JP4479199B2 - Method for producing plasmid containing inserted DNA unit - Google Patents
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Description
本発明は、Bacillus属細菌等の微生物のDNA取り込み能力と相同組み換え能力を用いることにより複数のDNA断片が一定の順序と向きを保って連結集積していて、かつ微生物中で増幅可能なDNAを簡便に取得する方法、並びに、該DNAをゲノムDNA中に含む微生物を取得する方法に関する。 The present invention provides a DNA having a plurality of DNA fragments linked and accumulated in a certain order and orientation by using the DNA uptake ability and homologous recombination ability of microorganisms such as Bacillus genus bacteria, and which can be amplified in the microorganism. The present invention relates to a method for obtaining easily and a method for obtaining a microorganism containing the DNA in genomic DNA.
生物の行うある物質生産等の一連の過程(バイオプロセス)においては、多数の遺伝子が関与しており、これらの遺伝子は、比較的まとまってゲノム中に存在していることもあるが、ゲノム中に分散していることが多い。近年のゲノムプロジェクトの成果により生物の持つ遺伝子の全貌が明らかにされつつあり、現在、これらのゲノム遺伝子情報を利用してあるバイオプロセスに必要かつ十分な遺伝子群を選び取ることで効率のよいバイオプロセスを再構成したり、あるいは様々な遺伝子の組み合わせで新規バイオプロセスの構築が必要とされている。遺伝子1つの平均的な長さがバクテリアにおいては、約1kb、動物においても10から100kbの長さがあり、これらを複数組み合わせた場合の長さは、必然的に10kb以上の巨大なDNAとなる。このような巨大なDNAの操作においては、該DNAを組み換え操作が可能な鎖長に分断する等した後、これをプラスミド上に1つずつ組み込んでいくような手法が取られていたが、この方法では、組み込みのたびに使用する制限酵素部位の制約が厳しくなり、限界がある。 A number of genes are involved in a series of processes (bioprocesses) such as production of certain substances performed by living organisms, and these genes may exist relatively in the genome. Are often distributed. The entire genome of living organisms is being clarified as a result of recent genome projects, and efficient biotechnology can now be achieved by selecting gene groups necessary and sufficient for a certain bioprocess using these genomic gene information. It is necessary to reconstruct the process or to construct a new bioprocess with a combination of various genes. The average length of one gene is about 1 kb in bacteria and 10 to 100 kb in animals, and the combined length of these genes inevitably becomes a huge DNA of 10 kb or more. . In such a large DNA manipulation, a method has been adopted in which the DNA is divided into strands that can be recombined and then incorporated into a plasmid one by one. In the method, restrictions on the restriction enzyme site to be used for each integration become severe, and there are limitations.
これらの問題を解決するために、固層法による長鎖DNA連続連結法が、株式会社豊田中央研究所により考案されている(特許文献1、及び非特許文献1を参照)。大腸菌ベクターの一端をビーズ上に固定した後、このもう一端の方に非回文配列の付着末端を利用してDNA断片を指定した方向に連結した後、未反応物を取り除き更に次の断片を連結するという操作を繰り返すことで複数のDNA断片を望ましい順番と向きに連結した後、これをビーズから切り離し、得られた直鎖DNAを環状に連結した後、大腸菌に形質転換することにより、大腸菌プラスミド上に多数のDNA断片を望ましい向きと方向に集積するというものである。しかしながら、本方法は、先ずビーズに大腸菌ベクターを連結するための準備が必要である点、連結操作の各段階ごとに未反応物の除去が必要である点、そして、最後にDNAをビーズから切り離し環状に連結する点で、煩雑で時間を要する操作が多い。特に環状に連結すること、即ち分子内ライゲーションは、DNA濃度を薄くする必要があるが、DNAの長さが長くなるほど、理論上環状DNAの生成効率が下がることになる(非特許文献2参照。)ため、連結すべきDNA断片の合計の長さが長いほどこれらが連結されたDNAの取得効率が低下することが問題であった。
In order to solve these problems, a long-chain DNA continuous ligation method using a solid-layer method has been devised by Toyota Central Research Laboratory, Inc. (see
一方、枯草菌を用いてプラスミドDNAを取得する方法が知られている。枯草菌はある生理状態において、能動的にDNAを取り込む能力を持つ細胞(コンピテント細胞)が出現する。この取り込みの過程においては、まず、基質となる2本鎖DNAがコンピテント細胞上で切断される。この切断点より、2本鎖の内の片側のDNA鎖が分解され、残りのもう一方のDNA鎖が1本鎖DNAとして枯草菌の菌体内に取り込まれることが知られている。取り込まれた1本鎖DNAは、全く別個に取り込まれた相補鎖の1本鎖DNAと会合したりすることにより、環状の2本鎖DNAへと修復される(非特許文献3参照)。このようにプラスミドDNAが切断されて取り込まれるために、大腸菌プラスミド形質転換系においては2本鎖の環状DNAを必要とするのとは異なり、枯草菌のコンピテントセルによるプラスミド形質転換における基質プラスミドの形状は、環状のDNAである必要はなく、むしろ、取り込まれた後にプラスミドの修復に有利に働くような、同じDNAが同一方向に多重に配列したような構造(コンカテマー構造)であることが必要であることがわかっていた。しかし、このような方法を用いて複数のDNA断片からなる挿入DNAが含まれるプラスミドは取得されていなかった。
本発明は、Bacillus属細菌等の微生物のDNA取り込み能力と相同組換え能力を用いることにより複数のDNA断片が一定の順序と向きを保って連結集積していて、かつ微生物中で増幅可能なプラスミドDNAを簡便に取得する方法、並びに、複数のDNA断片が一定の順序と向きを保って連結集積したDNA配列をゲノムDNA中に含む微生物を取得する方法に関する。 The present invention relates to a plasmid in which a plurality of DNA fragments are linked and accumulated in a certain order and orientation by using the DNA uptake ability and homologous recombination ability of microorganisms such as Bacillus bacteria, and can be amplified in the microorganism. The present invention relates to a method for easily obtaining DNA and a method for obtaining a microorganism containing a DNA sequence in which a plurality of DNA fragments are linked and accumulated in a certain order and orientation in genomic DNA.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、DNAの制限酵素SfiIの消化により発生する3塩基の突出末端が任意の配列に指定できることを利用して、集積すべき構成要素のDNA断片と枯草菌菌体内で有効な複製機構を有する線状プラスミドベクター断片の各末端を、各断片が1つのDNA集積単位中で一回ずつ順序良く連結できるような末端を生成するよにSfiI切断部位を設計して調製し、これらのSfiIの断片を等モルとなるように濃度を合わせて混合した後、ポリエチレングリコールと塩存在下でライゲーション反応を行うことにより、このDNA連結単位が多重に繰り返した構造の直鎖の高分子DNAを生成させ、これを枯草菌コンピテント細胞に形質転換することで、枯草菌プラスミド中に望ましい順番と方向にDNAを連結することに成功した。また、該プラスミド中の配列と共通の配列をゲノムDNA中に挿入した枯草菌コンピテント細胞と上記で取得したDNA連結単位が多重に繰り返した構造の直鎖の高分子DNAとを共培養することにより、枯草菌ゲノムDNA中に望ましい順番と方向にDNAを連結することに成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made use of the fact that the protruding end of 3 bases generated by digestion with the restriction enzyme SfiI of DNA can be designated as an arbitrary sequence, and the constituent elements to be accumulated So that the ends of the linear plasmid vector fragments having a replication mechanism effective in Bacillus subtilis cells can be ligated in order in a single DNA accumulation unit. The SfiI cleavage site was designed and prepared, and these SfiI fragments were mixed at the same concentration so as to be equimolar, and then ligated in the presence of polyethylene glycol and a salt to multiplex this DNA linking unit. It is desirable in Bacillus subtilis plasmids to generate linear macromolecular DNA having a repeating structure and transformed into Bacillus subtilis competent cells. And it succeeded in linking the DNA to turn and direction. Also, co-culturing Bacillus subtilis competent cells in which a common sequence with the sequence in the plasmid is inserted into genomic DNA and linear polymer DNA having a structure in which the DNA ligation unit obtained above is repeated repeatedly. As a result, the present invention was completed by successfully ligating DNA into Bacillus subtilis genomic DNA in the desired order and direction.
即ち、本発明によれば、
(1)宿主枯草菌中で有効な複製開始点を含むDNAと2個以上の遺伝子からなり、かつ
10kb以上である挿入DNAを含む挿入DNAユニットを、お互いの末端の塩基配列の相補性を利用して順序を保ったまま結合され得る構造を有する単位DNAに分断し、該単位DNAを連結反応に供し、該連結反応液と枯草菌のコンピテント細胞とを接触させることにより該細胞を形質転換して、得られる形質転換体から、挿入DNAユニットを含むプラスミドDNAを取得することを特徴とする枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAの作製方法、
(2)挿入DNAユニットを含むプラスミドDNAが、さらに挿入DNAを枯草菌ゲノムへ相同組み換えにより挿入する際に用いる枯草菌ゲノム上の塩基配列と共通の2つの共通配列を挿入DNAの両末端に有するものであることを特徴とする上記(1)に記載の枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAの作製方法、
(3)単位DNAの連結が、塩およびポリエチレングリコールの存在下で各単位DNAを等モルずつ混合して行われることを特徴とする上記(1)または(2)に記載の枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAの作製方法、
(4)挿入DNAが、物質生産に必要な一連の遺伝子を含むことを特徴とする上記(1)〜(3)の何れかに記載の枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAの作製方法、
(5)上記(1)〜(4)に記載の方法により製造された枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAを、枯草菌のコンピテント細胞と共培養することを特徴とする挿入DNAユニットをゲノムDNA中に含む枯草菌の製造方法、
が提供される。
That is, according to the present invention,
(1) It consists of a DNA containing a replication origin effective in Bacillus subtilis and two or more genes, and
The inserted DNA unit containing the inserted DNA having a length of 10 kb or more is divided into unit DNAs having a structure that can be joined in order while utilizing the complementarity of the base sequences at the ends of each other, and the unit DNA is subjected to a ligation reaction. subjected, the cells by contacting the competent cells of the ligation reaction solution and Bacillus subtilis transformed, from the transformants obtained, and obtains the plasmid DN a comprising inserting DNA unit Method for preparing plasmid DNA for Bacillus subtilis cell transformation,
(2) The plasmid DNA containing the inserted DNA unit has two common sequences at both ends of the inserted DNA which are common to the base sequence on the Bacillus subtilis genome used when the inserted DNA is further inserted into the Bacillus subtilis genome by homologous recombination. A method for producing a plasmid DNA for Bacillus subtilis cell transformation according to (1) above, which is characterized in that
(3) Bacillus subtilis cell transformation according to (1) or (2) above, wherein the unit DNA is ligated by mixing equimolar amounts of each unit DNA in the presence of a salt and polyethylene glycol. For preparing plasmid DNA for
(4) The method for producing a plasmid DNA for Bacillus subtilis cell transformation according to any one of (1) to ( 3) above, wherein the inserted DNA contains a series of genes necessary for substance production,
(5) above (1) to (4) a Bacillus subtilis cell transformation plasmid DNA prepared by the method described in B. subtilis competent cells and Kyo培Nutrient insert DNA unit characterized in that A method for producing Bacillus subtilis comprising genomic DNA,
Is provided.
本発明によれば、土壌細バクテリアの一種である枯草菌等のコンピテント細胞形質転換法を用いて、複数のDNA断片を1度のライゲーション操作で連結することができる。つまり、従来法では困難であった巨大DNAの増幅可能なDNA断片への連結集積が極めて簡便に行えることが示された。
集積するDNA断片は、末端の突出部分の塩基配列に制限があるが、それ以外の部分の塩基配列に組換えを誘発したり制御したりするような特殊な塩基配列を一切必要とせず、また、宿主ゲノムとの相同配列も一切必要としない。即ち本発明は、原核生物、真核生物を問わず広く一般のDNA集積に応用できるものと期待される。
According to the present invention, a plurality of DNA fragments can be ligated by a single ligation operation using a competent cell transformation method such as Bacillus subtilis which is a kind of soil fine bacteria. In other words, it was shown that ligation and integration of a huge DNA into an amplifiable DNA fragment, which was difficult with the conventional method, can be performed very simply.
The DNA fragments to be accumulated are limited in the base sequence of the protruding part at the end, but do not require any special base sequence that induces or controls recombination in the base sequence of the other part. No homologous sequence with the host genome is required. That is, the present invention is expected to be widely applicable to general DNA accumulation regardless of prokaryote or eukaryote.
さらに、微生物形質転換用DNA断片を作製する際、集積する各単位DNAのモル比が、1になるようにすることで最終的に取得されるプラスミドが効率的に得られることが本発明によって初めて明らかにされた。
また、本発明の方法は、下記実施例2で示したように、単位DNAの長さの違い(最小0.3kb、最大38kb)が大きくても全く問題なく集積が可能で、集積単位も50kb以上が可能である。即ち、単位DNAの大きさを全く考慮することなく任意に連結できるものである。また、哺乳動物(マウス、ヒトを含む)や植物等を含む真核生物の遺伝子は、10kbを超える長いものが多いが、これらの遺伝子も単位DNAとして取り扱えることが示された。
Furthermore, when producing a DNA fragment for microbial transformation, it is the first time according to the present invention that a plasmid finally obtained can be efficiently obtained by setting the molar ratio of each unit DNA to be accumulated to 1. It was revealed.
In addition, as shown in Example 2 below, the method of the present invention can be integrated without any problems even if the length of the unit DNA is large (minimum 0.3 kb, maximum 38 kb), and the integration unit is 50 kb. The above is possible. That is, it can be arbitrarily linked without considering the size of the unit DNA. In addition, many eukaryotic genes including mammals (including mice and humans) and plants have a length exceeding 10 kb, but it has been shown that these genes can also be handled as unit DNA.
また、下記実施例2で用いたプリパスタチン合成遺伝子をコードしているppsは、約3kbおきに10個の繰り返しがある配列にもかかわらず、本発明の方法で作製された多重遺伝子集積プラスミドは、枯草菌内で安定に保持されかつ発現することも明らかになった。繰り返し配列は、哺乳動物(マウス、ヒトを含む)や植物等を含む真核生物において広く見られるが、本発明の方法は、繰り返し配列を有するDNA集積にも適用できる。 In addition, the pps encoding the prepastatin synthesis gene used in Example 2 below is a multigene integrated plasmid prepared by the method of the present invention, despite a sequence having 10 repeats every about 3 kb. It was also revealed that it was stably maintained and expressed in Bacillus subtilis. Repeated sequences are widely observed in eukaryotes including mammals (including mice and humans) and plants, but the method of the present invention can also be applied to DNA accumulation having repeated sequences.
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
(1)微生物形質転換用DNA断片の作製
本発明の1つは、複数のDNA断片を任意の順番と方向に連結して集積したDNAを調製する方法であって、具体的には、(1)宿主微生物中で有効な複製開始点を含むDNAと挿入DNAを含む挿入DNAユニットを、互いにその順序を保ったまま繰り返し連結し得る構造を有する複数の単位DNAとして調製し、(2)該単位DNAを連結して、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するDNA断片を作製した後に、(3)該DNA断片と宿主微生物のコンピテント細胞と共培養して、該微生物からプラスミドDNAを回収することにより複数のDNA断片を任意の順番と方向に連結して集積したDNAを調製する方法である。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
(1) Preparation of DNA fragment for microbial transformation One of the present invention is a method for preparing DNA obtained by linking a plurality of DNA fragments in an arbitrary order and direction, and specifically, (1 A DNA comprising a replication origin effective in the host microorganism and an inserted DNA unit containing the inserted DNA are prepared as a plurality of unit DNAs having a structure capable of being repeatedly linked to each other while maintaining the order; (2) the unit After ligating DNA to prepare a DNA fragment having at least one inserted DNA unit and one or more unit DNAs overlapping, (3) co-culturing with the DNA fragment and competent cells of the host microorganism Then, by collecting plasmid DNA from the microorganism, a method is prepared in which a plurality of DNA fragments are linked in an arbitrary order and direction to accumulate DNA.
本発明でいう挿入DNAとは、クローニングしようとするDNAであり、その種類や大きさは特に限定されないが、10kb以上が好ましい。DNAの種類は、原核生物、哺乳動物又は植物を含む真核生物の、ゲノムDNA断片、すでにクローニングされているDNA、cDNA断片のいずれでもよく特に制限されない。本発明の方法においては、プラスミド上に独立したDNA断片を連結することができるので、挿入DNAとしては、ゲノム上で独立して存在する遺伝子を2つ以上含むものを用いると特に効果的である。このような複数種の遺伝子として好ましくは、ある物質生産に必要な一連の遺伝子等が挙げられ、その具体例としては、プリパスタチンを構成するdegQ、sfp、pps遺伝子等が挙げられる。さらに、挿入DNAがこのような物質生産に必要な一連の遺伝子を含む場合で、その遺伝子の連結順序、および遺伝子間の距離や塩基配列などについて物質生産に適したものが知られている場合、それらに従って調製することが好ましい。 The inserted DNA referred to in the present invention is DNA to be cloned, and the kind and size thereof are not particularly limited, but 10 kb or more is preferable. The type of DNA may be any of eukaryotic, including prokaryotic organisms, mammals or plants, genomic DNA fragments, already cloned DNA, and cDNA fragments, and is not particularly limited. In the method of the present invention, since independent DNA fragments can be ligated on a plasmid, it is particularly effective to use an inserted DNA containing two or more genes that exist independently on the genome. . Such a plurality of types of genes preferably include a series of genes necessary for production of a certain substance, and specific examples thereof include degQ, sfp, and pps genes constituting prepastatin. Furthermore, when the inserted DNA contains a series of genes necessary for such substance production, and when the suitable sequence for substance production is known with respect to the sequence of the genes, the distance between the genes, the base sequence, etc., It is preferred to prepare according to them.
