KR20110118552A - Ethanol-resistant yeast strains and uses thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 효모 균주는 고농도 에탄올, 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있는 효모 균주이다. 따라서, 고농도의 에탄올에 내성을 보이는 균주를 발명함으로써 보다 효율적인 에탄올 생산에 유용하게 사용될 것이며 또한 바이오에탄올 생산공정시 발생하는 여러 스트레스에 저항성을 가진 고효율의 에탄올 생성능의 슈퍼균주로서 실용성을 가질 것이다.The present invention relates to ethanol-resistant transformed yeast strains comprising the mutated SPT15 gene and uses thereof. Yeast strains of the present invention are yeast strains that can grow in high concentration ethanol, preferably 12.5-15% ethanol. Therefore, by inventing strains that exhibit high concentrations of ethanol, it will be useful for more efficient ethanol production, and will also have utility as a super strain of high efficiency ethanol production ability that is resistant to various stresses generated in the bioethanol production process.
Description
본 발명은 에탄올―저항성 효모 균주 및 이의 용도에 대한 것이다.
The present invention is directed to ethanol-resistant yeast strains and their use.
식물 또는 해초(seaweed) 바이오매스로부터의 바이오에탄올의 생산은 장기간의 유용성 및 화석 연료의 해로운 환경적 측면에서 전세계적인 관심의 대상이 되고 있다(Jeffries and Lindbladm, 2009; Ragauskas, et al., 2006; Rubin, 2008). 하지만, 바이오에탄올의 상대적으로 높은 생산 비용이 연관 산업에서의 투자를 방해하고 있다. 이에, 바이오매스 획득, 전처리, 발효 및 산물 회수의 비용을 저감시키기 위한 많은 노력이 있어 왔다(Xu, et al., 2009). 바이오에탄올 생산 과정 동안, 에탄올-생산 미생물은 초기 기질의 높은 농도, 증가된 에탄올 농도 및 독성 부산물의 축적 같은 다양한 스트레스에 직면한다. 빠른 성장 및 효과적인 발효능 이 외에도, 상술한 스트레스들에 견딜 수 있는 능력이 에탄올 생산자를 선택하는 데 중요한 인자이다(Ding, et al., 2009; Gibson, et al., 2007; Yoshikawa, et al., 2009). 에탄올 생산율을 개선하기 위한 하나의 방법이 증가된 스트레스 저항성을 가진 스트레인들을 개발하는 것이다.The production of bioethanol from plant or seaweed biomass has been of worldwide interest in terms of long-term availability and harmful environmental aspects of fossil fuels (Jeffries and Lindbladm, 2009; Ragauskas, et al. , 2006; Rubin, 2008). However, the relatively high production costs of bioethanol have hampered investment in related industries. Thus, much effort has been made to reduce the costs of biomass acquisition, pretreatment, fermentation and product recovery (Xu, et al. , 2009). During the bioethanol production process, ethanol-producing microorganisms face various stresses such as high concentrations of initial substrates, increased ethanol concentrations and accumulation of toxic byproducts. In addition to rapid growth and effective fermentation capacity, the ability to withstand the stresses described above is an important factor in selecting ethanol producers (Ding, et al. , 2009; Gibson, et al. , 2007; Yoshikawa, et al. , 2009). One way to improve ethanol production is to develop strains with increased stress resistance.
효모 사카로미세스 세레비지에(S. cerevisiae)는 바이오매스 자원으로부터 바이오에탄올의 생산을 포함하는 여러 산업 분야에서 다양하게 이용되어 왔다. 효모 세포는 산업적 에탄올 발효 과정 동안 발생하는 고농도 에탄올 같은 여러 환경적 스트레스에 항상 노출되고, 이는 결국 세포 성장, 세포 생존율 및 에탄올 생산에 있어서의 감소를 초래한다(Casey and Ingledew, 1986). 따라서, 고농도 에탄올에 의해 야기된 스트레스를 극복할 수 있는 효모 균주의 개발이 요구되어져 왔다. 더 나아가, 마이크로어레이 및 포괄적 발현 패턴 분석 같은 지놈 전반에 걸친(genome-wide) 분석들의 이용이 에탄올 스트레스 관련된 신규한 유전자들을 동정하는 데 유용하였다(Hirasawa, et al., 2007; Teixeira, et al., 2009; Yoshikawa, et al., 2009). 이러한 접근방법을 통해, 에탄올 저항성에 관련된 많은 유전자들이 비-필수(nonessential) 유전자들로 동정되었다. 또한, 에탄올 저항성에 관련된 결과들은 각각 매치하지 않았고, 이러한 불일치는 균주 및 성장 조건에 기인한다고 보고하였다(Teixeira, et al., 2009). 따라서, 상술한 유전 정보로부터 구축된 균주는 항상 에탄올 스트레스 조건에 대한 변화를 초래하지 않는다(Yoshikawa, et al., 2009). 또한, 상업적으로 유용한 사카로미세스 세레비지에의 결실 돌연변이 라이브러리는 에탄올 저항성에 관련된 유전자들의 지놈 전반에 걸친 스크리닝에 이용되었다(Fujita, et al., 2006; Teixeira, et al., 2009; Yoshikawa, et al., 2009). 상술한 연구들은 주로 에탄올 민감성을 나타내는 돌연변이체들을 선택하여 상응하는 유전자를 고농도 에탄올 조건 하에서 성장에 필요한 유전자들로 동정하였다.Yeast S. cerevisiae has been used in a variety of industries, including the production of bioethanol from biomass resources. Yeast cells are always exposed to various environmental stresses such as high concentrations of ethanol that occur during industrial ethanol fermentation, which in turn results in a decrease in cell growth, cell viability and ethanol production (Casey and Ingledew, 1986). Therefore, there has been a need for the development of yeast strains that can overcome the stress caused by high concentrations of ethanol. Furthermore, the use of genome-wide assays, such as microarrays and comprehensive expression pattern analysis, has been useful in identifying novel ethanol stress related genes (Hirasawa, et al. , 2007; Teixeira, et al. , 2009; Yoshikawa, et al. , 2009). Through this approach, many genes involved in ethanol resistance have been identified as non-essential genes. In addition, results related to ethanol resistance did not match, respectively, and reported that this discrepancy was due to strain and growth conditions (Teixeira, et al. , 2009). Thus, strains constructed from the genetic information described above do not always result in changes to ethanol stress conditions (Yoshikawa, et al. , 2009). In addition, a commercially available Saccharomyces cerevisiae deletion mutant library was used for genome-wide screening of genes involved in ethanol resistance (Fujita, et al. , 2006; Teixeira, et al. , 2009; Yoshikawa, et. al. , 2009). The above studies mainly selected mutants exhibiting ethanol sensitivity to identify the corresponding genes as genes required for growth under high ethanol conditions.
일반적으로, 많은 유전자들이 중요한 세포내 표현형(예컨대, 병적 상태부터 대사산물의 과다발현)에 영향을 미친다고 알려져 있다. 하지만, 대부분의 세포 및 대사적 변형(engineering) 접근방법들은 벡터 구축 및 형질전환 효율의 실험적 제한점들로 인해 단일 유전자들의 결실(deletion) 또는 과다발현(overexpression)을 통해 실시되었다. 이로 인해, 여러 유전자들의 변형을 통한 조사가 배제되었다.In general, many genes are known to affect important intracellular phenotypes (eg, overexpression of metabolites from pathological conditions). However, most cellular and metabolic engineering approaches have been carried out through deletion or overexpression of single genes due to experimental limitations of vector construction and transformation efficiency. This ruled out the investigation through modification of several genes.
에탄올 스트레스 저항성에 대한 기작을 조사하기 위해, 많은 연구들이 있었다. 특히, 막 유동성과 관계된 불포화 지방산은 효모에서 에탄올 저항성의 중요한 결정인자로 간주되어 보고되었다(Kajiwara, et al., 2000; You, et al, 2003). 또한, 트리할로오스(Kim, et al., 1996) 또는 프롤린(Takagi, et al., 2005)의 세포내 축적이 효모의 에탄올 저항성을 개선시키고 에르고스테롤이 사카로미세스 세레비지에의 에탄올 저항성과 관련된 중요한 인자(Inoue, et al., 2000)라는 것이 보고되었다.To investigate the mechanism of ethanol stress resistance, there have been many studies. In particular, unsaturated fatty acids related to membrane fluidity have been reported and considered as important determinants of ethanol resistance in yeast (Kajiwara, et al. , 2000; You, et al , 2003). In addition, intracellular accumulation of trihalose (Kim, et al. , 1996) or proline (Takagi, et al. , 2005) improves yeast ethanol resistance and ergosterol to ethanol resistance to Saccharomyces cerevisiae. Has been reported to be an important factor associated with (Inoue, et al. , 2000).
에탄올 저항성 스트레인들을 개발하기 위해, 진화적 적응(Stanley, et al., 2010), 임의적 화학물질 돌연변이유발법(Mobini-Dehkordi, et al., 2008) 및 유전자 셔플링(Hou, 2010) 같은 고전적인 전략 이외에 3가지 다른 전략들이 최근에 이용되고 있다: 지놈 전반에 걸친 DNA 마이크로어레이 분석(Hirasawa, et al., 2007), 트랜스포존-매개된 결실 돌연변이 라이브러리(Takahashi, et al., 2001), 단일 유전자 넉-아웃(SGKO) 라이브러리(Auesukaree, et al., 2009; Fujita, et al., 2006; Kubota, et al., 2004; Teixeira, et al., 2009;van Voorst, et al., 2006; Yoshikawa, et al., 2009) 스크리닝 및 gTME(global transcriptional machinery engineering; Alper, et al., 2006). DNA 마이크로어레이 분석에서, 에탄올 스트레스에 의해 유도된 상향- 또는 하향-조절된 유전자들이 타겟 유전자들로서 처음으로 동정된 후, 에탄올 저항성을 부여하는 유전자들의 능력이 상향-조절된 유전자들의 과다발현 또는 하향-조절된 유전자들의 결실에 의해 검증된다. SGKO 라이브러리 스크리닝의 경우에는, 감소된 또는 증가된 성장을 나타내는 클론들은 에탄올을 존재 하에서 스크리닝하여 우선적으로 분리한다. 결실이 둔화된 성장을 야기하는 유전자들은 실질적으로 에탄올 민감성과 연관되어 있기 때문에, 과다발현에 의한 에탄올 저항성과의 연관성에 대해 검증해야 한다. 이와 대조적으로, 결실이 증가된 성장을 야기하는 유전자들은 에탄올 저항성 스트레인들을 제조하는 데 직접적으로 이용될 수 있다. 하지만, 상기 2가지 접근방법들의 문제는 매우 많은 수의 타겟 유전자들이 동정되어 있어야만 한다는 것이다. 예컨대, 효모 지놈에서 인코딩된 유전자들의 5-10% 정도의 유전자들이 동정된 경우에만 상기 방법들을 이용할 수 있다. 에탄올 민감성 유전자들의 동정은 에탄올 저항성의 분자 기반을 이해하는 데 도움을 줄 수 있지만, 에탄올 저항성 스트레인의 구축을 확실하게 보장하지는 않는다. 비록 에탄올 민감성 유전자들의 과다발현이 에탄올 저항성을 부여할 지 여부를 검증하는 것이 용이하고 간단할 지라도, 성공적인 예들이 거의 보고되지 않았다(Gibson, et al., 2007).To develop ethanol resistant strains, classical adaptations such as evolutionary adaptation (Stanley, et al., 2010), random chemical mutagenesis (Mobini-Dehkordi, et al. , 2008) and gene shuffling (Hou, 2010) In addition to strategies, three other strategies have recently been used: DNA microarray analysis across genomes (Hirasawa, et al. , 2007), transposon-mediated deletion mutation libraries (Takahashi, et al. , 2001), single genes Knock-out (SGKO) library (Auesukaree, et al. , 2009; Fujita, et al. , 2006; Kubota, et al. , 2004; Teixeira, et al. , 2009; van Voorst, et al. , 2006; Yoshikawa , et al. , 2009) screening and gTME (global transcriptional machinery engineering; Alper, et al. , 2006). In DNA microarray analysis, after up- or down-regulated genes induced by ethanol stress were first identified as target genes, the ability of the genes to confer ethanol resistance was overexpressed or down-regulated. Verified by deletion of regulated genes. For SGKO library screening, clones showing reduced or increased growth are preferentially separated by screening ethanol in the presence. Genes causing slowed growth in deletion are substantially associated with ethanol susceptibility and should be tested for association with ethanol resistance due to overexpression. In contrast, genes that result in increased growth of deletion can be used directly to prepare ethanol resistant strains. However, the problem with these two approaches is that a very large number of target genes must be identified. For example, the above methods can be used only when about 5-10% of genes encoded in the yeast genome are identified. The identification of ethanol sensitive genes can help to understand the molecular basis of ethanol resistance, but it does not guarantee the construction of ethanol resistance strains. Although it is easy and simple to verify whether overexpression of ethanol sensitive genes confer ethanol resistance, few successful cases have been reported (Gibson, et al. , 2007).
gTME는 하나 이상의 일반적인 전사인자들의 임의적 돌연변이유발법을 통해 전반적인 전사 프로파일을 재프로그래밍한다. 상기 접근방법은 이전에 치명적인 에탄올 농도에서 자랄 수 있는 것으로 보고된 SPT15 유전자에 의해 인코딩되는 TBP(TATA-binding protein)의 돌연변이를 유발함으로써 증가된 에탄올 저항성을 가지는 스트레인을 창출하는 데 처음으로 이용되었다(Alper, et al., 2006). 하지만, 다른 저자들은 이러한 증가된 에탄올 저항성이 산업적 적용을 위해 선택되지 않는 풍부 배지(rich medium)에서는 재생되지 않는다는 것을 보고하였다(Baerends, et al., 2009). 그럼에도 불구하고, SPT15 돌연변이는 많은 RNA 폴리머라제 II-의존성 유전자들을 조절하는 SAGA(Spt-Ada-Gcn5-아세틸트랜스퍼라제) 복합체의 서브유니트인 Spt3p와의 상호작용을 통해 전사 프로파일을 변화시킨다. 또한, SPT15 돌연변이는 다면발현 유전형질(pleiotrophic)로 동정되었으며(Eisenmann, et al., 1989), SPT15의 조절 도메인에서 몇몇 돌연변이가 전사증가를 초래하였다(Cang, et al., 1999). 상술한 발견들은 SPT15의 다른 돌연변이들이 다른 세트의 유전자들의 발현을 유도할 수 있다는 것을 나타낸다.gTME reprograms the overall transcription profile through random mutagenesis of one or more common transcription factors. This approach was used for the first time to create strains with increased ethanol resistance by inducing mutations in the TATA-binding protein (TBP) encoded by the SPT15 gene previously reported to be able to grow at lethal ethanol concentrations. Alper, et al. , 2006). However, other authors have reported that this increased ethanol resistance is not regenerated in a rich medium that is not selected for industrial applications (Baerends, et al. , 2009). Nevertheless, SPT15 mutations alter transcription profiles through interaction with Spt3p, a subunit of the SAGA (Spt-Ada-Gcn5-acetyltransferase) complex that regulates many RNA polymerase II-dependent genes. In addition, SPT15 mutations have been identified as pleiotrophic (Eisenmann, et al. , 1989), and several mutations in the regulatory domain of SPT15 resulted in increased transcription (Cang, et al. , 1999). The above findings indicate that different mutations of SPT15 can induce the expression of different sets of genes.
본 연구에서, 에탄올 저항성을 가지는 사카로미세스 세레비지에 스트레인을 개발하기 위해 이전에 보고된 바와 같이 gTME를 실시하였다(Alper, et al., 2006). 본 발명자들은 서로 다른 SPT15 돌연변이체 대립형질(allele)을 포함하는 다섯 개의 에탄올 저항성 스트레인들(ETSs)을 얻었으며, 에탄올 저항성 상에 SPT15 돌연변이의 효과를 조사하였다. 지놈 전반에 걸친(genome-wide) 마이크로어레이를 실시하여 에탄올 저항성에 관련된 유전자들을 동정하고 결실 돌연변이체를 이용하여 그들의 기능을 추가적으로 조사하였다.
In this study, gTME was performed as previously reported to develop strains in Saccharomyces cerevisiae with ethanol resistance (Alper, et al. , 2006). We obtained five ethanol resistant strains (ETSs) containing different SPT15 mutant alleles and investigated the effect of SPT15 mutations on ethanol resistance. Genome-wide microarrays were performed to identify genes involved in ethanol resistance and to further investigate their function using deletion mutants.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety, and the level of the technical field to which the present invention belongs and the contents of the present invention are more clearly explained.
본 발명자들은 에탄올-저항성 효모 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 PCR-매개된 임의적 돌연변이유발법(random mutagenesis)을 이용하여 돌연변이된 SPT15 유전자를 제작하고 이를 효모에 형질전환시켜 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 분리하였으며, 이들이 고농도 에탄올(예컨대, 15% 에탄올)에서 성장할 수 있다는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.We sought to develop ethanol-resistant yeast strains. As a result, the present inventors constructed a mutated SPT15 gene using PCR-mediated random mutagenesis and transformed it into yeast to isolate ethanol-resistant transformed yeast strains, which were highly concentrated ethanol (e.g., , 15% ethanol), thereby completing the present invention.
따라서, 본 발명의 목적은 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an ethanol-resistant transformed yeast strain.
