JP2023158948A - Method for producing ppGpp-enriched organisms and organisms - Google Patents
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Abstract
【課題】 ppGpp富化生物を提供すること。【解決手段】 ppGpp富化生物の製造方法は、ppGpp合成ドメインをコードする領域を含み且つppGpp分解ドメインをコードする領域を含まないppGpp合成酵素遺伝子と、前記ppGpp合成酵素遺伝子の転写を制御する誘導性プロモーターと、前記ppGpp合成酵素遺伝子と隣接した、葉緑体移行ペプチドをコードする領域とを含んだ発現ユニットを備え、葉緑体を有する生物を、前記誘導性プロモーターを活性化させる誘導物質の存在下で育成することを含む。【選択図】 図1[Problem] To provide a ppGpp-enriched organism. [Solution] A method for producing a ppGpp-enriched organism includes a ppGpp synthase gene that includes a region encoding a ppGpp synthesis domain but does not include a region encoding a ppGpp degradation domain, and an inducer that controls transcription of the ppGpp synthase gene. An expression unit comprising a sex promoter and a region encoding a chloroplast transit peptide adjacent to the ppGpp synthetase gene is used to control an organism having chloroplasts using an inducer that activates the inducible promoter. Including nurturing in the presence of. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、ppGpp富化生物の製造方法及び生物に関する。 The present invention relates to a method for producing a ppGpp-enriched organism and an organism.
以下に示すppGpp(グアノシン4リン酸)は、細菌の栄養飢餓応答時のシグナル物質として発見されたヌクレオチドである。 ppGpp (guanosine tetraphosphate) shown below is a nucleotide discovered as a signal substance during the nutrient starvation response of bacteria.
ppGpp及びpppGpp(グアノシン5リン酸)は、以下の反応式(1)に示す通りに合成及び分解される。この反応は、ppGpp合成酵素によって触媒される。例えば、非特許文献1には、枯草菌(Bacillus subtilis)が有するppGpp合成酵素としてRelが記載されている。
植物もppGpp合成酵素を有している。例えば、非特許文献2には、シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)が4種類のppGpp合成酵素を有していることが記載されている。 Plants also have ppGpp synthase. For example, Non-Patent Document 2 describes that Arabidopsis thaliana has four types of ppGpp synthases.
また、ppGpp量が植物の葉緑体内で増減すると、植物の栄養飢餓に対する耐性や個体の総重量が変化する。葉緑体内のppGpp量を増加させる方法としては、ppGpp合成酵素RSH(RelA-SpoT Homolog)をコードする遺伝子を高発現させる方法がある。 Furthermore, when the amount of ppGpp increases or decreases within the chloroplasts of plants, the plant's resistance to nutrient starvation and the total weight of the plant change. As a method for increasing the amount of ppGpp in chloroplasts, there is a method of highly expressing a gene encoding ppGpp synthase RSH (RelA-SpoT Homolog).
例えば、非特許文献3には、シロイヌナズナが有する4種類のppGpp合成酵素のうち、RSH2又はRSH3をシロイヌナズナ内で高発現させる方法が記載されている。 For example, Non-Patent Document 3 describes a method for highly expressing RSH2 or RSH3 among the four types of ppGpp synthases that Arabidopsis has.
本発明は、ppGpp富化生物を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide ppGpp-enriched organisms.
本発明の第1側面によると、ppGpp合成ドメインをコードする領域を含み且つppGpp分解ドメインをコードする領域を含まないppGpp合成酵素遺伝子と、前記ppGpp合成酵素遺伝子の転写を制御する誘導性プロモーターと、前記ppGpp合成酵素遺伝子と隣接した、葉緑体移行ペプチドをコードする領域とを含んだ発現ユニットを備え、葉緑体を有する生物を、前記誘導性プロモーターを活性化させる誘導物質の存在下で育成することを含んだppGpp富化生物の製造方法が提供される。 According to the first aspect of the present invention, a ppGpp synthetase gene that includes a region encoding a ppGpp synthesis domain and does not include a region encoding a ppGpp degradation domain; and an inducible promoter that controls transcription of the ppGpp synthase gene; An organism comprising an expression unit containing the ppGpp synthase gene and an adjacent region encoding a chloroplast transit peptide and having chloroplasts is grown in the presence of an inducer that activates the inducible promoter. A method of producing a ppGpp-enriched organism is provided.