また、宿主微生物中で有効な複製開始点を含むDNAとは、作製されるDNA断片で形質転換される微生物中で、DNAの複製が行われるものであれば如何なるものであってもよい。本発明の宿主微生物としては、後述するように、Bacillus属細菌等が用いられるが、具体的な微生物と、該微生物中で有効な複製開始点を含むDNAとして、例えば、B.subtilis(枯草菌)の場合はθ型の複製機構を有するもの(Janniere, L., et al. Gene 8753-61. (1990))で、具体的にはpTB19(Imanaka, T., et al. J. Gen. Microbiol. 130,1399-1408.(1984))や、pLS32(Tanaka, T. and Ogura, M. FEBS Lett. 422, 243-246.(1998))、pAMβ1( Swinfield, T. J., et al. Gene 87,79-90.(1990))等のプラスミドに含まれる複製開始点等の配列が挙げられる。また、作製されたプラスミドのコピー数が自在に調節できるものが好ましい。このようなDNAのうちB. subtilis(枯草菌)の場合はθ型の複製機構を有するものは、pGETS109ベクター(日本農芸化学会誌75巻臨時増刊号p. 112)を直鎖化したもの等が用いられる。 In addition, the DNA containing an effective replication origin in the host microorganism may be any DNA as long as DNA replication is performed in the microorganism transformed with the produced DNA fragment. As described later, Bacillus genus bacteria and the like are used as the host microorganism of the present invention. As a specific microorganism and a DNA containing a replication origin effective in the microorganism, for example, B. In the case of subtilis, Bacillus subtilis has a θ-type replication mechanism (Janniere, L., et al. Gene 8753-61. (1990)), specifically pTB19 (Imanaka, T., et al. J. Gen. Microbiol. 130, 1399-1408. (1984)), pLS32 (Tanaka, T. and Ogura, M. FEBS Lett. 422, 243-246. (1998)), pAMβ1 (Swinfield, TJ, et al. Gene 87, 79-90. (1990)) and other sequences such as replication origins included in plasmids. Moreover, the thing which can adjust the copy number of the produced plasmid freely is preferable. In the case of B. subtilis (Bacillus subtilis), such a DNA having a θ-type replication mechanism is a linearized pGETS109 vector (Japanese Agricultural Chemical Society Vol. 75, Special Issue p. 112). Used.
上記の挿入DNAおよび複製開始点を含む挿入DNAユニットには、これ以外にも、必要に応じて適当な塩基配列を含むことができる。例えば、本発明の方法によって、挿入DNAに含まれる遺伝子を発現するためのプラスミドを作製する場合には、プロモーターやオペレーター、アクチベーター、ターミネーターといった転写翻訳を制御する塩基配列を含んでもよい。枯草菌を宿主とした場合のプロモーターとして、具体的には、IPTG(isopropyl s-D-thiogalactopyranoside)で発現制御が可能なPspac(Yansura, D. and Henner, D. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 81, 439-443.(1984))、あるいはPrプロモーター(Itaya, M. Biosci. Biotechnol. Biochem. 63, 602-604.(1999))等が挙げられる。 In addition to this, the inserted DNA unit containing the inserted DNA and the replication origin may contain an appropriate base sequence as necessary. For example, when a plasmid for expressing a gene contained in an inserted DNA is prepared by the method of the present invention, a nucleotide sequence that controls transcription and translation such as a promoter, an operator, an activator, and a terminator may be included. As a promoter when Bacillus subtilis is used as a host, specifically, Pspac (Yansura, D. and Henner, DJ Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81, whose expression can be controlled by IPTG (isopropyl sD-thiogalactopyranoside), 439-443. (1984)), or Pr promoter (Itaya, M. Biosci. Biotechnol. Biochem. 63, 602-604. (1999)).
挿入DNAユニットは、これを複数の単位DNAとして調製する。単位DNAとは、互いにその順序を保ったまま繰り返し連結し得る構造を有しており、1つずつ連結したDNA断片が、1つの挿入DNAユニットとなるDNA断片を意味する。互いにその順序を保ったまま連結するとは、挿入DNAユニット上で隣り合う配列を有する単位DNAがその順序および向きを保って結合することをいい、また、繰り返し連結するとは、挿入DNAユニットの5’端の塩基配列を有する単位DNAの5’端と、挿入DNAの3’端の塩基配列を有する単位DNAの3’末端が結合することをいう。このような単位DNAとして、具体的には、例えば、断片の突出末端の塩基配列の相補性を利用して、お互いに順序を保ったまま繰り返し連結し得るような末端を有するものが挙げられる。この突出末端の構造は特に制限はない。ただし、単位DNAの連結部位に制限酵素認識配列などが挿入されてもよい場合には、制限酵素認識配列であると、制限酵素による消化によって微生物形質転換用DNA断片の構造を確認したり、単位DNAの作製の際に突出末端を制限酵素の消化により作製できるため好ましい。制限酵素認識配列としては、SfiIやBstXI等のように、複数種の配列を認識する酵素のものを用いると、単位DNA断片の突出末端が各連結部位で異なるものにできるため、その連結する順序が保たれるし、制限酵素により作製された微生物形質転換用DNAの構造を確認する場合や、単位DNAの作製の際に、1種類の制限酵素による消化でよいため簡便である。 The inserted DNA unit is prepared as a plurality of unit DNAs. The unit DNA has a structure that can be repeatedly connected to each other while maintaining the order, and a DNA fragment that is connected one by one means a DNA fragment that becomes one inserted DNA unit. Ligating while maintaining the order of each other means that unit DNAs having sequences adjacent to each other on the inserted DNA unit are linked while maintaining their order and orientation, and repeatedly ligating means 5 ′ of the inserted DNA unit. It means that the 5 ′ end of a unit DNA having an end base sequence is linked to the 3 ′ end of a unit DNA having a 3 ′ end base sequence of an inserted DNA. Specific examples of such unit DNA include, for example, those having ends that can be repeatedly linked to each other while maintaining their order using the complementarity of the base sequences of the protruding ends of the fragments. The structure of this protruding end is not particularly limited. However, if a restriction enzyme recognition sequence or the like may be inserted into the ligation site of the unit DNA, the restriction enzyme recognition sequence can be confirmed by confirming the structure of the DNA fragment for microbial transformation by digestion with a restriction enzyme, This is preferable because a protruding end can be prepared by digestion with a restriction enzyme during the preparation of DNA. As a restriction enzyme recognition sequence, when using an enzyme that recognizes multiple types of sequences, such as SfiI and BstXI, the protruding ends of the unit DNA fragments can be different at each ligation site. This is convenient because it can be digested with one type of restriction enzyme when confirming the structure of the DNA for microbial transformation produced with a restriction enzyme or when producing a unit DNA.
単位DNAとしては、例えば、図1に単位DNAとして記載されている一連のDNA断片等が挙げられる。BsR1stは矢印の方向にブラストサイジンS遺伝子の塩基配列を有し、CmR2ndは矢印の方向にクロラムフェニコール遺伝子の塩基配列を有し、EmR3rdは矢印の方向にエリスロマイシン遺伝子の塩基配列を有し、NmR4thは、矢印の方向にテトラサイクリン遺伝子の塩基配列を有し、さらにSpR5thは、矢印の方向にスぺクチノマイシン遺伝子の塩基配列を有している。また、pGETS109SfiIは、複製開始点を含むrepA遺伝子の塩基配列を有している。 Examples of the unit DNA include a series of DNA fragments described as the unit DNA in FIG. BsR1st has the base sequence of the blasticidin S gene in the direction of the arrow, CmR2nd has the base sequence of the chloramphenicol gene in the direction of the arrow, and EmR3rd has the base sequence of the erythromycin gene in the direction of the arrow , NmR4th has the base sequence of the tetracycline gene in the direction of the arrow, and SpR5th has the base sequence of the spectinomycin gene in the direction of the arrow. PGETS109SfiI has the base sequence of the repA gene including the replication origin.
各単位DNAは、図1に記載されている順序、および塩基配列の方向を保ったまま繰り返し連結するように調製されている。具体的には、BsR1stはの3’末端は、CmR2ndの5’末端と特異的に連結する突出末端となっており、その5’末端は、pGETS109Sfilの5’末端と特異的に結合する突出末端となっている。同様に、CmR2ndの3’末端とEmR3rdの5’末端、EmR3rdの3’末端とNmR4thの5’末端、NmR4thの3’末端とSpR5thの5’末端、およびSpR5thの3’末端とpGETS109SfiIの5’末端が特異的に結合する突出末端となっている。また、それぞれの突出末端は連結するとSfiIの認識配列となるように設計されている。 Each unit DNA is prepared so as to be repeatedly ligated while maintaining the order shown in FIG. 1 and the base sequence direction. Specifically, the 3 ′ end of BsR1st is a protruding end that specifically links to the 5 ′ end of CmR2nd, and the 5 ′ end is a protruding end that specifically binds to the 5 ′ end of pGETS109Sfil. It has become. Similarly, the 3 ′ end of CmR2nd and the 5 ′ end of EmR3rd, the 3 ′ end of EmR3rd and the 5 ′ end of NmR4th, the 3 ′ end of NmR4th and the 5 ′ end of SpR5th, and the 5 ′ end of SpR5th and 5 ′ of pGETS109SfiI The end is a protruding end that specifically binds. In addition, each protruding end is designed to be a recognition sequence for SfiI when linked.
単位DNAのDNA鎖長は特に制限されないが、好ましくは0.1〜100kbのものが用いられる。また、挿入DNAユニットをどのように分断する配列からなるものであってもよい。ただし、制限酵素認識配列をその末端に配する場合には、好ましくは挿入DNAユニットに含まれる遺伝子の塩基配列を分断するものでない方がよい。
単位DNAの作製方法としては、本発明の単位DNAを作製し得る方法であれば如何なるものであってもよいが、好ましくは、鋳型DNA上の塩基配列に各突出末端を構成する制限酵素認識配列を付加したプライマーを用いたポリメラーゼチェインリアクション(PCR)によりDNA断片を増幅し、得られたDNA断片を該制限酵素によって消化することによる方法が挙げられる。また、制限酵素の消化などによって取得された突出末端を有する単位DNAは、適当な方法を用いて精製することが好ましい。ここで、制限酵素として、SfiIを用いる場合には、該制限酵素認識配列である5’−ggccnnnnnggcc−3’ (nは、a、c、g、tのいずれか)のうち、各連結部位ごとに異なる配列、例えば5’−ggccatgtgggcc−3’、5’−ggccagatgggcc−3’、5’−ggccaagtgggcc−3’等を付加したプライマーによってPCRを行う。
The DNA chain length of the unit DNA is not particularly limited, but preferably 0.1 to 100 kb. Further, it may be composed of a sequence that divides the inserted DNA unit. However, when a restriction enzyme recognition sequence is arranged at the end, it is preferable that the base sequence of the gene contained in the inserted DNA unit is not disrupted.
The method for producing the unit DNA may be any method that can produce the unit DNA of the present invention. Preferably, a restriction enzyme recognition sequence that constitutes each protruding end in the base sequence on the template DNA. There is a method in which a DNA fragment is amplified by polymerase chain reaction (PCR) using a primer to which is added, and the obtained DNA fragment is digested with the restriction enzyme. The unit DNA having a protruding end obtained by digestion with a restriction enzyme is preferably purified using an appropriate method. Here, when SfiI is used as a restriction enzyme, the restriction enzyme recognition sequence 5'-ggccnnnnngggcc-3 '(where n is any one of a, c, g, and t) PCR is performed with primers to which different sequences such as 5′-ggccatgtgggg-3 ′, 5′-ggccagagtgggg-3 ′, 5′-ggccagagtggggcc-3 ′, and the like are added.
かくして取得された単位DNAは、これをDNAリガーゼなどを用いて連結(ライゲーション)することにより微生物形質転換用DNA断片を作製することができる。連結方法は、特に制限はないが、単位DNAの鎖長が長い場合等は、ポリエチレングリコールと塩の存在下で各単位DNAを等モル混合して反応を行うことが好ましい。塩としてさらに好ましくは、1価のアルカリ金属の塩が挙げられる。また、10%のポリエチレングリコール6000と150mMの塩化ナトリウムを含むライゲーション反応液で行うことがより好ましい。また、各単位DNAの反応液中の濃度には特に制限はないが、好ましくは、各々0.1fmol/μl以上の濃度でかつ等モルになる濃度である。ライゲーションの反応温度、時間は特に制限はない。好ましくは、室温から37℃で、5分から30分である。 The unit DNA thus obtained can be ligated with a DNA ligase or the like to produce a DNA fragment for microbial transformation. The ligation method is not particularly limited, but when the unit DNA has a long chain length, it is preferable to carry out the reaction by mixing equimolar amounts of each unit DNA in the presence of polyethylene glycol and a salt. More preferable examples of the salt include monovalent alkali metal salts. Further, it is more preferable to carry out with a ligation reaction solution containing 10% polyethylene glycol 6000 and 150 mM sodium chloride. The concentration of each unit DNA in the reaction solution is not particularly limited, but is preferably a concentration of 0.1 fmol / μl or more and equimolar. The reaction temperature and time for ligation are not particularly limited. Preferably, the temperature is from room temperature to 37 ° C. and from 5 minutes to 30 minutes.
かくして得られる微生物形質転換用DNA断片は、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するものである。最も短い鎖長の具体例としては、図1の微生物組み換え用DNA断片に記載されているIからIIまでのDNA断片が挙げられる。また、このようなDNA断片として、互いに重なり合う単位DNAを有する複数のDNA断片からなるものも用いることができる。具体的には、図2に示すように、pGETS109SfiI−BsR1st−CmR2nd−EmR3rdと連結している断片と、CmR2nd−EmR3rd−NmR4th−SpR5thが連結している断片、およびNmR4th−SpR5th−pGETS109SfiIが連結している断片からなるものが挙げられる。これらの断片は、それぞれは、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するものではないが、それぞれが有する単位DNAが全体として、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するものである。 The DNA fragment for microbial transformation thus obtained has at least one inserted DNA unit and one or more unit DNAs. Specific examples of the shortest chain length include DNA fragments I to II described in the DNA fragment for microbial recombination in FIG. Moreover, what consists of a several DNA fragment which has unit DNA which mutually overlaps can also be used as such a DNA fragment. Specifically, as shown in FIG. 2, a fragment linked to pGETS109SfiI-BsR1st-CmR2nd-EmR3rd, a fragment linked to CmR2nd-EmR3rd-NmR4th-SpR5th, and an NmR4th-SpR5th-pGETS109S linked The thing which consists of the fragment which has been mentioned. Each of these fragments has at least one inserted DNA unit and does not overlap with one or more unit DNAs. However, each unit DNA of each of these fragments has at least one inserted DNA unit as a whole. And one or more unit DNAs overlapping.
上記の単位DNAの連結によって得られたDNA断片から、それらを選択して精製する必要は特にない。何故なら、後述する該DNA断片による微生物の形質転換により上記の構造を有していないDNA断片は、微生物中でプラスミドにはなり得ないからである。 It is not particularly necessary to select and purify them from the DNA fragments obtained by ligating the unit DNAs. This is because a DNA fragment that does not have the above structure due to transformation of a microorganism with the DNA fragment described later cannot become a plasmid in the microorganism.
(2)微生物形質転換用DNA断片を用いた挿入ユニットを含むプラスミドDNAの製造方法
該DNA断片と宿主微生物のコンピテント細胞(以下、これを単に「コンピテント細胞」と称することがある)と共培養して、該微生物からプラスミドDNAを回収することにより、挿入DNAおよび複製開始点を含む、即ち該微生物中で複製が可能なDNAを取得することができる。
(2) Method for producing plasmid DNA containing an insertion unit using a DNA fragment for microbial transformation The DNA fragment and a host cell's competent cell (hereinafter, sometimes simply referred to as “competent cell”) By culturing and recovering plasmid DNA from the microorganism, it is possible to obtain DNA containing the inserted DNA and the replication origin, that is, DNA that can replicate in the microorganism.
宿主微生物としては、自然形質転換能を有するものであれば特に限定されない。このような微生物としては、DNAを取り込む際に一本鎖DNAに処理して取り込む自然形質転換能を有するもの等が挙げられる。具体的には、Bacillus属細菌、Streptococcus属細菌、Haemophilus属細菌、およびNeisseria属細菌等が挙げられる。また、Bacillus属細菌としては、B. subtilis(枯草菌)、B. megaterium(巨大菌)、B. stearothermophilus(中度好熱菌)等が挙げられる。このうち最も好ましい微生物としては、その自然形質転換能および組み換え能に優れた枯草菌が挙げられる。 The host microorganism is not particularly limited as long as it has a natural transformation ability. Examples of such microorganisms include those having a natural transformation ability to be processed and incorporated into single-stranded DNA when DNA is incorporated. Specific examples include Bacillus genus bacteria, Streptococcus genus bacteria, Haemophilus genus bacteria, Neisseria genus bacteria, and the like. Examples of Bacillus bacteria include B. subtilis, Bacillus subtilis. megaterium (Bacteria), B. stearothermophilus (medium thermophile) and the like. Among these, the most preferred microorganism is Bacillus subtilis excellent in its natural transformation ability and recombination ability.
ただし、微生物ゲノム中に挿入DNAと相同の塩基配列が存在する場合は、該配列と相同組み換えしてしまう可能性が高いので、これを削除しておくことが好ましいが、挿入DNAを宿主細胞のゲノムに組み込む場合には、挿入DNAユニットの末端の配列と相同性を有する配列が存在していても特に問題はない。
微生物細胞をコンピテントとする方法は、それぞれの微生物に適した公知の方法を選択することができる。具体的には、例えば、枯草菌の場合には、Anagnostopoulos, C. and Spizizen, J.J. Bacteriol. 81,741-746.(1961)に記載の方法を用いることが好ましい。また、形質転換の方法もそれぞれの微生物に適した公知の方法を用いることができる。コンピテント細胞に与えるライゲーション産物の液量も特に制限はない。好ましくは、コンピテント細胞培養液量に対し、1/20から等量であり、より好ましくは、半分量である。形質転換体からプラスミドを精製する方法としても公知の方法を用いることができる。
However, if there is a base sequence homologous to the inserted DNA in the microbial genome, it is highly possible that the sequence will be homologous recombined with the sequence. When integrating into the genome, there is no particular problem even if a sequence having homology with the sequence at the end of the inserted DNA unit is present.
