JP4838434B2 - Protein expression system using plant body - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物体を用いたタンパク質発現系に関する。
【0002】
【従来の技術】
医薬品等として利用できる有用タンパク質を遺伝子組換えを利用して大量調製する場合、これまでは大腸菌を用いた系が広く利用されてきた。この場合、発現したタンパク質の精製過程での毒素の混入が考えられたため、このような場合動物細胞の利用が実用化されている。しかしながら動物細胞を利用する際の培養にかかるコストは、大腸菌の場合の数十倍にも及び、このため得られた製品(タンパク質)が高価なものとなっている。この点、植物は光合成により生育するため、エネルギーの投入が少なく、製品(タンパク質)が安価になり得る。実際、遺伝子組換え産物を得るための宿主として、その製品単価を比較した場合、動物細胞、大腸菌、植物体の順に安くなることが試算されている。このため、植物体を用いた有用タンパク質の大量発現系の開発が熱望されていた。
【0003】
高等植物の葉緑体は、成葉1細胞あたり100個程度存在し、葉緑体1個あたり100コピーの葉緑体ゲノム遺伝子が存在する(Bendich, A.J., Why do chloroplasts and mitochondria contain so many copies of their genome? Bioassays, 6, 279-282 (1987))。このことは、もし1コピーの外来遺伝子を葉緑体ゲノムに挿入した場合、形質転換体においては細胞あたり1万コピー存在することになり、コピー数の多さから高発現が期待できる(Maliga, P., Towards plastid transformation in flowering plants. Trends Biotechnol. 11, 101-107 (1993))。さらに、葉緑体への遺伝子導入は相同組み換えを利用するため、核への挿入時に見られる位置効果がおこらず、安定した遺伝子発現が行われる。また、葉緑体は母性遺伝をするため、導入した遺伝子の花粉を介した環境への飛散を防ぐことができる等、葉緑体への遺伝子導入は利点が多い(上記文献参照)。
【0004】
葉緑体形質転換手法を用い、外来タンパク質の過剰発現はこれまでBacillusの作り出す毒素(McBride, K.E., Svab, Z., Schaaf, D.J., Hogan, P.S., Stalker, D.M. and Maliga, P. Amplification of a chimeric Bacillus gene in chloroplasts leads to an extraordinary level of an insecticidal protein in tobacco. Bio/technol., 13, 362-365、または、Kota, M., Daniell, H., Varma, S., Garczynski, S.F., Gould, F., and Moar, W.J., Overexpression of the Bacillus thuringiensis (Bt) Cry2Aa2 protein in chloroplasts confers resistance to plants against susceptible and Bt-resistant insects. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 1840-1845 (1999))、除草剤(Daniell, H., Datta, R., Varma, S., Gray, S., and Lee, S.-B., Containment of herbicide resistance through genetic engineering of the chloroplast genome. Nature Biotechnol. 16, 345-348. (1998))について試みられているが、これらの場合、形質転換体の選抜のためのaadA遺伝子とのポリシストーニックな遺伝子発現を狙ったため、その発現総量は全可溶画分の6〜7%程度であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、植物体を用いたタンパク質発現ためのベクターを提供すること目的とする。
本発明は、また、目的タンパク質を葉緑体において高度に発現させることができる発現ベクター、および該発現ベクターを用いて形質転換させた形質転換葉緑体、さらには該形質転換葉緑体を有する植物を提供することを目的とする。さらに、上記発現ベクター作製のために有用なベクターを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、植物体を用いたタンパク質発現系、とくに葉緑体を用いたタンパク質発現系について鋭意検討した結果、タンパク質をコードする遺伝子の上流にタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターを導入することにより、導入した上記遺伝子がコードするタンパク質をタバコ葉緑体において高発現させることができるという思いがけない知見を得た。さらに、導入した遺伝子がコードするタンパク質の発現量を増加させるべく検討した結果、タンパク質をコードする遺伝子の翻訳開始点の上流にリボゾーム結合部位を置くことにより導入した遺伝子がコードするタンパク質の発現量がさらに増加するという思いがけない知見を得た。
本発明者らは、植物体でのタンパク質発現系についてさらに検討を重ね、本発明を完成した。
【0007】
すなわち、本発明は、
(1)(a)複数の制限酵素部位、2つの制限酵素部位に挟まれたタンパク質をコードする遺伝子を挿入できる挿入部位および該挿入部位の上流にリボゾーム結合部位を有するマルチクローニング領域と、マルチクローニング領域の上流にプロモーターと、マルチクローニング領域の下流にターミネーターとを有する構築前遺伝子群と、その上流に(b)遺伝子組換え体を識別するための遺伝子、その上流にプロモーターおよびその下流にターミネーターを有する識別遺伝子群とを有することを特徴とするベクター、
(2)構築前遺伝子群のマルチクローニング領域が、タンパク質をコードする遺伝子の翻訳開始点の7〜11塩基上流にリボゾーム結合部位を有することを特徴とする前記(1)に記載のベクター、
(3)リボゾーム結合部位がSD配列であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載のベクター、
(4)構築前遺伝子群のマルチクローニング領域が、配列番号7で表される塩基配列からなることを特徴とする前記(1)〜(3)に記載のベクター、
(5)構築前遺伝子群のプロモーターおよびターミネーターまたは/および識別遺伝子群のプロモーターおよびターミネーターが、葉緑体由来のプロモーターおよびターミネーターであることを特徴とする前記(1)〜(4)に記載のベクター、
(6)葉緑体由来のプロモーターおよびターミネーターが、タバコ葉緑体由来のプロモーターおよびターミネーターであることを特徴とする前記(5)に記載のベクター、
(7)タバコ葉緑体由来のプロモーターが、タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターまたはrrnプロモーターであることを特徴とする前記(6)に記載のベクター、
(8)タバコ葉緑体由来のターミネーターが、タバコ葉緑体由来のpsbAターミネーターまたはrps16ターミネーターであることを特徴とする前記(6)または(7)に記載のベクター、
(9)構築前遺伝子群のプロモーターが、タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターであることを特徴とする前記(6)に記載のベクター、
(10)構築前遺伝子群のプロモーターがタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターであり、構築前遺伝子群のターミネーターがタバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターであり、識別遺伝子群のプロモーターがタバコ葉緑体由来のrrnプロモーターであり、識別遺伝子群のターミネーターがタバコ葉緑体由来のpsbAターミネーターである前記(6)に記載のベクター、
(11)識別遺伝子群の遺伝子組換え体を識別するための遺伝子がスペクチノマイシン耐性遺伝子であることを特徴とする前記(1)〜(10)に記載のベクター、
(12)識別遺伝子群の遺伝子組換え体を識別するための遺伝子が配列番号3で表される塩基配列を有するaadA遺伝子であることを特徴とする前記(1)〜(10)に記載のベクター、
(13)ベクターpLD6(FERM P−18260)、
(14)前記(1)〜(13)に記載のベクターにタンパク質をコードする遺伝子が挿入されている遺伝子組み替え体、
(15)複数の制限酵素部位を有するポリリンカーと、その上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、その下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子を有することを特徴とするベクター、
(16)ポリリンカーが配列番号9で表される塩基配列からなることを特徴とする前記(15)に記載のベクター、
(17)配列番号8の396−3328に位置する塩基配列からなる遺伝子を有することを特徴とする(15)または(16)に記載のベクター、
(18)ベクターpLD200(FERM P−18261)、