본 발명의 다른 목적은 에탄올 생산방법을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing ethanol.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, claims and drawings.
본 발명의 양태에 따르면, 본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, the present invention provides an ethanol-resistant transformed yeast strain comprising a mutated SPT15 gene.
본 발명자들은 에탄올-저항성 효모 균주를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 PCR-매개된 임의적 돌연변이유발법(random mutagenesis)을 이용하여 돌연변이된 SPT15 유전자를 제작하고 이를 효모에 형질전환시켜 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주를 분리하였으며, 이들이 고농도 에탄올(예컨대, 15% 에탄올)에서 성장할 수 있다는 것을 확인하였다.We sought to develop ethanol-resistant yeast strains. As a result, the present inventors constructed a mutated SPT15 gene using PCR-mediated random mutagenesis and transformed it into yeast to isolate ethanol-resistant transformed yeast strains, which were highly concentrated ethanol (e.g., , 15% ethanol).
발화성, 휘발성 무색 액체인 에탄올은 가장 널리 이용되는 용매이다. 산업적으로, 에탄올은 자동차 연료 및 연료 첨가제로서 이용되며, 향수(scents), 향료(flavorings), 착색제(colorings) 및 의약품(medicines)으로도 이용된다. 또한, 에탄올은 알코올 음료 내 주요 정신활성 구성성분으로 중추신경계에 진정 효능을 가진다. 에탄올은 에틸렌의 수화를 통해 석유화학적으로 생산될 수 있으며, 효모를 이용하여 당을 발효시킴으로써 생물학적으로 생산될 수 있는데, 이러한 생물학적 생산은 석유 및 곡물 사료제의 가격에 의존적인 석유화학적 과정에 의한 생산보다 훨씬 경제적이다. 따라서, 생물학적 에탄올의 생산 과정을 위한 효모 균주의 개발은 매우 중요하다.Ethanol, a flammable, volatile colorless liquid, is the most widely used solvent. Industrially, ethanol is used as a vehicle fuel and fuel additive and also as a perfume, flavorings, colorings and medicines. Ethanol is also the main psychoactive component in alcoholic beverages and has a calming effect on the central nervous system. Ethanol can be produced petrochemically through hydration of ethylene and biologically by fermenting sugars using yeast, which is produced by petrochemical processes that depend on the price of petroleum and grain feed products. Much more economical than Therefore, the development of yeast strains for the production of biological ethanol is very important.
본 발명에 따르면, 본 발명은 효모에서 PCR에 의해 돌연변이 유발된 SPT15 유전자를 형질전환시킨 효모 균주들을 제공한다.According to the present invention, the present invention provides yeast strains that have transformed the SPT15 gene mutated by PCR in yeast.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이는 야생형 SPT15 유전자의 아미노산 서열 내에 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하며, 보다 바람직하게는 세 개 내지 다섯 개의 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하고, 가장 바람직하게는 서열목록 제6서열 내지 제10서열로 이루어진 아미노산 서열을 포함한다.According to a preferred embodiment of the invention, the mutation of the invention comprises a mutated amino acid sequence within the amino acid sequence of the wild type SPT15 gene, more preferably comprises three to five mutated amino acid sequences, most preferably The amino acid sequence consisting of SEQ ID NO: 6 to 10 sequences.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자는 야생형 SPT15 유전자의 K201, G216 및 Q225 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열; 야생형 SPT15 유전자의 L76 및 L175 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열; 야생형 SPT15 유전자의 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열; 야생형 SPT15 유전자의 F10 및 M197 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열; 또는 야생형 SPT15 유전자의 K15, W26 및 G192 위치의 아미노산 서열이 돌연변이된 아미노산 서열을 포함하는 돌연변이된 SPT15 유전자이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene of the present invention comprises an amino acid sequence of which the amino acid sequence of the K201, G216 and Q225 positions of the wild type SPT15 gene is mutated; Amino acid sequences of which the amino acid sequences of the L76 and L175 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; An amino acid sequence of which the amino acid sequences of the S42, C78, S163, and I212 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; An amino acid sequence of which the amino acid sequences of the F10 and M197 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; Or the mutated SPT15 gene comprising the mutated amino acid sequence of the amino acid sequence at positions K15, W26 and G192 of the wild-type SPT15 gene.
본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자는 야생형 SPT15 유전자의 K201, G216 및 Q225 위치의 아미노산 서열이 K201Q, G216S 및 Q225Stop으로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제6서열); 야생형 SPT15 유전자의 L76 및 L175 위치의 아미노산 서열이 L76V 및 L175S로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제7서열); 야생형 SPT15 유전자의 S42, C78, S163 및 I212 위치의 아미노산 서열이 S42N, C78R, S163P 및 I212N으로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제8서열); 야생형 SPT15 유전자의 F10 및 M197 위치의 아미노산 서열이 F10S 및 M197K로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제9서열); 또는 야생형 SPT15 유전자의 K15, W26 및 G192 위치의 아미노산 서열이 K15T, W26C 및 G192D로 변이된 돌연변이 서열(서열목록 제10서열)을 포함하는 돌연변이된 SPT15 유전자이다.According to a more preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene of the present invention comprises a mutant sequence (SEQ ID NO: 6) wherein the amino acid sequence of the K201, G216 and Q225 positions of the wild type SPT15 gene is mutated to K201Q, G216S and Q225Stop; Mutant sequences in which the amino acid sequences at the L76 and L175 positions of the wild-type SPT15 gene have been changed to L76V and L175S (SEQ ID NO: 7); Mutant sequences in which the amino acid sequences at positions S42, C78, S163 and I212 of the wild-type SPT15 gene have been changed to S42N, C78R, S163P and I212N (SEQ ID NO: 8); A mutant sequence in which the amino acid sequence of the F10 and M197 positions of the wild-type SPT15 gene is mutated to F10S and M197K (SEQ ID NO: 9); Or a mutated SPT15 gene comprising a mutated sequence (SEQ ID NO: 10) in which the amino acid sequences of the K15, W26, and G192 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated to K15T, W26C, and G192D.
본 발명에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자, 바람직하게는 서열목록 제6서열 내지 제10서열로 이루어진 돌연변이된 SPT15 유전자로 형질전환된 효모 균주는 고농도 에탄올, 보다 바람직하게는 5-15% 에탄올, 보다 더 바람직하게는 10-15% 에탄올, 그리고 가장 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있다.According to the present invention, the yeast strain transformed with the mutated SPT15 gene described above, preferably the mutated SPT15 gene consisting of SEQ ID NO: 6 to 10 sequence is a high concentration of ethanol, more preferably 5-15% ethanol, Even more preferably 10-15% ethanol, and most preferably 12.5-15% ethanol.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자는 플라스미드로 효모 세포에 도입될 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자는 효모 세포의 지놈(genomic) DNA에 도입될 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene described above may be introduced into yeast cells as a plasmid. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the mutated SPT15 gene described above may be introduced into genomic DNA of yeast cells.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자의 형질전환에 이용될 수 있는 효모 균주는 사카로마이세스 종(Saccharomyces spp.), 시조사카로마이세스 종(Schizosaccharomyces spp.), 피키아 종(Pichia spp.), 파피아 종(Paffia spp.), 클루이베로미세스 종(Kluyveromyces spp.), 칸디다 종(Candida spp.), 탈라로미세스 종(Talaromyces spp.), 브레타노미세스 종(Brettanomyces spp.), 파키솔렌 종(Pachysolen spp.), 데바리오미세스 종(Debaryomyces spp.) 또는 산업적인 배수체(polyploid) 효모 균주를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는, 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자의 형질전환에 이용될 수 있는 효모 균주는 사카로마이세스 종이며, 보다 더 바람직하게는 사카로마이세스 세레비지에이고, 가장 바람직하게는 사카로마이세스 세레비지에 L3262이다.
According to a preferred embodiment of the present invention, yeast strains that can be used for the transformation of the above-described mutated SPT15 gene are Saccharomyces spp., Schizosaccharomyces spp., Blood Pichia spp., Paffia spp., Kluyveromyces spp., Candida spp., Talaromyces spp., Bretanomyces sp . Brettanomyces spp.), Parkinson solren species (Pachysolen spp.), Deva Rio MRS species (Debaryomyces spp.) or including industrial diploid (polyploid) yeast strain, but are not limited to. More preferably, the yeast strain that can be used for the transformation of the mutated SPT15 gene described above is Saccharomyces species, even more preferably Saccharomyces cerevisiae, most preferably Saccharomyces The Seth Cervage is L3262.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자 카피를 효모 균주에 도입하는 단계 및/또는 효모 세포의 지놈 DNA의 내인성 SPT15 유전자를 돌연변이시키는 단계를 포함하는 에탄올-저항성 효모 균주 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides an ethanol-resistant yeast strain comprising introducing the above-described mutated SPT15 gene copy into a yeast strain and / or mutating the endogenous SPT15 gene of the genome DNA of yeast cells. Provide a method.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자가 삽입된 효모 균주를 에탄올로 대사될 수 있는 하나 이상의 기질을 포함하는 배양배지에서 배양하는 단계를 포함하는 에탄올 생산방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing ethanol comprising culturing the yeast strain into which the above-described mutated SPT15 gene is inserted in a culture medium comprising at least one substrate capable of metabolizing with ethanol. do.
본 발명의 방법은 상술한 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자로 형질전환된 효모 균주를 유효성분으로 포함하기 때문에, 둘 사이에 중복된 내용은 중복 기재에 따른 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since the method of the present invention includes the above-described yeast strain transformed with the mutated SPT15 gene of the present invention as an active ingredient, the overlapping content between the two is omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification according to the overlapping description. Omit.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 에탄올로 대사될 수 있는 기질은 C6 당(sugars)을 포함하고, 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 C6 당은 글루코오스를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the invention, the substrate which can be metabolized to ethanol comprises C6 sugars, and according to a more preferred embodiment of the invention, the C6 sugar comprises glucose, but is not limited thereto. no.
본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자를 포함하는 재조합 벡터 또는 그의 전사체에 의해 감염된 세포 및 유전자 도입에 의한 형질전환된 세포를 제공한다. 또한, 본 발명은 상술한 돌연변이된 SPT15 유전자를 포함하는 재조합 벡터 또는 상술한 돌연변이된 SPT15 단백질에 의해 형질전환된 형질전환체를 제공한다.The present invention provides cells infected by recombinant vectors or transcripts thereof comprising the mutated SPT15 gene described above and transformed cells by gene introduction. The present invention also provides a recombinant vector comprising the mutated SPT15 gene described above or a transformant transformed with the mutated SPT15 protein described above.
본 발명의 재조합 벡터는 서열목록 제6서열 내지 제10서열의 아미노산 서열을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열 또는 이의 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 포함한다. 본 발명의 벡터는 전형적으로 클로닝을 위한 벡터 또는 발현을 위한 벡터로서 구축될 수 있다. 또한, 본 발명의 벡터는 원핵세포 및 진핵세포를 숙주로 하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 원핵세포는 박테리아 세포 및 고세균을 포함하며, 진핵세포는 효모세포, 포유동물세포, 식물세포, 곤충세포, 줄기세포 및 곰팡이를 포함하고, 가장 바람직하게는 효모세포이다.The recombinant vector of the present invention comprises a nucleotide sequence encoding the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 to 10 or a complementary nucleotide sequence thereof. Vectors of the present invention can typically be constructed as vectors for cloning or vectors for expression. In addition, the vector of the present invention can be constructed using prokaryotic and eukaryotic cells as hosts. For example, prokaryotic cells include bacterial cells and archaea, and eukaryotic cells include yeast cells, mammalian cells, plant cells, insect cells, stem cells and fungi, most preferably yeast cells.
바람직하게는, 본 발명의 재조합 벡터는 (ⅰ) 상술한 본 발명의 발현대상물질을 인코딩하는 뉴클레오타이드 서열; (ⅱ) 상기 (ⅰ)의 뉴클레오타이드 서열에 작동적으로 연결되며 동물세포에서 작용하여 RNA 분자를 형성시키는 프로모터를 포함하며, 보다 바람직하게는 (ⅰ) 상술한 본 발명의 서열목록 제6서열 내지 제10서열의 아미노산 서열을 코딩하는 뉴클레오타이드 서열 또는 이의 상보적인 뉴클레오타이드 서열; (ⅱ) 상기 (ⅰ)의 뉴클레오타이드 서열에 작동적으로 연결되며 동물세포에서 작용하여 RNA 분자를 형성시키는 프로모터; 및 (ⅲ) 동물세포에서 작용하여 상기 RNA 분자의 3'-말단의 폴리아데닐화를 야기시키는 3'-비-해독화 부위를 포함하는 재조합 발현벡터를 포함한다.Preferably, the recombinant vector of the present invention comprises (i) a nucleotide sequence encoding the above-described expression target of the present invention; (Ii) a promoter that is operably linked to the nucleotide sequence of (iii) and acts on an animal cell to form an RNA molecule, and more preferably (iii) the above-mentioned SEQ ID NOs: 6 to 9 of the present invention A nucleotide sequence encoding an amino acid sequence of 10 sequences or a complementary nucleotide sequence thereof; (Ii) a promoter operably linked to the nucleotide sequence of (iii) and acting on animal cells to form RNA molecules; And (iii) a recombinant expression vector comprising a 3'-non-detoxification site that acts in an animal cell to cause 3'-end polyadenylation of the RNA molecule.
바람직하게는, 상술한 발현대상물질은 돌연변이된 SPT15 단백질, 보다 바람직하게는 서열목록 제6서열 내지 제10서열로 이루어진 돌연변이된 SPT15 단백질을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the above-described expression target material includes, but is not limited to, mutated SPT15 protein, more preferably mutated SPT15 protein consisting of SEQ ID NO: 6 to 10 sequences.
본 명세서에서 용어 “프로모터”는 코딩 서열 또는 기능적 RNA의 발현을 조절하는 DNA 서열을 의미한다. 본 발명의 제조합 발현벡터에서 발현대상물질-코딩 뉴클레오타이드 서열은 상기 프로모터에 작동적으로 연결된다. 본 명세서에서 용어 “작동적으로 결합된(operatively linked)”은 핵산 발현 조절 서열(예: 프로모터 서열, 시그널 서열, 또는 전사조절인자 결합 위치의 어레이)과 다른 핵산 서열 사이의 기능적인 결합을 의미하며, 이에 의해 상기 조절 서열은 상기 다른 핵산 서열의 전사 및/또는 번역을 조절하게 된다.As used herein, the term "promoter" refers to a DNA sequence that regulates the expression of a coding sequence or functional RNA. In the synthetic expression vector of the present invention, the expression-coding nucleotide sequence is operably linked to the promoter. As used herein, the term “operatively linked” refers to a functional binding between a nucleic acid expression control sequence (eg, a promoter sequence, a signal sequence, or an array of transcriptional regulator binding sites) and another nucleic acid sequence. Thus, the regulatory sequence will control the transcription and / or translation of the other nucleic acid sequence.
본 발명의 벡터가 원핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터(예컨대, tac 프로모터, lac 프로모터, lac UV5 프로모터, lpp 프로모터, pL λ 프로모터, pR λ 프로모터, rac5 프로모터, amp 프로모터, recA 프로모터, SP6 프로머터, trp 프로모터, T7 프로모터, 등), 해독의 개시를 위한 라이보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 보다 더 바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 숙주 세포는 E. coli이며, 가장 바람직하게는E. coli DH5α이다. 또한, 숙주 세포로서 E. coli가 이용되는 경우, E. coli 트립토판 생합성 경로의 프로모터 및 오퍼레이터 부위(Yanofsky, C., J. Bacteriol., 158: 1018-1024(1984)) 그리고 파아지 λ의 좌향 프로모터(pL λ 프로모터, Herskowitz, I. and Hagen, D., Ann. Rev. Genet., 14: 399-445(1980))가 조절 부위로서 이용될 수 있다. 한편, 본 발명에 이용될 수 있는 벡터는 당업계에서 종종 사용되는 플라스미드(예: pRS316, pSC101, ColE1, pBR322, pUC8/9, pHC79, pUC19, pET 등), 파지(예: λgt4λB, λ-Charon, λΔz1 및 M13 등) 또는 바이러스(예: SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있다.When the vector of the present invention is a prokaryotic cell as a host, powerful promoters capable of promoting transcription (e.g., tac promoter, lac promoter, lac UV5 promoter, lpp promoter, p L λ promoter, p R λ promoter,
또한, 본 발명의 재조합 벡터가 진핵세포, 바람직하게는 효모 세포에 적용되는 경우, 이용될 수 있는 프로모터는, 본 발명의 발현대상물질의 전사를 조절할 수 있는 것으로서, 효모 세포에서 유래된 프로모터, 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터 및 포유동물 세포의 지놈으로부터 유래된 프로모터를 포함하며, 예컨대, 효모(S. cerevisiae) GAPDH(Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) 프로모터, 효모(S. cerevisiae) GAL1 내지 GAL10 프로모터, 효모(Pichia pastoris) AOX1 또는 AOX2 프로모터, CMV(cytomegalo virus) 프로모터, 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40 프로모터, HSV의 tk 프로모터, RSV 프로모터, EF1 알파 프로모터, 메탈로티오닌 프로모터, 베타-액틴 프로모터, 인간 IL-2 유전자의 프로모터, 인간 IFN 유전자의 프로모터, 인간 IL-4 유전자의 프로모터, 인간 림포톡신 유전자의 프로모터 및 인간 GM-CSF 유전자의 프로모터를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가장 바람직하게는, 효모 GAPDH 프로모터이다.In addition, when the recombinant vector of the present invention is applied to eukaryotic cells, preferably yeast cells, the promoters that can be used are those capable of regulating the transcription of the expression target material of the present invention, promoters derived from yeast cells, mammals Promoters derived from animal viruses and promoters derived from genomes of mammalian cells, including, for example, the yeast ( G. cerevisiae ) GAPDH (Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) promoter, the yeast ( S. cerevisiae ) GAL1 to GAL10 promoters, yeast ( Pichia pastoris ) AOX1 or AOX2 promoter, CMV (cytomegalo virus) promoter, adenovirus late promoter, vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 promoter, tk promoter of HSV, RSV promoter, EF1 alpha promoter, metallothionine promoter, beta Actin promoter, promoter of human IL-2 gene, promoter of human IFN gene, human IL-4 gene Promoter, one containing the promoter and the promoter of the human GM-CSF gene of the human lymphotoxin gene, and the like. Most preferably, it is a yeast GAPDH promoter.