本発明の第2側面によると、ppGpp合成ドメインをコードする領域を含み且つppGpp分解ドメインをコードする領域を含まないppGpp合成酵素遺伝子と、前記ppGpp合成酵素遺伝子の転写を制御する誘導性プロモーターと、前記ppGpp合成酵素遺伝子と隣接した、葉緑体移行ペプチドをコードする領域とを含んだ発現ユニットを備えた、葉緑体を有する生物が提供される。 According to a second aspect of the present invention, a ppGpp synthetase gene that includes a region encoding a ppGpp synthesis domain and does not include a region encoding a ppGpp degradation domain; and an inducible promoter that controls transcription of the ppGpp synthase gene; There is provided an organism having chloroplasts, comprising an expression unit comprising the ppGpp synthase gene and an adjacent region encoding a chloroplast transit peptide.
本発明によると、ppGpp富化生物が提供される。 According to the present invention, ppGpp-enriched organisms are provided.
以下に、本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、上記側面の何れかをより具体化したものである。以下に記載する事項は、単独で又は複数を組み合わせて、上記側面の各々に組み入れることができる。 Embodiments of the present invention will be described below. The embodiments described below are more specific implementations of any of the above aspects. The matters described below can be incorporated into each of the above aspects alone or in combination.
<ppGpp富化生物の製造方法>
以下、本発明の一実施形態に係るppGpp富化生物の製造方法について説明する。
先ず、発現ユニット導入生物を準備する。発現ユニット導入生物は、発現ユニットを備え且つ葉緑体を有する生物である。発現ユニット導入生物は、例えば、葉緑体を有する生物に発現ユニットを導入することで得られる。葉緑体を含む生物は、例えば、植物の細胞、植物の組織、植物の器官、植物の個体又はこれらの組み合わせである。植物は、例えば、シロイヌナズナである。発現ユニットの導入には、例えば、アグロバクテリウム法等の既存の遺伝子導入方法を用いることができる。
<Method for producing ppGpp-enriched organisms>
Hereinafter, a method for producing a ppGpp-enriched organism according to an embodiment of the present invention will be described.
First, an organism into which the expression unit has been introduced is prepared. The expression unit-introduced organism is an organism that is equipped with an expression unit and has chloroplasts. The expression unit-introduced organism can be obtained, for example, by introducing the expression unit into an organism having chloroplasts. The organism containing chloroplasts is, for example, a plant cell, a plant tissue, a plant organ, a plant individual, or a combination thereof. The plant is, for example, Arabidopsis. For example, existing gene introduction methods such as the Agrobacterium method can be used to introduce the expression unit.
図1は、発現ユニットの一例を示す模式図である。
発現ユニット1は、ppGpp合成酵素を発現させるためのユニットである。図1に示すように、発現ユニット1は、ppGpp合成酵素遺伝子10と、誘導性プロモーター11と、葉緑体移行ペプチドをコードする領域12と、標識タンパク質をコードする領域13とを含む。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an expression unit.
Expression unit 1 is a unit for expressing ppGpp synthase. As shown in FIG. 1, the expression unit 1 includes a ppGpp synthase gene 10, an inducible promoter 11, a region 12 encoding a chloroplast transit peptide, and a region 13 encoding a labeled protein.
ppGpp合成酵素遺伝子10は、ppGpp合成酵素をコードする遺伝子である。ppGpp合成酵素遺伝子10は、ppGpp合成ドメインをコードする領域(以下、第1領域と呼ぶ)を含み且つppGpp分解ドメインをコードする領域(以下、第2領域と呼ぶ)を含んでいない。第2領域は、例えば、ppGpp加水分解ドメインをコードする領域である。 The ppGpp synthase gene 10 is a gene encoding ppGpp synthase. The ppGpp synthase gene 10 includes a region encoding a ppGpp synthesis domain (hereinafter referred to as a first region) and does not include a region encoding a ppGpp degrading domain (hereinafter referred to as a second region). The second region is, for example, a region encoding a ppGpp hydrolysis domain.