(19)前記(14)に記載の遺伝子組換え体の、(a)複数の制限酵素部位、タンパク質をコードする遺伝子および該遺伝子の上流にリボゾーム結合部位を有するマルチクローニング領域と、マルチクローニング領域の上流にプロモーターと、マルチクローニング領域の下流にターミネーターとを有する構築遺伝子群と、その上流にある(b)遺伝子組換え体を識別するための遺伝子、その上流にプロモーターおよびその下流にターミネーターを有する識別遺伝子群とが、前記(15)〜(18)に記載のベクターに挿入されていることを特徴とする発現ベクター、
(20)前記(19)に記載の発現ベクターを葉緑体に導入した形質転換葉緑体、
(21)葉緑体がタバコ葉緑体である前記(20)に記載の形質転換葉緑体、
(22)前記(20)または(21)に記載の形質転換葉緑体を有する植物、
(23)植物がタバコである前記(22)に記載の植物、
(24)前記(22)または(23)に記載の植物から得られるタンパク質、
(25)pLD6のマルチクローニング領域のSphIとEcoRIに挟まれた部位に、タンパク質をコードする遺伝子を挿入して遺伝子組換え体を作製し、ついで遺伝子組換え体をクローニングした後、該遺伝子組換え体からNotIおよびSalIを用いて構築遺伝子と識別遺伝子とを有する遺伝子を切り出し、該切り出した遺伝子をpLD200のポリリンカーのNotIとSalIに挟まれた部位に挿入することを特徴とする発現ベクターの製造方法、
に関する。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明に係るベクターは、クローニングベクターに、構築前遺伝子群と識別遺伝子群とを挿入することにより作製することができる。
ここで、本発明で用いることができるクローニングベクターは、(a)構築前遺伝子群と識別遺伝子群とを挿入することができる制限酵素部位を持ち、(b)宿主細胞に導入することができ、(c)宿主細胞内で増殖する能力をもち、(d)クローニングベクターが導入され形質転換された宿主細胞を特異的に検出することができれば特に限定されず、自体公知のものを用いてよい。具体的には、該クローニングベクターとしては、プラスミド、ファージ、コスミドまたはファージミドなどが挙げられ、より具体的には、大腸菌由来のプラスミド(例えば、pBR322,pBR325,pUC12など)、枯草菌由来のプラスミド(例えば、pUB110,pTP5,pC194など)、酵母由来プラスミド(例えば、pSH19,pSH15,pYES2など)、λファージなどのバクテリオファージ、レトロウイルスなどが挙げられる。また、市販のクローニングベクターを用いてよい。
【0009】
上記クローニングベクターに挿入する構築前遺伝子群は、マルチクローニング領域と、マルチクローニング領域の上流にあるプロモーターと、マルチクローニング領域の下流にあるターミネーターとを有する。
該マルチクローニング領域は、複数の制限酵素部位と、2つの制限酵素部位に挟まれたタンパク質をコードする遺伝子を挿入する挿入部位と、該挿入部位の上流にリボゾーム結合部位を有する。このように、タンパク質をコードする遺伝子を挿入する挿入部位の上流にリボゾーム結合部位をおくことにより、該タンパク質を高度に発現させることができるという利点がある。該リボゾーム結合部位はタンパク質をコードする遺伝子の翻訳開始点の約7〜11塩基程度上流にあることがより好ましく、9塩基程度上流にあることがさらに好ましい。
かかるリボゾーム結合部位は、リボゾームが結合できることが知られている自体公知の塩基配列を有していればよいが、SD配列が好ましい。SD配列は、Shine-Dalgarno sequenceの略称であり、4〜7個のヌクレオチドからなるセグメントであって、その塩基配列は5'−AGGAGGU−3’の一部または全部である。
該マルチクローニング領域の最も好ましい態様として、配列番号7に記載した塩基配列を有する遺伝子が挙げられる。
【0010】
上記マルチクローニング領域の上流にあるプロモーターは自体公知のものであってよい。例えば、微生物(エシェリヒア属菌やバチルス属菌などの原核生物、酵母や糸状菌などの真核生物)、植物細胞または動物細胞由来のものが挙げられる。より具体的にはエシェリヒア属菌のtrpプロモーター、trcプロモーター、lacプロモーター、recAプロモーター、λPLプロモーター、lppプロモーターもしくはT7プロモーターなど;バチルス属菌のSPO1プロモーター、SPO2プロモーターもしくはpenPプロモーターなどが挙げられる。
中でも、該プロモーターとしては、葉緑体由来のプロモーターが好ましく、タバコ葉緑体由来のプロモーターがより好ましく、タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターが最も好ましい。なお、タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターの塩基配列を配列番号5に記載した。
【0011】
上記マルチクローニング領域の下流にあるターミネーターは自体公知のものであってよい。例えば、微生物(エシェリヒア属菌やバチルス属菌などの原核生物、酵母や糸状菌などの真核生物)、植物細胞または動物細胞由来のものが挙げられる。中でも、該ターミネーターとしては、葉緑体由来のターミネーターが好ましく、タバコ葉緑体由来のターミネーターがより好ましく、タバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターが最も好ましい。なお、タバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターの塩基配列を配列番号6に記載した。
【0012】
本発明においては、上記クローニングベクターに対し、上記構築前遺伝子群の上流に識別遺伝子群を挿入する。該識別遺伝子群は、遺伝子組換え体を識別するための遺伝子、その上流にあるプロモーターおよびその下流にあるターミネーターを有する。
上記遺伝子組換え体を識別するための遺伝子としては、特に限定されず、自体公知のものを用いてよい。例えば、各種の薬剤耐性遺伝子、または宿主の栄養要求性を相補する遺伝子などが挙げられる。より具体的には、例えば、アンピシリン耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子(G418耐性)、クロラムフェニコール耐性遺伝子、カナマイシン耐性遺伝子、スペクチノマイシン耐性遺伝子、URA3遺伝子等が挙げられる。中でも、本発明においてはスペクチノマイシン耐性遺伝子を用いるのが好ましい。なお、該スペクチノマイシン耐性遺伝子であるaadA遺伝子の塩基配列を配列番号3に記載した。
【0013】
上記プロモーターおよびターミネーターとしては、上記構築前遺伝子群で用いるプロモーターおよびターミネーターとして列挙したものなど、自体公知のものを用いてよい。中でも、葉緑体由来のプロモーターおよびターミネーターが好ましく、タバコ葉緑体由来のプロモーターおよびターミネーターがより好ましく、タバコ葉緑体由来のrrnプロモーターおよびpsbAターミネーターが最も好ましい。なお、タバコ葉緑体由来のrrnプロモーターの塩基配列を配列番号2に、タバコ葉緑体由来のpsbAターミネーターの塩基配列を配列番号4に記載した。
【0014】
上記ベクターには、タンパク質の発現に有利である1または複数の因子、例えばアクティベーター(例えばトランス作用因子)、シャペロンおよびプロセッシングプロテアーゼをコードする1または複数の核酸配列も含み得る。また、本発明に係る上記ベクターは、選択された宿主細胞内で機能的であるいずれかの因子を有していてもよい。
【0015】
以上に述べた本発明に係るベクターの最も好ましい態様として、pLD6が挙げられる。かかるベクターは、実施例に記載の方法で容易に作製することができる。また、pLD6プラスミドは、ブタペスト条約に基づいて、平成13年3月19日付けで工業技術院生命工学工業技術研究所、日本国茨城県筑波市東1丁目1番3号(郵便番号305−8566)に受託番号FERM P−18260として寄託されている。
【0016】
pLD6の模式図を図1に示した。またpLD6の全塩基配列を配列番号1に示した。図1より分かるように、pLD6は、(a)配列番号7で表される塩基配列を有するマルチクローニング領域と、その上流に配列番号5で表されるタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーター(配列番号1中の3569−3701に位置する)と、その下流に配列番号6で表されるタバコ葉緑体由来のrps16ターミネーター(配列番号1中の3755−3913に位置する)とからなる構築前遺伝子群と、その上流に(b)遺伝子組換え体を識別するための遺伝子としての配列番号3で表されるスペクチノマイシン耐性遺伝子であるaadA遺伝子(配列番号1中の2368−3173に位置する)と、その上流に配列番号2で表されるタバコ葉緑体由来のrrnプロモーター(配列番号1中の2226−2368に位置する)と、その下流に配列番号4で表されるタバコ葉緑体由来のpsbAターミネーター(配列番号1中の3175−3568に位置する)とを有している。
【0017】
上記本発明に係るベクターのマルチクローニング領域に、タンパク質をコードする遺伝子を挿入し、遺伝子組換え体を作製する。例えば、pLD6ベクター場合は、マルチクローニング領域のSphIとEcoRIに挟まれた部位にタンパク質をコードする遺伝子を挿入する。ここで、以下、該遺伝子組換え体において、タンパク質をコードする遺伝子を挿入された上記構築前遺伝子群を構築遺伝子群と称する。該タンパク質は、本発明に係る発現系を用いて発現させたいタンパク質であり、その種類は特に限定されない。例えば薬理活性を有するタンパク質、医薬品または工業用材料などとして有用なタンパク質を製造するのに必要な酵素などが挙げられるが、これに限定されるものではない。