바람직하게는, 본 발명에 이용되는 발현 컨스트럭트는 폴리 아네닐화 서열을 포함한다(예: 소성장 호르몬 터미네이터 및 SV40 유래 폴리 아데닐화 서열).Preferably, the expression constructs used in the present invention comprise a polyaninylation sequence (eg, a glial growth hormone terminator and a SV40 derived poly adenylation sequence).
본 발명의 벡터를 숙주 세포 내로 운반하는 방법은 당업계에 공지된 다양한 방법들을 이용할 수 있으며, 예를 들어 숙주 세포가 원핵 세포인 경우, CaCl2 방법(Cohen, et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114(1973)), 하나한 방법(Cohen, et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114(1973); 및 Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580(1983)) 및 전기 천공 방법(Dower, et al., Nucleic. Acids Res., 16:6127-6145(1988)) 등에 의해 실시될 수 있으며, 진핵세포인 경우, 전기천공법(electroporation), 리포펙션(lipofection), 마이크로인젝션, 유전자총(particle bombardment), YAC에서 이용되는 효모 구형질체/세포 융합, 식물세포에서 이용되는 아그로박테리움-매개된 형질전환 등을 이용하여 실시할 수 있다.The method of carrying the vector of the present invention into a host cell may use various methods known in the art, for example, when the host cell is a prokaryotic cell, the CaCl 2 method (Cohen, et al., Proc. Natl. Acac Sci. USA , 9: 2110-2114 (1973)), one method (Cohen, et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA , 9: 2110-2114 (1973); and Hanahan, D., J. Mol. Biol. , 166: 557-580 (1983)) and electroporation methods (Dower, et al., Nucleic. Acids Res. , 16: 6127-6145 (1988)) and the like. For cells, electroporation, lipofection, microinjection, gene bombardment, yeast globular / cell fusion used in YAC, Agrobacterium-mediated trait used in plant cells It can carry out using a switching etc.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에 이용되는 발현대상물질-인코딩 뉴클레오타이드 서열은 “프로모터-발현대상물질 인코딩 뉴클레오타이드 서열-폴리 아데닐화 서열”의 구조를 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the expression-encoding nucleotide sequence used in the present invention has a structure of “promoter-expression encoding nucleotide sequence-poly adenylation sequence”.
본 발명의 벡터 시스템은 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 구축될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 방법은 Sambrook et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press(2001)에 개시되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.The vector system of the present invention may be constructed through various methods known in the art, and specific methods thereof are disclosed in Sambrook et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual , Cold Spring Harbor Laboratory Press (2001), This document is incorporated herein by reference.
본 발명의 재조합 발현벡터를 이용하여 형질전환된 효모 세포의 제조는 당업계에 통상적으로 공지된 유전자 전이방법에 의해 실시될 수 있다. 예를 들어, 전기천공법(electroporation), 리튬 아세테이트/DMSO 방법(Hill, J., et al., (1991), DMSO-enhanced whole cell yeast transformation. Nucleic Acids Res. 19, 5791.), 리포좀-매개 전이방법(Wong et al., 1980), 레트로바이러스-매개 전이방법(Chen, et al., (1990), J. Reprod. Fert. 41:173-182; Kopchick, et al., (1991) Methods for the introduction of recombinant DNA into chicken embryos. In Transgenic Animals, ed. N.L. First & F.P. Haseltine, pp.275-293, Boston; Butterworth-Heinemann; Lee, M.-R. and Shuman, R. (1990) Proc. 4th World Congr. Genet. Appl. Livestock Prod. 16, 107-110) 등을 이용하여 실시한다.The production of transformed yeast cells using the recombinant expression vector of the present invention can be carried out by gene transfer methods commonly known in the art. For example, electroporation, lithium acetate / DMSO method (Hill, J., et al., (1991), DMSO-enhanced whole cell yeast transformation. Nucleic Acids Res. 19, 5791.), liposomes- Mediated Transfer Methods (Wong et al ., 1980), Retrovirus-Mediated Transfer Methods (Chen, et al., (1990), J. Reprod. Fert. 41: 173-182; Kopchick, et al., (1991) Methods for the introduction of recombinant DNA into chicken embryos.In Transgenic Animals, ed.NL First & FP Haseltine, pp. 275-293, Boston; Butterworth-Heinemann; Lee, M.-R. and Shuman, R. (1990) Proc. 4th World Congr. Genet. Appl. Livestock Prod. 16, 107-110).
한편, 본 발명의 발현대상물질 단백질을 유효성분으로써 유전자 도입에 이용하기 위해 발현대상물질 단백질이 효과적으로 세포 내로 침투할 수 있어야 한다. 예를 들어, 상술한 돌연변이된 SPT15 단백질을 유효성분으로 이용하는 경우, 단백질 운반 도메인(PTD: protein transduction domain)을 돌연변이된 SPT15 단백질에 부착시키는 것이 바람직하다. 즉, 유효성분으로서 본 발명의 돌연변이된 SPT15 단백질을 세포 내로 도입(permeable peptide transduction)하기 위하여 단백질 운반 도메인(PTD: protein transduction domain)을 상기 단백질과 융합하여 융합 단백질을 만든다. 상기 단백질 운반 도메인(PTD)은 라이신/아르기닌 등 기본 아미노산 잔기들을 주로 포함하고 있어서 이와 융합된 단백질들을 세포막을 투과하여 세포내로 침투시키는 역할을 한다. 상기 단백질 운반 도메인(PTD)은 바람직하게는 HIV-1 Tat 단백질, 드로소필라 안테나페디아의 homeodomain, HSV VP22 전사조절단백질, vFGF에서 유도된 MTS 펩타이드, 페네트라틴, 트랜스포탄 또는 Pep-1 펩타이드에서 유래된 서열을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
On the other hand, in order to use the expression target protein of the present invention as an active ingredient to introduce the gene should be able to effectively penetrate into the cell. For example, when using the above-described mutated SPT15 protein as an active ingredient, it is preferable to attach a protein transduction domain (PTD) to the mutated SPT15 protein. That is, in order to introduce a mutated SPT15 protein of the present invention as an active ingredient into cells, a protein transduction domain (PTD) is fused with the protein to make a fusion protein. The protein transport domain (PTD) mainly contains basic amino acid residues such as lysine / arginine, and serves to permeate the proteins fused therewith into the cell through the cell membrane. The protein transport domain (PTD) is preferably in the HIV-1 Tat protein, the homeodomain of the drosophila antennafedia, the HSV VP22 transcriptional regulator protein, the MTS peptide derived from vFGF, the penetratin, the transpotane or the Pep-1 peptide. Including but not limited to sequences derived.
한편, 본 발명의 효모 균주는 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자의 대규모 동정에 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 동정은 (ⅰ) 본 발명의 형질전환된 효모 균주 및 형질전환되지 않은 정상 효모로부터 전사체 프로파일(transcriptome profiling)을 실시하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 전사체 프로파일을 비교/분석하는 단계를 실시함으로써, 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자를 대량으로 동정할 수 있다.On the other hand, the yeast strain of the present invention can be used for the large-scale identification of ethanol resistance and / or sensitive yeast genes. More specifically, the identification may comprise the steps of: (i) performing transcriptome profiling from the transformed yeast strain and untransformed normal yeast of the present invention; And (ii) comparing / analyzing the transcript profiles, thereby allowing large amounts of ethanol resistant and / or sensitive yeast genes to be identified.
상기 전사체 프로파일의 비교/분석에 있어서, 상기 정상 효모보다 상기 형질전환된 효모 균주에서 혼성화 시그널이 1.5배 이상의 증가 배수(fold increase)로 검출되면 에탄올 저항성을 상향-조절하는 유전자로 판단되고, 상기 시그널이 1.5배 이상의 감소 배수(fold decrease)로 검출되면 에탄올 저항성을 하향-조절하는 유전자로 판단된다.In the comparison / analysis of the transcript profile, when a hybridization signal is detected in a fold increase of 1.5 times or more in the transformed yeast strain than the normal yeast, it is determined that the gene up-regulates ethanol resistance. If the signal is detected by a fold decrease of more than 1.5-fold, it is considered a gene that down-regulates ethanol resistance.
본 발명의 방법은 상술한 본 발명의 돌연변이된 SPT15 유전자로 형질전환된 효모 균주를 유효성분으로 포함하기 때문에, 둘 사이에 중복된 내용은 중복 기재에 따른 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.Since the method of the present invention includes the above-described yeast strain transformed with the mutated SPT15 gene of the present invention as an active ingredient, the overlapping content between the two is omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification according to the overlapping description. Omit.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 전사체 프로파일은 마이크로어레이로 실시할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the transcript profile of the present invention can be carried out by microarray.
본 발명의 마이크로어레이에 있어서, 프로브는 혼성화 어레이 요소(hybridizable array element)로서 이용되며, 기체(substrate) 상에 고정화된다. 바람직한 기체는 적합한 견고성 또는 반-견고성 지지체로서, 예컨대, 막, 필터, 칩, 슬라이드, 웨이퍼, 파이버, 자기성 비드 또는 비자기성 비드, 겔, 튜빙, 플레이트, 고분자, 미소입자 및 모세관을 포함한다. 상기한 혼성화 어레이 요소는 상기의 기체 상에 배열되고 고정화 된다. 이와 같은 고정화는 화학적 결합 방법 또는 UV와 같은 공유 결합적 방법에 의해 실시된다. 예를 들어, 상기 혼성화 어레이 요소는 에폭시 화합물 또는 알데히드기를 포함하도록 변형된 글래스 표면에 결합될 수 있고, 또한 폴리라이신 코팅 표면에서 UV에 의해 결합될 수 있다. 또한, 상기 혼성화 어레이 요소는 링커(예: 에틸렌 글리콜 올리고머 및 디아민)를 통해 기체에 결합될 수 있다.In the microarray of the present invention, the probe is used as a hybridizable array element and is immobilized on a substrate. Preferred gases include, for example, membranes, filters, chips, slides, wafers, fibers, magnetic beads or non-magnetic beads, gels, tubing, plates, polymers, microparticles and capillaries, as suitable rigid or semi-rigid supports. The hybridization array elements are arranged and immobilized on the substrate. This immobilization is carried out by chemical bonding methods or by covalent binding methods such as UV. For example, the hybridization array element can be bonded to a glass surface modified to include an epoxy compound or an aldehyde group, and can also be bonded by UV at the polylysine coating surface. In addition, the hybridization array element may be coupled to the gas through a linker (e.g., ethylene glycol oligomer and diamine).
본 명세서에서 사용된 용어 “프로브”는 자연의 또는 변형된 모노머 또는 연쇄(linkages)의 선형 올리고머를 의미하며, 디옥시리보뉴클레오타이드 및 리보뉴클레오타이드를 포함하고 타깃 뉴클레오타이드 서열에 특이적으로 혼성화 할 수 있으며, 자연적으로 존재하거나 또는 인위적으로 합성된 것이다. 본 발명의 프로브는 바람직하게는 단일쇄이며, 올리고디옥시리보뉴클레오타이드이다. 본 발명의 프로브는 자연(naturally occurring) dNMP(즉, dAMP, dGMP, dCMP 및 dTMP), 뉴클레오타이드 유사체 또는 유도체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 프로브는 리보뉴클레오타이드도 포함할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 프로브는 골격 변형된 뉴클레오타이드 예컨대, 펩타이드 핵산(PNA)(Egholm, et al., Nature, 365:566-568(1993)), 포스포로티오에이트 DNA, 포스포로디티오에이트 DNA, 포스포로아미데이트 DNA, 아마이드-연결된 DNA, MMI-연결된 DNA, 2'-O-메틸 RNA, 알파-DNA 및 메틸포스포네이트 DNA, 당 변형된 뉴클레오타이드, 예컨대, 2'-O-메틸 RNA, 2'-플루오로 RNA, 2'-아미노 RNA, 2'-O-알킬 DNA, 2'-O-알릴 DNA, 2'-O-알카이닐 DNA, 헥소스 DNA, 피라노실 RNA 및 안히드로헥시톨 DNA, 및 염기 변형을 갖는 뉴클레오타이드 예컨대, C-5 치환된 피리미딘(치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 에티틸-, 프로피닐-, 알카이닐-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜- 포함), C-7 치환기를 갖는 7-데아자퓨린(치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 알카이닐-, 알켄일-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜-), 이노신 및 디아미노퓨린을 포함할 수 있다.As used herein, the term “probe” refers to a linear oligomer of natural or modified monomers or linkages, includes deoxyribonucleotides and ribonucleotides, and can specifically hybridize to a target nucleotide sequence, naturally Present or artificially synthesized. Probes of the invention are preferably single chain and oligodioxyribonucleotides. Probes of the invention can include naturally occurring dNMPs (ie, dAMP, dGMP, dCMP and dTMP), nucleotide analogues or derivatives. In addition, the probes of the present invention may also comprise ribonucleotides. For example, the probes of the present invention may be selected from framework modified nucleotides such as peptide nucleic acids (PNA) (Egholm, et al. , Nature , 365: 566-568 (1993)), phosphorothioate DNA, phosphorodithioate DNA, Phosphoramidate DNA, amide-linked DNA, MMI-linked DNA, 2'-0-methyl RNA, alpha-DNA and methylphosphonate DNA, sugar modified nucleotides such as 2'-0-methyl RNA, 2 '-Fluoro RNA, 2'-amino RNA, 2'-0-alkyl DNA, 2'-0-allyl DNA, 2'-0-alkynyl DNA, hexose DNA, pyranosyl RNA and anhydrohexitol DNA, and nucleotides with base modifications such as C-5 substituted pyrimidines (substituents are fluoro-, bromo-, chloro-, iodo-, methyl-, ethyl-, vinyl-, formyl-, ethyl -, Propynyl-, alkynyl-, thiazolyl-, imidazoryl-, pyridyl-, 7-deazapurine with C-7 substituents (substituents are fluoro-, bromo-, chloro-, Iodo-, methyl-, Ethyl-, vinyl-, formyl-, alkynyl-, alkenyl-, thiazolyl-, imidazoryl-, pyridyl-), inosine and diaminopurine.
본 발명의 마이크로어레이에 적용되는 시료 DNA는 표지(labeling)되어 마이크로어레이상의 어레이 요소와 혼성화된다. 혼성화 조건은 다양하게 할 수 있다. 혼성화 정도의 검출 및 분석은 표지 물질에 따라 다양하게 실시될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 시료 DNA는 아미노알릴-dUTP가 삽입되어 합성되며, NHS-에스테르 Cy 다이로 표지되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The sample DNA applied to the microarray of the present invention is labeled and hybridized with the array elements on the microarray. Hybridization conditions can vary. The detection and analysis of the hybridization degree can be variously carried out according to the labeling substance. According to a preferred embodiment of the present invention, the sample DNA of the present invention is synthesized by inserting aminoallyl-dUTP and labeled with NHS-ester Cy die, but is not limited thereto.
분석 대상이 되는 핵산 시료는 다양한 생시료(biosamples)에서 얻은 mRNA를 이용하여 제조할 수 있다. 상기 생시료는, 바람직하게는 효모 세포, 가장 바람직하게는 상술한 본 발명의 형질전환된 효모 세포이다. 프로브 대신에 분석 대상이 되는 cDNA를 표지하여 혼성화 반응-기초 분석을 실시할 수 있다.The nucleic acid sample to be analyzed can be prepared using mRNA obtained from various biosamples. The raw sample is preferably a yeast cell, most preferably the transformed yeast cell of the present invention described above. The hybridization reaction-based assay can be performed by labeling the cDNA to be analyzed instead of the probe.