好ましくは、ppGpp合成酵素遺伝子10は、ppGpp合成ドメインの活性を制御するドメインをコードする領域を有していない。ppGpp合成ドメインの活性を制御するドメインは、例えば、TGS(ThrRS、GTPase、SpoT)制御ドメイン、又はEFハンドドメイン(EFh)である。この場合、ppGppを生物内に効率的に蓄積させやすい。 Preferably, the ppGpp synthase gene 10 does not have a region encoding a domain that controls the activity of the ppGpp synthesis domain. The domain that controls the activity of the ppGpp synthesis domain is, for example, the TGS (ThrRS, GTPase, SpoT) control domain or the EF hand domain (EFh). In this case, ppGpp is likely to be efficiently accumulated within the organism.
好ましくは、ppGpp合成酵素遺伝子10は、配列番号1で表される塩基配列からなるyjbM遺伝子、又は、配列番号1で表される塩基配列からなるyjbM遺伝子と配列同一性が90%以上の塩基配列からなり、ppGpp合成ドメインコード領域を含み且つppGpp分解ドメインコード領域を含まないyjbM様遺伝子である。 Preferably, the ppGpp synthase gene 10 has a yjbM gene consisting of the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1, or a nucleotide sequence having 90% or more sequence identity with the yjbM gene consisting of the nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 1. It is a yjbM-like gene that contains the ppGpp synthesis domain coding region and does not contain the ppGpp degradation domain coding region.
yjbM遺伝子は、枯草菌が有するppGpp合成酵素であるYjbMタンパク質をコードする遺伝子である。yjbM遺伝子は、第1領域を有しているが、第2領域を有していない。また、yjbM遺伝子は、ppGpp合成ドメインの活性を制御するドメインをコードする領域も有していない。このため、ppGpp合成酵素遺伝子10としてyjbM遺伝子又はyjbM様遺伝子を用いた場合、ppGppを生物内に効率的に蓄積させやすい。 The yjbM gene is a gene encoding the YjbM protein, which is a ppGpp synthase possessed by Bacillus subtilis. The yjbM gene has a first region but does not have a second region. Furthermore, the yjbM gene does not have a region encoding a domain that controls the activity of the ppGpp synthesis domain. Therefore, when a yjbM gene or a yjbM-like gene is used as the ppGpp synthase gene 10, ppGpp can be easily accumulated efficiently in an organism.
以下の表に、yjbM遺伝子の塩基配列を示す。以下に示す塩基配列において、45から164番目までの領域が、第1領域である。 The table below shows the base sequence of the yjbM gene. In the base sequence shown below, the region from 45th to 164th is the first region.
誘導性プロモーター11は、ppGpp合成酵素遺伝子10の転写を制御するプロモーターである。誘導性プロモーター11は、誘導物質によって活性化される。 The inducible promoter 11 is a promoter that controls transcription of the ppGpp synthase gene 10. Inducible promoter 11 is activated by an inducing substance.
誘導性プロモーター11は、例えば、エストロゲン誘導性プロモーターである。 Inducible promoter 11 is, for example, an estrogen-inducible promoter.
誘導性プロモーター11としてエストロゲン誘導性プロモーターを用いた場合、誘導物質としては、エストロゲンを使用することが可能である。 When an estrogen-inducible promoter is used as the inducible promoter 11, estrogen can be used as the inducer.