【0018】
ついで、上記遺伝子組換え体を適当な宿主細胞に導入し、かかる宿主細胞を培養して、目的の遺伝子をクローニングする。ここで、目的の遺伝子とは、上記構築遺伝子群および識別遺伝子群である(以下も同様である)。
宿主細胞は、クローニングベクターに応じて適宜選択でき、具体的には、例えばエシェリヒア属菌やバチルス属菌などの原核生物、酵母や糸状菌などの真核生物、植物細胞または動物細胞等が挙げられる。また、宿主細胞の培養条件は、宿主細胞の種類に応じて当業界で通常行われている条件に従えば良い。また、クローニングされた遺伝子に目的の遺伝子がうまく導入されたか否かは、クローニングベクターが有する選択マーカー等に基づき容易に判別することができる。
【0019】
本発明においては、ついで、上記のようにしてクローニングされた遺伝子から、目的の遺伝子またはそれを含む遺伝子を制限酵素を用いて切り出し、本発明に係るもう一つのベクターに挿入し、発現ベクターを作製する。本発明に係るもう一つのベクターとは、複数の制限酵素部位を有するポリリンカーと、その上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、その下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子とを有することを特徴とするベクターである。このようにすることにより、外来のタンパク質をコードする遺伝子が、相同組換えにより宿主細胞の染色体DNAに組み込まれやすくなり、さらに該タンパク質の発現量が多くなるという利点ある。ここで、rbcL遺伝子のうちの構造遺伝子は配列番号8中の423−1856に位置する。また、accD遺伝子のうちの構造遺伝子は配列番号8中の2624−3328に位置する。
【0020】
該ベクターのより好ましい態様としては、複数の制限酵素部位を有するポリリンカーと、その上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、その下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子とからなる遺伝子が、タバコ葉緑体遺伝子と相同性を有する遺伝子であるベクターが挙げられる。ここで、相同性を有するとは、ハイストリンジェントな条件において、約80%以上、好ましくは約85%以上、より好ましくは約90%以上、最も好ましくは約95%以上の相同性を有することをいう。なお、ハイストリンジェントな条件とは、例えば、ナトリウム濃度が約19〜40mM程度、好ましくは約19〜20mM程度で、温度が約50〜70℃程度、好ましくは約60〜65℃程度の条件をいう。特に、ナトリウム濃度が約19mMで温度が約65℃程度の場合が最も好ましい条件である。
上記ベクターのさらに好ましい態様としては、ポリリンカーが配列番号9で表される塩基配列からなるベクターが挙げられる。中でも、配列番号8の396−3328に位置する塩基配列からなる遺伝子を有するベクターがより好ましい。
【0021】
上記ベクターは、上述したような自体公知のクローニングベクターに、複数の制限酵素部位を有するポリリンカー、好ましくは配列番号9で表される塩基配列の遺伝子と、その上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、その下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子とを挿入することにより得られる。ここで、該ベクターは、複数の制限酵素部位を有するので、上記目的の遺伝子またはそれを含む遺伝子が挿入しやすいという特長がある。
【0022】
上記ベクターには、タンパク質の発現に有利である1または複数の因子、例えばアクティベーター(例えばトランス作用因子)、シャペロンおよびプロセッシングプロテアーゼをコードする1または複数の核酸配列も含み得る。また、本発明に係る上記ベクターは、選択された宿主細胞内で機能的であるいずれかの因子を有していてもよい。
【0023】
上記ベクターとして最も好ましい態様として、pLD200が挙げられる。かかるベクターは、実施例に記載の方法で容易に作製することができる。また、pLD200プラスミドは、ブタペスト条約に基づいて、平成13年3月19日付けで工業技術院生命工学工業技術研究所、日本国茨城県筑波市東1丁目1番3号(郵便番号305−8566)に受託番号FERM P−18261として寄託されている。
【0024】
pLD200の模式図を図5に記載した。図5より明らかなように、pLD200は、公知のプラスミドであるpUC19(Messing J, Methods in Enzymology, 101: 20 (1983))に、(a)配列番号9で表される塩基配列を有するポリリンカーと、(b)その上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、(c)その下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子とが挿入されている。
また、pLD200の全塩基配列を配列番号8に記載した。上記ポリリンカーは配列番号8の2125−2145に位置する。配列番号8の396−2124と2146−3324とに位置する遺伝子がタバコ葉緑体由来の遺伝子であり、その1−395と3325−5581とに位置する遺伝子がpUC19由来の遺伝子である。
【0025】
上記発現ベクターのより好ましい作成方法としては、pLD6のマルチクローニング領域のSphIとEcoRIに挟まれた部位に、タンパク質をコードする遺伝子を挿入して遺伝子組換え体を作製し、ついで遺伝子組換え体をクローニングした後、該遺伝子組換え体からNotIおよびSalIを用いて構築遺伝子と識別遺伝子とを有する遺伝子を切り出し、該切り出した遺伝子をpLD200のポリリンカーのNotIとSalIに挟まれた部位に挿入するという方法が挙げられる。
【0026】
このようにして作製された上記発現ベクターを宿主細胞に導入し、形質転換体を作製する。このとき、宿主細胞としては、植物細胞が好ましく、葉緑体がより好ましく、タバコ葉緑体がさらに好ましい。このように、植物細胞を宿主細胞として用いることにより、上述のように発現したタンパク質の精製過程での毒素の混入を防ぐことができ、また、タンパク質発現のためのコストも安いという利点がある。中でも、葉緑体を宿主細胞として用いることにより、上述のように導入した遺伝子がコードするタンパク質を高発現させることができ、さらに導入した遺伝子の花粉を介した環境への飛散を防ぐことができる等の利点がある。
【0027】
該発現ベクターの宿主細胞へ導入して形質転換する方法としては、公知方法を用いてよい。例えば、該発現ベクターを金またはタングステンの極めて細かい粒子にまぶし、この該発現ベクターの付着した粒子を火薬または高圧ガスで宿主細胞に打ち込み該発現ベクターを導入するというパーティクルガン法などが挙げられる。中でも、高等植物の葉緑体への遺伝子導入系はパーティクルガンによる手法(Svab, Z., Hajdukiewicz, P., and Maliga, P., Stable transformation of plastids in higher plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 8526-8530 (1990))または、PEGによる手法(Golds, T., Maliga, P., and Koop, H.-U., Stable plastid transformation in PEG-treated protoplasts of Nicotiana tabacum. Bio/Technol., 11, 95-97 (1993))を用いるのが好ましい。
【0028】
本発明に係る上記形質転換葉緑体を有する植物は、自体公知の方法によって得ることができる。ここで、上記植物は特に限定されないが、高等植物が好ましく、タバコがより好ましい。
ついで、該植物をその植物に応じた自体公知の条件で生育させ、該植物体から自体公知の方法によって目的とするタンパク質を精製する。タンパク質の精製は、自体公知の分離・精製方法を適切に組み合わせて行うことができる。これら公知の分離、精製方法としては、塩析や溶媒沈澱法などの溶解度を利用する方法、透析法、限外ろ過法、ゲルろ過法もしくはSDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動法などの主として分子量の差を利用する方法;イオン交換クロマトグラフィーなどの荷電の差を利用する方法;アフィニティークロマトグラフィーなどの特異的親和性を利用する方法;逆相高速液体クロマトグラフィーなどの疎水性の差を利用する方法;等電点電気泳動法などの等電点の差を利用する方法などが用いられる。
このようにして、例えば薬理活性を有するタンパク質や工業用酵素などの有用タンパク質を大量に製造することができ、かつ大腸菌による発現系のように発現したタンパク質の精製過程で毒素の混入は実質上認められないという利点ある。さらに、動物細胞を用いた発現系よりも、低コスト・低エネルギーで目的のタンパク質を製造できるという利点もある。
【0029】
なお、上記の遺伝子工学または生物工学の基本操作については、市販の実験書、例えば、1982年発行のモレキュラー・クローニング(Molecular Cloning )コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory )、1989年発行のモレキュラー・クローニング第2版(Molecular Cloning, 2nd ed.)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory )等に記載された方法に従って容易に行うことができる。