As a method for making microbial cells competent, a known method suitable for each microorganism can be selected. Specifically, for example, in the case of Bacillus subtilis, the method described in Anagnostopoulos, C. and Spizizen, JJ Bacteriol. 81, 741-746. (1961) is preferably used. As the transformation method, a known method suitable for each microorganism can be used. There is no particular limitation on the amount of ligation product to be given to competent cells. Preferably, the amount is from 1/20 to the equivalent amount, more preferably half the amount of the competent cell culture solution. As a method for purifying the plasmid from the transformant, a known method can be used.
かくして取得したプラスミドが、挿入DNAを有していることは、それ自体既知のサザンブロッティング法、PCR法等によって確認することができる。また、挿入DNAがマーカーとなる遺伝子、例えば、薬剤耐性遺伝子等を含むように調製すれば、該薬剤によるスクリーニングによって確認することもできる。 It can be confirmed by the Southern blotting method, PCR method and the like that are known per se that the plasmid thus obtained has the inserted DNA. In addition, if the inserted DNA is prepared so as to contain a marker gene, such as a drug resistance gene, it can also be confirmed by screening with the drug.
(3)挿入DNAユニットをゲノムDNA中に有する微生物の製造方法
本発明の第2は、上記で調製したDNAを、宿主微生物のゲノムDNAに挿入することにより、挿入DNAユニットをゲノムDNA中に有する微生物の製造方法、及び該微生物である。
(3) Method for Producing Microorganism Having Insertion DNA Unit in Genomic DNA The second aspect of the present invention has an insertion DNA unit in the genomic DNA by inserting the DNA prepared above into the genomic DNA of the host microorganism. A method for producing a microorganism and the microorganism.
具体的な方法としては、(I)(1)に記載の挿入DNAユニットであって、その宿主微生物中で有効な複製開始点を含むDNAが、さらに、異なる2つの組み換えのための共通配列をその両末端に有するもの(以下、これを「相同組み換え用DNA断片」と称することがある)、または(2)に記載のの挿入DNAユニットを含むプラスミドDNAであって、その挿入DNAユニット中の宿主微生物中で有効な複製開始点を含むDNAが、さらに異なる2つの組み換えのための共通配列をその両末端に有するもの(以下、これを「相同組み換え用プラスミド」と称することがある)を、組み換えのための共通配列がゲノムDNA中に隣接して存在する微生物のコンピテント細胞と共培養して、相同組み換えを誘導し、複数のDNA断片を任意の順番と方向に連結して集積したDNAをゲノムDNA中に有する微生物を製造する方法(以下、これを「間接法」と称することがある)、あるいは(II)組み換えのための異なる2つの共通配列をその両末端に有するDNAと挿入DNAを含む挿入DNAユニットを、互いにその順序を保ったまま繰り返し連結し得る構造を有する複数の単位DNAとして調製し、該単位DNAを連結して、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するDNA断片を作製することを特徴とする微生物細胞形質転換用DNA断片(以下、これを「自己複製しない相同組み換え用DNA断片」と称することがある)を作製し、(2)に記載の方法と同様に、組み換えのための共通配列がゲノムDNA中に隣接して存在する微生物のコンピテント細胞とを共培養して、相同組み換えを誘導し、複数のDNA断片を任意の順番と方向に連結して集積したDNAをゲノムDNA中に有する微生物を製造する方法(以下、これを「直接法」と称することがある)が挙げられる。 As a specific method, the insertion DNA unit according to (I) (1), wherein the DNA containing the replication origin effective in the host microorganism is further divided into two common sequences for recombination. A plasmid DNA containing the inserted DNA unit according to (2), which has at both ends thereof (hereinafter sometimes referred to as “DNA fragment for homologous recombination”), DNA having a replication origin effective in the host microorganism further having two different common sequences for recombination at both ends thereof (hereinafter, this may be referred to as “plasmid for homologous recombination”) Co-culture with competent cells of microorganisms whose consensus sequences for recombination exist adjacent to each other in genomic DNA to induce homologous recombination and arbitrarily select multiple DNA fragments A method for producing a microorganism having genomic DNA linked and accumulated in the order and direction (hereinafter sometimes referred to as “indirect method”), or (II) two different commons for recombination An insertion DNA unit comprising a DNA having a sequence at both ends thereof and an insertion DNA unit containing the insertion DNA is prepared as a plurality of unit DNAs having a structure that can be repeatedly connected to each other while maintaining the order, and the unit DNAs are ligated to insert DNA A DNA fragment for microbial cell transformation characterized by producing a DNA fragment having at least one unit and at least one unit DNA overlapping (hereinafter referred to as “DNA fragment for homologous recombination that does not self-replicate”) And a consensus sequence for recombination exists adjacent to the genomic DNA in the same manner as described in (2). A method of producing a microorganism having genomic DNA containing DNA in which homologous recombination is induced by co-culturing with microbial competent cells and a plurality of DNA fragments are linked in an arbitrary order and direction (hereinafter referred to as this) May be referred to as “direct method”).
挿入DNAは上記(1)と同様のものを用いることができる。挿入DNAユニットとしては、間接法の場合には、挿入DNA、宿主微生物中で有効な複製開始点、および宿主微生物のゲノムDNAと相同組み換えを行うための異なる2つの共通配列(以下、これを「共通配列」と称することがある)をその両末端に含むDNAを含むものが用いられる。この共通配列は、挿入DNAの両末端の配列を用いることもできる。さらに、これを宿主微生物のコンピテント細胞と共培養した時に、産生される該挿入DNAユニットを含むプラスミドDNAが、そのコピー数が低くなるような構造を有するもの、あるいはそのコピー数を調節できる構造を有するものが好ましく用いられる。このような構造として具体的には、ラクトースやその誘導物質のIPTG や、キシロース、アラビノース等の物質によりプロモーターを制御することで、複製に必要なたんぱく質の発現量に応じてコピー数が調節出来るプラスミドや、温度感受性の複製開始点や複製蛋白質を用いた温度によるコピー数の調節可能なプラスミド等が挙げられる。また、直接法においては、挿入DNAおよび共通配列を有するDNAを含むものが用いられる。 The inserted DNA can be the same as in (1) above. In the case of the indirect method, the inserted DNA unit includes an inserted DNA, a replication origin effective in the host microorganism, and two different common sequences for homologous recombination with the genomic DNA of the host microorganism (hereinafter referred to as “ What contains DNA which may be called a "common sequence" at the both ends is used. As the common sequence, sequences at both ends of the inserted DNA can be used. Furthermore, when this is co-cultured with competent cells of the host microorganism, the plasmid DNA containing the inserted DNA unit produced has a structure such that the copy number is low, or a structure capable of controlling the copy number Those having the following are preferably used. Specifically, such a structure is a plasmid whose copy number can be adjusted according to the expression level of the protein required for replication by controlling the promoter with substances such as lactose and its derivative IPTG, xylose, and arabinose. And a temperature-sensitive replication origin and a plasmid whose copy number can be adjusted by temperature using a replication protein. In the direct method, a DNA containing inserted DNA and DNA having a common sequence is used.
この共通配列は宿主微生物のゲノムDNAへの挿入DNAの挿入に必要不可欠であり、挿入DNAを宿主微生物のゲノムDNAに挿入するための足場(土台)となるべきものである。上記の共通配列を枯草菌等の宿主微生物のゲノムDNAに予め隣接するように組み込んでおくか、宿主微生物のゲノムDNAに存在する配列を共通配列として用いることもできる。この微生物細胞のゲノムDNAに隣接して存在する共通配列の間が挿入DNAユニットの挿入部位となる。 This common sequence is indispensable for the insertion of the inserted DNA into the genomic DNA of the host microorganism and should serve as a scaffold for inserting the inserted DNA into the genomic DNA of the host microorganism. The above common sequence can be incorporated in advance so as to be adjacent to the genomic DNA of the host microorganism such as Bacillus subtilis, or a sequence present in the genomic DNA of the host microorganism can also be used as the common sequence. Between the common sequences adjacent to the genomic DNA of this microbial cell is the insertion site of the inserted DNA unit.
本発明の方法では、組み換えのための共通配列がゲノムDNA中に隣接して存在する宿主微生物のコンピテント細胞と相同組み換え用プラスミドまたは相同組み換え用DNA断片を、共培養することにより相同組み換えを誘導し、挿入DNAユニットを宿主のゲノムDNA中に導入する。相同組み換えとは、1対の二本鎖DNAの相同的な塩基配列をもつ部分に起こる組み換えを言う。本明細書で言う「組み換えのための共通配列」とは、相同組み換えを生じさせることができる限り、挿入DNAユニット中の共通配列と、宿主微生物のゲノムDNA中の共通配列とが完全に同一である必要はなく、実質的に相同な配列(例えば、60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の相同性を有する配列であればよい。このような共通配列の長さは特に限定されないが、一般的には1kb以上が好ましく、例えば、5kbから数10kb程度が好ましく、10kbから25kb程度がさらに好ましいが、挿入DNAユニットから1組の共通配列を除いた長さの5〜15%程度が最適である。 In the method of the present invention, homologous recombination is induced by coculturing a competent recombination cell of a host microorganism in which a consensus sequence for recombination exists adjacent to the genomic DNA and a plasmid or DNA fragment for homologous recombination. The inserted DNA unit is then introduced into the genomic DNA of the host. Homologous recombination refers to recombination that occurs in a portion having a homologous base sequence of a pair of double-stranded DNAs. As used herein, “a common sequence for recombination” means that the common sequence in the inserted DNA unit and the common sequence in the genomic DNA of the host microorganism are completely identical as long as homologous recombination can occur. There is no need to provide a substantially homologous sequence (for example, a sequence having 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more, particularly preferably 90% or more, most preferably 95% or more). The length of such a common sequence is not particularly limited, but is generally preferably 1 kb or more, for example, preferably about 5 kb to several tens of kb, more preferably about 10 kb to 25 kb. From about 5 to 15% of the length excluding one set of common sequences is optimal.
宿主微生物は、上記(2)に記載のものを用いることができる。宿主微生物と相同組み換え用プラスミドあるいは相同組み換え用DNA断片の共培養による相同組み換えの詳細は、小倉光雄、バイオサイエンスとインダストリー、Vol.57, No.8, 532-535(1999)、板谷光泰、日本農芸化学会誌、Vol.67, No.4, 703-706 (1993)、並びに板谷光泰、日本農芸化学会誌、Vol.68, No.11, 1545-1550 (1994)などに記載されている方法を用いることができる。かくして製造される組み換え微生物も本発明の範囲に含まれる。 As the host microorganism, those described in (2) above can be used. For details of homologous recombination by co-culture of a plasmid for homologous recombination with a host microorganism or DNA fragment for homologous recombination, Mitsuo Ogura, Bioscience and Industry, Vol. 57, No. 8, 532-535 (1999), Mitsutoshi Itaya, It is described in Japanese Journal of Agricultural Chemistry, Vol.67, No.4, 703-706 (1993) and Mitsutoshi Itaya, Journal of Japanese Agricultural Chemistry Society, Vol.68, No.11, 1545-1550 (1994) The method can be used. The recombinant microorganism thus produced is also included in the scope of the present invention.
本発明の方法において、挿入DNAは、物質生産に必要な一連の遺伝子を含むDNAであることがあるが、この場合、挿入DNAとしてイントロンを含むゲノムDNAを用いる場合で、宿主微生物として例えば枯草菌を使用する場合には、枯草菌内でイントロンを含むゲノムDNAに含まれる遺伝子を発現できない、即ち目的物質が生産されない場合がある。このような場合は、スプライシングを誘起するタンパク質を該宿主微生物細胞に導入することにより、挿入DNAに含まれる遺伝子を発現させることができる。 In the method of the present invention, the inserted DNA may be a DNA containing a series of genes necessary for substance production. In this case, a genomic DNA containing an intron is used as the inserted DNA. May be used, the gene contained in the genomic DNA containing introns cannot be expressed in Bacillus subtilis, that is, the target substance may not be produced. In such a case, a gene contained in the inserted DNA can be expressed by introducing a protein that induces splicing into the host microbial cell.
(4)微生物細胞内での目的物質生産に適したDNA断片、並びにそれをゲノムDNA中に含む微生物の選択および取得方法
本発明の方法の第3は、微生物細胞内での目的物質生産に適したDNA断片、並びにそれをゲノムDNA中に含む微生物の選択および取得方法であって、 (a)宿主微生物中で有効な複製開始点および/または異なる2つの組み換えのための共通配列をその両末端に有するDNAと物質生産に必要な一連の遺伝子を含み、かつその遺伝子が異なる順番で連結している挿入DNAを含む挿入DNAユニットを、互いにその順序を保ったまま繰り返し連結し得る構造を有する複数の単位DNAとして調製する工程、(b)該単位DNAを連結して、挿入DNAユニットを少なくとも1つ有し、かつ単位DNAを1つ以上重複して有するDNA断片群を作製する工程、(c)該DNA断片群を用いて、請求項12または13に記載の方法により各挿入ユニットをゲノムDNA中に含む微生物群を製造する工程、(d)各微生物細胞中で目的物質を生産させ、該目的物質量を解析する工程からなる方法である。
(4) DNA fragment suitable for target substance production in microbial cells, and method for selecting and obtaining microorganisms containing the same in genomic DNA The third of the methods of the present invention is suitable for target substance production in microbial cells. A method for selecting and obtaining a DNA fragment and a microorganism containing it in genomic DNA, comprising: (a) a replication origin effective in a host microorganism and / or a common sequence for two different recombination at both ends A plurality of inserted DNA units, each of which has a structure capable of repeatedly linking with each other while maintaining the order of the inserted DNA units including the inserted DNA having the DNA and the series of genes necessary for substance production and linking the genes in different orders (B) linking the unit DNAs to have at least one inserted DNA unit, and overlapping one or more unit DNAs. A step of producing a group of DNA fragments, (c) a step of producing a group of microorganisms containing each insertion unit in the genomic DNA by the method according to claim 12 or 13, using the group of DNA fragments, (d) This is a method comprising the steps of producing a target substance in a microbial cell and analyzing the amount of the target substance.
上記の(a)〜(c)の工程については、上記(1)〜(3)に詳細に説明した方法を用いることができる。
製造された微生物細胞中で目的物質を生産させる方法としては、それ自体既知の常法を用いることができるが、例えば、宿主微生物が枯草菌の場合には、生産に関与する遺伝子を持つプラスミドによりコピー数を増加させた状態で生産する方法、あるいは、生産に関与する遺伝子のプロモーターを誘導物質や温度等の環境因子により誘導出来るように増殖に合わせた物質生産を行う方法等の方法が挙げられる。また、該微生物細胞中で生産される目的物質量の解析は、目的物質の種類や宿主微生物の種類に応じて適宜選択して行うことができる。具体的には、例えば、目的物質が抗菌物質で、これを枯草菌により生産させた場合、分泌された生産物を高速液体クロマトグラフィーや質量分析計、生物アッセイ等の方法を用いて生産物の量を測定する方法、あるいはプロテアーゼ等の菌体外分泌酵素の場合、その酵素の基質の反応速度を基質物質の吸光度の変化等により、生産量を測定したりする方法により、最も生産量が多かった微生物細胞を選択することによって、微生物細胞内での目的物質生産に適したDNA断片、並びにそれをゲノムDNA中に含む微生物を選択、取得することができる。
About the process of said (a)-(c), the method demonstrated in detail to said (1)-(3) can be used.
As a method for producing the target substance in the produced microbial cells, a known conventional method can be used. For example, when the host microorganism is Bacillus subtilis, a plasmid having a gene involved in production is used. Examples include a method of producing in a state where the copy number is increased, or a method of producing a substance in accordance with growth so that a promoter of a gene involved in production can be induced by an inducing substance or environmental factors such as temperature. . Moreover, the analysis of the amount of the target substance produced in the microbial cell can be appropriately selected according to the type of the target substance and the type of the host microorganism. Specifically, for example, when the target substance is an antibacterial substance and it is produced by Bacillus subtilis, the secreted product is obtained by using a method such as high performance liquid chromatography, mass spectrometry, or biological assay. In the case of a bacterial exocrine enzyme such as protease, the amount of production was the highest by measuring the amount of the substrate of the enzyme, such as by changing the absorbance of the substrate substance, etc. By selecting a microbial cell, it is possible to select and obtain a DNA fragment suitable for producing a target substance in the microbial cell, and a microorganism containing it in the genomic DNA.
以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の一例を示すものに過ぎず、本発明の範囲は以下の実施例により何ら限定されるものではない。
(材料)
枯草菌168株とRM125株(Uozumi, T., et al. Mol. Gen. Genet., 152, 65-69 (1977))は、当研究室で受け継がれているものを使用した。中度高熱菌由来で枯草菌での複製が可能なプラスミドpTB522は、Imanaka,T.et al.,J.Gen. Microbiol.,131,1753−1763(1985)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。IPTGの添加によりクローニングした遺伝子の発現が調節可能なプラスミドpDH88は、Henner,D.H.Methods Enzymol., 185,223−228(1990)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。大腸菌のプラスミドのpBR322は、宝酒造社から購入したものを使用した。テトラサイクリン耐性遺伝子のカセットを持つプラスミドpBEST305は、Itaya,M.Biosci.Biotech.Biochem.,56,685−686(1992)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。クロラムフェニコール耐性遺伝子のカセットを持つプラスミドpBEST4Dは、Itaya,M.,et al.J.Biochem., 107,799−801(1990)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。ネオマイシン耐性遺伝子を持つプラスミドpBEST501は、Itaya,M.et al.,Nucleic Acid Res.,17,4410(1989)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。Prプロモーター支配下のネオマイシン耐性遺伝子(Pr−neo)を持つプラスミドpBEST515Cは、Itaya,M,Biosci. Biotech.Biochem.,56,685−686(1992)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。プラスミドpCISP310BとpCISP311Bは、Itaya,M.et al.J.Biochem.,128,869−875(2000)に記載の方法に準じて取得されたものを用いた。
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the following examples are merely examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.