葉緑体移行ペプチドをコードする領域12(以下、第3領域と呼ぶ)は、ppGpp合成酵素遺伝子10と隣接している。具体的には、第3領域は、葉緑体移行ペプチドと、ppGpp合成酵素遺伝子10がコードするppGpp合成酵素とが融合タンパク質を形成するように、ppGpp合成酵素遺伝子10と隣接している。例えば、第3領域は、ppGpp合成酵素遺伝子10の5’末端側でppGpp合成酵素遺伝子10と隣接している。 The region 12 (hereinafter referred to as the third region) encoding the chloroplast transit peptide is adjacent to the ppGpp synthase gene 10. Specifically, the third region is adjacent to the ppGpp synthase gene 10 such that the chloroplast transit peptide and the ppGpp synthase encoded by the ppGpp synthase gene 10 form a fusion protein. For example, the third region is adjacent to the ppGpp synthase gene 10 on the 5' end side of the ppGpp synthase gene 10.
標識タンパク質をコードする領域13(以下、第4領域と呼ぶ)は、ppGpp合成酵素遺伝子10がコードするppGpp合成酵素を標識する標識タンパク質をコードする。第4領域は、ppGpp合成酵素遺伝子10と隣接している。具体的には、第4領域は、標識タンパク質とppGpp合成酵素遺伝子10がコードするppGpp合成酵素とが融合タンパク質を形成するように、ppGpp合成酵素遺伝子10と隣接している。標識タンパク質は、例えば、FLAG(登録商標)タグである。 The region 13 encoding a labeled protein (hereinafter referred to as the fourth region) encodes a labeled protein that labels the ppGpp synthase encoded by the ppGpp synthase gene 10. The fourth region is adjacent to the ppGpp synthase gene 10. Specifically, the fourth region is adjacent to the ppGpp synthase gene 10 such that the labeled protein and the ppGpp synthase encoded by the ppGpp synthase gene 10 form a fusion protein. The labeled protein is, for example, a FLAG (registered trademark) tag.
次に、発現ユニット導入生物を誘導物質の存在下で育成する。この育成によると、先ず、第3領域がコードする葉緑体移行ペプチドと、ppGpp合成酵素遺伝子10がコードするppGpp合成酵素と、第4領域がコードする標識タンパク質とを含んだ第1融合タンパク質の発現が誘導される。次に、第1融合タンパク質が葉緑体へ移行する。次に、第1融合タンパク質が有する葉緑体移行ペプチドが切断される。これによりppGpp合成酵素と標識タンパク質とを含んだ第2融合タンパク質が生成する。次に、第2融合タンパク質が、ppGppの合成反応を触媒する。この反応により、ppGppが葉緑体において蓄積する。このようにして、ppGpp富化生物が得られる。 Next, the expression unit-introduced organism is grown in the presence of an inducer. According to this cultivation, first, a first fusion protein containing a chloroplast transit peptide encoded by the third region, a ppGpp synthetase encoded by the ppGpp synthase gene 10, and a labeled protein encoded by the fourth region is produced. Expression is induced. The first fusion protein then translocates to the chloroplast. Next, the chloroplast transit peptide possessed by the first fusion protein is cleaved. This produces a second fusion protein containing the ppGpp synthase and the labeled protein. Next, the second fusion protein catalyzes the ppGpp synthesis reaction. This reaction causes ppGpp to accumulate in chloroplasts. In this way, ppGpp-enriched organisms are obtained.
育成は、例えば、液体培地又は土壌を用いて行う。 Cultivation is performed using, for example, a liquid medium or soil.
液体培地を用いる場合、誘導物質と液体培地とを含んだ誘導物質含有液体培地に発現ユニット導入生物を接触させることで、発現ユニット導入生物を誘導物質の存在下で育成することができる。 When using a liquid medium, the expression unit-introduced organism can be grown in the presence of the inducer by bringing the expression unit-introduced organism into contact with an inducer-containing liquid medium containing the inducer and the liquid medium.
誘導物質含有液体培地における誘導物質の濃度は、0.01乃至10μMの範囲内にあることが好ましい。 The concentration of the inducer in the inducer-containing liquid medium is preferably within the range of 0.01 to 10 μM.