【0030】
【実施例】
〔工程1;pLD6の作製〕
タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターの下流に、配列番号7で表される塩基配列からなるマルチクローニング領域を置き、その下流にタバコ葉緑体由来のリボソーマルタンパク質rps16のターミネーター(Trps16)を配置したプラスミドを構築した。このマルチクローニング領域のうちSphI部位のatgを開始コドンになるようにその上流9塩基目にリボソーム結合部位(SD配列;図1に示した塩基配列の5'末端から数えて13番目から始まる5ヌクレオチドからなるセグメント)を置いた。これら構築前遺伝子群の上流に葉緑体形質転換体の選抜のための識別遺伝子群(aadAカセット)を置いた。これら両遺伝子群はNotI-SalIで切り出されるようにした。こうして構築したベクターをpLD6と名付けた(図1)。
より詳しい構築過程を図7〜9に示す。pLD6構築の出発物であるpBluescript II SK(+)(Gene Bank Accession Number:X52328)は、Stratagene社から購入した。また、図8の合成DNAは、DNA合成機model 392(パーキン・エルマー株式会社製)を用いて化学合成した。
【0031】
〔工程2;遺伝子組換え体の作製〕
レポーター遺伝子としてGFPを用い(Sidorov, V.A., Kasten, D., Pang, S.-Z., Hajdukiewicz, P.T.J., Staub, J.M., and Nehra, N.S., Stable chloroplast transformation in potato: use of green fluorescent protein as a plastid marker. Plant J, 19, 209-216 (1999))、該GFPをコードする遺伝子を、pLD6のマルチクローニング領域(図1で塩基配列が記載されている部位)のSphIとEcoRIとで挟まれた部分に挿入した。
かかる遺伝子組換え体を大腸菌の中に導入し、該大腸菌をスペクチノマイシンを添加したLB培地で37℃下16時間培養し、かかる遺伝子組換え体が導入された大腸菌を選択した。選択された大腸菌をLB培地で37℃下16時間培養し、培養後遠心分離をし、菌体を集菌し、常法にしたがって遺伝子組換え体(プラスミドDNA)を精製した。なお、LB培地1L中の組成は、10gトリプトン、5g酵母エキス、5gNaClである。
【0032】
〔工程3;pLD200の作製〕
またNotI上流とSalI下流にタバコ葉緑体ゲノムのrbcL遺伝子とaccD遺伝子をふくむタバコ葉緑体遺伝子の相同配列(配列番号8の396−3328に位置する塩基配列)を導入したベクターpLD200を構築した(図5)。より詳しい構築過程を図6に示す。pLD200構築の出発物であるpUC19(Gene Bank Accession Number:L09736)は、Messing J, Methods in Enzymology, 101: 20 (1983)の著者から分譲を受けた。また、図6の合成DNAは、DNA合成機model392(パーキン・エルマー株式会社製)を用いて化学合成した。
【0033】
〔工程4;発現ベクターの作製〕
工程2で得られた遺伝子組み替え体(精製DNA)を、NotIとSalIで消化した。また、pLD200もNotIとSalIで消化し、ポリリンカー(図6で塩基配列が記載されている部位のうち5'末端から数えて5番目から始まる21ヌクレオチドからなるセグメント)のNotIとSalIとで挟まれた部分に、前記遺伝子組み替え体(精製DNA)のNotIとSalIとの消化物を挿入した。このようにして、本発明に係る発現ベクターを作製した。
【0034】
〔工程5;形質転換葉緑体の作製〕
得られた発現ベクターを、タバコ葉緑体に導入し、形質転換葉緑体を作製した。タバコ葉緑体形質転換は既知の方法(Svab, Z., Hajdukiewicz, P., and Maliga, P., Stable transformation of plastids in higher plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 8526-8530 (1990))によった。
【0035】
葉緑体形質転換体の外観は野生種と同様のものだった(図2)が、蛍光顕微鏡下で観察した結果、野生種では見られないGFP由来の強い蛍光が見られた(図3)。また、この形質転換体からタンパク質を抽出し、SDS-PAGEを行ったところGFPに対応する分子量の濃いバンドが確認された(図4)。このバンドの濃さのデンシトメトリーから、その発現総量は全可溶画分の20%程度であった。
【0036】
【発明の効果】
本発明に係る植物体を用いた異種タンパク質の発現系を用いれば、大腸菌を用いた異種タンパク質の発現系の場合とは異なり、発現したタンパク質の精製過程での毒素の混入がないという利点がある。その上、植物は光合成により生育するため植物体育成のためのエネルギーの投入が少なくて済み、その結果として製品(タンパク質)が安価に製造できるという利点がある。
【0037】
従来の遺伝子組換え技術の懸念として、人工的に操作を加えた遺伝子による環境汚染がある。これは、導入した人工改変遺伝子が交雑、交配等により環境へ拡散していくことに対する懸念である。このため遺伝子組換えの際の生物的封じこめが強調されてきている。本発明においては、好ましい態様として葉緑体へ遺伝子を導入しタンパク質を発現させる。かかる葉緑体への遺伝子導入は、葉緑体遺伝子が母性遺伝することから、自然現象における生物的封じこめにあたり、環境保全の観点からも本発明は有用である。
【0038】
本発明においては、好ましい態様として上記のように葉緑体へ遺伝子を導入しタンパク質を発現させる。かかる葉緑体の遺伝子発現系は原核細胞型のため、大腸菌原核型微生物からの移行が容易にできる。その結果、現在大腸菌等で行われている異種タンパク質の大量発現系からの移行がすみやかに行えるという利点がある。
【0039】
本発明に係るタンパク質の発現系は、例えば、医薬品等の生産、工業用酵素類の生産、ポリエステル、生分解性プラスチック、油脂、タンパク質、炭化水素もしくはテルペンの生産、家畜飼料(タンパク質、脂質、炭水化物等の成分調節により、消化、吸収されやすい植物体を作り、これを直接食べさせる)、観葉植物等の品種改良、複合環境ストレス耐性植物の創成などに有用である。
【0040】
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図1】pLD6の模式図を示す。Prrnはタバコ葉緑体由来のrrnプロモーターを表す。該rrnプロモーターは、配列番号2で表される塩基配列を持ち、配列番号1中の2226−2368に位置する。aadAはスペクチノマイシン耐性遺伝子を表す。該スペクチノマイシン耐性遺伝子は、配列番号3で表される塩基配列を持ち、配列番号1中の2368−3173に位置する。TpsbAはタバコ葉緑体由来のpsbAターミネーターを表す。該psbAターミネーターは配列番号4で表される塩基配列を持ち、配列番号1中の3175−3568に位置する。PpsbAはタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーターを表す。該psbAプロモーターは配列番号5で表されるで表される塩基配列を持ち、配列番号1中の3569−3701に位置する。Trps16はタバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターを表す。該rps16ターミネーターは、配列番号6で表される塩基配列を持ち、配列番号1中の3755−3913に位置する。塩基配列を記載した部位はマルチクローニング領域である。残りの部分(太線の部分)はpBluescript II SK(+)由来の遺伝子である。BglII、SphI、ClaIおよびEcoRIは制限酵素部位を表し、SDはSD配列(図1に示した塩基配列の5'末端から数えて13番目から始まる5ヌクレオチドからなるセグメント)を表す。
【図2】GFP遺伝子が発現している実施例で得られた葉緑体形質転換体を有するタバコの外観を示す。
【図3】GFP遺伝子が発現している実施例で得られた葉緑体形質転換体を有するタバコの葉の蛍光像を示す。
【図4】実施例で得られた葉緑体形質転換体を有するタバコからタンパク質を抽出しSDS−PAGEを行った(パネルA)。また、GFP遺伝子の導入されていない野生型のタバコを用いて同様にSDS−PAGEを行った(パネルB)。全可溶タンパク質量の50%をしめるRuBisCO(rbcL+rbcS)に比較しうる量のGFPの蓄積が実施例で得られたGFP遺伝子導入タバコで観察された。なお、パネルMは分子量マーカーである。
【図5】pLD200の模式図を示す。rbcLはタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子を表す。accDはタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子を表す。塩基配列を記載した部位のうち5'末端から数えて5番目から21塩基はポリリンカーである。太線の部分はpUC19由来の遺伝子である。NotI、NheIおよびSphIは制限酵素部位を表す。
【図6】pLD200の構築過程を示す。
【図7】pLD6の構築過程のうち第1過程を示す。
【図8】pLD6の構築過程のうち第2過程を示す。
【図9】pLD6の構築過程のうち第3過程を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a protein expression system using a plant body.