(material)
As Bacillus subtilis 168 strain and RM125 strain (Uozumi, T., et al. Mol. Gen. Genet., 152, 65-69 (1977)), those inherited in our laboratory were used. Plasmid pTB522, which is derived from moderately thermophilic bacteria and capable of replication in Bacillus subtilis, is described in Imanaka, T .; et al. , J .; Gen. Microbiol. , 131, 1753-1863 (1985). Plasmid pDH88 capable of regulating the expression of the cloned gene by the addition of IPTG is described in Henner, D. et al. H. Methods Enzymol. , 185, 223-228 (1990) were used. E. coli plasmid pBR322 purchased from Takara Shuzo was used. Plasmid pBEST305 carrying the tetracycline resistance gene cassette is described in Itaya, M .; Biosci. Biotech. Biochem. 56, 685-686 (1992). Plasmid pBEST4D carrying a cassette of chloramphenicol resistance gene is described in Itaya, M .; , Et al. J. et al. Biochem. 107, 799-801 (1990). Plasmid pBEST501 carrying the neomycin resistance gene is described in Itaya, M .; et al. Nucleic Acid Res. 17, 4410 (1989). Plasmid pBEST515C carrying the neomycin resistance gene (Pr-neo) under the control of the Pr promoter is disclosed in Itaya, M, Biosci. Biotech. Biochem. 56, 685-686 (1992). Plasmids pCISP310B and pCISP311B are described in Itaya, M .; et al. J. et al. Biochem. , 128, 869-875 (2000).
アンピシリン、クロラムフェニコール、エリスロマイシン、テトラサイクリン、スペクチノマイシン、ネオマイシンの抗生物質は、シグマ社から購入した。制限酵素SfiIは、NEB社から購入した。制限酵素NotIは、宝酒造から購入した。他の制限酵素とAlkaline Phosphatase(E.coli)、T4 Polynucleotide Kinase、T4 DNA ligaseは、東洋紡社から購入した。大腸菌を用いたプラスミド作製に行ったDNA断片の平滑化とライゲーションには、宝酒造社のDNA Blunting KitとDNA Ligation Kitをそれぞれ用いた。PCRによる遺伝子増幅には、宝酒造社のTaKaRa Ex Taq HSを用い、添付の説明書に従い行った。PCRの反応条件は、98℃、5分の後、以下の温度サイクルを30サイクル行った。98℃、20秒;60℃、30秒;72℃、増幅長さ1 kbあたり1分。PCR産物のクローニングには、Invtrogen社のTOPO XL PCR Cloning Kitを用いた。リゾチームは、生化学工業社製を用いた。LB培地の培地成分及び寒天は、ベクトン ディッキントン社製のものを用いた。IPTG(isopropyl s-D-thiogalactopyranoside)は、シグマ社のものを使用した。他のすべての生化学試薬は、シグマ社およびナカライテスク社製のものを使用した。 Ampicillin, chloramphenicol, erythromycin, tetracycline, spectinomycin, and neomycin antibiotics were purchased from Sigma. The restriction enzyme SfiI was purchased from NEB. The restriction enzyme NotI was purchased from Takara Shuzo. Other restriction enzymes, Alkaline Phosphatase (E. coli), T4 Polynucleotide Kinase, and T4 DNA ligase were purchased from Toyobo. Takara Shuzo's DNA Blunting Kit and DNA Ligation Kit were used for the smoothing and ligation of the DNA fragments used for plasmid preparation using E. coli. For gene amplification by PCR, TaKaRa Ex Taq HS manufactured by Takara Shuzo Co., Ltd. was used according to the attached instructions. PCR reaction conditions were 98 ° C., 5 minutes, and 30 cycles of the following temperature cycle were performed. 98 ° C., 20 seconds; 60 ° C., 30 seconds; 72 ° C., 1 minute per kb amplification length. For cloning of PCR products, TOPO XL PCR Cloning Kit from Invtrogen was used. A lysozyme manufactured by Seikagaku Corporation was used. As the medium component and agar of LB medium, those manufactured by Becton Dickington were used. IPTG (isopropyl s-D-thiogalactopyranoside) was from Sigma. All other biochemical reagents were from Sigma and Nacalai Tesque.
特記以外のプラスミドの構築は、大腸菌JA221株(CGSC#: 7091)を用いた。サザンハイブリダイゼーションは、Roche社のDIG DNA Labeling and Detection Kitを使用した。構築したプラスミドの抽出、検定、大量調製等の操作法は、標準プロトコール(Sambrook J, 他, Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York (1989))。コンピテント大腸菌JA221及びコンピテント枯草菌の形質転換は、既報の通り行った(Itaya, M. Mol. Gen. Genet., 241, 287-297(1993))。 For construction of plasmids other than those specifically mentioned, Escherichia coli JA221 strain (CGSC #: 7091) was used. Southern hybridization used Roche's DIG DNA Labeling and Detection Kit. Standard protocols (Sambrook J, et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York (1989)) are used for procedures such as extraction, assay, and mass preparation of the constructed plasmid. Transformation of competent E. coli JA221 and competent Bacillus subtilis was performed as previously reported (Itaya, M. Mol. Gen. Genet., 241, 287-297 (1993)).
実施例1 5つの薬剤耐性遺伝子断片のプラスミド中への集積
(1)単位DNAの調製
薬剤耐性遺伝子を含む、末端にSfiI認識配列を有する単位DNAの作製は、以下のように行った。ブラストサイジンS、クロラムフェニコール、スペクチノマイシン耐性遺伝子を有するプラスミドpCISP310B(Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000))を鋳型として、プライマーBsR-Sfi1FとBsR-Sfi1R(配列番号8、9)を用いたPCRにより、ブラストサイジンS耐性遺伝子を増幅して、pCR-XL-TOPO(Invitrogen社)ベクターにクローニングし、プラスミドpCRBsR1stを構築した。また、同プラスミドを鋳型としたcat-SfiI2Fとcat-SfiI2R(配列番号10、11)を用いたPCRによりクロラムフェニコール遺伝子を増幅し、クロラムフェニコール耐性遺伝子をクローニングしたプラスミドpCRCmR2nd を構築した。さらに、spc-SfiI5Fとspc-SfiI5R(配列番号16、17)を用いたPCRによりスペクチノマイシン耐性遺伝子を増幅し、スペクチノマイシン耐性遺伝子をクローニングしたプラスミドpCRSpR5thを構築した。また、エリスロマイシン耐性遺伝子を有するpCISP311B(Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000))を鋳型として、erm-SfiI3Fとerm-SfiI3R(配列番号12、13)を用いたPCRからエリスロマイシン耐性遺伝子を増幅し、エリスロマイシン耐性遺伝子をクローニングしたプラスミドpCREmR3rdを構築した。さらに、ネオマイシン耐性遺伝子を持つpBEST501(Itaya, M. et al., Nucleic. Acid. Res., 17, 4410(1989))プラスミドを鋳型としてneo-SfiI4Fとneo-SfiI4R(配列番号14、15)を用いたPCRによりネオマイシン耐性遺伝子を増幅し、ネオマイシン耐性遺伝子をクローニングしたプラスミドpCRNmR4thを得た。
Example 1 Accumulation of Five Drug Resistance Gene Fragments in Plasmid (1) Preparation of Unit DNA A unit DNA containing a drug resistance gene and having a SfiI recognition sequence at the end was prepared as follows. Using the plasmid pCISP310B (Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000)) having the gene for resistance to blasticidin S, chloramphenicol, and spectinomycin as a template and primers BsR-Sfi1F The blasticidin S resistance gene was amplified by PCR using BsR-Sfi1R (SEQ ID NOs: 8 and 9) and cloned into the pCR-XL-TOPO (Invitrogen) vector to construct plasmid pCRBsR1st. In addition, the chloramphenicol gene was amplified by PCR using cat-SfiI2F and cat-SfiI2R (SEQ ID NOs: 10 and 11) using the plasmid as a template, and a plasmid pCRCmR2nd was constructed in which the chloramphenicol resistance gene was cloned. . Further, a spectinomycin resistance gene was amplified by PCR using spc-SfiI5F and spc-SfiI5R (SEQ ID NOs: 16 and 17), and a plasmid pCRSpR5th was constructed in which the spectinomycin resistance gene was cloned. In addition, erm-SfiI3F and erm-SfiI3R (SEQ ID NOs: 12 and 13) are used using pCISP311B (Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000)) having an erythromycin resistance gene as a template. The plasmid pCREmR3rd was constructed by amplifying the erythromycin resistance gene from the PCR and cloning the erythromycin resistance gene. Further, pBEST501 (Itaya, M. et al., Nucleic. Acid. Res., 17, 4410 (1989)) plasmid having a neomycin resistance gene is used as a template for neo-SfiI4F and neo-SfiI4R (SEQ ID NOs: 14 and 15). The neomycin resistance gene was amplified by the PCR used, and the plasmid pCRNmR4th obtained by cloning the neomycin resistance gene was obtained.
また、枯草菌において有効な複製開始点を有し、かつコピー数調節可能な大腸菌-枯草菌間シャトルプラスミドのpGETSであって、SfiI認識配列を有するpGETS109SfiIの構築は、以下の様に行った。プラスミドpTB522(Imanaka, T., et al., J. Gen. Microbiol., 131, 1753-1763(1985))を制限酵素EcoRIとMluIで消化した後、DNA Blunting Kit(TAKARA社製)を用いてこのサイトを平滑化した。また、プラスミドpDH88(Henner, D. H., Methods Enzymol., 185, 223-228(1990))を制限酵素HindIIIとBglIIで切断し脱リン酸化した後、DNA Blunting Kit(TAKARA社製)を用いてこのサイトを平滑化した。両断片を連結して、pDHrepAFを構築した。ターミネーターをクローニングするために、プライマーrrnBterm2F とrrnBtermR (配列番号1、2)により大腸菌JA221(CGSC#: 7091)のゲノムDNAをテンプレートとしてPCRを行い、増幅した断片をプラスミドpCR XL TOPO(Invitrogen社製)中にクローニングし、プラスミドpCRrrnBTerm2を構築した。pDHrepAFをEcoRIで切断し脱リン酸化したものに、pCRrrnBTerm2をEcoRIとMunIで消化して得られた断片を連結して、プラスミドpDHrepAT1を構築した。pBR322(TAKARA社製)を制限酵素PvuIIで切断し脱リン酸化した後、pDHrepAT1をEcoRIとBamHIで切断し末端を平滑化した断片を連結して、プラスミドpBRDHrepAT1Fを構築した。pBRDHrepAT1FをSmaIで切断し脱リン酸化した後、pBEST305(Itaya, M. Biosci. Biotech. Biochem., 56,685-686. (1992))をEcoRIとPstIで消化し末端を平滑化して得られたテトラサイクリン耐性遺伝子のカセットを連結して、プラスミドpGETS109を構築した。プラスミドpGETS109のHindIII サイトに、VSfiKpn-1FとVSfiKpn-1R(配列番号3、4)をアニールして作製したリンカーを挿入して、プラスミドpGETS109SfiIを作製した。 In addition, pGETS109SfiI, which is an E. coli-Bacillus subtilis shuttle plasmid having an effective replication origin in Bacillus subtilis and capable of controlling the copy number, and having an SfiI recognition sequence, was constructed as follows. After digesting plasmid pTB522 (Imanaka, T., et al., J. Gen. Microbiol., 131, 1753-1763 (1985)) with restriction enzymes EcoRI and MluI, DNA Blunting Kit (manufactured by TAKARA) was used. This site was smoothed. In addition, plasmid pDH88 (Henner, DH, Methods Enzymol., 185, 223-228 (1990)) was cleaved with restriction enzymes HindIII and BglII and dephosphorylated, and then this site was used using DNA Blunting Kit (manufactured by TAKARA). Was smoothed. Both fragments were ligated to construct pDHrepAF. To clone the terminator, PCR was performed with primers rrnBterm2F and rrnBtermR (SEQ ID NOs: 1 and 2) using the genomic DNA of E. coli JA221 (CGSC #: 7091) as a template, and the amplified fragment was plasmid pCR XL TOPO (manufactured by Invitrogen) Cloning into plasmid pCRrrnBTerm2 was constructed. A fragment obtained by digesting pCRrrnBTerm2 with EcoRI and MunI was ligated to pDHrepAF digested with EcoRI and dephosphorylated to construct plasmid pDHrepAT1. pBR322 (manufactured by TAKARA) was cleaved with the restriction enzyme PvuII and dephosphorylated, and then a fragment obtained by cleaving pDHrepAT1 with EcoRI and BamHI and blunting the ends was ligated to construct a plasmid pBRDHrepAT1F. tetracycline resistance obtained by digesting pBRDHrepAT1F with SmaI and dephosphorylating, then digesting pBEST305 (Itaya, M. Biosci. Biotech. Biochem., 56,685-686. (1992)) with EcoRI and PstI Plasmid pGETS109 was constructed by ligating gene cassettes. A linker prepared by annealing VSfiKpn-1F and VSfiKpn-1R (SEQ ID NOs: 3 and 4) was inserted into the HindIII site of plasmid pGETS109 to prepare plasmid pGETS109SfiI.
それぞれのプラスミドをSfiIにより消化し、低融点アガロース中で電気泳動してバンドを切り出すことにより薬剤耐性遺伝子を有する単位DNA、BsR1st、CmR2nd、EmR3rd、NmR4th、SpR5thと、pGETS109SfiIを精製し、これらの一部を電気泳動することにより濃度を調べた。これらのSfiI断片の末端の配列は図1の単位DNAに示すとおりである。 Each plasmid is digested with SfiI, electrophoresed in low-melting point agarose, and the band is cut out to purify unit DNAs having drug resistance genes, BsR1st, CmR2nd, EmR3rd, NmR4th, SpR5th, and pGETS109SfiI. The concentration was examined by electrophoresis of the part. The sequences at the ends of these SfiI fragments are as shown in the unit DNA of FIG.
(2)単位DNAの連結(ライゲーション)
上記(1)で調製されたBsR1st、CmR2nd、EmR3rd、NmR4th、SpR5thと、pGETS109SfiIの各単位DNAは、ライゲーション時の体積22 μlにおけるの最終濃度が0.25 fmol/μlずつ、即ちモル比が1となるように適当量をとり、合計が10μlになるよにTEバッファーを添加した後、2×Linear ligationバッファー(132 mM Tris-HCl(pH 7.6)、13.2 mM MgCl2、20 mM Dithiothreithol、0.2 mM ATP、300 mM NaCl、20 %(w/v) polyethylen glycol)11 μlを混合し、そこにT4 DNA Ligase (4 weiss unit/μl:NEB社製)を 1 μl添加して、37℃、30分間恒温することでライゲーションした。このときライゲーション産物は、図1に示すように単位DNAが多重に繰り返した高分子直鎖状DNAとなっている。このサンプルを(i)とする。
(2) Ligation of unit DNA
Each unit DNA of BsR1st, CmR2nd, EmR3rd, NmR4th, SpR5th and pGETS109SfiI prepared in (1) above has a final concentration of 0.25 fmol / μl in a volume of 22 μl at the time of ligation, that is, a molar ratio of 1. After adding TE buffer so that the total amount becomes 10 μl, 2 × Linear ligation buffer (132 mM Tris-HCl (pH 7.6), 13.2 mM MgCl2, 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 Mix 11 μl of mM NaCl, 20% (w / v) polyethylen glycol), add 1 μl of T4 DNA Ligase (4 weiss unit / μl: NEB), and incubate at 37 ° C for 30 minutes. Ligated with. At this time, as shown in FIG. 1, the ligation product is a high-molecular linear DNA in which unit DNA is multiply repeated. Let this sample be (i).
また、各断片のモル比が1から逸脱した場合における形質転換効率に与える影響を調べるために、上記(i)に対して、(ii)単位DNAのうち、CmR2ndを全く添加しなかったもの、(iii)CmR2ndを他の単位DNAに比べて8倍濃度(最終濃度2 fmol/μl)添加したもの、(iv)単位DNApGETS109SfiIを他の単位DNAに比べて8倍濃度(最終濃度2 fmol/μl)添加したものもそれぞれ調整し、上記(i)と同様にライゲーションを行った。 In addition, in order to investigate the effect on transformation efficiency when the molar ratio of each fragment deviates from 1, (ii) to (ii) among the unit DNA, CmR2nd was not added at all, (Iii) CmR2nd added 8 times compared to other unit DNA (final concentration 2 fmol / μl), (iv) 8 times the concentration of unit DNApGETS109SfiI compared to other unit DNA (final concentration 2 fmol / μl) ) The added ones were also adjusted and ligated in the same manner as in (i) above.
(3)枯草菌の形質転換
上記(2)で取得したライゲーション産物の7 μlを、枯草菌RM125株(Uozumi, T., et al., Mol. Gen. Genet., 152, 65-69(1977))のコンピテント細胞培養液(Itaya, M., et al.,Mol. Gen. Genet., 241, 287-297(1993) )50 μlにそれぞれ添加して37℃、30分間恒温した。その後、各単位DNAに含まれる薬剤耐性遺伝子を発現させるために、LB培地200 μlを添加してから37℃、1時間培養、10μg/mlのテトラサイクリン(Sigma社製)を含むLB寒天培地に広げて、37℃で終夜培養した。得られたテトラサイクリン耐性コロニーは、(i)のライゲーション産物からは246個で、(ii)からは12個、(iii)からは129個、(iv)からは59個得られた。これらの株の大多数について単位DNAに含まれる耐性遺伝子が耐性を示す5つの薬剤(ブラストサイジンS、クロラムフェニコール、エリスロマイシン、ネオマイシン、スペクチノマイシン)に対する耐性の有無を、各薬剤を含むプレートに爪楊枝でレプリカすることにより調べたところ、全ての薬剤に対する耐性を示したコロニーの割合が、(i)74%、(ii)0%、(iii)77%、(iv)59%となった。
(3) Transformation of Bacillus subtilis 7 μl of the ligation product obtained in (2) above was transferred to Bacillus subtilis RM125 strain (Uozumi, T., et al., Mol. Gen. Genet., 152, 65-69 (1977). )) In a competent cell culture medium (Itaya, M., et al., Mol. Gen. Genet., 241, 287-297 (1993)), respectively, and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. Then, in order to express the drug resistance gene contained in each unit DNA, 200 μl of LB medium was added, then cultured at 37 ° C. for 1 hour, spread on LB agar medium containing 10 μg / ml tetracycline (manufactured by Sigma). And cultured at 37 ° C. overnight. The obtained tetracycline resistant colonies were 246 from the ligation product of (i), 12 from (ii), 129 from (iii), and 59 from (iv). For most of these strains, each drug contains the presence or absence of resistance to 5 drugs (blastosidin S, chloramphenicol, erythromycin, neomycin, spectinomycin) whose resistance genes contained in the unit DNA are resistant When examined by replicating with a toothpick on the plate, the proportion of colonies showing resistance to all drugs was (i) 74%, (ii) 0%, (iii) 77%, (iv) 59% It was.