土壌を用いる場合、誘導物質と液体とを含んだ誘導物質含有液体を発現ユニット導入生物に供給することで、発現ユニット導入生物を誘導物質の存在下で育成することができる。液体は、例えば、水である。 When soil is used, the expression unit-introduced organism can be grown in the presence of the inducing substance by supplying an inducing substance-containing liquid containing the inducing substance and liquid to the expression unit-introduced organism. The liquid is, for example, water.
誘導物質含有液体における誘導物質の濃度は、0.01乃至10μMの範囲内にあることが好ましい。 Preferably, the concentration of the inducer in the inducer-containing liquid is within the range of 0.01 to 10 μM.
好ましくは、誘導物質の存在下での発現ユニット導入生物の育成は、貧栄養環境下で行う。 Preferably, the expression unit-introduced organism is grown in the presence of an inducer under an oligotrophic environment.
より好ましくは、誘導物質の存在下での発現ユニット導入生物の育成は、リン酸源又は窒素源に乏しい環境下で行う。上記の非特許文献3に記載される通り、シロイヌナズナが有するppGPp合成酵素であるRSH3を過剰発現させることによってppGppが多量に蓄積したシロイヌナズナは、窒素源に乏しい環境で培養した場合であっても、緑色の葉を保つことができる。また、ppGppが多量に蓄積したシロイヌナズナは、リン酸源に乏しい環境で培養した場合であっても、アントシアニンの量を少なく保つことができる。このように、ppGpp富化生物は、貧栄養環境に対する耐性を有している。このため、ppGpp富化生物は、貧栄養環境下で育成した場合、ppGppの蓄積量が少ない生物と比較して優れた外見を有する。 More preferably, the expression unit-introduced organism is grown in the presence of the inducer in an environment that is poor in phosphate or nitrogen sources. As described in the above-mentioned Non-Patent Document 3, Arabidopsis thaliana in which a large amount of ppGpp has been accumulated by overexpressing RSH3, a ppGPp synthase possessed by Arabidopsis, can be cultivated in an environment lacking in nitrogen sources. Can keep green leaves. Furthermore, Arabidopsis thaliana that has accumulated a large amount of ppGpp can maintain a low amount of anthocyanin even when cultured in an environment lacking in phosphate sources. Thus, ppGpp-enriched organisms have tolerance to oligotrophic environments. Therefore, when grown in an oligotrophic environment, ppGpp-enriched organisms have a superior appearance compared to organisms that accumulate a small amount of ppGpp.
以上、ppGpp富化生物の製造方法について述べた。 The method for producing ppGpp-enriched organisms has been described above.
なお、上述した方法では、第4領域はppGpp合成酵素遺伝子10の3’末端側に設けられているが、第4領域は第3領域とppGpp合成酵素遺伝子10との間に設けられていてもよい。また、第4領域とppGpp合成酵素遺伝子10との間には、他の領域が介在していてもよい。また、第4領域は省略してもよい。 In addition, in the method described above, the fourth region is provided on the 3' end side of the ppGpp synthetase gene 10, but the fourth region may be provided between the third region and the ppGpp synthase gene 10. good. Further, another region may be interposed between the fourth region and the ppGpp synthase gene 10. Further, the fourth region may be omitted.
また、第3領域とppGpp合成酵素遺伝子10との間には、他の領域が介在していてもよい。 Further, another region may be interposed between the third region and the ppGpp synthase gene 10.
