biological materials, John Wiley and Sons], [Shaeiwitz, J.A. and Henry, J.D. (1988) Biochemical separations, in Ulmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol. B3, Chapter 11, pp. 1-27, VCH: Weinheim] 및 [Dechow, F.J. (1989) Separation and purification techniques in biotechnology, Noyes Publications]) 참조).
최종 발효 생성물의 측정 뿐만 아니라, 중간체 및 부산물 등과 같이 관심 화합물의 생산에 이용된 대사 경로 중의 다른 성분들을 분석함으로써 전반적인 화합물 생산 효율을 측정할 수도 있다. 분석 방법으로는 배지 내의 영양분 (예컨대 당, 탄화수소, 질소 공급원, 인산염 및 기타 이온) 함량 측정, 바이오매스의 조성 및 성장 측정, 생합성 경로의 공통 대사물질의 생산 분석 및 발효 동안에 생성된 기체의 측정 등이 있다. 이러한 측정을 위한 표준 방법은 문헌 [Applied Microbial Physiology, A Practical Approach, P.M.Rhodes and P.F.Stanbury, eds., IRL Press, pp. 103-129, 131-163 및 165-192 (ISBN:0199635773)과 그의 참고문헌]에 기재되어 있다.
실시예 10: 코리네박테리움 글루타미쿰 배양물로부터의 관심 생성물의 정제
당업계에 공지된 여러가지 방법을 사용하여, 코리네박테리움 글루타미쿰 세포 또는 상기 기재한 배양물의 상층액으로부터 관심 생성물을 수득할 수 있다. 세포가 관심 생성물을 분비하지 않는 경우에는 배양물을 저속 원심분리하여 세포를 수거하고 기계적인 힘이나 초음파 등과 같은 표준 기술로 세포를 용균시킬 수 있다. 원심분리로 세포 잔해를 제거하여 가용성 단백질을 함유하는 상층액 분획물을 수득하고, 이를 사용하여 관심 화합물을 추가로 정제한다. 코리네박테리움 글루타미쿰 세포가 생성물을 분비하는 경우에는 배양물을 저속 원심분리하여 세포를 제거하고, 수득한 상층액 분획물을 추가로 정제한다.
상기 두 가지 정제 방법 모두의 경우에서 수득한 상층액 분획물을 적합한 수지를 사용한 크로마토그래피에 적용하여 관심 분자는 크로마토그래피 수지 상에 남지만 샘플 중의 많은 오염물질들은 남지 않게 하거나, 오염물질들은 수지에 남지만 원하는 분자는 남지 않게 한다. 필요에 따라서는, 동일하거나 상이한 크로마토그래피 수지를 사용하여 이러한 크로마토그래피 단계를 반복할 수 있다. 당업자라면, 적합한 크로마토그래피 수지를 선택하고 정제할 특정 분자에 대해 가장 효과적으로 이를 적용하는 것에 숙달되어 있을 것이다. 정제된 생성물을 여과 또는 한외여과사켜 농축시키고, 생성물의 안정성이 최대가 되는 온도에 저장할 수 있다.
당업계에는 상기 기재한 정제법 및 예를 들어 문헌 [Bailey, J.E. & Ollis, D.F. Biochemical Engineering Fundamentals, McGraw-Hill: New York (1986)]에 기재된 정제법 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 여러가지 정제법들이 공지되어 있다.
단리된 화합물의 확인 및 순도는 당업계의 기술로 측정할 수 있다. 이러한 기술로는 고성능 액체 크로마토그래피법 (HPLC), 분광분석법, 착색법, 박층 크로마토그래피법, NIRS법, 효소 분석법 또는 미생물학적 분석법 등이 있다. 이러한 분석 방법은 하기 문헌에서 고찰된다: [Patek et al. (1994) Appl. Environ. Microbiol. 60:133-140], [Malakhova et al. (1996) Biotekhnologiya 11:27-32], [Schmidt et al. (1998) Bioprocess Engineer. 19:67-70], [Ulmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (1996) vol. A27, VCH: Weinheim, pp. 89-90, pp. 521-540, pp. 540-547, pp. 559-566, pp. 575-581 및 pp. 581-587], [Michal, G. (1999) Biochemical Pathways: An Atlas of Biochemistry and Molecular Biology, John Wiley and Sons] 및 [Fallon, A. et al. (1987) Applications of HPLC in Biochemistry in: Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology, vol. 17].
등가물
당업자라면, 단순한 통상의 방법을 이용하여 본 발명의 특정 실시양태의 수많은 등가물을 알아내거나 확인할 수 있다. 이러한 등가물은 하기한 청구의 범위에 포함된다.
표 1의 정보는 다음과 같이 이해되어야 한다:
컬럼 1에서, "DNA ID"의 해당 번호는 첨부된 서열 목록에서의 서열 번호 각각을 지칭하는 것이다. 따라서, 컬럼 "DNA ID"의 "5"는 서열 5를 지칭한다.
컬럼 2에서, "AA ID"의 해당 번호는 첨부된 서열 목록에서의 서열 번호 각각을 지칭하는 것이다. 따라서, 컬럼 "AA ID"의 "6"은 서열 6을 지칭한다.
컬럼 3에서, "확인"은 각 서열에 대한 명확한 내부 명칭을 기재한 것이다.
컬럼 4에서, "AA 위치"의 해당 번호는 각 경우에서 동일 열에 있는 "AA ID"에 기재된 폴리펩티드 서열에서의 아미노산 위치를 지칭한다. 따라서, 컬럼 "AA 위치"의 "26"은 해당 폴리펩티드 서열의 아미노산 위치 26이다. 위치 번호는 N 말단을 +1로 하여 출발한다.
컬럼 5에서, "AA 야생형"의 해당 문자는 각 경우의 컬럼 4에 표시한 야생형 서열에서 해당 위치에 존재하는 아미노산을 지칭하며, 1문자 코드로 나타내었다.
컬럼 6에서, "AA 돌연변이체"의 해당 문자는 각 경우의 컬럼 4에 표시한 돌연변이체 서열에서 해당 위치에 존재하는 아미노산을 지칭하며, 1문자 코드로 나타내었다.
컬럼 7에서, "기능"은 해당 폴리펩티드 서열의 생리적 기능을 기재한 것이다.
단백질원성 아미노산의 1문자 코드는 다음과 같다:
A 알라닌
C 시스테인
D 아스파르트산
E 글루탐산
F 페닐알라닌
G 글리신
H 히스티딘
I 이소루이신
K 리신
L 루이신
M 메티오닌
N 아스파라긴
P 프롤린
Q 글루타민
R 아르기닌
S 세린
T 트레오닌
V 발린
W 트립토판
Y 티로신