[0002]
[Prior art]
In the case of preparing a large amount of useful proteins that can be used as pharmaceuticals using genetic recombination, a system using E. coli has been widely used so far. In this case, it is considered that toxins are contaminated in the purification process of the expressed protein, and in such a case, the use of animal cells has been put to practical use. However, the cost of culturing when using animal cells is several tens of times that of E. coli, and the resulting product (protein) is expensive. In this respect, since plants grow by photosynthesis, the input of energy is small, and the product (protein) can be inexpensive. In fact, when the product unit price is compared as a host for obtaining a genetically modified product, it is estimated that animal cells, Escherichia coli, and plants will be cheaper in this order. For this reason, development of the mass protein expression system of the useful protein using the plant body was eagerly desired.
[0003]
There are about 100 chloroplasts per cell in adult plants, and there are 100 copies of chloroplast genome genes per chloroplast (Bendich, AJ, Why do chloroplasts and mitochondria contain so many copies). of their genome?Bioassays,6, 279-282 (1987)). This means that if one copy of a foreign gene is inserted into the chloroplast genome, there will be 10,000 copies per cell in the transformant, and high expression can be expected from the large number of copies (Maliga, P., Towards plastid transformation in flowering plants.Trends Biotechnol.11, 101-107 (1993)). Furthermore, since gene introduction into chloroplasts utilizes homologous recombination, the position effect seen at the time of insertion into the nucleus does not occur, and stable gene expression is performed. In addition, since chloroplasts are maternally inherited, gene transfer into chloroplasts has many advantages, such as prevention of scattering into the environment via pollen of the introduced gene (see the above document).
[0004]
Overexpression of foreign proteins has been achieved using chloroplast transformation techniquesBacillusToxins produced by McBride, K.E., Svab, Z., Schaaf, D.J., Hogan, P.S., Stalker, D.M. and Maliga, P. Amplification of a chimericBacillus gene in chloroplasts leads to an extraordinary level of an insecticidal protein in tobacco.Bio / technol.,13, 362-365, or Kota, M., Daniell, H., Varma, S., Garczynski, S.F., Gould, F., and Moar, W.J., Overexpression of theBacillus thuringiensis (Bt) Cry2Aa2 protein in chloroplasts confers resistance to plants against susceptible and Bt-resistant insects.Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 1840-1845 (1999)), herbicides (Daniell, H., Datta, R., Varma, S., Gray, S., and Lee, S.-B., Containment of herbicide resistance through genetic engineering of the chloroplast genome.Nature Biotechnol.16, 345-348. (1998)), but in these cases, the total expression of the total soluble fraction was determined because polycistonic gene expression with the aadA gene for selection of transformants was targeted. It was about 6-7% of the minute.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of this invention is to provide the vector for protein expression using a plant body.
The present invention also has an expression vector capable of highly expressing a target protein in chloroplasts, a transformed chloroplast transformed with the expression vector, and further, the transformed chloroplast. The purpose is to provide plants. Furthermore, it aims at providing a vector useful for said expression vector preparation.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on a protein expression system using a plant body, particularly a protein expression system using a chloroplast, the present inventors introduce a psbA promoter derived from tobacco chloroplast upstream of a gene encoding the protein. Thus, an unexpected finding that the protein encoded by the introduced gene can be highly expressed in tobacco chloroplasts was obtained. Furthermore, as a result of studying to increase the expression level of the protein encoded by the introduced gene, the expression level of the protein encoded by the introduced gene is increased by placing a ribosome binding site upstream of the translation start point of the gene encoding the protein. We obtained an unexpected finding that it would increase further.
The present inventors have further studied the protein expression system in the plant body and completed the present invention.
[0007]
That is, the present invention
(1) (a) a plurality of restriction enzyme sites, an insertion site into which a gene encoding a protein sandwiched between two restriction enzyme sites can be inserted, a multicloning region having a ribosome binding site upstream of the insertion site, and multicloning A pre-construction gene group having a promoter upstream of the region and a terminator downstream of the multi-cloning region; (b) a gene for identifying a gene recombinant upstream thereof; a promoter upstream thereof; and a terminator downstream thereof. A vector having a discriminating gene group,
(2) The vector according to (1) above, wherein the multicloning region of the pre-constructed gene group has a ribosome binding site 7 to 11 bases upstream of the translation start point of the gene encoding the protein,
(3) The vector according to (1) or (2) above, wherein the ribosome binding site is an SD sequence,
(4) The vector according to (1) to (3) above, wherein the multicloning region of the pre-constructed gene group is composed of the base sequence represented by SEQ ID NO: 7,
(5) The vector according to (1) to (4) above, wherein the promoter and terminator of the pre-construction gene group or / and the promoter and terminator of the identification gene group are a chloroplast-derived promoter and terminator ,
(6) The vector according to (5) above, wherein the chloroplast-derived promoter and terminator are a tobacco chloroplast-derived promoter and terminator,
(7) The vector according to (6) above, wherein the promoter derived from tobacco chloroplast is psbA promoter or rrn promoter derived from tobacco chloroplast,
(8) The vector according to (6) or (7), wherein the terminator derived from tobacco chloroplast is a psbA terminator or rps16 terminator derived from tobacco chloroplast,
(9) The vector according to (6) above, wherein the promoter of the pre-construction gene group is a psbA promoter derived from tobacco chloroplasts,
(10) The promoter of the pre-construction gene group is a psbA promoter derived from tobacco chloroplast, the terminator of the pre-construction gene group is rps16 terminator derived from tobacco chloroplast, and the promoter of the identification gene group is derived from tobacco chloroplast The vector according to (6) above, wherein the terminator of the identification gene group is a psbA terminator derived from tobacco chloroplasts,
(11) The vector according to any one of (1) to (10) above, wherein the gene for identifying a gene recombinant of the identification gene group is a spectinomycin resistance gene,
(12) The vector according to any one of (1) to (10) above, wherein the gene for identifying a gene recombinant of the identification gene group is an aadA gene having the base sequence represented by SEQ ID NO: 3. ,
(13) Vector pLD6 (FERM P-18260),
(14) A gene recombinant in which a gene encoding a protein is inserted into the vector according to (1) to (13),
(15) A vector comprising a polylinker having a plurality of restriction enzyme sites, an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts upstream thereof, and an accD gene derived from tobacco chloroplasts downstream thereof;
(16) The vector according to (15), wherein the polylinker comprises the base sequence represented by SEQ ID NO: 9,
(17) The vector according to (15) or (16), which has a gene comprising a base sequence located at 396-3328 of SEQ ID NO: 8,
(18) Vector pLD200 (FERM P-18261),
(19) The gene recombinant according to (14), wherein (a) a plurality of restriction enzyme sites, a gene encoding a protein, a multicloning region having a ribosome binding site upstream of the gene, A group of constructed genes having a promoter upstream and a terminator downstream of the multicloning region; (b) a gene for identifying a gene recombinant upstream thereof; a promoter having a promoter upstream and a terminator downstream thereof An expression vector, wherein the gene group is inserted into the vector described in (15) to (18) above,
(20) A transformed chloroplast in which the expression vector according to (19) is introduced into a chloroplast,
(21) The transformed chloroplast according to (20), wherein the chloroplast is tobacco chloroplast,
(22) A plant having the transformed chloroplast according to (20) or (21),
(23) The plant according to (22), wherein the plant is tobacco,
(24) a protein obtained from the plant according to (22) or (23),
(25) Gene recombination is prepared by inserting a gene encoding a protein into a region between SphI and EcoRI in the multicloning region of pLD6, and then the gene recombination is cloned. Production of an expression vector characterized by cutting out a gene having a constructed gene and a discriminating gene from the body using NotI and SalI, and inserting the excised gene into a site sandwiched between NotI and SalI of the polylinker of pLD200 Method,
About.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The vector according to the present invention can be prepared by inserting a pre-construction gene group and a discriminating gene group into a cloning vector.