また、誘導物質の存在下で発現ユニット導入生物を育成する前に、発現ユニット導入生物を誘導物質の非存在下で育成してもよい。例えば、ppGppが多量に蓄積したシロイヌナズナは、ppGppの蓄積量が少ないシロイヌナズナと比較して、低い光合成能を示すものの、バイオマス量が多い。このため、誘導物質の非存在下で発現ユニット導入生物を育成し、その後、誘導物質の存在下で発現ユニット導入生物を育成した場合、光合成により合成された有機物を多量に保持し、且つバイオマス量が多いppGpp富化生物を得ることが可能である。 Furthermore, before growing the expression unit-introduced organism in the presence of the inducer, the expression unit-introduced organism may be grown in the absence of the inducer. For example, Arabidopsis thaliana that has accumulated a large amount of ppGpp has a lower photosynthetic ability than Arabidopsis thaliana that has accumulated a smaller amount of ppGpp, but has a higher amount of biomass. Therefore, when an expression unit-introduced organism is grown in the absence of an inducer and then an expression unit-introduced organism is grown in the presence of an inducer, a large amount of organic matter synthesized by photosynthesis is retained, and the amount of biomass is reduced. It is possible to obtain organisms enriched with ppGpp.
<効果>
上述した通り、シロイヌナズナは4種類のppGpp合成酵素を有している。
図2は、これらppGpp合成酵素、即ち、RSH1、RSH2、RSH3及びCRSH4に保存されているドメインを示す模式図である。図2において、「cTP」は、葉緑体ターゲットペプチド、即ち、葉緑体移行ペプチドを示し、「HD」は(p)ppGpp加水分解ドメインを示し、「SYNTH」は(p)ppGpp合成ドメインを示し、「TGS」はTGS制御ドメインを示し、「ACT(RRM)」はACT制御ドメイン(RNA認識モチーフドメイン)を示し、「EFh」はEFハンドドメインにおけるカルシウム結合EFハンドモチーフを示し、「synth G376S」は376番目のアミノ酸残基がグリシンからセリンに置換されているppGpp合成ドメインを示し、「HDc」は分解されたppGpp加水分解ドメインを示し、「TM」は、推定上の膜貫通領域を示し、「RPP5-ID」は、RPP5相互作用ドメインを示す。なお、「synth G376S」はppGpp合成ドメインとしての活性を有していないと考えられている。また、「HDc」も、ppGpp加水分解ドメインとしての活性を有していないと考えられている。
<Effect>
As mentioned above, Arabidopsis has four types of ppGpp synthases.
FIG. 2 is a schematic diagram showing domains conserved in these ppGpp synthases, ie, RSH1, RSH2, RSH3, and CRSH4. In FIG. 2, "cTP" indicates a chloroplast targeting peptide, i.e., a chloroplast transit peptide, "HD" indicates a (p)ppGpp hydrolysis domain, and "SYNTH" indicates a (p)ppGpp synthesis domain. "TGS" indicates the TGS regulatory domain, "ACT(RRM)" indicates the ACT regulatory domain (RNA recognition motif domain), "EFh" indicates the calcium-binding EF hand motif in the EF hand domain, and "synth G 376S ” indicates the ppGpp synthesis domain in which the 376th amino acid residue is substituted from glycine to serine, “HDc” indicates the degraded ppGpp hydrolysis domain, and “TM” indicates the putative transmembrane region. "RPP5-ID" indicates the RPP5 interaction domain. Note that "synth G 376 S" is not considered to have any activity as a ppGpp synthesis domain. Furthermore, "HDc" is also considered not to have any activity as a ppGpp hydrolysis domain.
図2に示す通り、ppGpp合成酵素RSH2及びRSH3は、ppGpp合成ドメインだけでなく、ppGpp加水分解ドメインを有している。このため、RSH2及びRSH3は、ppGppの合成反応だけでなく分解反応も触媒する。このため、RSH2及びRSH3によるppGpp合成量とppGppの蓄積量とは一致しないと考えられる。 As shown in FIG. 2, ppGpp synthases RSH2 and RSH3 have not only a ppGpp synthesis domain but also a ppGpp hydrolysis domain. Therefore, RSH2 and RSH3 catalyze not only the synthesis reaction of ppGpp but also the decomposition reaction. Therefore, it is thought that the amount of ppGpp synthesized by RSH2 and RSH3 does not match the amount of ppGpp accumulated.