프로브를 이용하는 경우, 프로브를 cDNA 분자와 혼성화시킨다. 본 발명에서, 적합한 혼성화 조건은 최적화 절차에 의하여 일련의 과정으로 결정될 수 있다. 이런 절차는 연구실에서 사용을 위한 프로토콜을 수립하기 위하여 당업자에 의하여 일련의 과정으로 실시된다. 예를 들어, 온도, 성분의 농도, 혼성화 및 세척 시간, 완충액 성분 및 이들의 pH 및 이온세기 등의 조건은 프로브의 길이 및 GC 양 및 타깃 뉴클레오타이드 서열 등의 다양한 인자에 의존한다. 혼성화를 위한 상세한 조건은 Sambrook, et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y.(2001); 및 M.L.M. Anderson, Nucleic Acid Hybridization, Springer-Verlag New York Inc. N.Y.(1999)에서 확인할 수 있다. 예를 들어, 상기 엄격조건 중에서 고 엄격조건은 0.5 M NaHPO4, 7% SDS(sodium dodecyl sulfate), 1 mM EDTA에서 65℃ 조건으로 혼성화하고, 0.1 x SSC(standard saline citrate)/0.1% SDS에서 68℃ 조건으로 세척하는 것을 의미한다. 또는, 고 엄격조건은 6 x SSC/0.05% 소듐 파이로포스페이트에서 48℃ 조건으로 세척하는 것을 의미한다. 저 엄격조건은 예를 들어, 0.2 x SSC/0.1% SDS에서 42℃ 조건으로 세척하는 것을 의미한다.If a probe is used, the probe is hybridized with the cDNA molecule. In the present invention, suitable hybridization conditions can be determined in a series of procedures by an optimization procedure. This procedure is carried out by a person skilled in the art in order to establish a protocol for use in the laboratory. For example, conditions such as temperature, concentration of components, hybridization and wash times, buffer components and their pH and ionic strength depend on various factors such as probe length and GC amount and target nucleotide sequence. Detailed conditions for hybridization are described in Sambrook, et al. , Molecular Cloning, A Laboratory Manual , Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY (2001); And MLM Anderson, Nucleic Acid Hybridization , Springer-Verlag New York Inc. NY (1999). For example, high stringency conditions were hybridized at 65 ° C in 0.5 M NaHPO 4 , 7% SDS (sodium dodecyl sulfate) and 1 mM EDTA, followed by addition of 0.1 x SSC / 0.1% SDS Lt; RTI ID = 0.0 > 68 C < / RTI > Alternatively, high stringency conditions means washing at < RTI ID = 0.0 > 48 C < / RTI > in 6 x SSC / 0.05% sodium pyrophosphate. Low stringency conditions mean, for example, washing in 0.2 x SSC / 0.1% SDS at 42 ° C.
핵산 시료 또는 프로브의 표지는 혼성화 여부를 검출케 하는 시그널을 제공할 수 있으며, 이는 올리고뉴클레오타이드에 연결될 수 있다. 적합한 표지는 형광단(예컨대, 플루오리신(fluorescein), 피코에리트린(phycoerythrin), 로다민, 리사민(lissamine), 그리고 Cy3와 Cy5(Pharmacia)), 발색단, 화학발광단, 자기입자, 방사능동위원소(P32 및 S35), 매스 표지, 전자밀집입자, 효소(알칼린 포스파타아제 또는 호스래디쉬 퍼옥시다아제), 조인자, 효소에 대한 기질, 중금속(예컨대, 금) 그리고 항체, 스트렙타비딘, 바이오틴, 디곡시게닌과 킬레이팅기와 같은 특정 결합 파트너를 갖는 햅텐을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 표지는 당업계에서 통상적으로 실시되는 다양한 방법, 예컨대, 닉 트랜스레이션(nick translation) 방법, 무작위 프라이밍 방법(Multiprime DNA labelling systems booklet, "Amersham"(1989)) 및 카이네이션 방법(Maxam & Gilbert, Methods in Enzymology, 65:499(1986))을 통해 실시될 수 있다. 표지는 형광, 방사능, 발색 측정, 중량 측정, X-선 회절 또는 흡수, 자기, 효소적 활성, 매스 분석, 결합 친화도, 혼성화 고주파, 나노크리스탈에 의하여 검출할 수 있는 시그널을 제공한다.Labels of nucleic acid samples or probes can provide a signal to detect hybridization, which can be linked to oligonucleotides. Suitable labels include fluorophores (eg fluorescein, phycoerythrin, rhodamine, lissamine, and Cy3 and Cy5 (Pharmacia), chromophores, chemilumines, magnetic particles, radioisotopes Elements (P 32 and S 35 ), mass labels, electron dense particles, enzymes (alkaline phosphatase or horseradish peroxidase), cofactors, substrates for enzymes, heavy metals (eg gold) and antibodies, streptavidin Hapten with specific binding partners, such as, but not limited to, biotin, digoxigenin and chelating groups. Labeling can be performed in a variety of ways conventionally practiced in the art, such as nick translation methods, random priming methods (Multiprime DNA labeling systems booklet, "Amersham" (1989)), and chination methods (Maxam & Gilbert, Methods). in Enzymology , 65: 499 (1986)). The label provides signals that can be detected by fluorescence, radioactivity, colorimetry, weighing, X-ray diffraction or absorption, magnetism, enzymatic activity, mass analysis, binding affinity, hybridization high frequency, and nanocrystals.
혼성화 반응 이후에, 혼성화 반응을 통하여 나오는 혼성화 시그널을 검출한다. 혼성화 시그널은 예컨대, 핵산 시료 또는 프로브에 결합된 표지의 종류에 따라 다양한 방법으로 실시할 수 있다. 예를 들어, 효소에 의해 표지된 경우, 이 효소의 기질을 혼성화 반응 결과물과 반응시켜 혼성화 여부를 확인할 수 있다. 이용될 수 있는 효소/기질의 조합은, 퍼옥시다아제(예컨대, 호스래디쉬 퍼옥시다아제)와 클로로나프톨, 아미노에틸카바졸, 디아미노벤지딘, D-루시페린, 루시게닌(비스-N-메틸아크리디늄 니트레이트), 레소루핀 벤질 에테르, 루미놀, 암플렉스 레드 시약(10-아세틸-3,7-디하이드록시페녹사진), HYR(p-phenylenediamine-HCl and pyrocatechol), TMB(tetramethylbenzidine), ABTS(2,2‘-Azine-di[3-ethylbenzthiazoline sulfonate]), o-페닐렌디아민(OPD) 및 나프톨/파이로닌; 알칼린 포스파타아제와 브로모클로로인돌일 포스페이트(BCIP), 니트로 블루 테트라졸리움(NBT), 나프톨-AS-B1-포스페이트(naphthol-AS-B1-phosphate) 및 ECF 기질; 글루코스 옥시다아제와 t-NBT(nitroblue tetrazolium) 및 m-PMS(phenzaine methosulfate) 등이다. 금 입자로 표지된 경우에는 실버 나이트레이트를 이용하여 실버 염색 방법으로 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자의 대규모 동정을 혼성화에 기초하여 실시하는 경우에는, 구체적으로 (i) 상술한 본 발명의 효모 균주 및 정상 효모로부터 유래한 핵산 시료를 마이크로어레이 기판에 고정된 프로브와 혼성화시키는 단계; (ii) 상기 혼성화 반응 발생 여부를 검출하는 단계를 포함한다. 혼성화 과정에 의한 혼성화 시그널의 세기를 분석함으로써, 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자 여부를 판단할 수 있다. 즉, 시료에서의 혼성화 시그널이 정상 시료(정상 세포)보다 1.5배 이상의 증가 배수로 검출되면 에탄올 저항성을 상향-조절하는 유전자로 판단되고, 상기 시그널이 1.5배 이상의 감소 배수로 검출되면 에탄올 저항성을 하향-조절하는 유전자로 판단된다.After the hybridization reaction, the hybridization signal coming out of the hybridization reaction is detected. The hybridization signal can be performed by various methods, for example, depending on the type of label bound to the nucleic acid sample or probe. For example, if labeled by an enzyme, the substrate of the enzyme can be reacted with the hybridization product to confirm hybridization. Combinations of enzymes / substrates that can be used include peroxidase (eg horseradish peroxidase) and chloronaphthol, aminoethylcarbazole, diaminobenzidine, D-luciferin, lucigenin (bis-N-methylacridinium). Nitrate), resorphin benzyl ether, luminol, amplex red reagent (10-acetyl-3,7-dihydroxyphenoxazine), p-phenylenediamine-HCl and pyrocatechol (HYR), tetramethylbenzidine (TMB), ABTS (2 , 2'-Azine-di [3-ethylbenzthiazoline sulfonate]), o -phenylenediamine (OPD) and naphthol / pyronine; Alkaline phosphatase with bromochloroindolyl phosphate (BCIP), nitro blue tetrazolium (NBT), naphthol-AS-B1-phosphate and ECF substrates; Glucose oxidase, t-NBT (nitroblue tetrazolium) and m-PMS (phenzaine methosulfate). When labeled with gold particles, it can be detected by silver dyeing using silver nitrate. Therefore, when large-scale identification of the ethanol resistant and / or susceptible yeast gene of the present invention is carried out on the basis of hybridization, specifically (i) a nucleic acid sample derived from the above-described yeast strain of the present invention and normal yeast is subjected to a microarray substrate. Hybridizing with a probe immobilized on the substrate; (ii) detecting whether the hybridization reaction occurs. By analyzing the intensity of the hybridization signal by the hybridization process, it is possible to determine whether the ethanol resistance and / or sensitive yeast gene. That is, if the hybridization signal in the sample is detected to be an increase fold of 1.5 times or more than the normal sample (normal cell), it is judged to be a gene that up-regulates ethanol resistance. It is judged to be a gene.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 마이크로어레이를 통해 검출된 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자의 발현량을 추가적으로 측정함으로써 재확인할 수 있다. 발현량의 측정은 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 실시될 수 있다. 예를 들어, RT-PCR(Sambrook, et al., Molecular Cloning. A Laboratory Manual, 3rd ed. Cold Spring Harbor Press(2001)), 노던 블롯팅(Kaufma et al., Molecular and Cellular Methods in Biology and Medicine, 102-108, CRC press) 또는 인 시투(in situ) 혼성화 반응(Sambrook, et al., Molecular Cloning. A Laboratory Manual, 3rd ed. Cold Spring Harbor Press(2001))을 이용하여 실시할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, it can be reconfirmed by additionally measuring the expression level of ethanol resistant and / or sensitive yeast genes detected through the microarray of the present invention. The measurement of expression level can be carried out through various methods known in the art. For example, RT-PCR (Sambrook, et al. , Molecular Cloning. A Laboratory Manual , 3rd ed. Cold Spring Harbor Press (2001)), Northern blotting (Kaufma et al., Molecular and Cellular Methods in Biology and Medicine) , 102-108, CRC press) or in situ hybridization reaction (Sambrook, et al. , Molecular Cloning. A Laboratory Manual , 3rd ed. Cold Spring Harbor Press (2001)).
RT-PCR 프로토콜에 따라 실시하는 경우에는 우선, 본 발명의 형질전환된 효모 균주 및 형질전환되지 않은 정상 효모로부터 총 RNA를 분리한 다음, 올리고 dT 프라이머 및 역전사효소를 이용하여 제1쇄 cDNA를 제조한다. 이어, 제1쇄 cDNA를 주형으로 이용하고, 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자-특이적 프라이머 세트를 이용하여 PCR 반응을 실시한다. 그런 다음, PCR 증폭 산물을 전기영동하고, 형성된 밴드를 분석하여 상술한 마이크로어레이 데이터와 비교함으로써 에탄올 저항성 및/또는 민감성 효모 유전자의 발현량 변화를 재검증한다.
When performing according to the RT-PCR protocol, first, total RNA is isolated from the transformed yeast strain and untransformed normal yeast of the present invention, and then the first-chain cDNA is prepared using oligo dT primer and reverse transcriptase. do. Subsequently, the first chain cDNA is used as a template, and a PCR reaction is performed using a set of ethanol resistant and / or sensitive yeast gene-specific primers. The PCR amplification products are then electrophoresed and the formed bands are analyzed and compared to the microarray data described above to re-validate changes in expression levels of ethanol resistant and / or sensitive yeast genes.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:
(a) 본 발명은 돌연변이(mutation)된 SPT15 유전자를 포함하는 에탄올-저항성 형질변형 효모 균주 및 이의 용도에 관한 것이다.(a) The present invention relates to an ethanol-resistant transformed yeast strain comprising a mutated SPT15 gene and use thereof.
(b) 본 발명의 효모 균주는 고농도 에탄올, 바람직하게는 12.5-15% 에탄올에서 성장할 수 있는 효모 균주이다.(b) Yeast strains of the present invention are yeast strains that can grow in high concentration ethanol, preferably 12.5-15% ethanol.
(c) 고농도의 에탄올에 내성을 보이는 균주를 발명함으로써 보다 효율적인 에탄올 생산에 유용하게 사용될 것이며, 또한 바이오에탄올 생산공정 시 발생하는 여러 스트레스에 저항성을 가진 고효율의 에탄올 생성능의 슈퍼균주로서 실용성을 가질 것이다.
(c) By inventing strains that are resistant to high concentrations of ethanol, they will be useful for the production of more efficient ethanol, and will also be useful as super strains of highly efficient ethanol-producing ability that are resistant to various stresses generated during bioethanol production. .
도 1은 5개의 ETS1-5의 증가된 에탄올 저항성을 보여주는 스팟 어세이 결과이다. 세포를 YSCD-Ura 또는 YPD 액체 배지에서 OD600 값 1까지 성장시킨 후 10배씩 연속적으로 희석하였다. 배양된 세포의 분취액(5 ㎕)을 적합한 농도의 에탄올을 포함하는 YSCD-Ura 또는 YPD 플레이트 배지에 스팟팅하고, 플레이트를 30℃에서 4-6일 동안 배양시켰다. 대조군 스트레인들은 부모 플라스미드(parental plasmids)를 L3262(C-L3262) 및 BY4741(C-BY4741)에 형질전화시켜 제조하였다. 도 1A는 YSCD-Ura 플레이트에서 ETS1-5의 스팟 어세이를 실시한 결과이다. 도 1B는 ETS1-5로부터 회수된 플라스미드를 L3262 및 BY4741에 다시 형질전환시켜 각각 rL-ETS1-5 및 rBY-ETS1-5을 제조하고, YSCD-Ura 플레이트에서 스팟 어세이를 실시하였다. 도 1C는 YPD 플레이트에서 실시한 ETS2 및 ETS3의 스팟 어세이 결과이다. 도 1D는 부모 플라스미드, 및 ETS2 및 ETS3로부터 회수된 플라스미드를 L3262의 지놈에 통합시킴으로써, 각각 iL3262, iETS2 및 iETS3을 제조하고, YSCD-Ura(위쪽 패널) 및 YPD 플레이트(아래쪽 패널)에서 스팟 어세이를 실시하였다.
도 2는 ETS2 및 ETS3의 에탄올 민감성을 보여주는 결과이다. 지시된 시간에 에탄올 충격을 가한 후, C-L3262, ETS2 및 ETS3를 12.5%(A) 및 15%(B) 에탄올의 존재 하에서 YSCD-Ura 플레이트에서 2일 동안 성장시켰다. 상대적인 생존율을 콜로니의 수를 카운팅한 후 % 대조군으로서 표현하였다. 심볼: C-L3262, △; ETS2, ■; 및 ETS3, ●. 실험은 세 번에 걸쳐서(triplicate) 실시하였다.
도 3은 ETS2 및 ETS3의 마이크로어레이 데이터 분석 결과이다. 마이크로어레이 분석은 에탄올 스트레스 없이 중간-로그 기(mid-log phase)까지 성장된 C-L3262(대조군), ETS2 및 ETS3로부터 제조된 폴리(A)+ RNAs를 이용하여 실시하였다. 2배 이상의 발현 배수 변화를 보이는 서로 다르게 발현된 유전자들이 클러스터링(A) 및 벤 도식(Venn diagram; B)로 프로파일링되었다. 도 3C는 마이크로어레이 데이터는 Hsp30, Hsp42 및 Hsp104에 대한 반-정량적 RT-PCR을 이용하여 재검증한 결과이다. 숫자 1 및 2는 생물학적으로 서로 독립적으로 두 번에 걸쳐서 실시한 것을 나타낸다.
도 4는 SGKO 돌연변이체들의 에탄올 민감도를 보여주는 스팟 어세이 결과이다. ETS2 및 ETS3에서 공통적으로 상향-조절되는 30개 유전자에 상응하는 개별 클론들을 BY4741 SGKO 라이브러리로부터 얻었다. 도 1과 마찬가지로, 스팟 어세이를 실시하였다. 부모 스트레인인 BY4741은 대조군으로서 이용하였다. 세포를 액체 YPD에서 배양시켜 0%, 6%, 8%, 10% 및 12% 에탄올을 포함하는 고형 YPD에 스팟팅한 후, 30℃에서 4-6일 동안 배양시켰다.
도 5는 iETS2 및 iETS3의 에탄올 저항성 스트레인들의 발효 능력을 관찰한 결과이다. 지수적으로 성장하는 대조군(iL3262, △) 및 2개의 저항성 스트레인, iETS2(■) 및 iETS3(●) 세포를 수득하여 100 ml의 YPD30E6[30% 글루코오스 및 6%(v/v) 에탄올로 보충된 YP]로 옮겼다. 시작 세포 밀도는 0.3의 OD600 값으로 조정하였다. 세포를 120 rpm으로 흔들면서 30℃에서 배양하였다. 시료를 12시간 마다 취한 후, 세포 성장(A) 및 에탄올 농도(B)를 각각 세포 밀도 측정 및 HPLC(high-pressure liquid chromatography)를 이용하여 결정하였다. 실험은 두 번에 걸쳐서(triplicate) 실시하였다.1 is a spot assay result showing increased ethanol resistance of five ETS1-5. Cells were grown up to OD 600 value 1 in YSCD-Ura or YPD liquid medium and then serially diluted 10-fold. Aliquots (5 μl) of cultured cells were spotted in YSCD-Ura or YPD plate medium containing appropriate concentrations of ethanol and plates were incubated at 30 ° C. for 4-6 days. Control strains were prepared by transducing parental plasmids into L3262 (C-L3262) and BY4741 (C-BY4741). FIG. 1A shows the results of a spot assay of ETS1-5 on a YSCD-Ura plate. 1B shows that the plasmid recovered from ETS1-5 was transformed back into L3262 and BY4741 to prepare rL-ETS1-5 and rBY-ETS1-5, respectively, and spot assayed on YSCD-Ura plates. 1C shows the results of spot assays of ETS2 and ETS3 on YPD plates. 1D shows the integration of parent plasmids and plasmids recovered from ETS2 and ETS3 into the genome of L3262 to prepare iL3262, iETS2 and iETS3, respectively, and spot assays on YSCD-Ura (top panel) and YPD plate (bottom panel). Was carried out.