Here, the cloning vector that can be used in the present invention has (a) a restriction enzyme site into which a pre-construction gene group and a discrimination gene group can be inserted, and (b) can be introduced into a host cell, (C) It is not particularly limited as long as it has the ability to grow in a host cell, and (d) a host cell transformed and introduced with a cloning vector can be specifically detected. Specifically, examples of the cloning vector include plasmids, phages, cosmids, or phagemids. More specifically, plasmids derived from E. coli (eg, pBR322, pBR325, pUC12, etc.), plasmids derived from Bacillus subtilis ( For example, pUB110, pTP5, pC194, etc.), yeast-derived plasmids (eg, pSH19, pSH15, pYES2, etc.), bacteriophages such as λ phage, retroviruses and the like. A commercially available cloning vector may be used.
[0009]
The pre-construction gene group to be inserted into the cloning vector has a multicloning region, a promoter upstream of the multicloning region, and a terminator downstream of the multicloning region.
The multicloning region has a plurality of restriction enzyme sites, an insertion site for inserting a gene encoding a protein sandwiched between two restriction enzyme sites, and a ribosome binding site upstream of the insertion site. Thus, by placing a ribosome binding site upstream of the insertion site for inserting a gene encoding the protein, there is an advantage that the protein can be highly expressed. The ribosome binding site is more preferably about 7 to 11 bases upstream of the translation start point of the gene encoding the protein, and more preferably about 9 bases upstream.
Such a ribosome binding site may have a base sequence known per se that is known to be capable of binding to a ribosome, but an SD sequence is preferred. The SD sequence is an abbreviation for Shine-Dalgarno sequence and is a segment consisting of 4 to 7 nucleotides, and its base sequence is a part or all of 5′-AGGAGGU-3 ′.
The most preferred embodiment of the multicloning region includes a gene having the base sequence set forth in SEQ ID NO: 7.
[0010]
The promoter upstream of the multicloning region may be a known one. Examples include microorganisms (prokaryotes such as Escherichia and Bacillus, eukaryotes such as yeast and filamentous fungi), plant cells, and animal cells. More specifically, examples include Escherichia bacterium trp promoter, trc promoter, lac promoter, recA promoter, λPL promoter, lpp promoter, or T7 promoter; Bacillus genus SPO1 promoter, SPO2 promoter, or penP promoter.
Among them, the promoter is preferably a chloroplast-derived promoter, more preferably a tobacco chloroplast-derived promoter, and most preferably a tobacco chloroplast-derived psbA promoter. The base sequence of the psbA promoter derived from tobacco chloroplast is shown in SEQ ID NO: 5.
[0011]
The terminator downstream of the multicloning region may be known per se. Examples include microorganisms (prokaryotes such as Escherichia and Bacillus, eukaryotes such as yeast and filamentous fungi), plant cells, and animal cells. Among them, the terminator is preferably a chloroplast-derived terminator, more preferably a tobacco chloroplast-derived terminator, and most preferably a tobacco chloroplast-derived rps16 terminator. The base sequence of the rps16 terminator derived from tobacco chloroplast is shown in SEQ ID NO: 6.
[0012]
In the present invention, a discriminating gene group is inserted upstream of the pre-constructed gene group into the cloning vector. The discriminating gene group has a gene for identifying a gene recombinant, a promoter upstream thereof, and a terminator downstream thereof.
The gene for identifying the gene recombinant is not particularly limited, and a gene known per se may be used. Examples include various drug resistance genes or genes that complement the auxotrophy of the host. More specifically, for example, ampicillin resistance gene, neomycin resistance gene (G418 resistance), chloramphenicol resistance gene, kanamycin resistance gene, spectinomycin resistance gene, URA3 gene and the like can be mentioned. Among them, in the present invention, it is preferable to use a spectinomycin resistance gene. The base sequence of the aadA gene, which is the spectinomycin resistance gene, is shown in SEQ ID NO: 3.
[0013]
As the promoter and terminator, those known per se such as those listed as the promoter and terminator used in the pre-constructed gene group may be used. Of these, promoters and terminators derived from chloroplasts are preferred, promoters and terminators derived from tobacco chloroplasts are more preferred, and rrn promoters and psbA terminators derived from tobacco chloroplasts are most preferred. The base sequence of the rrn promoter derived from tobacco chloroplast is shown in SEQ ID NO: 2, and the base sequence of the psbA terminator derived from tobacco chloroplast is shown in SEQ ID NO: 4.
[0014]
The vector may also include one or more nucleic acid sequences that encode one or more factors that favor protein expression, such as activators (eg, trans-acting factors), chaperones, and processing proteases. Further, the vector according to the present invention may have any factor that is functional in the selected host cell.
[0015]
The most preferred embodiment of the vector according to the present invention described above includes pLD6. Such a vector can be easily prepared by the method described in the Examples. In addition, the pLD6 plasmid is based on the Budapest Treaty and is dated March 19, 2001, Institute of Biotechnology, Institute of Industrial Science and Technology, 1-3 1-3 Higashi 1-chome, Tsukuba, Ibaraki, Japan (zip code 305-8666) Is deposited under the deposit number FERM P-18260.
[0016]
A schematic diagram of pLD6 is shown in FIG. The entire base sequence of pLD6 is shown in SEQ ID NO: 1. As can be seen from FIG. 1, pLD6 has (a) a multicloning region having a base sequence represented by SEQ ID NO: 7, and a psbA promoter derived from tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 5 upstream thereof (SEQ ID NO: 5). 1 and a downstream rps16 terminator derived from tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 6 (located at 3755-3913 in SEQ ID NO: 1). And (b) an aadA gene (located at 2368-3173 in SEQ ID NO: 1) which is a spectinomycin resistance gene represented by SEQ ID NO: 3 as a gene for identifying a gene recombinant, upstream thereof Upstream of the rrn promoter derived from tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 2 (located at 2226-2368 in SEQ ID NO: 1), and below And a tobacco chloroplast-derived psbA terminator represented by SEQ ID NO: 4 (located 3175-3568 in SEQ ID NO: 1).
[0017]
A gene encoding a protein is inserted into the multicloning region of the vector according to the present invention to prepare a gene recombinant. For example, in the case of a pLD6 vector, a gene encoding a protein is inserted into a site between SphI and EcoRI in the multicloning region. Hereinafter, the pre-construction gene group into which the gene encoding the protein is inserted in the gene recombinant is referred to as a construction gene group. The protein is a protein desired to be expressed using the expression system according to the present invention, and the type thereof is not particularly limited. Examples thereof include, but are not limited to, a protein having a pharmacological activity, an enzyme necessary for producing a protein useful as a pharmaceutical or industrial material, and the like.
[0018]
Subsequently, the gene recombinant is introduced into an appropriate host cell, the host cell is cultured, and the target gene is cloned. Here, the target genes are the above-described constructed gene group and discriminating gene group (the same applies to the following).
Host cells can be appropriately selected according to the cloning vector, and specific examples include prokaryotes such as Escherichia and Bacillus, eukaryotes such as yeast and filamentous fungi, plant cells, and animal cells. . Moreover, the culture conditions for the host cells may be in accordance with the conditions commonly used in the art depending on the type of host cell. Further, whether or not the target gene has been successfully introduced into the cloned gene can be easily determined based on a selection marker or the like possessed by the cloning vector.