一方、上述した発現ユニット導入生物は、ppGpp合成酵素遺伝子10を含んでいる。上述した通り、ppGpp合成酵素遺伝子10は、第1領域を含み且つ第2領域を含んでない。このため、上述した方法によると、ppGpp合成酵素遺伝子10がコードするppGpp合成酵素によるppGpp合成量とppGppの蓄積量とが一致しうる。また、上述した方法によると、効率的にppGppを蓄積させることが可能である。また、上述した方法によると、ppGpp合成酵素の発現量を調節することで、ppGppの蓄積量を調節することが可能である。 On the other hand, the above-mentioned expression unit introduced organism contains the ppGpp synthase gene 10. As described above, the ppGpp synthase gene 10 includes the first region and does not include the second region. Therefore, according to the method described above, the amount of ppGpp synthesized by the ppGpp synthase encoded by the ppGpp synthase gene 10 can match the amount of accumulated ppGpp. Furthermore, according to the method described above, it is possible to efficiently accumulate ppGpp. Furthermore, according to the method described above, it is possible to control the amount of ppGpp accumulated by controlling the expression level of ppGpp synthase.
また、先行技術として、シロイヌナズナが有するppGpp合成酵素であるRSH3を過剰発現させたシロイヌナズナ変異体がある。このシロイヌナズナ変異体では、野生型のシロイヌナズナと比較して、ppGppが多量に蓄積している。また、上記のシロイヌナズナ変異体は、野生型のシロイヌナズナと比較して、窒素源が乏しい環境に対する耐性が高い。また、このシロイヌナズナ変異体は、野生型のシロイヌナズナと比較して、バイオマス量が多い。 Furthermore, as a prior art, there is an Arabidopsis mutant in which RSH3, a ppGpp synthase possessed by Arabidopsis, is overexpressed. In this Arabidopsis thaliana mutant, a large amount of ppGpp is accumulated compared to the wild type Arabidopsis thaliana. Moreover, the above-mentioned Arabidopsis thaliana mutant has a higher tolerance to environments with poor nitrogen sources than wild-type Arabidopsis thaliana. Furthermore, this Arabidopsis mutant has a higher amount of biomass than wild-type Arabidopsis.
しかしながら、上記のシロイヌナズナ変異体ではRSH3を恒常的に発現させているため、任意のタイミングで、RSH3を発現させることができない。従って、任意のタイミングでppGppを蓄積させることも、ppGppの蓄積量を調節することもできない。 However, since RSH3 is constantly expressed in the Arabidopsis mutant described above, RSH3 cannot be expressed at any timing. Therefore, it is neither possible to accumulate ppGpp at arbitrary timing nor to adjust the amount of accumulated ppGpp.
一方、上述したppGpp富化生物の製造方法では、ppGpp合成酵素遺伝子の転写を誘導性プロモーターによって制御している。このため、誘導物質の添加に応じて、任意のタイミングで、ppGpp合成酵素を発現させることができる。従って、任意のタイミングでppGppを蓄積させることも、ppGppの蓄積量を調節することも可能である。 On the other hand, in the method for producing a ppGpp-enriched organism described above, transcription of the ppGpp synthase gene is controlled by an inducible promoter. Therefore, ppGpp synthetase can be expressed at any timing depending on the addition of the inducer. Therefore, it is possible to accumulate ppGpp at any timing and to adjust the amount of accumulated ppGpp.
また、ppGpp富化生物は、貧栄養環境に対する耐性が高く、且つ、バイオマス量が多い。このため、このような生物は農業、例えば、作物生産に有用である。 Furthermore, ppGpp-enriched organisms have high tolerance to oligotrophic environments and have a large amount of biomass. Such organisms are therefore useful in agriculture, eg crop production.