2 shows the ethanol sensitivity of ETS2 and ETS3. After ethanol shock at the indicated time, C-L3262, ETS2 and ETS3 were grown for 2 days in YSCD-Ura plates in the presence of 12.5% (A) and 15% (B) ethanol. Relative survival was expressed as% control after counting the number of colonies. Symbol: C-L3262, Δ; ETS2, ■; And ETS3, ●. The experiment was conducted three times.
3 shows microarray data analysis results of ETS2 and ETS3. Microarray analysis was performed using poly (A) + RNAs prepared from C-L3262 (control), ETS2 and ETS3 grown to mid-log phase without ethanol stress. Differently expressed genes with more than two-fold expression fold changes were profiled by clustering (A) and Venn diagram (B). 3C shows microarray data revalidated using semi-quantitative RT-PCR for Hsp30, Hsp42 and Hsp104.
4 is a spot assay result showing ethanol sensitivity of SGKO mutants. Individual clones corresponding to 30 genes that are commonly up-regulated in ETS2 and ETS3 were obtained from the BY4741 SGKO library. As in FIG. 1, a spot assay was performed. The parent strain BY4741 was used as a control. Cells were cultured in liquid YPD and spotted on solid YPD containing 0%, 6%, 8%, 10% and 12% ethanol and then incubated at 30 ° C. for 4-6 days.
5 shows the results of observing the fermentation capacity of ethanol resistant strains of iETS2 and iETS3. Exponentially growing control (iL3262, Δ) and two resistant strains, iETS2 (■) and iETS3 (●) cells were obtained and supplemented with 100 ml of YPD30E6 [30% glucose and 6% (v / v) ethanol. YP]. Starting cell density was adjusted to an OD 600 value of 0.3. The cells were incubated at 30 ° C with shaking at 120 rpm. After samples were taken every 12 hours, cell growth (A) and ethanol concentration (B) were determined using cell density measurements and high-pressure liquid chromatography (HPLC), respectively. The experiment was conducted in triplicates.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .
실시예Example
실험재료 및 실험방법Materials and Experiments
효모 균주 및 성장 조건Yeast Strains and Growth Conditions
사카로미세스 세레비지에(S. cerevisiae) L3262(MAT-α, ura3-52 leu2-3 ll2 his4-34; 생명공학 연구소, 대전) 및 BY4741 (MATα his3Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0)를 발현 숙주(transformation recipients)로 이용하였다. 필수적이지 않은 반수체(nonessential haploid) 사카로미세스 세레비지에 결실 라이브러리는 허원기 박사(Seoul National University, Seoul, Korea)로부터 친절하게도 제공되었으며, 동정된 유전자의 확인에 이용되었다. 특별한 언급이 없는 한, 효모 세포는 비-선택적 증식(propagation)을 위해서 YPD 배지(1% 박토 효모 추출물, 2% 박토 펩톤 및 2w/v% 글루코오스, 그리고 고형 플레이트를 위해서 15% 박토-아가를 추가적으로 포함; Difco, MI)에서 30℃로 배양하거나 또는 선택적 증식을 위해서 효모 합성 완전 배지(YSCD medium; 아미노산이 없는 0.67% 효모 질소 베이스, 아미노산 보충 혼합물 및 2% 덱스트로오스, 그리고 고형 플레이트를 위해서 1.5% 박토-아가를 추가적으로 포함; MP, OH)에서 30℃로 배양하였다. 플라스미드 구축을 위해, pRS316 벡터(본 연구소 소장; CEN-기반된 벡터, 사카로미세스 세레비지애 GAPDH 프로모터, URA3 선택마커)를 발현 벡터로 이용하였으며, E. coli DH5α(Stratagene, CA)를 숙주로 이용하여 100 mg/l의 암피실린(Sigma-Aldrich, MO)이 보충된 루리아-베르타니 배지(LB): Difco, MI)에서 37℃ 배양시켰다.
S. cerevisiae L3262 ( MAT-α , ura3-52 leu2-3 ll2 his4-34 ; Biotechnology Research Institute, Daejeon) and BY4741 ( MATα his3Δ1 leu2Δ0 met15Δ0 ura3Δ0 ) are expressed as transformation recipients Used as. A nonnessential haploid Saccharomyces cerevisiae library was kindly provided by Dr. Won Weon-gi (Seoul National University, Seoul, Korea) and used to identify the identified genes. Unless otherwise noted, yeast cells additionally added YPD medium (1% Bacteria yeast extract, 2% Bactobacillus peptone and 2w / v% glucose, and 15% Bactobacillus-agar for solid plates) for non-selective propagation. Incubated at 30 ° C. in Difco, MI or yeast synthetic complete medium for selective propagation (YSCD medium; 0.67% yeast nitrogen base without amino acids, amino acid supplement mixture and 2% dextrose, and 1.5 for solid plates And additionally containing% bacto-agar; MP, OH). For plasmid construction, the pRS316 vector (Director of the Institute; CEN -based vector, Saccharomyces cerevisiae GAPDH promoter, URA3 selection marker) was used as the expression vector, E. Coli DH5α (Stratagene, Calif.) was used as a host and incubated at 37 ° C in Luria-Bertani medium (LB): Difco, MI supplemented with 100 mg / l Ampicillin (Sigma-Aldrich, Mo.).
분자생물학적 방법Molecular Biological Methods
플라스미드 제조, 클로닝 및 시퀀싱은 이전에 기재된 바와 같이 실시하였다(Sambrook, 2001). E.coli DH5α(Stratagene, USA)를 플라스미드 제조를 위한 숙주로 사용하였다.
Plasmid preparation, cloning and sequencing were performed as previously described (Sambrook, 2001). E. coli DH5α (Stratagene, USA) was used as a host for plasmid preparation.
RT-PCR(Reverse transcription-polymerase chain reaction) 및 PCRReverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and PCR
RT를 위해, 총 RNA를 지수적으로 성장하는 세포로부터 추출하였다. 일차 가닥 cDNAs를 제조자가 추천하는 바와 같이 임의적 헥사머 및 200 U의 M-MLV 역전사 효소(Promega, Madison, WI, USA)를 이용하여 2 ㎍의 총 RNA를 전사하여 합성하였다. PCR에 이용된 올리고뉴클레오타이드는 표 1에 기재되어 있다. 증폭 조건은 다음과 같다: 95℃, 1분; 55-60℃, 1분; 및 72℃, 증폭될 DNA 길이에 따라 적합한 연장 시간. RT-PCR 및 일반 PCR은 각각 20사이클 및 30사이클을 수행하였다. 필요하다면, PCR 산물을 젤 추출에 의해 정제하여 pGEM-T easy vector(Promega)에 클로닝하고 시퀀싱((주)Bionics, Seoul)하였다.
For RT, total RNA was extracted from exponentially growing cells. Primary strand cDNAs were synthesized by transcription of 2 μg total RNA using an optional hexamer and 200 U of M-MLV reverse transcriptase (Promega, Madison, WI, USA) as recommended by the manufacturer. Oligonucleotides used for PCR are listed in Table 1. Amplification conditions were as follows: 95 ° C., 1 minute; 55-60 ° C., 1 minute; And 72 ° C., an extension time appropriate for the length of DNA to be amplified. RT-PCR and general PCR performed 20 and 30 cycles, respectively. If necessary, PCR products were purified by gel extraction, cloned into pGEM-T easy vector (Promega) and sequenced (Bionics, Seoul).
STP15 돌연변이 라이브러리 구축STP15 Mutation Library Construction
야생형 SPT15(SPT15wt)의 전체 ORF(open reading frame)를 지놈 DNA를 템플레이트로 이용하여 센스 프라이머(5’-gtagggatcctgagatggccgatgaggaacgtt-3’, 밑줄 친 서열은 BamHI 위치) 및 안티센스 프라이머(5’-gtaggaattctcacatttttctaaattcacttag-3’, 밑줄 친 서열은 EcoRI 위치)로 PCR-증폭시켜 pGEM-T easy 벡터에 클로닝하여 pT-SPT15를 제조하였다. SPT15 돌연변이 라이브러리는 pT-SPT15를 템플레이트로 GeneMorph II 임의 돌연변이유발 키트(Stratagene, La Jolla, CA, USA) 및 상술한 프라이머를 이용하여 제조하였다. PCR 산물을 BamHI 및 EcoRI로 절단하여 pRS316-유래된 플라스미드인 pRS316-GCYH2gR에 클로닝하혔으며, 클론된 유전자들은 글라이세르알데하이드-3-포스페이트 디하이드로게나제 프로모터(TDH3 P) 및 갈락토오스-1-포스페이트 종결자(GAL7T)의 조절 하에 위치한다. 결과적인 플라스미드들을 E.coli DH5α에 형질전화시켜 30℃에서 배양함으로써, 4×106의 총 콜로니 수를 가지는 SPT15 돌연변이체에 대한 일차 라이브러리를 제조하였다. 임의적으로 선택된 20개의 콜로니들의 시퀀싱 결과, 분자-기반돤 돌연변이 생성률이 70%로 측정되었다. 돌연변이는 14개의 콜로니에서 거의 하나 이상, 대부분 3-5 위치에서 발견되었으며, 나머지는 야생형과 동일하였다. 증폭 및 대규모 제조를 거쳐, 라이브러리 플라스미드(500 ㎍)가 S. 세레비지에 L3262로 형질전환되어 고형 YSCD-Ura에서 25℃로 배양시켰다. 전체적인 효모 콜로니의 수는 약 5×106개로, 1 ㎍의 DNA 당 약 4×106의 콜로니 형성 단위(CFU)의 형질전환 효율을 나타냈다. 모든 콜로니들을 15 ml YSCD-Ura로 도포된 플레이트 표면을 긁어서 수득하여 SPT15 돌연변이체에 대한 효모 라이브러리를 제조하였다. 25℃에서 세포수를 4배 증식시킨 후, 사용할 때까지 세포 현탁액의 분취액(aliquots)을 20% 글라이세롤의 존재 하에서 -80℃에 저장하였다.
Using the full open reading frame (ORF) of wild type SPT15 (SPT15wt) as genome DNA as a template, a sense primer (5'-gtag ggatcc tgagatggccgatgaggaacgtt-3 ', underlined sequence is BamH I position) and antisense primer (5'-gtag) gaTtc tcacatttttctaaattcacttag-3 ', the underlined sequence was PCR-amplified with EcoR I position) and cloned into pGEM-T easy vector to prepare pT-SPT15. The SPT15 mutation library was prepared using GeneTorph II random mutagenesis kit (Stratagene, La Jolla, CA, USA) as a template and primers described above. PCR products were cleaved with BamH I and EcoR I and cloned into pRS316-derived plasmid, pRS316-GCYH2gR, and cloned genes were glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promoter ( TDH3 P ) and galactose-1. Located under the control of phosphate terminator (GAL7 T ). The resulting plasmids were transformed into E. coli DH5α and incubated at 30 ° C. to prepare a primary library for SPT15 mutants with a total colony number of 4 × 10 6 . Sequencing of 20 randomly selected colonies resulted in 70% molecular-based mutagenesis production. Mutations were found in at least one, mostly 3-5 positions, in the 14 colonies, with the remainder identical to the wild type. After amplification and large scale preparation, library plasmids (500 μg) were transformed into S326 cerevisiae with L3262 and incubated at 25 ° C. in solid YSCD-Ura. The total number of yeast colonies was about 5 × 10 6 , indicating a transformation efficiency of about 4 × 10 6 colony forming units (CFU) per 1 μg of DNA. All colonies were obtained by scraping a plate surface coated with 15 ml YSCD-Ura to prepare a yeast library for SPT15 mutants. After doubling the cell number at 25 ° C., aliquots of the cell suspension were stored at −80 ° C. in the presence of 20% glycerol until use.
효모 형질전환Yeast transformation
효모 형질전환을 위한 모든 플라스미드들을 RNA 절단 없이 수작업으로 제조하였다. DNA 농도는 알려진 농도의 대조군 DNA의 밴드 강도와 비교하여 측정하였다. DNAs 및 RNAs의 혼합물을 이전에 기술된 바와 같이 효모 형질전환에 사용하였다(Hirasawa, et al., 2007).
All plasmids for yeast transformation were prepared manually without RNA cleavage. DNA concentration was determined by comparing the band intensities of known concentrations of control DNA. Mixtures of DNAs and RNAs were used for yeast transformation as previously described (Hirasawa, et al. , 2007).
스팟 어세이Spot Assay
OD600 값 1로 배양된 세포의 분취액(5 ㎕)을 10배씩 연속적으로 희석하여 적합한 농도의 에탄올을 포함하는 고형 합성 배지 또는 풍부 배지에 스팟팅하였다. 플레이트를 30℃에서 4-6일 동안 배양시켰다.
Aliquots (5 μl) of cells incubated with an OD 600 value of 1 were serially diluted 10-fold and spotted on solid synthetic media or enriched media containing appropriate concentrations of ethanol. Plates were incubated at 30 ° C. for 4-6 days.
에탄올 민감성 어세이Ethanol Sensitization Assay
OD600 값 1로 배양된 세포를 수득하여 12.5%(v/v) 및 15%(v/v) 에탄올을 포함하는 신선한 YSCD-Ura 배지에 동일하게 분주하고 30℃에서 4-6시간 동안 배양시켰다. 적절한 시간에 분취액을 희석하여 고형 YPD 플레이트에 플레이팅하였다. 세포 생존율을 시간에 따라 측정하고 상대적인 CFU 수로 표현하였다.
Cells cultured with an OD 600 value of 1 were obtained and equally aliquoted in fresh YSCD-Ura medium containing 12.5% (v / v) and 15% (v / v) ethanol and incubated at 30 ° C. for 4-6 hours. . Aliquots were diluted at appropriate times and plated on solid YPD plates. Cell viability was measured over time and expressed in relative CFU numbers.
지놈 통합(Genomic integration)Genomic integration
돌연변이된 SPT15 유전자를 통합용 벡터 pRS406에 클로닝하여 URA3 내의 유일한 ApaI 위치를 이용하여 선형화시킨 후 사카로미세스 세레비지에 L3262로 형질전환시켰다. 또한, 클론을 포함하지 않는 플라스미드(inset-free plasmid)를 유사하게 처리하여 대조군 스트레인인 iL3262를 제조하였다. 지놈 통합은 PCR에 의해 확인하였다.
The mutated SPT15 gene was cloned into the integration vector pRS406 and linearized with the unique Apa I position in URA3 and then transformed to Saccharomyces cerevisiae with L3262. In addition, a control strain, iL3262, was prepared by similarly treating the clone-free plasmid (inset-free plasmid). Genome integration was confirmed by PCR.
전사체 프로파일(Transcriptome profiling) 및 데이터 분석Transcriptome profiling and data analysis
전사체 프로파일을 위해, 사카로미세스 세레비지에 30K 올리고 마이크로어레이(MYcroarray, Ann Arbor, MI, USA)를 이용하였다. 이전에 기술된 바와 같이, 총 RNA를 지수적으로 성장하는 세포로부터 추출하였으며, 마이크로어레이 분석을 위한 RNA QC(quality control)를 실시하였다(Park, et al., 2007). 아미노알릴-dUTP가 삽입된 cDNAs이 아미노알릴 포스트 DNA 표지 키트(GeneChem, Daejeon, Korea) 및 Superscript 역전사 효소(Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 40-50 ㎍의 총 RNA로부터 합성되었다. 합성된 cDNA는 NHS-에스테르 Cy 다이로 표지되어 혼성화에 이용되었다. 혼성화된 슬라이드는 SSC 완충액으로 세척한 후, ScanArray 5000 스캐너(Hewlett-Packard, Palo Alto, CA, USA)로 스캐닝되었다. 일차(raw) 마이크로어레이 데이터는 표준화를 위한 플랫폼-비의존성 Java 수단인 ArrayNorm(http://genome.tugraz.at/) 및 통계 분석을 이용하여 분석하였다(Pieler, et al., 2004). 평균적으로 두 배 이상으로 높게 변화하는 유전자들에 대한 클러스터링은 Cluster 3.0(http://rana.lbl.gov/EisenSoftware.htm)을 이용하여 실시하였다. 서로 다르게 발현된 유전자들 간의 기능적 카테고리의 인리치먼트는 MIPS Functional Catalogue(http://mips.gsf.de)를 이용하여 분석하였다. 특정 유전자 기능은 사카로미세스 지놈 데이터베이스(http://www.yeastgenome.org)에 기반하였고 전사인자 결합 위치는 YEATRACT(http://www.yeastact.com/index.php)로 분석하였다. DNA 마이크로어레이 데이터를 유효화시키기 위해, 반-정량적 역전사 PCR를 마이크로어레이 실험에 이용된 RNA 시료로 이전에 기술된 바와 같이 실시하였다(Oh, et al., 2004).