上記の(i)のライゲーション産物から得られた形質転換体のうち、任意に選んだ12株のコロニーを、10 μg/ml のテトラサイクリン(SIGMA社製)とプラスミドコピー数を増加させるための1 mMのIPTG(isopropyl s-D-thiogalactopyranoside:SIGMA社製)を添加した2 mlのLB培地に植菌し、37℃で終夜培養した後、少量スケールでのプラスミド精製を行った。得られたプラスミドをSfiIで消化後、アガロースゲル電気泳動を行い、臭化エチジウムにより染色した結果を図3に示す。その結果、上記(1)で作製した単位DNAであるBsR1st、CmR2nd、EmR3rd、NmR4th、SpR5thと、pGETS109SfiIの存在が確認されたプラスミドを持つ株が12株中8株あり、その正しいプラスミドの有無は、上述の各薬剤プレートによる耐性の結果と完全に一致していた。これらのことから、ライゲーションを行う際には、各単位DNAを等モルずつ混合して行うとライゲーション効率が高いことがわかった。 Among the transformants obtained from the ligation product (i) above, arbitrarily selected 12 colonies were transformed into 10 μg / ml tetracycline (manufactured by SIGMA) and 1 mM to increase the plasmid copy number. Of IPTG (isopropyl sD-thiogalactopyranoside: manufactured by SIGMA) was inoculated into 2 ml of LB medium, cultured at 37 ° C. overnight, and then purified on a small scale. The obtained plasmid was digested with SfiI, subjected to agarose gel electrophoresis, and stained with ethidium bromide. The results are shown in FIG. As a result, BsR1st, CmR2nd, EmR3rd, NmR4th, SpR5th, which are unit DNAs prepared in (1) above, and 8 strains having a plasmid in which the presence of pGETS109SfiI was confirmed. The results were completely consistent with the resistance results with each drug plate described above. From these facts, it was found that ligation efficiency was high when equimolar amounts of each unit DNA were mixed.
また、より詳細にこのプラスミドの構造を調べるために、上記で各単位DNAが含まれることを確認したプラスミドのうちの1つについて、大腸菌JA221 (CGSC#: 7091)に形質転換した後、大量にプラスミドを調整して、各種制限酵素の切断パターンを詳細に検討した結果、BsR1st、CmR2nd、EmR3rd、NmR4th、SpR5thの各断片が、この順番にプラスミドpGETS109SfiI中に集積していることを確認した。 In order to investigate the structure of this plasmid in more detail, one of the plasmids confirmed to contain each unit DNA as described above was transformed into Escherichia coli JA221 (CGSC #: 7091) and As a result of preparing plasmids and examining the cleavage patterns of various restriction enzymes in detail, it was confirmed that fragments of BsR1st, CmR2nd, EmR3rd, NmR4th, and SpR5th were accumulated in this order in the plasmid pGETS109SfiI.
実施例2 抗カビ物質プリパスタチンの生産に関与する3つの遺伝子degQ、sfp、ppsの枯草菌プラスミド中への集積
(1)プリパスタチン産生のための遺伝子
枯草菌の生産するリポペプチド性抗菌物質プリパスタチンの生産には現在までにdegQ(0.3 kb)、sfp(1 kb)、pps(38 kb)の3つの遺伝子が必要であることが明らかになっている(Tsuge, K., et al. Antimicrob. Agents Chemother. 43, 2183-2192.(1999))。本実施例で宿主として用いる枯草菌168株(Uozumi, T., et al., Mol. Gen. Genet., 152, 65-69(1977))は、これが有する変異型degQ遺伝子(degQ0遺伝子)と変位型sfp遺伝子(sfp0遺伝子)は、野生型のdegQ遺伝子とsfp遺伝子と比較してどちらも1塩基の変異により機能不全型になっているため、プリパスタチンを生産しない(Tsuge, K., et al. Antimicrob. Agents Chemother. 43, 2183-2192.(1999))。従って本実施例においては、活性型の同遺伝子を該宿主にプラスミドとして導入し、該宿主にプリパスタチンを産生させることを試みた。
Example 2 Accumulation of three genes degQ, sfp, and pps involved in production of antifungal substance prepastatin in Bacillus subtilis plasmid (1) Gene for prepastatin production Lipopeptide antibacterial substance prepa produced by Bacillus subtilis To date, it has been shown that three genes, degQ (0.3 kb), sfp (1 kb), and pps (38 kb) are required for the production of statins (Tsuge, K., et al. Antimicrob Agents Chemother. 43, 2183-2192. (1999)). Bacillus subtilis 168 strain (Uozumi, T., et al., Mol. Gen. Genet., 152, 65-69 (1977)) used as a host in this example is a mutant degQ gene (degQ0 gene) Displacement-type sfp gene (sfp0 gene) does not produce prepastatin because both degQ gene and sfp gene are dysfunctional due to a single base mutation compared to wild-type degQ gene and sfp gene (Tsuge, K., et. al. Antimicrob. Agents Chemother. 43, 2183-2192. (1999)). Therefore, in this example, an attempt was made to introduce an active form of the same gene into the host as a plasmid and to produce prepastatin in the host.
(2)枯草菌168株ゲノムからの変異型degQ sfp、pps遺伝子の除去
活性型のdegQ、sfp、pps遺伝子を含むの3つのDNA断片を枯草菌プラスミド中に集積するにあたり、宿主となる枯草菌にこれらの遺伝子が残存していると、ゲノムとプラスミド間の相同組換え等により、ゲノムとプラスミドの不安定性を引き起こす可能性があるため、上記遺伝子集積を行うのに先立ち、まず、枯草菌168株ゲノム中に存在する変異型degQ、sfp、pps遺伝子DNAの完全な除去を行った。
(2) Removal of mutant degQ sfp and pps genes from Bacillus subtilis 168 strain genome Bacillus subtilis that becomes the host for accumulation of three DNA fragments containing active degQ, sfp and pps genes in the Bacillus subtilis plasmid If these genes remain, the instability of the genome and the plasmid may be caused by homologous recombination between the genome and the plasmid. Therefore, prior to performing the above gene accumulation, first, Bacillus subtilis 168 Mutant degQ, sfp, and pps gene DNA present in the strain genome was completely removed.
枯草菌168株ゲノムから変異型degQ遺伝子DNAを除去するために、プライマーdegQ2F-BglとdegQ2R-Bgl(配列番号18、19)により、プラスミドpCRdegQ(後述の(3)(ii)で作製)を鋳型としてdegQ遺伝子DNAの両末端からそれぞれ逆の方向にPCRを行い、得られた断片をBglIIで消化し自己閉環することにより、pCRΔdegQを構築した。このプラスミドは、元のプラスミドpCRdegQに比較して 0.3 kbのdegQ遺伝子DNAが除去されていて変わりにBglIIサイトが存在する。pCRΔdegQにクローニングされているdegQ遺伝子の両末端にあった領域を EcoRIにより切り出し、これをpBR322(TAKARA社製)のEcoRIサイトにクローニングして、pBRΔdegQFを作製した。このプラスミドのdegQの両末端にあった領域中のBglIIサイトを切断した後に、脱リン酸化処理と平滑末端処理を行なったものに、プラスミドpBEST515C(Itaya, M. Biosci. Biotech. Biochem., 56,685-686. (1992))のEcoRI消化により得られたPr-neo断片を平滑末端化したものを挿入することにより、プラスミドpBRΔdegQF::Pr-neo30Fを構築した。このプラスミドをPstIで切断して直鎖状にした後、枯草菌168株(Uozumi, T., et al. Mol. Gen. Genet., 152, 65-69
(1977))にItaya, M. Mol. Gen. Genet., 241, 287-297(1993)に記載の方法に準じて形質転換してネオマイシン耐性で選択することにより、degQ遺伝子DNAを完全に欠失し、その領域にネオマイシン耐性遺伝子であるPr-neoを持つ枯草菌BEST8635株を構築した。
To remove mutant degQ gene DNA from the Bacillus subtilis 168 genome, plasmid pCRdegQ (prepared in (3) (ii) described later) was templated with primers degQ2F-Bgl and degQ2R-Bgl (SEQ ID NOs: 18, 19). As described above, pCRΔdegQ was constructed by performing PCR in the opposite direction from both ends of the degQ gene DNA, digesting the obtained fragment with BglII and self-closing. This plasmid has a 0.3 kb degQ gene DNA removed compared to the original plasmid pCRdegQ, and a BglII site is present instead. The region at both ends of the degQ gene cloned in pCRΔdegQ was excised with EcoRI, and cloned into the EcoRI site of pBR322 (TAKARA) to prepare pBRΔdegQF. The plasmid pBEST515C (Itaya, M. Biosci. Biotech. Biochem., 56,685-) was obtained by cleaving the BglII site in the region at both ends of degQ of this plasmid, followed by dephosphorylation and blunt end treatment. The plasmid pBRΔdegQF :: Pr-neo30F was constructed by inserting the blunt-ended Pr-neo fragment obtained by EcoRI digestion of 686. (1992)). This plasmid was digested with PstI to linearize it, and then Bacillus subtilis 168 strain (Uozumi, T., et al. Mol. Gen. Genet., 152, 65-69
(1977)) was transformed into the method described in Itaya, M. Mol. Gen. Genet., 241, 287-297 (1993) and selected for neomycin resistance to completely lack degQ gene DNA. B. subtilis BEST8635 strain having Pr-neo, a neomycin resistance gene, was constructed in that region.
次に、sfp遺伝子DNAを欠損させるためにsfp遺伝子の5’上流側のDNAを、プライマーsfp2F-Bamとsfp2R-Bam(配列番号20、21)、そして3’下流側のDNAをプライマーsfp3F-Bamとsfp3R-Bam(配列番号22、23)を用いてPCRにより増幅してpCR-XL-TOPOベクター(Invirogen社製)にクローニングした。sfp遺伝子の5’上流側のDNA断片が含まれるプラスミドをpCRupsfpとし、3’下流側のDNAをクローニングしたプラスミドをpCRdownsfpとした。pCRdownsfpをBamHIで切断し、得られたsfp遺伝子の3’下流領域を含むDNA断片をpCISP310B(Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000))のBamHIサイトに挿入したプラスミドpC[downsfp/]を構築した。次にこのプラスミドのEcoRIサイトにプラスミドpCRupsfpをEcpRIで切断して得られたsfp遺伝子の5’上流領を含む断片を挿入して、プラスミドpC[downsfp/upsfp]を構築した。このプラスミドを上記と同様にしてBEST8635株に形質転換してBEST8646株を得た。 Next, in order to delete the sfp gene DNA, the 5 'upstream DNA of the sfp gene is used as primers sfp2F-Bam and sfp2R-Bam (SEQ ID NOs: 20, 21), and the 3' downstream DNA is used as the primer sfp3F-Bam. And sfp3R-Bam (SEQ ID NOs: 22 and 23) and amplified by PCR and cloned into pCR-XL-TOPO vector (manufactured by Invirogen). The plasmid containing the 5 'upstream DNA fragment of the sfp gene was designated pCRupsfp, and the plasmid obtained by cloning the 3' downstream DNA was designated pCRdownsfp. pCRdownsfp was cleaved with BamHI, and the resulting DNA fragment containing the 3 ′ downstream region of the sfp gene was inserted into the BamHI site of pCISP310B (Itaya, M. et al. J. Biochem., 128, 869-875 (2000)). The constructed plasmid pC [downsfp /] was constructed. Next, a fragment containing the 5 'upstream region of the sfp gene obtained by cutting the plasmid pCRupsfp with EcpRI was inserted into the EcoRI site of this plasmid to construct a plasmid pC [downsfp / upsfp]. This plasmid was transformed into the BEST8635 strain in the same manner as described above to obtain the BEST8646 strain.
この株のゲノムDNA中には、sfp遺伝子はなくなり、代わりにcIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子のカセットが挿入されており、導入されたcIリプレッサー遺伝子により、Prプロモーターの発現が抑制され、この株ではネオマイシン感受性株となっているが、cIリプレッサー遺伝子が消失すると、ネオマイシン耐性へと変わる(特開2001-321170号公報)。 In the genomic DNA of this strain, there is no sfp gene, but instead a cI repressor gene and a spectinomycin resistance gene cassette are inserted, and the introduced cI repressor gene suppresses the expression of the Pr promoter. Although this strain is a neomycin sensitive strain, when the cI repressor gene disappears, it changes to neomycin resistance (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-321170).
次に、BEST8646株のゲノムDNAから上記cIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子のカセットを消去するために、sfp遺伝子5’上流と3’下流領域のDNAを連結したDNA断片を構築した。まず、pCRupsfpをPstIで切断しその後EcoT22Iの部分消化により約1 kbのPstI-EcoT22Iのsfp遺伝子5’上流断片を得て、これをpCRdownsfpのPstIサイトに導入してpCRdownsfp/upsfpを得た。このプラスミドを枯草菌BEST8646株に形質転換してsfp 遺伝子5’上流と下流領域の2重交差により組み換わりcIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子のカセットが消去したBEST8647株を得た。 Next, in order to delete the cI repressor gene and spectinomycin resistance gene cassette from the genomic DNA of the BEST8646 strain, a DNA fragment was constructed by linking the 5 'upstream and 3' downstream region DNAs of the sfp gene. First, pCRupsfp was cleaved with PstI, and then an about 1 kb sfp gene 5 'upstream fragment of PstI-EcoT22I was obtained by partial digestion with EcoT22I, which was introduced into the PstI site of pCRdownsfp to obtain pCRdownsfp / upsfp. This plasmid was transformed into Bacillus subtilis BEST8646 strain to obtain BEST8647 strain in which the cassette of cI repressor gene and spectinomycin resistance gene was deleted by recombination by double crossing of sfp gene 5 'upstream and downstream regions.
さらに、pps遺伝子DNAを消去するために、pps遺伝子の5’上流の領域をプライマーppsA2F-BamとppsA2R-Bam(配列番号24、25)により、また3’下流の領域をプライマーppsE2F-BamとppsE2R-Bam(配列番号26、27)により枯草菌168株のゲノムDNAを鋳型としたPCRにより得て、これらPCR産物をそれぞれpCR-XL-TOPOベクター(Invitrogen社)にクローニングしたプラスミドpCRupppsAとpCRdownppsEを構築した。pCRdownppsEのNotI-PstI間にオリゴDNAのRVICeuPstFとRVICeuPstR(配列番号28、29)をアニールして作製したアダプターを挿入して、pCRdownppsE-ICeuIを作製し、このプラスミドをMluIとPstIの消化により得られたpps遺伝子の3’下流領域のDNA断片を、pCRupppsAをEcoT22Iで部分消化した後、MluIで切断して得られた断片に連結して、プラスミドpCRupppsA/downppsE-ICeuIを構築した。 Furthermore, in order to erase the pps gene DNA, the 5 ′ upstream region of the pps gene is primer ppsA2F-Bam and ppsA2R-Bam (SEQ ID NOS: 24, 25), and the 3 ′ downstream region is primer ppsE2F-Bam and ppsE2R. -Plasmids pCRupppsA and pCRdownppsE obtained by PCR using the genomic DNA of Bacillus subtilis 168 strain as a template with -Bam (SEQ ID NO: 26, 27) and cloned into the pCR-XL-TOPO vector (Invitrogen), respectively. did. An adapter prepared by annealing the oligo DNAs RVICeuPstF and RVICeuPstR (SEQ ID NO: 28, 29) was inserted between NotI-PstI of pCRdownppsE to prepare pCRdownppsE-ICeuI. This plasmid was obtained by digesting MluI and PstI. The DNA fragment in the 3 ′ downstream region of the pps gene was partially digested with EcoT22I and then ligated to the fragment obtained by digestion with MluI to construct plasmid pCRupppsA / downppsE-ICeuI.
このプラスミドをさらにEcoT22Iの部分消化の後、PstIで得られた断片を自己閉環することにより、プラスミドpCRupppsA/downppsE-ICeuI-lastを構築した。このプラスミドをEcoRVサイトにpCISP303#6のPvuIIサイトで直鎖化したものを挿入して、pCRupppsA/downppsE-ICeuI-last/CISPR3を構築した。このプラスミドを上記の枯草菌BEST8647株に上記と同様に導入して、スペクチノマイシン耐性株を取得することで、pps遺伝子が完全に欠失し、代わりにプラスミドpCISP303#6(Itaya, M., et al., J. Biochem., 128, 869-875 (2000))がこの部分に挿入された枯草菌BEST8652株を構築した。この株にpCRupppsA/downppsE-ICeuI-lastを上記と同様に形質転換し、ネオマイシン耐性株を取得することにより、pps遺伝子が完全に欠失した枯草菌BEST8666株を作製した。この株は、元の168株と比較して、ゲノムDNA上のdegQ、sfp、pps遺伝子を完全に欠損した株で、即ち、以下のように表現できる。trpC2 ΔdegQ::Pr-neo Δsfp Δpps。 This plasmid was further partially digested with EcoT22I, and then the fragment obtained with PstI was self-cycled to construct plasmid pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last. This plasmid was inserted into the EcoRV site and linearized at the PvuII site of pCISP303 # 6 to construct pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last / CISPR3. This plasmid was introduced into the above Bacillus subtilis BEST8647 strain in the same manner as described above to obtain a spectinomycin resistant strain, whereby the pps gene was completely deleted. Instead, the plasmid pCISP303 # 6 (Itaya, M., et al., J. Biochem., 128, 869-875 (2000)) constructed Bacillus subtilis BEST8652 strain inserted in this part. This strain was transformed with pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last in the same manner as described above to obtain a neomycin resistant strain, thereby preparing a Bacillus subtilis BEST8666 strain in which the pps gene was completely deleted. This strain is a strain that is completely deficient in the degQ, sfp, and pps genes on the genomic DNA as compared with the original 168 strain, that is, can be expressed as follows. trpC2 ΔdegQ :: Pr-neo Δsfp Δpps.