[0019]
In the present invention, the target gene or a gene containing the target gene is then excised from the gene cloned as described above using a restriction enzyme, and inserted into another vector according to the present invention to produce an expression vector. To do. Another vector according to the present invention has a polylinker having a plurality of restriction enzyme sites, an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts upstream thereof, and an accD gene derived from tobacco chloroplasts downstream thereof. Is a vector characterized by By doing so, there is an advantage that a gene encoding a foreign protein is easily incorporated into the chromosomal DNA of the host cell by homologous recombination, and the expression level of the protein is increased. Here, the structural gene of the rbcL gene is located at 423-1856 in SEQ ID NO: 8. The structural gene of the accD gene is located at 2624-3328 in SEQ ID NO: 8.
[0020]
As a more preferred embodiment of the vector, a gene comprising a polylinker having a plurality of restriction enzyme sites, an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts upstream thereof, and an accD gene derived from tobacco chloroplasts downstream thereof, Examples thereof include vectors that are genes having homology with tobacco chloroplast genes. Here, having homology means having a homology of about 80% or more, preferably about 85% or more, more preferably about 90% or more, and most preferably about 95% or more under highly stringent conditions. Say. The high stringent conditions are, for example, conditions in which the sodium concentration is about 19 to 40 mM, preferably about 19 to 20 mM, and the temperature is about 50 to 70 ° C., preferably about 60 to 65 ° C. Say. In particular, the most preferable conditions are when the sodium concentration is about 19 mM and the temperature is about 65 ° C.
As a more preferred embodiment of the above vector, a vector in which the polylinker has the base sequence represented by SEQ ID NO: 9 can be mentioned. Among these, a vector having a gene consisting of a base sequence located at SEQ ID NO: 8 at 396-3328 is more preferable.
[0021]
The vector is a cloning vector known per se as described above, a polylinker having a plurality of restriction enzyme sites, preferably a gene having a nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 9, and rbcL derived from tobacco chloroplasts upstream thereof. It is obtained by inserting a gene and an accD gene derived from tobacco chloroplast downstream thereof. Here, since the vector has a plurality of restriction enzyme sites, it has a feature that the target gene or a gene containing it can be easily inserted.
[0022]
The vector may also include one or more nucleic acid sequences that encode one or more factors that favor protein expression, such as activators (eg, trans-acting factors), chaperones, and processing proteases. Further, the vector according to the present invention may have any factor that is functional in the selected host cell.
[0023]
The most preferred embodiment of the vector is pLD200. Such a vector can be easily prepared by the method described in the Examples. In addition, the pLD200 plasmid is based on the Budapest Treaty and is dated March 19, 2001, Institute of Biotechnology, Institute of Industrial Science and Technology, 1-3 1-3 Higashi 1-chome, Tsukuba, Ibaraki, Japan (zip code 305-8666) Is deposited under the deposit number FERM P-18261.
[0024]
A schematic diagram of pLD200 is shown in FIG. As is clear from FIG. 5, pLD200 is a polylinker having a nucleotide sequence represented by (a) SEQ ID NO: 9 in pUC19 (Messing J, Methods in Enzymology, 101: 20 (1983)), which is a known plasmid. (B) an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts is inserted upstream thereof, and (c) an accD gene derived from tobacco chloroplasts is inserted downstream thereof.
In addition, the entire base sequence of pLD200 is shown in SEQ ID NO: 8. The polylinker is located at 2125-2145 of SEQ ID NO: 8. The genes located at 396-2124 and 2146-3324 in SEQ ID NO: 8 are tobacco chloroplast-derived genes, and the genes located at 1-395 and 3325-5581 are pUC19-derived genes.
[0025]
As a more preferable method for producing the above expression vector, a gene recombinant is prepared by inserting a gene encoding a protein into a site between SphI and EcoRI of the multicloning region of pLD6, and then the gene recombinant is prepared. After cloning, a gene having a construction gene and a discriminating gene is cut out from the genetic recombinant using NotI and SalI, and the cut out gene is inserted into a site sandwiched between NotI and SalI of the polylinker of pLD200. A method is mentioned.
[0026]
The expression vector thus prepared is introduced into a host cell to produce a transformant. At this time, the host cell is preferably a plant cell, more preferably a chloroplast, and even more preferably a tobacco chloroplast. Thus, by using plant cells as host cells, it is possible to prevent contamination of toxins during the purification process of the protein expressed as described above, and there is an advantage that the cost for protein expression is low. Among them, by using chloroplasts as host cells, the protein encoded by the introduced gene can be highly expressed as described above, and further, scattering to the environment via pollen of the introduced gene can be prevented. There are advantages such as.
[0027]
As a method for transforming by introducing the expression vector into a host cell, a known method may be used. For example, a particle gun method may be used in which the expression vector is applied to very fine particles of gold or tungsten, the particles to which the expression vector is attached are injected into a host cell with an explosive or high-pressure gas, and the expression vector is introduced. Among them, the gene transfer system to higher plant chloroplasts is based on the particle gun technique (Svab, Z., Hajdukiewicz, P., and Maliga, P., Stable transformation of plastids in higher plants.Proc. Natl. Acad. Sci. USA,87, 8526-8530 (1990)) or PEG technique (Golds, T., Maliga, P., and Koop, H.-U., Stable plastid transformation in PEG-treated protoplasts ofNicotiana tabacum. Bio / Technol.,1195-97 (1993)).
[0028]
The plant having the above-mentioned transformed chloroplast according to the present invention can be obtained by a method known per se. Here, although the said plant is not specifically limited, A higher plant is preferable and a tobacco is more preferable.
Next, the plant is grown under known conditions according to the plant, and the target protein is purified from the plant body by a method known per se. Protein purification can be performed by appropriately combining per se known separation and purification methods. As these known separation and purification methods, there are mainly differences in molecular weight such as methods utilizing solubility such as salting out and solvent precipitation, dialysis, ultrafiltration, gel filtration or SDS-polyacrylamide gel electrophoresis. A method utilizing charge difference such as ion exchange chromatography; a method utilizing specific affinity such as affinity chromatography; a method utilizing hydrophobic difference such as reverse phase high performance liquid chromatography; A method using the difference in isoelectric point, such as isoelectric focusing, is used.
In this way, it is possible to produce a large amount of useful proteins such as proteins having pharmacological activity and industrial enzymes, and contamination of toxins is substantially recognized during the purification of expressed proteins as in the expression system using E. coli. There is an advantage that it is not possible. Furthermore, there is an advantage that the target protein can be produced at a lower cost and lower energy than the expression system using animal cells.
[0029]
The basic operation of genetic engineering or bioengineering described above is a commercially available experiment, for example, Molecular Cloning published in 1982, Cold Spring Harbor Laboratory, published in 1989. Molecular Cloning, 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory, and the like.
[0030]
【Example】
[Step 1; Production of pLD6]
A multicloning region consisting of the base sequence represented by SEQ ID NO: 7 is placed downstream of the psbA promoter derived from tobacco chloroplasts, and a terminator (Trps16) of the ribosomal protein rps16 derived from tobacco chloroplasts is placed downstream of the psbA promoter The constructed plasmid was constructed. In this multicloning region, the ribosome binding site (SD sequence; 5 nucleotides starting from the 13th position counted from the 5 ′ end of the base sequence shown in FIG. A segment consisting of: An identification gene group (aadA cassette) for selection of chloroplast transformants was placed upstream of these pre-construction gene groups. Both of these gene groups were cut out with NotI-SalI. The vector thus constructed was named pLD6 (FIG. 1).
A more detailed construction process is shown in FIGS. pBluescript II SK (+) (Gene Bank Accession Number: X52328), the starting material for the construction of pLD6, was purchased from Stratagene. Further, the synthetic DNA of FIG. 8 was chemically synthesized using a DNA synthesizer model 392 (manufactured by Perkin Elmer Co., Ltd.).
[0031]
[Step 2: Production of gene recombinants]
GFP is used as a reporter gene (Sidorov, VA, Kasten, D., Pang, S.-Z., Hajdukiewicz, PTJ, Staub, JM, and Nehra, NS, Stable chloroplast transformation in potato: use of green fluorescent protein as a plastid marker.Plant J,19209-216 (1999)), the gene encoding the GFP was inserted into the multi-cloning region of pLD6 (the site whose nucleotide sequence is described in FIG. 1) between SphI and EcoRI.