For transcript profiles, Saccharomyces cerevisiae was used with 30K oligo microarrays (MYcroarray, Ann Arbor, MI, USA). As previously described, total RNA was extracted from exponentially growing cells and subjected to RNA quality control (QC) for microarray analysis (Park, et al ., 2007). CDNAs incorporating aminoallyl-dUTP were synthesized from 40-50 μg total RNA using the aminoallyl post DNA labeling kit (GeneChem, Daejeon, Korea) and Superscript reverse transcriptase (Invitrogen, Carlsbad, Calif., USA). The synthesized cDNA was labeled with NHS-ester Cy die and used for hybridization. Hybridized slides were washed with SSC buffer and then scanned with a ScanArray 5000 scanner (Hewlett-Packard, Palo Alto, Calif., USA). Raw microarray data was analyzed using ArrayNorm ( http://genome.tugraz.at/ ) and statistical analysis, a platform-independent Java means for standardization (Pieler, et al. , 2004). Clustering for genes that change more than twice as high on average was performed using Cluster 3.0 ( http://rana.lbl.gov/EisenSoftware.htm ). Enrichment of functional categories between differently expressed genes was analyzed using the MIPS Functional Catalog ( http://mips.gsf.de ). Specific gene function was based on Saccharomyces genome database ( http://www.yeastgenome.org ) and transcription factor binding sites were analyzed by YEATRACT ( http://www.yeastact.com/index.php ). To validate DNA microarray data, semi-quantitative reverse transcription PCR was performed as previously described with RNA samples used in microarray experiments (Oh, et al. , 2004).
발효Fermentation
지수적으로 성장하는 세포를 수득하여 100 ml의 YPD30E6[30% 글루코오스 및 6%(v/v) 에탄올로 보충된 YP]로 옮겼다. 시작 세포 밀도는 0.3의 OD600 값으로 조정하였다. 세포를 120 rpm으로 흔들면서 30℃에서 배양하였다. 시료를 12시간 마다 취한 후, 세포 성장 및 에탄올 농도를 각각 세포 밀도 측정 및 HPLC(high-pressure liquid chromatography)를 이용하여 결정하였다. 시료를 60℃로 세팅된 Aminex HPX-87H 컬럼(Bio-Rad, Hercules, CA, USA)에 로딩하였다. 글루코오스 및 에탄올을 0.5 mM H2SO4를 이용하여 0.6 ml/분의 유동속도로 용출시켰다. 피크들은 굴절율(refractory index)에 의해 검출되고 지연시간(retention time)에 따라 동정되어 표준 곡선에 따라 정량화되었다. 세포 성장은 600 nm에서 광학밀도를 측정함으로써 모니터링하였다.
Exponentially growing cells were obtained and transferred to 100 ml of YPD30E6 [YP supplemented with 30% glucose and 6% (v / v) ethanol]. Starting cell density was adjusted to an OD 600 value of 0.3. The cells were incubated at 30 ° C with shaking at 120 rpm. After samples were taken every 12 hours, cell growth and ethanol concentration were determined using cell density measurements and high-pressure liquid chromatography (HPLC), respectively. Samples were loaded on an Aminex HPX-87H column (Bio-Rad, Hercules, CA, USA) set at 60 ° C. Glucose and ethanol were eluted with 0.5 mM H 2 SO 4 at a flow rate of 0.6 ml / min. Peaks were detected by refractory index and identified according to retention time and quantified according to a standard curve. Cell growth was monitored by measuring optical density at 600 nm.
실험결과Experiment result
에탄올-저항성 스트레인들의 동정Identification of Ethanol-Resistant Strains
고속 스크리닝을 통해 에탄올-저항성을 부여하는 유전자들을 동정하기 위해, 저농도의 에탄올 저항성 백그라운드를 가지는 스트레인을 이용하는 것이 일반적으로 유용하다. 테스트된 여러 사카로미세스 세레비지에 실험실 스트레인들은 대부분의 에탄올 민감하였기 때문에(결과를 보이지 않음), L3262를 선택하여 효모 SPT15 돌연변이체 라이브러리를 구축하는 데 이용하였다. 에탄올 저항성 스트레인의 스크리닝을 위해, 5×106 CFU의 효모 라이브러리 스탁의 분취액을 12.5% 또는 15% 에탄올이 첨가된 고형 YSCD-Ura 배지에 플레이팅하였다. 에탄올 증발을 억제하기 위해 플레이트를 밀봉한 후 30℃에서 배양시켰다. 10일 후, 12.5% 또는 15% 에탄올의 존재 하에서 각각 9개 및 6개의 콜로니가 나타났다. 15개 콜로니의 에탄올 저항성을 15% 에탄올까지 포함하는 고형 YSCD-Ura 배지에서 스팟 어세이로 조사하였다. 그 결과, 5개의 에탄올 저항성 스트레인들(ETS; ETS1-5)를 얻었다. 모든 5개의 스트레인들은 합성 배지 하의 15% 에탄올에 저항성을 가진 반면에, 대조군은 10%를 초과하는 에탄올 농도에 저항성을 가지지 않았다(도 1A).In order to identify genes that confer ethanol-resistance through high-speed screening, it is generally useful to use strains with a low concentration of ethanol resistant background. Since the laboratory strains in the various Saccharomyces cerevisiae tested were most ethanol sensitive (not showing results), L3262 was chosen and used to build the yeast SPT15 mutant library. For the screening of ethanol resistant strains, aliquots of 5 × 10 6 CFU yeast library stocks were plated on solid YSCD-Ura medium supplemented with 12.5% or 15% ethanol. Plates were sealed and incubated at 30 ° C. to inhibit ethanol evaporation. After 10 days, 9 and 6 colonies respectively appeared in the presence of 12.5% or 15% ethanol. The ethanol resistance of 15 colonies was examined by spot assay in solid YSCD-Ura medium containing up to 15% ethanol. As a result, five ethanol resistant strains (ETS; ETS1-5) were obtained. All five strains were resistant to 15% ethanol under synthetic medium, whereas the control group was not resistant to ethanol concentrations above 10% (FIG. 1A).
증가된 에탄올 저항성이 돌연변이된 SPT15에 의해 부여되는 지 여부를 확인하기 위해, 플라스미드들을 ETS15(SPT15의 돌연변이된 대립형질들에 대해 각각 pSPT15-M1, -M2, -M3, -M4 및 -M5)로 회복시켰다. 상술한 플라스미드들이 개별적으로 L3262 및 By4741로 재도입되어 각각 rL-ETS1-5 및 rBY-ETS1-5가 제조되었다. 대조군 스트레인을 구축하기 위해, SPT15wt를 포함하는 pRS316-GCYH2gR가 L3262 및 By4741로 재도입되어 각각 C-L3262 및 C-By4741가 제조되었다. 합성 배지 상에서 실시된 스팟 어세이의 경우, rL-ETS1-5는 ETS1-5와 동일한 정로도 에탄올 저항성을 나타냈다(도 1B, 위쪽 패널). 반면에, rBY-ETS1-5는 17.5% 에탄올과 같은 높은 에탄올에서 저항성을 나타냈다(도 1B, 아래쪽 패널). 이는 BY4741이 기본적으로 L3262보다 더 높은 에탄올 저항성을 보였던 스트레인이기 때문에 놀라운 현상이 아니다(결과를 보이지 않음). 따라서, ETS1-5의 증가된 에탄올 저항성은 돌연변이된 SPT15의 효과로 간주할 수 있었다.To confirm whether increased ethanol resistance is conferred by mutated SPT15, plasmids were converted to ETS15 (pSPT15-M1, -M2, -M3, -M4 and -M5, respectively, for the mutated alleles of SPT15). Recovered. The plasmids described above were individually reintroduced into L3262 and By4741 to produce rL-ETS1-5 and rBY-ETS1-5, respectively. To construct the control strain, pRS316-GCYH2gR comprising SPT15wt was reintroduced into L3262 and By4741 to produce C-L3262 and C-By4741, respectively. For the spot assays carried out on the synthetic medium, rL-ETS1-5 showed ethanol resistance even in the same manner as ETS1-5 (FIG. 1B, top panel). In contrast, rBY-ETS1-5 showed resistance in high ethanol such as 17.5% ethanol (FIG. 1B, bottom panel). This is not surprising because BY4741 is basically a strain that showed higher ethanol resistance than L3262 (no results shown). Thus, increased ethanol resistance of ETS1-5 could be regarded as the effect of mutated SPT15.
다음으로, 돌연변이를 확인하기 위해 각 플라스미드들을 시퀀싱하였다. 표 1은 각 SPT15 대립형질에서 돌연변이된 아미노산을 기재하고 있다: SPT15-M1의 경우, K201Q, G216S 및 Q225Stop; SPT15-M2의 경우, L76V 및 L175S; SPT15-M3의 경우, S42N, C78R, S163P 및 I212N; SPT15-M4의 경우, F10S 및 M197K; SPT15-M5의 경우, K15T, W26C 및 G192D.Next, each plasmid was sequenced to identify mutations. Table 1 lists the mutated amino acids in each SPT15 allele: K201Q, G216S and Q225Stop for SPT15-M1; L76V and L175S for SPT15-M2; For SPT15-M3, S42N, C78R, S163P and I212N; For SPT15-M4, F10S and M197K; For SPT15-M5, K15T, W26C and G192D.
구조 도메인Structural domains
aa
ETS2
ETS3
ETS4
ETS5ETS1
ETS2
ETS3
ETS4
ETS5
SPT15-M2
SPT15-M3
SPT15-M4
SPT15-M5SPT15-M1 b
SPT15-M2
SPT15-M3
SPT15-M4
SPT15-M5
L76V, L175S
S42N, C78R,
S163P, I212N
F10S, M197K
K15T, W26C, G192DK201Q, G216S, Q225Stop
L76V, L175S
S42N, C78R,
S163P, I212N
F10S, M197K
K15T, W26C, G192D
S1-H1 루프, H1'
N-말단, S1-H1 루프,
S1', S5'
N-말단, S3'-S4' 루프
N-말단, N-말단, S3'S3'-S4 'Loop, S5', H2 '
S1-H1 loop, H1 '
N-terminus, S1-H1 loop,
S1 ', S5'
N-terminal, S3'-S4 'loop
N-terminal, N-terminal, S3 '
a Chasman et al. (1993)에 기재된 바와 같은 구조 도메인 명칭: H, α-헬릭스; S, β-쉬트. a Chasman et al. Structural domain names as described in (1993): H, α-helix; S, β-sheet.
b N225Sto으로 인한 C-말단에서 16개의 아미노산이 결실됨.
b 16 amino acids deleted at the C-terminus due to N225Sto.
특히, SPT15-M1에서의 침묵 돌연변이(silent mutation)는 C-말단에 16개의 잔기가 결실된 절단 형태(truncated version)를 생산하였다. 표 1에서 볼 수 있듯이, SPT15 ORF 전반에 걸쳐서 퍼져있는 점 돌연변이들은 증가된 에탄올 저항성과 관련된 구조 도메인에 위치하지 않았다. SPT15-M2만이 유전자 전사 조절에 있어서 더욱 초기에 포함된 Spt3p와 상호작용하는 도메인에 돌연변이(L175S)를 포함하였다. 상술한 데이터는 Spt15p의 여러 소구역(subregions)에서의 돌연변이가 에탄올 저항성을 부여한다는 제안과 일치하는데, 이는 Spt3p 이 외에도 전사 기전의 다른 구성성분들과의 상호작용을 통해 이루어질 것으로 추측된다.In particular, a silent mutation in SPT15-M1 produced a truncated version with 16 residues deleted at the C-terminus. As can be seen in Table 1, point mutations spread throughout the SPT15 ORF were not located in the structural domain associated with increased ethanol resistance. Only SPT15-M2 contained a mutation (L175S) in the domain that interacts with Spt3p, which is earlier included in gene transcriptional regulation. The above data is consistent with the suggestion that mutations in various subregions of Spt15p confer ethanol resistance, which is believed to be achieved through interaction with other components of the transcriptional mechanism in addition to Spt3p.
도 1B의 데이터에 따르면, ETS1은 ETS4 및 ETS5보다 덜 저항성을 나타냈으며, ETS2 및 ETS3는 ETS4 및 ETS5보다 약간 더(또는 적어도 동일한) 저항성을 나타냈다. 따라서, ETS2 및 ETS3를 향후 실험을 위해 선택하였다. 특정 유전자의 발현을 위해 이용되는 S. 세레비지에 실험실 스트레인들은 항상 아미노산 생합성에 관계된 효소들을 인코딩하는 많은 유전자들에서 서로 독립적인 돌연변이들을 가지기 때문에 제한된 배지에서 배양되는 경우 성장을 위한 특정 아미노산을 보충할 필요가 있다. 돌연변이된 SPT15가 아닌 저농도 루이신 보충으로 인해 증가된 에탄올 저항성이 나타날 수 있다는 것이 논쟁의 대상이었다(Baerends, et al., 2009). 보다 자세하게는, 세포가 산업적 적용에 적합하지 않은 YPD 복합물 풍부 배지에서 배양된 경우 에탄올 저항성이 파괴되었다. 또한, ETS2 및 ETS3의 성장을 위해 루이신 및 히스티딘 보충이 필요하기 때문에, 이들 스트레인들의 증가된 에탄올 저항성이 SPT15 돌연변이에 의한 것이 아닐 수 있다. 따라서, ETS2 및 ETS3의 에탄올 저항성이 YPD 상의 스팟 어세이로 테스트되었다. 도 1C에서 볼 수 있듯이, 도 1A의 데이터에 반하여 ETS2는 15% 에탄올에 민감한 반면에, ETS3는 합성 배지에서 보여진 결과와 유사한 에탄올 저항성을 나타냈다. 하지만, 합성 배지에서 15% 에탄올에 매우 민감하였던 C-L3262 스트렌인은 YPD 상에서 약간의 에탄올 저항성을 가지는 것처럼 보였는데, 이는 풍부 배지에서 에탄올 저항성의 기본 레벨이 합성 배지보다 더 높다는 것을 의미한다. 종합적인 데이터는 ETS3가 ETS2보다 YPD 상에서 에탄올에 대한 저항성이 더 크다는 결론과 일치하였다.According to the data of FIG. 1B, ETS1 showed less resistance than ETS4 and ETS5, and ETS2 and ETS3 showed slightly more (or at least the same) resistance than ETS4 and ETS5. Therefore, ETS2 and ETS3 were selected for future experiments. S. cerevisiae laboratory strains used for the expression of specific genes always have mutations that are independent of each other in many genes encoding enzymes involved in amino acid biosynthesis, so they can supplement specific amino acids for growth when grown in a limited medium. There is a need. It was controversial that increased ethanol resistance could result from low leucine supplementation rather than mutated SPT15 (Baerends, et al. , 2009). More specifically, ethanol resistance was destroyed when cells were cultured in YPD complex rich media that were not suitable for industrial applications. In addition, because leucine and histidine supplementation are required for the growth of ETS2 and ETS3, the increased ethanol resistance of these strains may not be due to SPT15 mutations. Thus, ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was tested with a spot assay on YPD. As can be seen in FIG. 1C, ETS2 was sensitive to 15% ethanol against the data of FIG. 1A, whereas ETS3 showed ethanol resistance similar to the results seen in synthetic media. However, C-L3262 Strainin, which was very sensitive to 15% ethanol in the synthetic medium, appeared to have some ethanol resistance on YPD, which means that the base level of ethanol resistance in the rich medium is higher than the synthetic medium. The overall data were in agreement with the conclusion that ETS3 is more resistant to ethanol on YPD than ETS2.
발현 상의 세포-세포 이질성(heterogeneity)는 실험실 스트레인들에서 에피좀 과다발현으로부터 얻어진 정보가 산업적 적용으로까지 확대된 경우에 직면할 수 있는 문제들 중 하나이다. 이질성은 산업적 적용에서 효모 배양을 위해 임의대로 선택할 수 없는 선택 압력(selective pressures)의 지속적인 존재에도 불구하고 카피 수를 조절할 수 없음으로 인해 야기된다. 따라서, 선택 압력의 부재(즉, 염색체로의 통합) 하에서 유전자의 안정적인 발현 및 유지가 매우 바람직하다. 본 발명에서, 본 발명자들은 SPT15-M2 및 -M3가 L3262의 지놈에 통합된 스트레인들을 구축하였다: 상응하는 컨스트럭트를 각각 iETS2 및 iETS3로 명명하였다. 대조군 스트레인인 iL3262는 SPT15wt를 포함하는 플라스미드로 제조하였다. 도 1D는 YSCD(위쪽 패널) 및 YPD(아래쪽 패널)에서 상기 3개의 스트레인들의 스팟 어세이 결과를 보여준다. YSCD에서 iETS2 및 iETS3의 에탄올 저항성 정도는 YPD에서와 모두 유사하였다(도 1C). 즉, YPD에서 iETS2 및 iETS3가 YSCD에서보다 더 높은 에탄올 저항성을 가졌는데, 둘 간의 차이는 15% 에탄올 농도에서 조차도 관찰되지 않았다.Cell-cell heterogeneity in expression is one of the problems that may be encountered when information obtained from episomal overexpression in laboratory strains extends to industrial applications. Heterogeneity is caused by the inability to control the copy number in spite of the constant presence of selective pressures that are not arbitrarily selectable for yeast culture in industrial applications. Thus, stable expression and maintenance of genes in the absence of selection pressure (ie integration into the chromosome) is highly desirable. In the present invention, we constructed strains in which SPT15-M2 and -M3 were integrated into the genome of L3262: the corresponding constructs were named iETS2 and iETS3, respectively. Control strain iL3262 was prepared from a plasmid containing SPT15wt. 1D shows the spot assay results of the three strains in YSCD (top panel) and YPD (bottom panel). The degree of ethanol resistance of iETS2 and iETS3 in YSCD was similar as in YPD (FIG. 1C). That is, in YPD iETS2 and iETS3 had higher ethanol resistance than in YSCD, the difference between the two was not observed even at 15% ethanol concentration.