(3)野生型degQ 、sfp、pps遺伝子の取得および突出末端付加(i)野生型degQ 、sfp遺伝子の取得
まず、野生型のdegQ遺伝子DNAを得る目的で、変異型のdegQ0遺伝子を含む1.6 kbのDNA断片をプライマーdegQFとdegQR(配列番号30、31)により枯草菌168株ゲノムDNAを鋳型としてPCRにより増幅し、pCR-XL-TOPOベクター(Invitrogen社製)にクローニングし、プラスミドpCRdegQ0を構築した。
(3) Acquisition of wild-type degQ, sfp, and pps genes and addition of overhanging ends (i) Acquisition of wild-type degQ and sfp genes First, 1.6 kb containing mutant degQ0 gene for the purpose of obtaining wild-type degQ gene DNA The DNA fragment was amplified by PCR using primers degQF and degQR (SEQ ID NOs: 30 and 31) using the Bacillus subtilis 168 strain genomic DNA as a template and cloned into the pCR-XL-TOPO vector (Invitrogen) to construct plasmid pCRdegQ0. .
このプラスミドを鋳型としてあらかじめT4 Polynucleotide kinaseによりリン酸化した点突然変異導入プライマーdegQFmutとdegQRmut(配列番号32、33)を用いてPCRを行った。このプライマーは枯草菌168株が有する変異型degQR遺伝子の点突然変異を野生型に変換する塩基配列を有する。このPCR産物を自己閉環することにより野生型のdegQ遺伝子DNAをもつプラスミドpCRdegQを構築した。さらに、このプラスミドを鋳型としてプライマーdegQF-BamHIとdegQR-BamHI(配列番号34、35)を用いてPCRにより0.3 kbのdegQ遺伝子を含むDNA断片を増幅し、これをpCR-TL-TOPOベクター(Invitrogen社)にクローニングしてプラスミドpCRdegQBamHI11を構築した。 Using this plasmid as a template, PCR was performed using point mutation-introducing primers degQFmut and degQRmut (SEQ ID NOs: 32 and 33) phosphorylated with T4 Polynucleotide kinase in advance. This primer has a base sequence that converts a point mutation of the mutant degQR gene of Bacillus subtilis 168 strain into a wild type. A plasmid pCRdegQ having a wild type degQ gene DNA was constructed by self-closing the PCR product. Furthermore, a DNA fragment containing a 0.3 kb degQ gene was amplified by PCR using primers degQF-BamHI and degQR-BamHI (SEQ ID NOs: 34 and 35) using this plasmid as a template, and this was amplified into a pCR-TL-TOPO vector (Invitrogen Plasmid pCRdegQBamHI11 was constructed.
次に、機能型のsfp遺伝子DNAの取得を上述のdegQ遺伝子を含むDNA断片の取得方法とほぼ同様の手順で行った。まず、変異型sfp遺伝子を含む1.6 kbの領域をプライマーsfpFとsfpR(配列番号36、37)によりより枯草菌168株ゲノムDNAを鋳型としてPCRにより増幅し、pCR-XL-TOPOベクター(Invitrogen社)にクローニングしたプラスミドpCRsfp0を構築した。あらかじめT4 Polynucleotide kinaseによりリン酸化した変異型sfpR遺伝子を野生型に変換する配列を有する点突然変異導入プライマーsfpF3とsfpR1(配列番号38、39)を用いて、上記pCRsfp0を鋳型としてPCRプラスミド全長を増幅し、このPCR産物を自己閉環することにより野生型のsfp遺伝子DNAをもつプラスミドpCRsfpを構築した。このプラスミドを鋳型としてプライマーsfpF-BamHIとsfpR-BamHI(配列番号40、41)を用いてPCRにより1 kbのsfp遺伝子を含むDNA断片を増幅し、これをpCR-TL-TOPOベクターにクローニングしてプラスミドpCRsfpBamHI33を構築した。 Next, functional sfp gene DNA was obtained by a procedure substantially similar to the method for obtaining a DNA fragment containing the degQ gene described above. First, a 1.6 kb region containing a mutant sfp gene was amplified by PCR using primers sfpF and sfpR (SEQ ID NOs: 36 and 37) and Bacillus subtilis 168 genomic DNA as a template, and pCR-XL-TOPO vector (Invitrogen) Plasmid pCRsfp0 cloned in was constructed. Amplify the full length of the PCR plasmid using pCRsfp0 as a template using point mutation-introducing primers sfpF3 and sfpR1 (SEQ ID NOs: 38 and 39) having a sequence for converting a mutant sfpR gene phosphorylated by T4 Polynucleotide kinase into a wild type. Then, by self-closing the PCR product, a plasmid pCRsfp having a wild type sfp gene DNA was constructed. Using this plasmid as a template, a DNA fragment containing a 1 kb sfp gene was amplified by PCR using primers sfpF-BamHI and sfpR-BamHI (SEQ ID NOs: 40 and 41) and cloned into the pCR-TL-TOPO vector. Plasmid pCRsfpBamHI33 was constructed.
(ii)degQとsfp遺伝子にSfiIサイトを付加し単位DNAの作製
プラスミドpBR322のHindIIIサイトにリンカーHindIII-NotI(配列番号5)を導入してプラスミドpBR322NotIを構築した。配列番号42、43に示す塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの1st-Fと1st-R、及び配列番号44、45に示す塩基配列を有するオリゴヌクレオチド2nd-Fと2nd-Rをそれぞれアニールして、SfiIサイトを2つ持つアダプター1st、2ndを作製し、これらをそれぞれ上記pBR322NotIに組み込んだプラスミドpBR-1st、pBR-2ndを構築した。これらのプラスミドには、2つのSfiIサイトの間(6 bp)にBglIIサイトが存在する。そのBglIIサイトに、上記(3)(i)で作製したプラスミドpCRdegQBamHI11のBamHI消化から得られたdegQを含む断片を導入して、pBR-1stからはpBR-degQ1stFとその逆向きのpBR-degQ1stRを、また、pBR-2ndからはpBR-degQ2ndFとその逆向きのpBR-degQ2ndRをそれぞれ構築した。同様に、pBR-1stあるいはpBR-2ndのBglIIサイトに、上記(3)(i)で作製したプラスミドpCRsfpBamHI33のBamHI消化から得られたsfpを含む断片を導入して、pBR-1stからはpBR-sfp1stFとその逆向きのpBR-sfp1stRを、また、pBR-2ndからはpBR-sfp2ndFとその逆向きのpBR-sfp2ndRをそれぞれ構築した。
(Ii) Preparation of unit DNA by adding SfiI site to degQ and sfp gene The linker HindIII-NotI (SEQ ID NO: 5) was introduced into the HindIII site of plasmid pBR322 to construct plasmid pBR322NotI. The oligonucleotides 1st-F and 1st-R having the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 42 and 43 and the oligonucleotides 2nd-F and 2nd-R having the nucleotide sequences shown in SEQ ID NOs: 44 and 45 were annealed, respectively. Adapters 1st and 2nd having two sites were prepared, and plasmids pBR-1st and pBR-2nd were constructed by incorporating them into the above-described pBR322NotI, respectively. These plasmids have a BglII site between two SfiI sites (6 bp). A fragment containing degQ obtained from BamHI digestion of plasmid pCRdegQBamHI11 prepared in (3) (i) above was introduced into the BglII site, and pBR-degQ1stF and pBR-degQ1stR in the opposite direction were introduced from pBR-1st. Moreover, pBR-degQ2ndF and the reverse pBR-degQ2ndR were constructed from pBR-2nd, respectively. Similarly, a fragment containing sfp obtained by BamHI digestion of the plasmid pCRsfpBamHI33 prepared in (3) (i) above was introduced into the BglII site of pBR-1st or pBR-2nd, and pBR- sfp1stF and its reverse pBR-sfp1stR were constructed, and pBR-sfp2ndF and its reverse pBR-sfp2ndR were constructed from pBR-2nd, respectively.
(iii)pps遺伝子の取得およびSfiIサイトを付加した単位DNAの作製
pps遺伝子DNA断片の取得は、組換え転移の手法(特開2002-017350号公報、Tsuge, K. and Itaya, M. J. Bacteriol. 183,5453-5458. (2001))により以下のように行ったが、この際全体をSfiIの断片として得られるように調製した。まず、pps遺伝子DNA断片の両末端の約1 kbの断片を、プライマーppsAF-SfiIとppsAR-NotI(配列番号46、47)、プライマーppsEF-NotIとppsER-SfiI(配列番号48、49)を用いて枯草菌168株ゲノムDNAを鋳型としたPCRにより得て、それぞれpCR-XL-TOPO(Invitrogen社)にクローニングしてプラスミドpCRppsAとpCRppsEを得た。
(Iii) Acquisition of pps gene and production of unit DNA with SfiI site added
The pps gene DNA fragment was obtained by the method of recombination transfer (JP 2002-017350, Tsuge, K. and Itaya, MJ Bacteriol. 183,5453-5458. (2001)) as follows. In this case, the whole was prepared so as to be obtained as a fragment of SfiI. First, using the primers ppsAF-SfiI and ppsAR-NotI (SEQ ID NO: 46, 47) and primers ppsEF-NotI and ppsER-SfiI (SEQ ID NO: 48, 49) The plasmids pCRppsA and pCRppsE were obtained by PCR using Bacillus subtilis 168 genomic DNA as a template and cloned into pCR-XL-TOPO (Invitrogen).
実施例1(1)で作製したpGETS109のHindIIIサイトを切断してHindIII-NotIリンカー(配列番号5)を挿入したプラスミドpGETS109NotIを作製した。このプラスミドのNotIサイトに、V-3rd-FとV-3rd-R(配列番号6、7)をアニールして作製したリンカーを挿入して、プラスミドpGETS109V-3rdFを作製した。また、実施例1(1)で作製したpBRDHrepAT1FをSmaIで切断し脱リン酸化した後、pBEST4D(Itaya, M., et al. J. Biochem., 107,799-801.(1990))をSalIで消化し末端を平滑化して得られたクロラムフェニコール耐性遺伝子のカセットを連結して、プラスミドpGETS113を構築した。 The plasmid pGETS109NotI in which the HindIII site of pGETS109 prepared in Example 1 (1) was cleaved and a HindIII-NotI linker (SEQ ID NO: 5) was inserted was prepared. A linker prepared by annealing V-3rd-F and V-3rd-R (SEQ ID NOs: 6 and 7) was inserted into the NotI site of this plasmid to prepare plasmid pGETS109V-3rdF. Furthermore, pBRDHrepAT1F prepared in Example 1 (1) was cleaved with SmaI and dephosphorylated, and then pBEST4D (Itaya, M., et al. J. Biochem., 107,799-801. (1990)) was digested with SalI. The plasmid pGETS113 was constructed by ligating the chloramphenicol resistance gene cassette obtained by blunting the ends.
pCRppsEをHindIIIで消化してこの断片を上記プラスミドpGETS113のHindIIIサイトにクローニングしてpGETS113ppsEを作製し、このプラスミドのNotIサイトに、pCRppsAをNotIで消化して得られた断片をクローニングして、pGETS113ppsAEを構築した。プラスミドpGETS113ppsAEに組み込んだ2つの末端の境界はNotIサイトになっているが、これをNotIで切断して枯草菌168株に形質転換し、組換え転移の手法により枯草菌168株ゲノム中の38 kbのpps領域をプラスミド中に転移することを以下のように行った。
pCRppsE was digested with HindIII and cloned into the HindIII site of the plasmid pGETS113 to prepare pGETS113ppsE. The fragment obtained by digesting pCRppsA with NotI was cloned into the NotI site of this plasmid, and pGETS113ppsAE was cloned. It was constructed. The boundary between the two ends incorporated into the plasmid pGETS113ppsAE is a NotI site, which is cut with NotI and transformed into
塩化セシウム密度勾配法により大量調製したpGETS113 ppsAE の1 μgを、10Uの制限酵素NotIで37℃、1時間反応させて線状プラスミドとしたものを100 μlの枯草菌168株のコンピテント細胞を含む培地に1.5 mlチューブ内でよく混合し、37℃, 30分間保温した。これに300 μlのLB培地を加えよく混合した後さらに、37℃, 1時間保温した。この培養液の全量をクロラムフェニコール(最終濃度5 μg/ml)を含む1.5 %寒天濃度のLBプレートに塗布し、37 ℃で終夜培養することによりクロラムフェニコール耐性の形質転換体を選択した。このコロニーを、クロラムフェニコール(最終濃度5 μg/ml)を含むLB液体培地100 ml に植菌し、37℃で終夜培養(17時間))した。この培養液にIPTG(isopropyl s-D-thiogalactopyranoside:SIGMA社製)を終濃度1 mMになるように添加して、さらに37℃で6時間培養した。培養終了後集菌し、リゾチームで溶菌後、サルコシルにより可溶化した後、臭化エチジウム-塩化セシウム密度勾配超遠心法によりプラスミドを含む画分を収集した。これを再度臭化エチジウム-塩化セシウム密度勾配超遠心法により精製し、プラスミドpGETS113ppsABCDEを得た。このプラスミドは、38 kbのppsABCDE(以下ppsと略す)がSfiI断片として切り出せるようになっている。 1 μg of pGETS113 ppsAE prepared in large quantities by the cesium chloride density gradient method was reacted with 10 U of restriction enzyme NotI at 37 ° C. for 1 hour to form a linear plasmid containing 100 μl of competent cells of Bacillus subtilis 168 strain The medium was mixed well in a 1.5 ml tube and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. 300 μl of LB medium was added to this and mixed well, followed by further incubation at 37 ° C. for 1 hour. Select a chloramphenicol resistant transformant by applying the entire volume of this culture to a 1.5% agar LB plate containing chloramphenicol (final concentration 5 μg / ml) and culturing overnight at 37 ° C. did. This colony was inoculated into 100 ml of LB liquid medium containing chloramphenicol (final concentration 5 μg / ml) and cultured overnight at 37 ° C. (17 hours). IPTG (isopropyl s-D-thiogalactopyranoside: manufactured by SIGMA) was added to this culture solution to a final concentration of 1 mM, and further cultured at 37 ° C. for 6 hours. After completion of the culture, the cells were collected, lysed with lysozyme, solubilized with sarkosyl, and then fractions containing the plasmid were collected by ethidium bromide-cesium chloride density gradient ultracentrifugation. This was purified again by ethidium bromide-cesium chloride density gradient ultracentrifugation to obtain plasmid pGETS113ppsABCDE. In this plasmid, 38 kb ppsABCDE (hereinafter abbreviated as pps) can be excised as an SfiI fragment.
(4)野生型degQ、sfp、pps遺伝子を含む単位DNAの調製
上記(3)で作製した単位DNAとなる、ある特定の3塩基の3’末端突出をもつDNA断片は、すべてSfiIの消化により得られるように設計されている。プラスミドpGETS113ppsABCDEをSfiIで消化した後、低融点アガロースゲル中で電気泳動を行い、目的の断片をゲル中より切り出して精製することにより、38 kbのpps断片を得た。また、ベクターのpGETS109V-3rdFもSfiIで消化した後ベクター部分を精製した。上記(3)(iii)で作製した各単位DNAを含むプラスミドの、pBR-degQ1stF、pBR-degQ2ndF、pBR-sfp1stF、pBR-sfp1stR、pBR-sfp2ndF、そしてpBR-sfp2ndRについても同様にSfiIにより消化した後、アガロースゲル電気泳動によりベクターと分離し、断片degQ1stF、degQ2ndF、sfp1stF、sfp1stR、sfp2ndF、そしてsfp2ndRを得た。これらの断片の末端は図4に示すとおりである。これらの断片は、精製後に一部を電気泳動することにより濃度を測定した後、2.5 fmol/μlとなるようにTEバッファーにより調整した。
(4) Preparation of unit DNA containing wild-type degQ, sfp, and pps genes All DNA fragments having 3 ′ terminal overhangs of specific 3 bases, which are unit DNAs prepared in (3) above, are obtained by digestion with SfiI. Designed to be obtained. The plasmid pGETS113ppsABCDE was digested with SfiI, followed by electrophoresis in a low-melting point agarose gel. The desired fragment was excised from the gel and purified to obtain a 38 kb pps fragment. The vector pGETS109V-3rdF was also digested with SfiI and the vector portion was purified. PBR-degQ1stF, pBR-degQ2ndF, pBR-sfp1stF, pBR-sfp1stR, pBR-sfp2ndF, and pBR-sfp2ndR were similarly digested with SfiI from the plasmids containing each unit DNA prepared in (3) and (iii) above. Thereafter, it was separated from the vector by agarose gel electrophoresis to obtain fragments degQ1stF, degQ2ndF, sfp1stF, sfp1stR, sfp2ndF, and sfp2ndR. The ends of these fragments are as shown in FIG. The concentration of these fragments was determined by electrophoresis after partial purification, and then adjusted with TE buffer to 2.5 fmol / μl.