The gene recombinant was introduced into Escherichia coli, and the Escherichia coli was cultured in LB medium supplemented with spectinomycin at 37 ° C. for 16 hours to select Escherichia coli into which the gene recombinant was introduced. The selected Escherichia coli was cultured in LB medium at 37 ° C. for 16 hours, centrifuged after culturing, the cells were collected, and the gene recombinant (plasmid DNA) was purified according to a conventional method. The composition in 1 L of LB medium is 10 g tryptone, 5 g yeast extract, and 5 g NaCl.
[0032]
[Step 3; Production of pLD200]
In addition, a vector pLD200 was constructed in which a homologous sequence of the tobacco chloroplast gene containing the rbcL gene and the accD gene (base sequence located at 396-3328 of SEQ ID NO: 8) was introduced upstream of NotI and downstream of SalI. (FIG. 5). A more detailed construction process is shown in FIG. pUC19 (Gene Bank Accession Number: L09736), the starting material for the construction of pLD200, was sold by the author of Messing J, Methods in Enzymology, 101: 20 (1983). The synthetic DNA of FIG. 6 was chemically synthesized using a DNA synthesizer model 392 (manufactured by Perkin Elmer Co., Ltd.).
[0033]
[Step 4: Preparation of expression vector]
The gene recombinant (purified DNA) obtained in step 2 was digested with NotI and SalI. PLD200 is also digested with NotI and SalI and sandwiched between NotI and SalI of a polylinker (a segment consisting of 21 nucleotides starting from the 5th position counting from the 5 ′ end of the site where the nucleotide sequence is described in FIG. 6). The digested product of NotI and SalI of the recombinant gene (purified DNA) was inserted into the obtained portion. In this way, an expression vector according to the present invention was prepared.
[0034]
[Step 5: Production of transformed chloroplasts]
The obtained expression vector was introduced into tobacco chloroplasts to produce transformed chloroplasts. Tobacco chloroplast transformation is a known method (Svab, Z., Hajdukiewicz, P., and Maliga, P., Stable transformation of plastids in higher plants.Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 8526-8530 (1990)).
[0035]
The appearance of the chloroplast transformant was the same as that of the wild species (FIG. 2), but as a result of observation under a fluorescence microscope, strong GFP-derived fluorescence not seen in the wild species was observed (FIG. 3). . Further, when protein was extracted from this transformant and subjected to SDS-PAGE, a band having a high molecular weight corresponding to GFP was confirmed (FIG. 4). From the densitometry of the density of this band, the total expression amount was about 20% of the total soluble fraction.
[0036]
【The invention's effect】
Unlike the heterologous protein expression system using E. coli, the heterologous protein expression system using the plant according to the present invention has the advantage that no toxin is mixed in during purification of the expressed protein. . In addition, since plants grow by photosynthesis, energy input for plant growth can be reduced, and as a result, there is an advantage that a product (protein) can be produced at low cost.
[0037]
As a concern of conventional gene recombination technology, there is environmental pollution by artificially manipulated genes. This is a concern that the introduced artificially modified gene spreads to the environment by crossing, mating, and the like. For this reason, biological containment during genetic recombination has been emphasized. In the present invention, as a preferred embodiment, a gene is introduced into a chloroplast to express a protein. Since gene introduction into such chloroplasts is maternally inherited from the chloroplast gene, the present invention is useful from the viewpoint of environmental conservation in terms of biological containment in natural phenomena.
[0038]
In the present invention, as a preferred embodiment, a gene is introduced into a chloroplast as described above to express a protein. Since such a chloroplast gene expression system is a prokaryotic cell type, it can be easily transferred from an E. coli prokaryotic microorganism. As a result, there is an advantage that the migration from the mass expression system of heterologous proteins currently performed in Escherichia coli and the like can be performed promptly.
[0039]
The protein expression system according to the present invention includes, for example, production of pharmaceuticals, industrial enzymes, polyester, biodegradable plastics, oils, fats, proteins, hydrocarbons or terpenes, livestock feed (proteins, lipids, carbohydrates) It is useful for preparing a plant body that can be easily digested and absorbed by directly adjusting the ingredients, and improving the variety of foliage plants and creating a complex environmental stress resistant plant.
[0040]
[Sequence Listing]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a schematic diagram of pLD6. Prrn represents the rrn promoter derived from tobacco chloroplasts. The rrn promoter has a base sequence represented by SEQ ID NO: 2 and is located at 2226-2368 in SEQ ID NO: 1. aadA represents a spectinomycin resistance gene. The spectinomycin resistance gene has a base sequence represented by SEQ ID NO: 3 and is located at 2368-3173 in SEQ ID NO: 1. TpsbA represents a psbA terminator derived from tobacco chloroplasts. The psbA terminator has a base sequence represented by SEQ ID NO: 4 and is located at 3175-3568 in SEQ ID NO: 1. PpsbA represents the psbA promoter derived from tobacco chloroplasts. The psbA promoter has a base sequence represented by SEQ ID NO: 5 and is located at 3569-3701 in SEQ ID NO: 1. Trps16 represents an rps16 terminator derived from tobacco chloroplasts. The rps16 terminator has a base sequence represented by SEQ ID NO: 6 and is located at 3755-3913 in SEQ ID NO: 1. The site describing the base sequence is a multicloning region. The remaining part (thick line part) is a gene derived from pBluescript II SK (+). BglII, SphI, ClaI and EcoRI represent restriction enzyme sites, and SD represents an SD sequence (a segment consisting of 5 nucleotides starting from the 13th position counting from the 5 ′ end of the base sequence shown in FIG. 1).
FIG. 2 shows the appearance of tobacco having a chloroplast transformant obtained in an example in which the GFP gene is expressed.
FIG. 3 shows a fluorescence image of a tobacco leaf having a chloroplast transformant obtained in an example in which the GFP gene is expressed.
FIG. 4 was obtained by extracting proteins from tobacco having chloroplast transformants obtained in Example and performing SDS-PAGE (Panel A). Similarly, SDS-PAGE was performed using wild-type tobacco into which no GFP gene was introduced (Panel B). Accumulation of GFP in an amount comparable to RuBisCO (rbcL + rbcS), which accounts for 50% of the total soluble protein amount, was observed in the GFP transgenic tobacco obtained in the examples. Panel M is a molecular weight marker.
FIG. 5 shows a schematic diagram of pLD200. rbcL represents the rbcL gene derived from tobacco chloroplasts. accD represents the accD gene derived from tobacco chloroplasts. Among the sites describing the base sequence, the 5th to 21st bases counted from the 5 ′ end are polylinkers. The bold line portion is a gene derived from pUC19. NotI, NheI and SphI represent restriction enzyme sites.
FIG. 6 shows the construction process of pLD200.
FIG. 7 shows the first step in the construction process of pLD6.
FIG. 8 shows the second step of the construction process of pLD6.
FIG. 9 shows a third step in the construction process of pLD6.
Claims (15)
(a)タバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子、
(b)遺伝子組換え体を識別するための遺伝子、その上流にプロモーターおよびその下流にターミネーターを有する識別遺伝子群、
(c)タバコ葉緑体由来のpsbAプロモーター、
(d)複数の制限酵素部位、2つの制限酵素部位に挟まれたタンパク質をコードする遺伝子を挿入できる挿入部位および該挿入部位の上流にリボゾーム結合部位を有するマルチクローニング領域、
(e)タバコ葉緑体由来のrps16ターミネーター、及び
(f)タバコ葉緑体由来のaccD遺伝子
を有することを特徴とするベクター。From upstream,
(A) an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts,
(B) a gene for identifying a gene recombinant, a group of identification genes having a promoter upstream and a terminator downstream thereof,
(C) a psbA promoter derived from tobacco chloroplasts,
(D) a plurality of restriction enzyme sites, an insertion site into which a gene encoding a protein sandwiched between two restriction enzyme sites can be inserted, and a multicloning region having a ribosome binding site upstream of the insertion site,
( E ) a vector having an rps16 terminator derived from tobacco chloroplasts, and ( f ) an accD gene derived from tobacco chloroplasts.
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