스팟 어세이 결과들을 다시 확인하기 위해, 12.5% 및 15%에 대한 민감성을 조사하였다. 두 스트레인들의 생존율이 12.5% 및 15% 에탄올 모두에서 대조군에 비해 현저하게 증가하였다(도 2). 12.5% 에탄올에서 50% 생존율(T50)을 나타내는 시간은 ETS2 및 ETS3의 경우 4.5시간이었으며, 대조군에서는 3.5시간이었다. 15% 에탄올에서는 T50은 ETS2 및 ETS3의 경우 100분, 그리고 대조군에서는 40분으로 더욱 큰 차이가 관찰되었다. 스팟 어세이 데이터와 함께 상술한 데이터는 ETS2 및 ETS3가 SPT15 돌연변이에 의해 증가된 에탄올 저항성을 가진다는 것을 확증하였다.To reconfirm spot assay results, the sensitivity to 12.5% and 15% was examined. Survival of both strains was significantly increased compared to the control in both 12.5% and 15% ethanol (FIG. 2). The time to show 50% survival (T 50 ) in 12.5% ethanol was 4.5 hours for ETS2 and ETS3 and 3.5 hours for the control group. In 15% ethanol, a greater difference was observed in T 50 with 100 minutes for ETS2 and ETS3 and 40 minutes for control. The data described above along with the spot assay data confirmed that ETS2 and ETS3 have increased ethanol resistance by SPT15 mutations.
증가된 에탄올 저항성을 가진 5개의 스트레인들은 SPT15 돌연변이체 라이브러리 스크리닝을 통해 얻어졌다. 플라스미드들이 이들 스트레이들로부터 회복되어 라이브러리 구축(L3262) 및 다른 스트레인(BY4741)에 이용된 스트레인에 다시 형질전환되었다. 또한, 새롭게 구축된 모든 스트레인들도 제한된 배지에서 증가된 에탄올 저항성을 나타냈다. ETS2 및 ETS3의 증가된 에탄올 저항성은 복합 풍부 배지에서도 유지되었기 때문에, 이전에 논쟁(Baerends, et al., 2009)과 같은 증가된 에탄올 저항성이 특정 SPT15 돌연변이체 대립형질에 의한 루이신 섭취 및/또는 이용의 활성화에 의해 부여된다는 가능성을 배제하였다. ETS2 및 ETS3의 증가된 에탄올 저항성은 에탄올 민감성에 따른 에탄올 충격에 의해 확인되었다. 증가된 에탄올 저항성은 2개의 통합된 스트레인들에서 추가적으로 관찰되었는데, ETS2 및 ETS3로부터 유래된 이들 SPT15 돌연변이체 대립형질들은 L3262 지놈 상에 통합되었다.
Five strains with increased ethanol resistance were obtained through SPT15 mutant library screening. Plasmids were recovered from these strains and transformed back into the strains used for library construction (L3262) and other strains (BY4741). In addition, all newly constructed strains also showed increased ethanol resistance in limited media. Since the increased ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was also maintained in complex rich media, increased ethanol resistance, as previously discussed (Baerends, et al. , 2009), has shown that leucine uptake and / or by certain SPT15 mutant alleles may increase . The possibility of being granted by activation of use is excluded. Increased ethanol resistance of ETS2 and ETS3 was confirmed by ethanol impact with ethanol sensitivity. Increased ethanol resistance was additionally observed in two integrated strains, with these SPT15 mutant alleles derived from ETS2 and ETS3 integrated on the L3262 genome.
에탄올-저항성 돌연변이체 스트레인들의 전사체 프로파일 분석Transcript Profile Analysis of Ethanol-Resistant Mutant Strains
본 발명자들은 ETS2 및 ETS3의 증가된 에탄올 저항성을 책임지는 유전자들의 발현 레벨이 SPT15 돌연변이에 의해 조절되는가 여부에 관심을 가졌다. 이를 위해, YSCD-Ura에서 초기-로그 기(early-log phase)로 성장된 대조군 C-L3262, ETS2 및 ETS3 세포들로부터 추출된 총 RNAs를 이용하여 전사체 프로파일에 대한 DNA 마이크로어레이를 실시하였다. 두 번에 걸쳐서 마이크로어레이 실험을 실시한 후, 발현 배수의 변화를 평균화하였다. 일차 데이터가 접근번호 GSE23965로 GEO(Gene Expression Omnibus)에 등록되었다. 대조군과 비교하여 발현 배수 변화(fold change)가 두 배보다 크게 변화한 유전자들의 클러스터링은 ETS2와 ETS3 간의 서로 다른 발현 패턴으로 나타났는데, 이는 전반적인 전사 상에 SPT15의 다른 돌연변이들의 효과를 반영한다(도 3A). ETS2의 경우, 49개 및 11개의 유전자들이 각각 상향- 및 하향-조절되는 반면에, ETS3에서는 79개 및 21개의 유전자들이 각각 상향- 및 하향-조절되었다(도 3B). ETS2와 ETS3는 34개의 상향-조절된 유전자들 및 8개의 하향-조절된 유전자들을 공유하였다(도 3C). 마이크로어레이 데이터를 검증하기 위해, 컷오프(cutoff) 값 이상의 HSP30 및 HSP42, 그리고 컷오프 값 이하의 HSP104의 실제 발현 레벨을 RT-PCR로 조사하였다. 마이크로어레이 데이터에 따르면, HSP30, HSP42 및 HSP104가 ETS2에서는 각각 5.7배, 4.5배 및 1.7배 상향-조절되었으며, ETS3에서는 각각 6.3배, 4.1배 및 1.8배 상향-조절되었다. 상술한 유전자들의 증가 배수는 RT-PCR 데이터와 일치하였다(도 3c).We were interested in whether the expression levels of genes responsible for the increased ethanol resistance of ETS2 and ETS3 are regulated by SPT15 mutations. To this end, DNA microarrays for transcript profiles were performed using total RNAs extracted from control C-L3262, ETS2 and ETS3 cells grown in early-log phase in YSCD-Ura. After two microarray experiments, changes in expression fold were averaged. Primary data has been registered with Gene Expression Omnibus (GEO) under access number GSE23965. Clustering of genes with more than twofold changes in expression fold change compared to the control group resulted in different expression patterns between ETS2 and ETS3, reflecting the effects of different mutations of SPT15 on overall transcription (FIG. 3A). For ETS2, 49 and 11 genes were up- and down-regulated, respectively, while in ETS3 79 and 21 genes were up- and down-regulated, respectively (FIG. 3B). ETS2 and ETS3 shared 34 up-regulated genes and 8 down-regulated genes (FIG. 3C). To verify the microarray data, the actual expression levels of HSP30 and HSP42 above the cutoff value and HSP104 below the cutoff value were examined by RT-PCR. According to microarray data, HSP30, HSP42 and HSP104 were up-regulated 5.7, 4.5 and 1.7 times in ETS2 and 6.3, 4.1 and 1.8 times respectively in ETS3. Increasing folds of the genes described above were consistent with RT-PCR data (FIG. 3C).
다음으로, 공통적으로 상향- 및 하향-조절된 유전자들을 지시된 기능에 기반하여 분류하였다. 상향-조절된 유전자들의 기능은 스트레스 반응 및 단백질 폴딩(11개의 유전자들); 펜토오스-포스페이트 경로, 세포벽 및 운반(각각 2개의 유전자들); 에너지 저장의 대사과정 및 에너지 발생(1개의 유전자); 및 분류되지 않는 단백질들(15개의 유전자들)을 포함하였다(표 2).Next, commonly up- and down-regulated genes were classified based on the indicated function. Functions of up-regulated genes include stress response and protein folding (11 genes); Pentose-phosphate pathway, cell wall and transport (two genes each); Metabolism of energy storage and energy generation (one gene); And unclassified proteins (15 genes) (Table 2).
Msn2pMsn4p /
Msn2p
ALD3 ALD3
CTT1CTT1
HSP12HSP12
HSP30HSP30
HSP31HSP31
HSP42HSP42
SDP1 SDP1
SSA4SSA4
TSL1TSL1
YJL144WYJL144W
2.5
1.7
1.1
2.7
1.5
2.3
2.0
1.0
1.2
3.7 1.4
2.5
1.7
1.1
2.7
1.5
2.3
2.0
1.0
1.2
3.7
1.8
1.7
1.5
2.3
1.6
1.9
1.3
1.7
1.2
2.31.1
1.8
1.7
1.5
2.3
1.6
1.9
1.3
1.7
1.2
2.3
1.6
1.4
1.0
3.0
4.5
1.8
1.8
1.4
1.1
3.4 1.3
1.6
1.4
1.0
3.0
4.5
1.8
1.8
1.4
1.1
3.4
2.1
1.9
1.5
2.3
1.5
2.3
1.6
2.0
1.9
2.71.3
2.1
1.9
1.5
2.3
1.5
2.3
1.6
2.0
1.9
2.7
2
4
7
0
1
3
3
3
7
13
2
4
7
0
One
3
3
3
7
One
1
2
0
2
1
0
0
1
0
10
One
2
0
2
One
0
0
One
0
One
0
4
1
0
2
2
2
1
1
2 One
0
4
One
0
2
2
2
One
One
2
1
1
4
0
0
1
0
1
2
2 2
One
One
4
0
0
One
0
One
2
2
SOL4 SOL4
1.91.7
1.9
1.51.2
1.5
1.61.7
1.6
1.92.1
1.9
17
One
0One
0
60
6
0One
0
OSW2OSW2
1.22.0
1.2
1.01.3
1.0
1.91.8
1.9
1.401.6
1.40
03
0
1One
One
22
2
1One
One
BTN2BTN2
2.91.5
2.9
3.11.1
3.1
2.91.4
2.9
3.51.1
3.5
2One
2
00
0
12
One
00
0
FMP16FMP16
OM45OM45
PHM8PHM8
RTC3RTC3
RTN2RTN2
USV1USV1
RGI1RGI1
YBL029C-AYBL029C-A
YBR285WYBR285W
YER053C-AYER053C-A
YFR017CYFR017C
YJR096WYJR096W
YNR034W-AYNR034W-A
YPR145C-AYPR145C-A
1.2
1.4
1.5
2.4
3.4
2.4
3.3
1.3
1.7
1.3
3.1
1.4
3.4
1.3 2.4
1.2
1.4
1.5
2.4
3.4
2.4
3.3
1.3
1.7
1.3
3.1
1.4
3.4
1.3
1.3
1.0
1.6
2.1
1.7
1.0
1.1
1.0
1.2
1.1
1.1
1.3
2.5
1.0 1.0
1.3
1.0
1.6
2.1
1.7
1.0
1.1
1.0
1.2
1.1
1.1
1.3
2.5
1.0
1.0
1.0
1.6
2.1
1.6
1.8
3.1
1.3
1.6
1.3
2.6
1.7
3.3
1.6 1.8
1.0
1.0
1.6
2.1
1.6
1.8
3.1
1.3
1.6
1.3
2.6
1.7
3.3
1.6
1.6
1.5
1.0
1.6
2.4
1.7
2.2
1.1
1.3
1.0
1.6
1.6
3.1
1.0 1.9
1.6
1.5
1.0
1.6
2.4
1.7
2.2
1.1
1.3
1.0
1.6
1.6
3.1
1.0
1
3
4
4
1
6
4
4
2
2
2
1
5
03
One
3
4
4
One
6
4
4
2
2
2
One
5
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
00
One
One
0
One
0
One
One
One
One
0
0
One
One
0
0
4
2
0
2
0
4
0
2
0
0
2
0
0 2
0
4
2
0
2
0
4
0
2
0
0
2
0
0
0
3
0
0
0
4
3
0
1
0
1
1
0
0 2
0
3
0
0
0
4
3
0
One
0
One
One
0
0
2배 이상의 증가 배수를 나타내는 유전자들이 기재되어 있다. 결실로 인해 세포에 에탄올 민감성을 부여하는 유전자들이 굵은 글씨체로 표시되어 있다(참고: 도 4A).
Genes are described that exhibit an increase fold more than twofold. Genes that confer ethanol sensitivity to cells due to deletion are shown in bold type (see Figure 4A).
스트레스 반응 및 단백질 폴딩 유전자들은 많은 서브-세포내 위치(예컨대, 핵, 마이토콘드리아, 세포질, 세포골격, 막 및 세포벽)에서 기능하는 여러 열충격 유전자들(HSP42, HSP31, HSP30, HSP12)을 포함하였으며, 산화적 스트레스 반응 유전자(CTT1) 및 소포체 및 마이토콘드리아 이동(translocation) 유전자(SSA4)도 포함하였다. 에탄올에 의해 유도되는 것으로 보고된 여러 유전자들도 포함되었다: 해당과정에 관여하는 PGM2, 당신생(glyconeogenesis)에 관여하는 GPH1, 트리할로오스 생합성에 관여하는 TSL1 및 에너지 저장의 대사과정에 관여하는 STF2(Ma, M., and Z. L. Liu., 2010). 공통적으로 하향-조절된 유전자들의 기능은 버딩 세포 극성 및 필라멘트 형성(1개의 유전자); 탄소 화합물(C-compound) 및 카보하이드레이트 대사과정(1개의 유전자); 메이팅(수정; 1개의 유전자); 단백질 타겟팅 분류(protein targeting sorting) 및 이동(1개의 유전자); rRNA 합성(1개의 유전자); 및 분류되지 않는 단백질들(3개의 유전자들)을 포함하였다(표 3).Stress response and protein folding genes include several heat shock genes (HSP42, HSP31, HSP30, HSP12) that function at many sub-cellular locations (e.g., nuclear, mitochondria, cytoplasm, cytoskeleton, membrane and cell wall). And oxidative stress response gene (CTT1) and endoplasmic reticulum and mitochondrial translocation gene (SSA4). Several genes reported to be induced by ethanol were also included: PGM2 involved in glycolysis, GPH1 involved in glyconogenesis, TSL1 involved in trihalose biosynthesis, and metabolic processes in energy storage. STF2 (Ma, M., and ZL Liu., 2010). Commonly functions of down-regulated genes include budding cell polarity and filament formation (one gene); Carbon compounds (C-compound) and carbohydrate metabolism (one gene); Mating (correction; one gene); Protein targeting sorting and migration (one gene); rRNA synthesis (one gene); And unclassified proteins (3 genes) (Table 3).
Msn2pMsn4p /
Msn2p
YGR035CYGR035C
YOR387CYOR387C
-1.8
-2.7-2.6
-1.8
-2.7
-1.1
-1.0 -1.0
-1.1
-1.0
-1.1
-1.1 -1.2
-1.1
-1.1
-1.7
-4.5 -5.1
-1.7
-4.5
0
00
0
0
0
00
0
0
2
22
2
2
1
10
One
One
2배 이상의 증가 배수를 나타내는 유전자들이 기재되어 있다. 결실로 인해 세포에 에탄올 저항성을 부여하는 유전자들이 굵은 글씨체로 표시되어 있다(참고: 도 4B).
Genes are described that exhibit an increase fold more than twofold. Genes that confer ethanol resistance to cells due to deletion are shown in bold type (see Figure 4B).
공통적으로 상향- 및 하향-조절된 유전자들의 전사 조절에 대한 추가적인 정보를 얻기 위해, 본 발명자들은 다양한 스트레스 반응에 포함될 것으로 예측되는 전사인자들에 대한 잠재적인 결합위치의 존재를 조사하였다. 예를 들어, 상기 전사인자는 일반적인 스트레스에 관여하는 Msn2p/Msn4p(Watanabe, et al., 2007), 단백질 분비 스트레스에 관여하는 Hac1p(Ogawa and Mori, 2004), 열 스트레스에 관여하는 Hsf1p(Yamamoto, et al., 2008) 및 산화적 스트레스에 관여하는 Yap1p(He and Fassler, 2005) 등을 포함한다. 매우 흥미롭게도, 상술한 전사인자들에 대한 결합 위치들은 공통적으로 상향-조절된 유전자들의 업스트림 부위에 매우 풍부하게 존재하였다(표 2). 특히, Msn2p/Msn4p에 대한 결합 위치들이 거의 모든 상향-조절된 유전자들에서 공통적으로 발견되었다. 한편, Hac1p 및 Hsf1p는 상향-조절된 유전자들와 하향-조절된 유전자들에서 유사한 빈도인 반면에, Msn2p/Msn4p 및 Yap1p에 대한 결합 위치들은 8개의 하향-조절된 유전자들에서 공통적으로 거의 발견되지 않았다(표 3). 종합적인 데이터는 Msn2p/Msn4p 및 Yap1p이 에탄올 저항성과 연관된 유전자들의 조절을 책임진다는 것을 제시한다. 상술한 전사인자들이 돌연변이된 Spt15p에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 조절되는 지, 또는 돌연변이된 Spt15p와 협력하여 기능하는 지 여부를 조사하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 상술한 과정을 통해, 증가된 에탄올 저항성을 부여하는 일련의 유전자들의 상향- 및 하향-조절이 야기될 것이다.