(5)degQ、sfp、pps遺伝子を含む単位DNAの構築
単位DNA中の連結の順番の違いや方向の違いにより、形質転換された枯草菌中のプリパスタチンの産生への影響を解析するために、4つのプラスミド(a)pGETS-pps-degQ1stF-sfp2ndF、(b)pGETS-pps-degQ1stF-sfp2ndR、(c)pGETS-pps-sfp1stF-degQ2ndF、(d)pGETS-pps-sfp1stR-degQ2ndF(図4)を以下の手順により作製した。(a)は、2.5 fmol/μl の上記(4)で取得したdegQ1stF、sfp2ndF、pps、pGETS109V-3rdFの各SfiI断片を0.5 μlずつと、2×Linear ligationバッファー(132 mM Tris-HCl(pH 7.6)、13.2 mM MgCl2、20 mM Dithiothreithol、0.2 mM ATP、300 mM NaCl、20 %(w/v) polyethylen glycol)2.5 μlを混合し、そこにT4 DNA Ligase (4 weiss unit/μl:NEB社製)を 0.5 μl添加して、37℃、30分間恒温することでライゲーションした。残りのプラスミド作製においては、(a)に加えたdegQ1stFとsfp2ndFのSfiI断片を、(b)ではdegQ1stFとsfp2ndRに、(c)ではsfp1stFとdegQ2ndFに、(d)ではsfp1stRとdegQ2ndFに、それぞれ変更して(a)と同様にライゲーションした。これらのライゲーション産物を、枯草菌BEST8666株のコンピテント細胞培養液50 μlにそれぞれ添加して37℃、30分間恒温した。その後薬剤耐性遺伝子を発現させるために、LB培地200 μlを添加してから37℃、1時間培養、10 μg/mlのテトラサイクリンを含むLB寒天培地に広げて、37℃で終夜培養した。
(5) Construction of unit DNA containing degQ, sfp, and pps genes In order to analyze the influence on the production of prepastatin in transformed Bacillus subtilis by the difference in the order and direction of ligation in the unit DNA , Four plasmids (a) pGETS-pps-degQ1stF-sfp2ndF, (b) pGETS-pps-degQ1stF-sfp2ndR, (c) pGETS-pps-sfp1stF-degQ2ndF, (d) pGETS-pps-sfp1stR-degQ2ndF (Figure 4) ) Was prepared by the following procedure. (A) 0.5 g of each degQ1stF, sfp2ndF, pps, and pGETS109V-3rdF SfiI fragments obtained in (4) above at 2.5 fmol / μl and 2 × Linear ligation buffer (132 mM Tris-HCl (pH 7.6 ), 13.2 mM MgCl2, 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 mM NaCl, 20% (w / v) polyethylen glycol (2.5 μl) are mixed, and T4 DNA Ligase (4 weiss unit / μl: manufactured by NEB) is mixed there. Was added, and ligated by incubating at 37 ° C. for 30 minutes. For the rest of the plasmid production, the SfiI fragment of degQ1stF and sfp2ndF added to (a) was changed to degQ1stF and sfp2ndR in (b), sfp1stF and degQ2ndF in (c), and sfp1stR and degQ2ndF in (d), respectively. And ligated as in (a). These ligation products were added to 50 μl of competent cell culture solution of Bacillus subtilis BEST8666 strain, respectively, and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. Thereafter, in order to express the drug resistance gene, 200 μl of LB medium was added, cultured at 37 ° C. for 1 hour, spread on LB agar medium containing 10 μg / ml tetracycline, and cultured at 37 ° C. overnight.
(6)構築した単位DNAの構造確認
それぞれのライゲーション産物から得られたテトラサイクリン耐性株数は、15〜47であった。それぞれから6株を任意に選択して、10 μg/ml のテトラサイクリン(SIGMA社製)とプラスミドコピー数を増加させるための1 mMのIPTG(isopropyl s-D-thiogalactopyranoside:SIGMA社製)を添加した2 mlのLB培地に植菌し、37℃で終夜培養した後、少量スケールでのプラスミド精製を行った。得られたプラスミドをSfiIで消化後、パルスフィールドゲル電気泳動を行い、臭化エチジウムにより染色した結果を図5に示す。また、臭化エチジウム染色ではその存在の確認が困難なdegQとsfp断片については、degQあるいはsfpの各プローブを用いたサザンハイブリダイゼーションにより確認した(図5:PFGEのsfpプローブ、PFGEのdegQプローブ)。その結果、各6サンプル中3つ以上のサンプルが正しい大きさのpps、degQ、sfpそしてpGETS109V-3rdを持っていた(図5のレーン上に○がついているクローン)。
(6) Structure confirmation of constructed unit DNA The number of tetracycline resistant strains obtained from each ligation product was 15 to 47. Select 6 strains from each and add 10 μg / ml tetracycline (SIGMA) and 1 mM IPTG (isopropyl sD-thiogalactopyranoside: SIGMA) to increase plasmid copy number 2 ml The LB medium was inoculated and cultured at 37 ° C. overnight, and the plasmid was purified on a small scale. FIG. 5 shows the result of digesting the obtained plasmid with SfiI, performing pulse field gel electrophoresis, and staining with ethidium bromide. In addition, degQ and sfp fragments, which are difficult to confirm by ethidium bromide staining, were confirmed by Southern hybridization using degQ or sfp probes (FIG. 5: PFGE sfp probe, PFGE degQ probe). . As a result, 3 or more of 6 samples each had pps, degQ, sfp and pGETS109V-3rd of the correct size (a clone with a circle on the lane in FIG. 5).
(7)ライブラリープラスミドの遺伝子発現の確認
これらの作製された(a)〜(d)のプラスミド中の遺伝子が機能するかを確認するために、(a)〜(d)のプラスミドを持つ株を1株ずつ選択し、10 μg/ml のテトラサイクリン(SIGMA社製)と1 mMのIPTG(SIGMA社製)を添加したNo.3培地(水1Lに対し、Bacto Tryptone(ベクトン ディッキンソン社製)10 g、グルコース 10 g、リン酸二水素カリウム 1 g、硫酸マグネシウム・7水和物 0.5 gを溶解し、水酸化ナトリウムでpH 6.8に調整したもの)に植菌し、30℃で、5日振とう培養後、培養液の酸性沈殿のメタノール抽出物を高速液体クロマトグラフィーにより分析した。図6に示すように、枯草菌BEST8666株は、pps、degQ、sfpの一切を持たないためプリパスタチンを生産しないが、この株中で上記のプラスミドを構築した株では、調べた全ての株でプリパスタチンの生産が認められ、遺伝子集積が正しく行われていることを確認した。
(7) Confirmation of gene expression of library plasmid In order to confirm whether the genes in the prepared plasmids (a) to (d) function, a strain having the plasmids (a) to (d) Each strain was selected and No. 3 medium supplemented with 10 μg / ml tetracycline (manufactured by SIGMA) and 1 mM IPTG (manufactured by SIGMA) (10 ml of Bacto Tryptone (manufactured by Becton Dickinson) 10 g, glucose 10 g, potassium dihydrogen phosphate 1 g, magnesium sulfate heptahydrate 0.5 g dissolved, adjusted to pH 6.8 with sodium hydroxide) and shaken at 30 ° C for 5 days After culturing, the methanol extract of the acidic precipitate in the culture was analyzed by high performance liquid chromatography. As shown in FIG. 6, the Bacillus subtilis BEST8666 strain does not produce prepastatin because it does not have pps, degQ, or sfp, but among the strains in which the above plasmid was constructed, It was confirmed that pripastatin production was confirmed and gene accumulation was performed correctly.
実施例3 抗カビ物質プリパスタチンの生産に関与する3つの遺伝子degQ、sfp、ppsのプラスミドによる遺伝子集積を経由した枯草菌ゲノムDNAへの挿入
(1)degQ、sfp、pps遺伝子の単位DNAの作製
本実施例で使用した単位DNAのsfp1stF、sfp1stR、sfp2ndF、sfp2ndF、pps及び、ベクターのpGETS109V-3rdは、実施例2(4)で調製したものと同一である。pGETS109V-3rdは、pGETS109の派生プラスミドで、枯草菌細胞内の平均的なコピー数が1コピー程度だが、プラスミド複製たんぱく質をコードする遺伝子repAの発現量をIsopropyl 1-thio-β-galactoside (IPTG)により制御できるように設計されており、培地中にIPTGを添加するとRepAたんぱく質の発現量に応じてプラスミドのコピー数が増大し、1mM のIPTG添加時に10コピー程度に増幅されるという特徴がある。プラスミドDNAの構造確認を行うときは、IPTGを添加して培養するが、プラスミド保持株からプラスミドを脱落させる際には、IPTGを入れずかつ薬剤選択圧をかけない状態で10世代程度培養することで容易にプラスミド脱落株を取得できる。degQ遺伝子の単位DNAについては、実施例2のものと異なり以下のとおり新たに作製した。
Example 3 Insertion of three genes degQ, sfp, pps involved in production of antifungal substance prepastatin into Bacillus subtilis genomic DNA via gene accumulation by plasmid (1) Preparation of unit DNA of degQ, sfp, pps genes The unit DNA sfp1stF, sfp1stR, sfp2ndF, sfp2ndF, pps and vector pGETS109V-3rd used in this Example are the same as those prepared in Example 2 (4). pGETS109V-3rd is a plasmid derived from pGETS109. The average copy number in Bacillus subtilis cells is about 1 copy, but the expression level of the gene repA encoding the plasmid replication protein is expressed by Isopropyl 1-thio-β-galactoside (IPTG). When IPTG is added to the medium, the copy number of the plasmid increases according to the expression level of RepA protein, and is amplified to about 10 copies when 1 mM IPTG is added. When confirming the structure of plasmid DNA, add IPTG and culture, but when removing the plasmid from the plasmid-bearing strain, culture for about 10 generations without IPTG and without applying drug selection pressure. Can easily obtain a plasmid-depleted strain. The unit DNA of the degQ gene was newly prepared as follows, unlike that of Example 2.
プライマーdegQ2BamHFとdegQR-BamHI(配列番号50、35)を用いてPCRにより0.6 kbのdegQ遺伝子を含むDNA断片(以下degQ’とする)を増幅し、これをpCR-XL-TOPOベクター(Invitrogen社)にクローニングしてプラスミドpCRdegQ’BamHIを得た。以下、実施例2(3)iiのdegQの単位DNA取得と同様の方法によりpCRdegQ’BamHIのBamHI消化物より得られたdegQ’を含む断片をpBR-1stとpBR-2ndのBglIIサイトにクローニングし、pCR-1stからpBR-degQ’1stFを、pCR-2ndからpBR-degQ’2ndFをそれぞれ構築した。実施例2(3)iiiの方法によりそれぞれプラスミドを調製した後、実施例2(4)と同様の方法により上述のプラスミドをSfiIにより消化した後、アガロースゲル電気泳動によりベクターと分離し、断片degQ’1stFとdegQ’2ndFを得た。これらの断片は、精製後に一部を電気泳動することにより濃度を測定した後、2.5 fmol/mlとなるようにTEバッファーにより調製した。 Using a primer degQ2BamHF and degQR-BamHI (SEQ ID NO: 50, 35), a DNA fragment (hereinafter referred to as degQ ') containing a 0.6 kb degQ gene was amplified by PCR, and this was pCR-XL-TOPO vector (Invitrogen) To obtain plasmid pCRdegQ'BamHI. Thereafter, the fragment containing degQ 'obtained from the BamHI digest of pCRdegQ'BamHI was cloned into the BglII sites of pBR-1st and pBR-2nd in the same manner as in Example 2 (3) ii. PBR-degQ'1stF was constructed from pCR-1st and pBR-degQ'2ndF was constructed from pCR-2nd. After preparing each plasmid by the method of Example 2 (3) iii, after digesting the above plasmid with SfiI by the same method as in Example 2 (4), the plasmid was separated from the vector by agarose gel electrophoresis and fragment degQ '1stF and degQ'2ndF were obtained. These fragments were prepared with TE buffer so that the concentration was 2.5 fmol / ml after measuring the concentration by electrophoresis of a part after purification.
(2)挿入DNAユニットを受容する宿主微生物株の調製
実施例2(3)により調製したBEST8666株は、DdegQ::Pr-neo、Dsfp、Dppsとなっている。本菌に集積ユニットを相同配列間の組換えにより導入するための共通配列(pBR322)と組換えを検出するためのマーカー遺伝子のユニットを導入するために、実施例2(2)で調製したpCRupppsA/downppsE-ICeuI-lastのEcoRVサイトに配列番号51と52をアニールして調製したI-PpoIアダプターを挿入して、挿入方向の違いによりpCRupppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoIFとpCRupppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoIRの2つのプラスミドを構築した。同様に実施例2(2)で使用したpCISP303#6のPvuIIサイトに配列番号51と52をアニールして調製したI-PpoIアダプターを挿入してpCISP303#6-IPpoIRを構築した。pCRupppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoIRのI-PpoIサイトにpCISP303#6-IPpoIRをI-PpoIサイトで直鎖化したものを導入して、pCR[upppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoI]B-3を構築し、これを枯草菌BEST8666株のDppの上流と下流領域の相同性を利用して挿入することによりDpps::pBR322::(cI spc)となったBEST8824株を構築した。同様に、pCRupppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoIFのI-PpoIサイトにpCISP303#6-IPpoIRをI-PpoIサイトで直鎖化したものを導入して、pCR[upppsA/downppsE-ICeuI-last-IPpoI]A28-3を構築し、これを枯草菌BEST8666株のDppsに挿入することによりDpps::pBR322::(cI spc)となったBEST8827株を構築した。即ち、BEST8824株とBEST8827株のpBR322::(cI spc)が、I-PpoIサイトによりカセット化されており、両株では、カセットの向きが異なる。これらのプラスミドの構造を図7に示した。図中縦縞の四角は組み換えのための共通配列を示す。
(2) Preparation of Host Microbial Strain that Accepts Inserted DNA Unit BEST8666 strain prepared by Example 2 (3) is DdegQ :: Pr-neo, Dsfp, Dpps. In order to introduce a common sequence (pBR322) for introducing an accumulation unit into the bacterium by recombination between homologous sequences and a marker gene unit for detecting recombination, pCRupppsA prepared in Example 2 (2) An I-PpoI adapter prepared by annealing SEQ ID NOS: 51 and 52 was inserted into the EcoRV site of / downppsE-ICeuI-last, and pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last-IPpoIF and pCRupppsA / downppsE-ICeuI depending on the insertion direction. Two plasmids -last-IPpoIR were constructed. Similarly, pCISP303 # 6-IPpoIR was constructed by inserting an I-PpoI adapter prepared by annealing SEQ ID NOs: 51 and 52 into the PvuII site of pCISP303 # 6 used in Example 2 (2). pCISP303 # 6-IPpoIR linearized at the I-PpoI site at the I-PpoI site of pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last-IPpoIR and pCR [upppsA / downppsE-ICeuI-last-IPpoI] B- 3 was constructed, and this was inserted using the homology of the upstream and downstream regions of Dpp of Bacillus subtilis BEST8666 strain to construct BEST8824 strain that became Dpps :: pBR322: :( cI spc). Similarly, pCISP303 # 6-IPpoIR linearized at the I-PpoI site was introduced into the I-PpoI site of pCRupppsA / downppsE-ICeuI-last-IPpoIF, and pCR [upppsA / downppsE-ICeuI-last-IPpoI ] A28-3 was constructed and inserted into Dpps of Bacillus subtilis BEST8666 strain to construct BEST8827 strain that became Dpps :: pBR322: :( cI spc). That is, pBR322: :( cI spc) of BEST8824 strain and BEST8827 strain is cassetteized by the I-PpoI site, and the direction of the cassette is different between both strains. The structures of these plasmids are shown in FIG. In the figure, squares with vertical stripes indicate common sequences for recombination.
(3)挿入DNAユニットの調製
単位DNA中の連結の違いやゲノム中における方向の違いにより、形質転換された枯草菌中のプリパスタチンの産生への影響を解析するために、BEST8824株とBEST8827株の2種類の株を遺伝子集積ユニットの宿主菌として使用して、実施例2(5)の方法により多重遺伝子集積における遺伝子断片の順番の違いや方向の違いを反映したライブラリーの構築として、4つのプラスミド(a)pGETS-pps-degQ’1stF-sfp2ndF、(b)pGETS-pps-degQ’1stF-sfp2ndR、(c)pGETS-pps-sfp1stF-degQ’2ndF、(d)pGETS-pps-sfp1stR-degQ’2ndF(図7)を以下の手順により調製した。(a)は、2.5 fmol/ml の(1)で取得したdegQ’1stF、及び実施例2(4)で取得したsfp2ndF、pps、pGETS109V-3rdFの各SfiI断片を0.5 mlずつと、2×Linear ligationバッファー(132 mM Tris-HCl(pH 7.6), 13.2 mM MgCl2, 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 mM NaCl, 20 %(w/v) polyethylen glycol)2.5 mlを混合し、そこにT4 DNA Ligase (4 weiss unit/ml)を 0.5 ml添加して、37℃、30分間恒温することでライゲーションした。残りのプラスミド調製においては、(a)に加えたdegQ’1stFとsfp2ndFのSfiI断片を、(b)ではdegQ’1stFとsfp2ndRに、(c)ではsfp1stFとdegQ’2ndFに、(d)ではsfp1stRとdegQ’2ndFに、それぞれ変更して(a)と同様にライゲーションした。これらのライゲーション産物を、枯草菌BEST8824株とBEST8827株のコンピテント細胞培養液50 mlにそれぞれ添加して37℃、30分間恒温した。その後薬剤耐性遺伝子を発現させるために、LB培地200 mlを添加してから37℃、1時間培養、10 mg/mlのテトラサイクリンを含むLB寒天培地に広げて、37℃で終夜培養した。
(3) Preparation of inserted DNA unit BEST8824 and BEST8827 strains were analyzed in order to analyze the effect on the production of prepastatin in transformed Bacillus subtilis due to differences in ligation in the unit DNA and in the genome. As a library construction reflecting the difference in the order and direction of gene fragments in the multigene accumulation by the method of Example 2 (5), using the two strains of (A) pGETS-pps-degQ'1stF-sfp2ndF, (b) pGETS-pps-degQ'1stF-sfp2ndR, (c) pGETS-pps-sfp1stF-degQ'2ndF, (d) pGETS-pps-sfp1stR- degQ′2ndF (FIG. 7) was prepared by the following procedure. (A) is 2.5 fmol / ml degQ'1stF obtained in (1) and sfp2ndF, pps, pGETS109V-3rdF obtained in Example 2 (4), 0.5 ml each, 2 × Linear. Mix 2.5 ml of ligation buffer (132 mM Tris-HCl (pH 7.6), 13.2 mM MgCl 2 , 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 mM NaCl, 20% (w / v) polyethylen glycol), and add T4 DNA. Ligase (4 weiss unit / ml) 0.5 ml was added, and ligation was performed by incubating at 37 ° C. for 30 minutes. In the rest of the plasmid preparation, the SfiI fragment of degQ'1stF and sfp2ndF added to (a), (b) to degQ'1stF and sfp2ndR, (c) to sfp1stF and degQ'2ndF, (d) to sfp1stR And ligQ as in (a) with degQ'2ndF. These ligation products were added to 50 ml of competent cell cultures of Bacillus subtilis BEST8824 and BEST8827, respectively, and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. Thereafter, in order to express the drug resistance gene, 200 ml of LB medium was added, cultured at 37 ° C. for 1 hour, spread on LB agar medium containing 10 mg / ml tetracycline, and cultured at 37 ° C. overnight.
(4)構築した挿入DNAユニットの宿主ゲノムDNAへの挿入
それぞれのライゲーション産物から得られたテトラサイクリン耐性株数は、13〜519コロニーであった。それぞれから6株を任意に選択して、2本の10 mg/mlのテトラサイクリン入りの2 mlのLB培地に植菌し、一方にプラスミドのコピー数を増加させるための1 mMのIPTGを添加して、37℃で終夜培養した後、IPTGを入れて培養した培養液より少量スケールのプラスミド精製を行った。精製したプラスミドを制限消化せずにそのまま電気泳動することにより、大きさを指標としてプラスミド中に正しく単位DNAを集積しているクローンをそれぞれ一株選択し、この株の培養液のうちIPTGを添加せずに培養したものを、LB培地により100倍あるいは10000倍希釈し、3 mg/mlのネオマイシンを含むプレートに100 mlを塗沫し、30℃で一晩培養した。Dppsの領域に挿入されている組換えの共通配列(pBR322配列)と集積プラスミドのベクター部分に存在しているpBR322配列間で組換えを起こしたことにより2つの共通配列間に挟まれているcIリプレッサー遺伝子が、集積ユニットと置換されることにより、ネオマイシン耐性となった株を得た。この構造を図8に示す。図中、Nmは、 ネオマイシンを、Spはスペクチノマイシンを、Tcはテトラサイクリンを、Rは耐性を、Sは感受性を意味する。
(4) Insertion of constructed insertion DNA unit into host genomic DNA The number of tetracycline resistant strains obtained from each ligation product was 13 to 519 colonies. Select 6 strains from each, inoculate 2 ml of LB medium containing 10 mg / ml tetracycline, and add 1 mM IPTG to increase the copy number of the plasmid. After overnight culture at 37 ° C., the plasmid was purified on a small scale from the culture broth containing IPTG. By electrophoresing the purified plasmid as it is without restriction digestion, select each clone that has correctly accumulated unit DNA in the plasmid using the size as an index, and add IPTG in the culture solution of this strain. The culture without culturing was diluted 100-fold or 10000-fold with LB medium, 100 ml was smeared on a plate containing 3 mg / ml neomycin, and cultured at 30 ° C. overnight. CI sandwiched between two consensus sequences by recombination between the recombination consensus sequence (pBR322 sequence) inserted in the Dpps region and the pBR322 sequence present in the vector part of the integrated plasmid. A strain that became resistant to neomycin was obtained by replacing the repressor gene with an accumulation unit. This structure is shown in FIG. In the figure, Nm represents neomycin, Sp represents spectinomycin, Tc represents tetracycline, R represents resistance, and S represents sensitivity.
ネオマシン耐性株の出現頻度は、プラスミド保持株の104〜106株に1株の頻度であった。そのうちのそれぞれ25株を10 mg/mlのテトラサイクリンを含むプレートと、3 mg/mlのネオマイシンを含むプレートと、50 mg/mlのスペクチノマイシンを含むプレートにレプリカし、プラスミド中の集積ユニットが、共通配列の相同領域を利用してゲノムに導入されることで、cIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子が消失し、かつ、プラスミドが残存しない場合に示す表現型である、ネオマイシン耐性、テトラサイクリン感受性、ネオマイシン感受性株を1〜25株得た。これら株を培養後、アガロースゲルブロック中でゲノムDNAを調製し、制限酵素I-PpoIで消化後パルスフィールドゲル電気泳動により分析した結果、元の宿主に集積ユニットが挿入されたことにより発生する、約44kbのバンドを検出した(図9)。さらに、ゲノムDNAをテンプレートとしたPCRとサザンハイブリダイゼーションにより、3つの遺伝子のdegQ、sfp、ppsが指定した順番に連結していることを確認し、BEST8824株ゲノムに(a)〜(d)の集積ユニットを持つ4株をBUSY8120、8121、8345、8124株、BEST8827株ゲノムに(a)〜(d)の集積ユニットを持つ4株をBUSY8127、8128、8352、8243株と命名した。
The frequency of appearance of the neomachine resistant strain was one in 10 4 to 10 6 plasmid-bearing strains. 25 of each were replicated on a plate containing 10 mg / ml tetracycline, a plate containing 3 mg / ml neomycin, and a plate containing 50 mg / ml spectinomycin, and the accumulation unit in the plasmid was When introduced into the genome using the homologous region of the common sequence, the cI repressor gene and the spectinomycin resistance gene disappear, and the phenotype shown when no plasmid remains is neomycin resistance,
(5)ライブラリーの遺伝子発現レベルの比較
実施例3(4)で調製されたBEST8824株ゲノムに(a)〜(d)の集積ユニットを持つ4株と、BEST8827株ゲノムに(a)〜(d)の集積ユニットを持つ4株との合計8株のライブラリーについて、LB培地で37℃、一晩前培養した後、ACS培地(培地1l当たり、スクロース 100 g、クエン酸 11.7 g、硫酸ナトリウム 4 g、酵母エキス 5 g、リン酸水素二アンモニウム 4.2 g、塩化カリウム 0.76 g、塩化マグネシウム・6水和物 0.42 g、塩化亜鉛 0.0104 g、塩化第二鉄・6水和物 0.0245 g、塩化マンガン・4水和物 0.0181 gを溶解し、アンモニア水でpH 6.9に調整後、オートクレーブする)に植菌し、30℃で、5日間振とう培養後、培養液の酸性沈殿のメタノール抽出物を高速液体クロマトグラフィーにより各株のプリパスタチンの生産量を計測し、すべての株よりプリパスタチンの産生が確認された。各プリパスタチン生産量は、BUSY8243株(56 mg/ml)、BUSY8127株(55 mg/ml)、BUSY8128株(54 mg/ml)、BUSY8352株(53 mg/ml)、BUSY8345株(45 mg/ml)、BUSY8124株(43 mg/ml)、BUSY8120株(41 mg/ml)、BUSY8121株(36 mg/ml)の順となり、集積ユニット中の3遺伝子の順序や、ゲノム中での向きにより生産性が異なっていた。
(5) Comparison of gene expression levels in the library 4 strains having the integrated units (a) to (d) in the BEST8824 strain genome prepared in Example 3 (4) and (a) to ( d) A total of 8 libraries including 4 strains with accumulation units were pre-cultured overnight at 37 ° C. in LB medium, and then ACS medium (100 g sucrose, 11.7 g citric acid, sodium sulfate per liter of medium) 4 g, yeast extract 5 g, diammonium hydrogen phosphate 4.2 g, potassium chloride 0.76 g, magnesium chloride hexahydrate 0.42 g, zinc chloride 0.0104 g, ferric chloride hexahydrate 0.0245 g, manganese chloride・ Dissolve 0.0181 g of tetrahydrate, adjust to pH 6.9 with ammonia water, and inoculate in autoclave), shake culture at 30 ° C for 5 days, and then rapidly extract the methanol extract of the acidic precipitate in the culture. Production of prepastatin in each strain by liquid chromatography Measured, it was confirmed all of the production of plipastatin than stock. Each prepastatin production amount is BUSY8243 (56 mg / ml), BUSY8127 (55 mg / ml), BUSY8128 (54 mg / ml), BUSY8352 (53 mg / ml), BUSY8345 (45 mg / ml) ), BUSY8124 strain (43 mg / ml), BUSY8120 strain (41 mg / ml), BUSY8121 strain (36 mg / ml) in this order. Productivity depends on the order of the 3 genes in the integrated unit and the orientation in the genome. Was different.
実施例4 抗カビ物質プリパスタチンの生産に関与する3つの遺伝子degQ、sfp、ppsの集積ユニットの枯草菌ゲノムへの直接挿入
実施例3に示した方法は、一度挿入ユニットが正しいかをプラスミドの状態おいて確認後ゲノムに挿入しているが、本実施例では、ライゲーション後の挿入ユニットを宿主菌に形質転換後直接挿入DNAユニットがゲノムに挿入されたものを選択した。
(1)単位DNAの準備
実施例3と同様のものを使用した。
(2)挿入DNAユニットを受容する宿主株
実施例3で調製したBEST8824株とBEST8827株を使用した。
(3)挿入DNAユニットの調製と宿主ゲノムへの組み込み
集積ユニットのpps-degQ’1stF-sfp2ndF(実施例3の(a)に相当)を以下の手順により調製した。2.5 fmol/ml の(1)で取得したdegQ’1stF、及び実施例2(4)で取得したsfp2ndF、pps、pGETS109V-3rdFの各SfiI断片を0.5 mlずつと、2×Linear ligationバッファー(132 mM Tris-HCl(pH 7.6), 13.2 mM MgCl2, 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 mM NaCl, 20 %(w/v) polyethylen glycol)2.5 mlを混合し、そこにT4 DNA Ligase (4 weiss unit/ml)を 0.5 ml添加して、37℃、30分間恒温することでライゲーションした。ライゲーション産物を、枯草菌BEST8824株とBEST8827株のコンピテント細胞培養液50 mlにそれぞれ添加して37℃、30分間恒温した。その後薬剤耐性遺伝子を発現させるために、LB培地200 mlを添加してから37℃、1時間培養後、3 mg/mlのネオマイシンを含むLB寒天培地に広げて、37℃で終夜培養した。BEST8824株からは、95株、BEST8827株からは、181株のネオマイシン耐性株が得られた。すべての株を10 mg/mlのテトラサイクリンを含むプレートと、3 mg/mlのネオマイシンを含むプレートと、50 mg/mlのスペクチノマイシンを含むプレートにレプリカし、挿入DNA中の集積ユニットが、共通配列の相同領域を利用してゲノムに導入されることで、cIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子が消失し、かつ、ベクターpGETS109V-3rdFが残存しない場合に示す表現型である、ネオマイシン耐性、テトラサイクリン感受性、ネオマイシン感受性株をそれぞれ24株と58株を得た(図10)。一般的に、これらの候補株の中にはcIリプレッサー遺伝子とスペクチノマイシン耐性遺伝子が自然に欠失した変異体が含まれるので、得られたネオマイシン耐性、テトラサイクリン感受性、ネオマイシン感受性株にpps遺伝子があるかどうかを、プライマーppsE-FとppsE-R(配列番号53と54)を用いたコロニーPCRによりスクリーニングし、BEST8824株の形質転換体から1株、BEST8827株の形質転換体から8株の陽性株を得た。これらの株からそれぞれ1株(それぞれBEST8830株とBEST8831株)を任意に選択し、ゲノムDNAをゲル中で調製した後、制限酵素I-PpoIで切断し、パルスフィールドゲル電気泳動により分析した結果、両株から約44 kbの集積ユニットが確認された(図11)。
Example 4 Direct insertion of three genes degQ, sfp, and pps, which are involved in the production of the antifungal substance prepastatin, into the Bacillus subtilis genome. In the present example, the insertion unit after ligation was directly transformed into the host fungus, and then the DNA unit directly inserted into the genome was selected.
(1) Preparation of unit DNA The same one as in Example 3 was used.
(2) Host strains that accept the inserted DNA unit BEST8824 strain and BEST8827 strain prepared in Example 3 were used.
(3) Preparation of Inserted DNA Unit and Integration into Host Genome An integrated unit pps-degQ′1stF-sfp2ndF (corresponding to (a) of Example 3) was prepared by the following procedure. 2.5 ml each of SfiI fragments of degQ'1stF obtained in (1) and sfp2ndF, pps, and pGETS109V-3rdF obtained in Example 2 (4), 2 × Linear ligation buffer (132 mM) Mix 2.5 ml of Tris-HCl (pH 7.6), 13.2 mM MgCl 2 , 20 mM Dithiothreithol, 0.2 mM ATP, 300 mM NaCl, 20% (w / v) polyethylen glycol, and add T4 DNA Ligase (4 weiss unit) Ligation was performed by adding 0.5 ml / ml) and incubating at 37 ° C. for 30 minutes. The ligation product was added to 50 ml of competent cell cultures of Bacillus subtilis BEST8824 and BEST8827 strains, respectively, and incubated at 37 ° C. for 30 minutes. Thereafter, in order to express the drug resistance gene, 200 ml of LB medium was added, and cultured at 37 ° C. for 1 hour, then spread on LB agar medium containing 3 mg / ml neomycin, and cultured at 37 ° C. overnight. 95 strains were obtained from BEST8824 strain, and 181 neomycin resistant strains were obtained from BEST8827 strain. Replicate all strains to a plate containing 10 mg / ml tetracycline, a plate containing 3 mg / ml neomycin, and a plate containing 50 mg / ml spectinomycin. By introducing the sequence homology region into the genome, the cI repressor gene and the spectinomycin resistance gene disappear, and the phenotype shown when the vector pGETS109V-3rdF does not remain, neomycin resistance, 24 and 58 tetracycline sensitive and neomycin sensitive strains were obtained, respectively (FIG. 10). In general, these candidate strains include mutants that naturally lack the cI repressor gene and the spectinomycin resistance gene, so the resulting neomycin resistance, tetracycline susceptibility and neomycin sensitivity strains have the pps gene. Is screened by colony PCR using primers ppsE-F and ppsE-R (SEQ ID NOs: 53 and 54). One strain from the BEST8824 strain and eight strains from the BEST8827 transformant A positive strain was obtained. From each of these strains, one strain (BEST8830 strain and BEST8831 strain, respectively) was arbitrarily selected, and genomic DNA was prepared in gel, then cleaved with restriction enzyme I-PpoI, and analyzed by pulse field gel electrophoresis. An accumulation unit of about 44 kb was confirmed from both strains (FIG. 11).
(4)挿入ユニットの遺伝子発現の確認
ゲノム中に集積した遺伝子が機能するかを確認するために、BEST8830株とBEST8831株を実施例3(5)と同様の方法により、LB培地で37℃、一晩前培養した後、ACS培地に植菌し、30℃で、5日間振とう培養後、培養液の酸性沈殿のメタノール抽出物を高速液体クロマトグラフィーにより分析した結果、量株ともプリパスタチンの生産が確認され、各単位DNAが機能していることを確認した。
(4) Confirmation of gene expression of insertion unit In order to confirm whether the genes accumulated in the genome function, BEST8830 strain and BEST8831 strain were treated at 37 ° C. in LB medium by the same method as in Example 3 (5). After overnight pre-culture, inoculated into ACS medium, and after 5 days of shaking culture at 30 ° C, the acidic precipitate methanol extract of the culture was analyzed by high performance liquid chromatography. Production was confirmed and each unit DNA was confirmed to function.
本発明によれば、土壌細バクテリアの一種である枯草菌等のコンピテント細胞形質転換法を用いて、複数のDNA断片を1度のライゲーション操作で連結したプラスミドを取得することができる。つまり、従来法では困難であった巨大DNAの増幅可能なDNA断片への連結集積が極めて簡便に行えることが示された。
また、本発明の方法は、実施例2で示したように、単位DNAの長さの違い(最小0.3 kb 最大38kb)が大きくても全く問題なく集積が可能で、集積単位も50kb以上が可能であるため、単位DNAの大きさを全く考慮することなく任意に連結できるものである。哺乳動物(マウス、ヒトを含む)や植物等を含む真核生物の遺伝子は、10 kbを超える長いものが多いが、これらの遺伝子も単位DNAとして取り扱うことができる。
According to the present invention, using a competent cell transformation method such as Bacillus subtilis which is a kind of fine soil bacteria, it is possible to obtain a plasmid in which a plurality of DNA fragments are linked by a single ligation operation. In other words, it was shown that ligation and integration of a huge DNA into an amplifiable DNA fragment, which was difficult with the conventional method, can be performed very simply.
In addition, as shown in Example 2, the method of the present invention can be integrated without any problem even if the length of the unit DNA is large (minimum 0.3 kb, maximum 38 kb), and the integration unit can be 50 kb or more. Therefore, it can be arbitrarily linked without considering the size of the unit DNA at all. Many eukaryotic genes including mammals (including mice and humans) and plants have a length exceeding 10 kb, but these genes can also be handled as unit DNA.
また、実施例2で用いたプリパスタチン合成遺伝子をコードしているppsは、約3 kbおきに10個の繰り返しがある配列にもかかわらず、本発明の方法で作製された多重遺伝子集積プラスミドは、枯草菌内で安定に保持されかつ発現することも明らかになった。このような繰り返し配列は、哺乳動物(マウス、ヒトを含む)や植物等を含む真核生物において広く見られるが、本発明の方法は、繰り返し配列を有するDNA集積にも適用できる。 In addition, the pps encoding the prepastatin synthesis gene used in Example 2 is a multigene integrated plasmid prepared by the method of the present invention, despite a sequence having 10 repeats every about 3 kb. It was also revealed that it was stably maintained and expressed in Bacillus subtilis. Such a repetitive sequence is widely found in eukaryotes including mammals (including mice and humans), plants, etc., but the method of the present invention can also be applied to DNA accumulation having repetitive sequences.
即ち、本発明の方法あるいはそのゲノムDNAに挿入DNAが挿入された微生物細胞により従来その遺伝子のサイズが大きいために、宿主細胞に組み込むことのできなかった有用物質等を人工的に効率良く産生させることが可能となる。 That is, the method of the present invention or the microbial cell in which the inserted DNA is inserted into the genomic DNA, and the useful material etc. that could not be incorporated into the host cell due to the large size of the gene, are artificially and efficiently produced. It becomes possible.
Claims (5)
0kb以上である挿入DNAを含む挿入DNAユニットを、お互いの末端の塩基配列の相補性を利用して順序を保ったまま結合され得る構造を有する単位DNAに分断し、該単位DNAを連結反応に供し、該連結反応液と枯草菌のコンピテント細胞とを接触させることにより該細胞を形質転換して、得られる形質転換体から、挿入DNAユニットを含むプラスミドDNAを取得することを特徴とする枯草菌細胞形質転換用プラスミドDNAの作製方法。 It consists of DNA containing a replication origin effective in the host Bacillus subtilis , two or more genes, and 1
An inserted DNA unit containing an inserted DNA having a length of 0 kb or more is divided into unit DNAs having a structure that can be joined in order while utilizing the complementarity of the base sequences of each other, and the unit DNA is subjected to a ligation reaction. subjected, the cells by contacting the competent cells of the ligation reaction solution and Bacillus subtilis transformed, from the transformants obtained, and obtains the plasmid DN a comprising inserting DNA unit the method for manufacturing a B. subtilis cell transformation plasmid DN a.
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