To obtain additional information on transcriptional regulation of commonly up- and down-regulated genes, we examined the presence of potential binding sites for transcription factors that are predicted to be involved in various stress responses. For example, the transcription factors include Msn2p / Msn4p (Watanabe, et al. , 2007), which are involved in general stress, Hac1p (Ogawa and Mori, 2004), which are involved in protein secretion stress, and Hsf1p (Yamamoto, which is involved in heat stress). et al. , 2008) and Yap1p (He and Fassler, 2005) involved in oxidative stress. Very interestingly, the binding sites for the aforementioned transcription factors were very abundantly upstream of the commonly up-regulated genes (Table 2). In particular, binding sites for Msn2p / Msn4p were commonly found in almost all up-regulated genes. On the other hand, Hac1p and Hsf1p have similar frequencies in up-regulated and down-regulated genes, while binding sites for Msn2p / Msn4p and Yap1p are rarely found in common in eight down-regulated genes. (Table 3). Comprehensive data suggest that Msn2p / Msn4p and Yap1p are responsible for the regulation of genes associated with ethanol resistance. Further research is needed to investigate whether the aforementioned transcription factors are directly or indirectly regulated by the mutated Spt15p, or whether they function in cooperation with the mutated Spt15p. This process will result in up- and down-regulation of a series of genes that confer increased ethanol resistance.
에탄올-저항성에 대한 공통적으로 조절된 유전자들의 효과Effects of Commonly Regulated Genes on Ethanol-Resistance
상기 공통적인 34개의 상향-조절된 유전자들 및 8개의 하향-조절된 유전자들이 에탄올 저항성에 대한 원인 또는 효과를 가지는 지 여부가 주된 관심사였다. 한 유전자의 상향-조절이 에탄올 저항성을 증가시킨다면, 유전자의 결실은 세포에 에탄올에 대한 민감성 또는 저항성을 부여할 가능성이 클 것이다. 역으로, 하향-조절된 유전자에 대해서도 마찬가지일 것이다. 30개의 상향-조절된 유전자들 및 6개의 하향-조절된 유전자들에 상응하는 결실 돌연변이체들을 BY4741 SGKO 라이브러리로부터 얻었다. 4개의 상향-조절된 유전자들(YER053C-A, YNR034W-A, YPR145C-A 및 YBL029C-A) 및 2개의 하향-조절된 유전자들(RRN7 및 YOR387C)에 상응하는 결실 돌연변이체들은 유용하지 않았는데, 이는 그들의 치명성(lethality) 때문이다. OD600 값이 0.5까지 배양된 대조군으로서 BY4741 및 개개의 결실 돌연변이체들을 10배씩 연속적으로 희석하여 여러 다른 농도의 에탄올을 포함하는 고형 YPD 배지에 스팟팅하였다.The main concern was whether the common 34 up-regulated genes and 8 down-regulated genes had a cause or effect on ethanol resistance. If up-regulation of a gene increases ethanol resistance, deletion of the gene will most likely confer cells with sensitivity or resistance to ethanol. Conversely, the same would be true for down-regulated genes. Deletion mutants corresponding to 30 up-regulated genes and 6 down-regulated genes were obtained from the BY4741 SGKO library. Deletion mutants corresponding to four up-regulated genes (YER053C-A, YNR034W-A, YPR145C-A and YBL029C-A) and two down-regulated genes (RRN7 and YOR387C) were not useful, This is because of their lethality. As a control cultured to an OD 600 value of 0.5, BY4741 and individual deletion mutants were serially diluted 10-fold and spotted in solid YPD medium containing different concentrations of ethanol.
공통적으로 상향-조절된 유전자들에 상응하는 30개의 결실 돌연변이체들에 대한 결과가 도 4에 보여진다. 몇 개의 결실 돌연변이들은 6% 에탄올 같이 저농도 에탄올에 대해 민감하였는데, 이는 BY4741에 독성 효과를 나타내는 농도보다 더 낮은 농도였다. 전체 민감성 돌연변이체들의 수가 12%까지 증가된 에탄올 농도에 비례하여 증가하였다. 6% 에탄올에 대한 민감도는 GPH1, SOL4 및 SSA4의 결실 돌연변이체들에서 나타났다. 추가적인 7개의 돌연변이체들(ALD3, BTN2, SPI1, OM45, RTC3, USV1 및 YFR017C)은 8% 에탄올에 민감하였다. HSP12 결실 돌연변이체는 10% 에탄올에 민감하였다. 마지막으로, HSP30, CTT1, SDP1, STF2, AIM17, FMP16, RGI1 및 PHM8에서의 결실 돌연변이들은 12% 에탄올에 민감하였다. 따라서, ETS2 및 ETS3에서 공통적으로 상향-조절된 30개의 유전자들 중 19개의 유전자들의 결실은 에탄올 민감도를 부여하였다. 에탄올 민감도에 대한 기여 정도는 GPH1, SOL4 또는 SSA4에서 가장 컸으며, 그 다음으로 ALD3, BTN2, SPI1, OM45, RTC3, USV1 또는 YFR017C의 순서였고, HSP12가 그 다음을 이었으며, HSP30, CTT1, SDP1, STF2, AIM17, FMP16, RGI1 및 PHM8에서 가장 낮았다.The results for 30 deletion mutants corresponding to commonly up-regulated genes are shown in FIG. 4. Several deletion mutations were sensitive to low concentrations of ethanol, such as 6% ethanol, which were lower than those that had a toxic effect on BY4741. The total number of susceptible mutants increased in proportion to the increased ethanol concentration by 12%. Sensitivity to 6% ethanol was seen in deletion mutants of GPH1, SOL4 and SSA4. Seven additional mutants (ALD3, BTN2, SPI1, OM45, RTC3, USV1 and YFR017C) were sensitive to 8% ethanol. HSP12 deletion mutants were sensitive to 10% ethanol. Finally, deletion mutations in HSP30, CTT1, SDP1, STF2, AIM17, FMP16, RGI1 and PHM8 were sensitive to 12% ethanol. Thus, deletion of 19 of 30 genes commonly up-regulated in ETS2 and ETS3 conferred ethanol sensitivity. The contribution to ethanol sensitivity was greatest in GPH1, SOL4, or SSA4, followed by ALD3, BTN2, SPI1, OM45, RTC3, USV1, or YFR017C, followed by HSP12, followed by HSP30, CTT1, SDP1, Lowest in STF2, AIM17, FMP16, RGI1 and PHM8.
한편, 상술한 가설에 기초한 본 발명자들의 예상과는 달리, 공통적으로 하향-조절된 유전자들에 상응하는 6개의 결실 돌연변이체들 중 어떠한 것도 증가된 성장을 나타내지 않았으며, 하향-조절된 유전자들에 상응하는 결실 돌연변이체들은 대조군처럼 동일한 또는 더 높은 정도의 에탄올 저항성을 나타냈다. 이것에 대한 이유는 불확실한 상태이다.
On the other hand, contrary to the expectations of the present inventors based on the hypotheses described above, none of the six deletion mutants corresponding to commonly down-regulated genes showed increased growth, Corresponding deletion mutants showed the same or higher degree of ethanol resistance as control. The reason for this is uncertain.
에탄올 생산에서 돌연변이된 SPT15s의 효과Effect of Mutated SPT15s on Ethanol Production
에탄올 저항성에 관한 기작을 이해하는 것 이외에도, 에탄올 저항성 스트레인의 제조 목적은 에탄올 생산성 및/또는 최종 수율을 개선하는 것이다. 대조군 스트레인과 비교하여, 증가된 에탄올 저항성을 가진 스트레인들은 에탄올의 독성 효과를 보다 더 잘 대처할 수 있을 것으로 추측된다(Ding, et al., 2009). 표현형질적으로 규명된 이후, 증가된 에탄올 저항성의 효과는 일반적으로 글루코오스를 30%까지 포함하는 복합 풍부 배지에서 배치 배양으로부터 가장 높은 에탄올 역가를 측정함으로써 결정된다(Hong, et al., 2009; Hou, 2009; Hou, et al., 2009; Teixeira, et al., 2009). 하지만, 상술한 연구들에서의 수율은 현저하게 개선되지 않았고 대조군 스트레인과 비교하여 10% 정도로만 증가하였다. 이러한 원인은 이용되는 대부분의 실험실 부모 스트레인들이 기본적으로 에탄올의 최대 레벨을 생산할 수 있어서 증가된 에탄올 저항성의 효과를 관찰하기 어렵기 때문일 것이다. 따라서, 부모 스트레인들의 기본적인 에탄올-생산 능력을 거의 초과하지 않는 에탄올 농도에서만 그러한 효과를 관찰하는 것이 가능할 것이다. 본 발명의 연구에서, 6%(v/v) 에탄올이 시작부터 첨가된 YPD30 배지인 YPD30E6 배지를 발효를 위해 이용하였다.In addition to understanding the mechanisms for ethanol resistance, the purpose of producing ethanol resistant strains is to improve ethanol productivity and / or final yield. Compared to control strains, it is assumed that strains with increased ethanol resistance can better cope with the toxic effects of ethanol (Ding, et al. , 2009). After phenotypic characterization, the effect of increased ethanol resistance is usually determined by measuring the highest ethanol titers from batch cultures in complex rich media containing up to 30% glucose (Hong, et al. , 2009; Hou, 2009; Hou, et al. , 2009; Teixeira, et al. , 2009). However, the yields in the above studies did not significantly improve and only increased by 10% compared to the control strain. This may be because most of the laboratory parent strains used are able to produce essentially maximum levels of ethanol, making it difficult to observe the effect of increased ethanol resistance. Thus, it would be possible to observe such an effect only at ethanol concentrations that rarely exceed the basic ethanol-producing capacity of the parent strains. In the study of the present invention, YPD30E6 medium, YPD30 medium with 6% (v / v) ethanol added from the beginning, was used for fermentation.
발효가 실험물질 및 실험방법에 기재된 바와 같이 실시되었을 경우, 대조군(iL3262) 및 2개의 에탄올 저항성 인테그란트(iETS2 및 iETS3)의 세포 밀도는 84시간 째에 최대치에 이른 후 감소하였다(도 5A). 이러한 프로파일의 특징은 iL3262가 시작부터 첨가된 에탄올에 대한 적응을 위해 보다 더 긴 유도기(lag period; 24시간)를 필요로 하며 포화기(saturation plateau)가 관찰되지 않는다는 것이었다. 이후 24시간 동안 iETS3의 성장률은 동일 비율로 성장하는 iL3262 및 iETS2의 성장률보다 약간 더 높았다. 일반적으로, 48시간 후에는 3가지 스트레인이 60시간 째(iETS3의 경우)를 제외하고는 84시간 까지 유사한 성장률로 성장하였다. 따라서, 상대적으로 짧은 길이의 유도기는 에탄올 저항성 스트레인들의 특징을 나타낸다.When the fermentation was carried out as described in the test materials and test methods, the cell density of the control group (iL3262) and two ethanol resistant integrants (iETS2 and iETS3) decreased after reaching a maximum at 84 hours (FIG. 5A). The characteristic of this profile was that iL3262 required a longer lag period (24 hours) for adaptation to ethanol added from the start and no saturation plateau was observed. The growth rate of iETS3 over the next 24 hours was slightly higher than that of iL3262 and iETS2 growing at the same rate. In general, after 48 hours, the three strains grew at a similar growth rate up to 84 hours except at 60 hours (for iETS3). Thus, relatively short length inducers characterize ethanol resistant strains.
iL3262, iETS2 및 iETS3의 발효 능력은 동인한 YPD30E6 배양액으로부터 에탄올 역가를 측정함으로써 결정하였다. 6%(v/v)의 개시 에탄올은 HPLC 상에서 47.5 g/L에 상응하였다. 도 5B에서 볼 수 있듯이, 120시간의 발효 과정 동안 iETS2 및 iETS3에 의해서 생산된 가장 높은 에탄올 역가는 각각 95.0 g/L 및 93.0 g/L이었던 반면에, 대조군의 에탄올 역가는 74.0 g/L이었다. 흥미롭게도, 에탄올 생산에서의 유도기는 세포 성장과는 대조적으로 대조군 스트레인에서는 관찰되지 않았는데, 그 이유는 불분명하다. 최종 역가 수율에서 시작부터 첨가된 에탄올(47.5 g/L)을 공제함으로써 발효 과정 동안 생산된 에탄올의 양(net amount)은 다음과 같다: 대조군, 26.5g/L; iETS2, 47.5 g/L; 및 iETS3, 45.5 g/L. 상술한 수율이 예상보다 더 낮았을 지라도, iETS2 및 iETS3는 본 발명에서 이용된 실험 조건에서 대조군보다 80% 정도 더 높은 발효 능력을 나타냈다.
Fermentation capacity of iL3262, iETS2 and iETS3 was determined by measuring the ethanol titer from the YPD30E6 culture. 6% (v / v) of starting ethanol corresponded to 47.5 g / L on HPLC. As can be seen in FIG. 5B, the highest ethanol titers produced by iETS2 and iETS3 during the 120-hour fermentation were 95.0 g / L and 93.0 g / L, respectively, while the ethanol titers of the control group were 74.0 g / L. Interestingly, induction phase in ethanol production was not observed in the control strain as opposed to cell growth, for which reason is unclear. The net amount of ethanol produced during the fermentation process by subtracting ethanol (47.5 g / L) added from the start in the final titer yield is: control, 26.5 g / L; iETS2, 47.5 g / L; And iETS3, 45.5 g / L. Although the above yields were lower than expected, iETS2 and iETS3 showed about 80% higher fermentation capacity than the control at the experimental conditions used in the present invention.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술 하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Having described the specific part of the present invention in detail, it is apparent to those skilled in the art that such a specific technology is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereto. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.
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Claims (13)
An ethanol-resistant transformed yeast strain comprising a mutated SPT15 gene.
The yeast strain of claim 1, wherein the mutation comprises three to five mutated amino acid sequences in the amino acid sequence of the wild type SPT15 gene.
The method of claim 1, wherein the mutated SPT15 gene comprises: an amino acid sequence of which the amino acid sequence of the K201, G216 and Q225 positions of the wild type SPT15 gene is mutated; Amino acid sequences of which the amino acid sequences of the L76 and L175 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; An amino acid sequence of which the amino acid sequences of the S42, C78, S163, and I212 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; An amino acid sequence of which the amino acid sequences of the F10 and M197 positions of the wild-type SPT15 gene are mutated; Or a mutated SPT15 gene comprising the mutated amino acid sequence of the amino acid sequence of the K15, W26 and G192 positions of the wild-type SPT15 gene.
The mutant SPT15 gene of claim 3, wherein the mutated SPT15 gene comprises a mutant sequence in which the amino acid sequence of the K201, G216 and Q225 positions of the wild-type SPT15 gene is mutated to K201Q, G216S and Q225Stop; Mutant sequences in which the amino acid sequences at the L76 and L175 positions of the wild-type SPT15 gene have been changed to L76V and L175S; Mutant sequences in which the amino acid sequences at positions S42, C78, S163 and I212 of the wild-type SPT15 gene have been changed to S42N, C78R, S163P and I212N; Mutant sequences in which the amino acid sequences of the F10 and M197 positions of the wild-type SPT15 gene have been changed to F10S and M197K; Or a mutated SPT15 gene comprising a mutant sequence mutated to K15T, W26C and G192D at the K15, W26 and G192 positions of the wild-type SPT15 gene.
The yeast strain according to claim 1, wherein the mutated SPT15 gene is introduced into yeast cells as a plasmid.
The yeast strain of claim 1, wherein the mutated SPT15 gene is introduced into genomic DNA of the yeast cell.
The yeast strain according to claim 1, wherein the yeast strain can grow under 5-15% ethanol culture conditions.
8. The yeast strain according to claim 7, wherein the yeast strain is capable of growing under 12.5-15% ethanol culture conditions.
According to claim 1, wherein the yeast strain Saccharomyces spp ( Saccharomyces spp.), Schizosaccharomyces spp., Pichia spp., Paffia spp. , Cluj Vero MRS species (Kluyveromyces spp.), Candida species (Candida spp.), Tallahassee in MRS species (Talaromyces spp.), Brescia Gaetano MRS species (Brettanomyces spp.), Parkinson solren species (Pachysolen spp.), Deva Rio Yeast strain, characterized in that it is a debaryomyces spp. Or industrial polyploid yeast strain.
10. The yeast strain according to claim 9, wherein said yeast strain is Saccharomyces species.
The ethanol production method comprising the step of culturing the yeast strain into which the mutated SPT15 gene of claim 1 is inserted in a culture medium comprising at least one substrate capable of being metabolized to ethanol.
12. The method of claim 11, wherein the substrate capable of metabolizing ethanol comprises C6 sugars.
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KR101147503B1 (en) * | 2012-03-02 | 2012-05-21 | 바이올시스템즈 주식회사 | Mutant strain of brettanomyces sp. and producing method of biofuel using the same |
KR20160085090A (en) * | 2015-01-07 | 2016-07-15 | 서울대학교산학협력단 | Yeast cell resistant to alcohol, method of preparing thereof and method of producing alcohol using thereof |
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- 2010-10-19 KR KR1020100101739A patent/KR101182749B1/en active IP Right Grant
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