以下、本発明の例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
<1.形質転換体の作製>
先ず、図1に示す発現ユニットを含んだプラスミドを準備した。具体的には、yjbM遺伝子と、シロイヌナズナのrecA遺伝子(The Arabidopsis Information Resource(TAIR)におけるローカス:At1g79050)の葉緑体移行ペプチドをコードする領域をPCRで増幅し、得られたDNA断片をバイナリーベクターpER8のマルチクローニングサイトにクローニングした。yjbM遺伝子としては、以下の参考文献1に記載のyjbM遺伝子を用いた。また、pER8としては、以下の参考文献2に記載のpER8を使用した。pER8はエストロゲン誘導性プロモーターの下流にマルチクローニングサイトを有する。
<1. Preparation of transformants>
First, a plasmid containing the expression unit shown in FIG. 1 was prepared. Specifically, the yjbM gene and the region encoding the chloroplast transit peptide of the Arabidopsis recA gene (locus: At1g79050 in The Arabidopsis Information Resource (TAIR)) were amplified by PCR, and the resulting DNA fragments were transformed into a binary vector. It was cloned into the multiple cloning site of pER8. As the yjbM gene, the yjbM gene described in Reference 1 below was used. Furthermore, as pER8, pER8 described in Reference 2 below was used. pER8 has a multiple cloning site downstream of the estrogen-inducible promoter.
(参考文献1)Nanamiya H., Kasai K., Nozawa A., Yun CS., Nirisawa T., Murakami K., Natori Y., Kawamura F. and Tozawa, Y. (2008) Identification and functional analysis of novel (p)ppGpp synthetase genes in Bacillus subtilis. Mol. Microbiol. 67: 291-304.
(参考文献2)Zuo J., Niu QW., Chua NH. (2000) An estrogen receptor-based transactivator XVE mediated highly inducible gene expression in transgenic plants. Plant J. 24: 265-273.
次に、得られたプラスミドを用いて、発現ユニットをシロイヌナズナに導入した。
以上の方法によって、発現ユニット導入生物、即ち、形質転換体を得た。ここでは、5つの形質転換体を得た。得られた5つの形質転換体を、それぞれ形質転換体#1乃至#5と呼ぶ。
(Reference 1) Nanamiya H., Kasai K., Nozawa A., Yun CS., Nirisawa T., Murakami K., Natori Y., Kawamura F. and Tozawa, Y. (2008) Identification and functional analysis of novel (p)ppGpp synthetase genes in Bacillus subtilis. Mol. Microbiol. 67: 291-304.
(Reference 2) Zuo J., Niu QW., Chua NH. (2000) An estrogen receptor-based transactivator XVE mediated highly inducible gene expression in transgenic plants. Plant J. 24: 265-273.
Next, the expression unit was introduced into Arabidopsis using the obtained plasmid.
By the above method, an organism into which the expression unit had been introduced, ie, a transformant, was obtained. Here, five transformants were obtained. The five transformants obtained are called transformants #1 to #5, respectively.
<2.ウエスタンブロッティング>
先ず、上述した方法によって得られた5つの形質転換体の各々から、エストロゲン誘導前における植物体の一部を採取した。次に、5つの形質転換体及び野生型のシロイヌナズナをエストロゲン含有液体培地で2日間育成した。その後、5つの形質転換体及び野生型のシロイヌナズナの各々から、植物体の一部を採取した。
<2. Western blotting>
First, a part of the plant before estrogen induction was collected from each of the five transformants obtained by the method described above. Next, the five transformants and wild type Arabidopsis were grown for 2 days in an estrogen-containing liquid medium. Thereafter, part of the plant was collected from each of the five transformants and the wild type Arabidopsis.
採取した各植物体は、1mg当たり5μLのTEバッファー(pH 7.5)と共にホモジナイズした。得られた破砕物20μLを新しいチューブに取り、2xSDSサンプルバッファー(0.125M Tris/HCl pH6.8、4%SDS、20%グリセロール、0.01%ブロムフェノールブルー)を20μL加えて5分間煮沸したものを電気泳動用サンプルとした。 Each collected plant was homogenized with 5 μL of TE buffer (pH 7.5) per mg. 20 μL of the obtained crushed material was taken into a new tube, 20 μL of 2x SDS sample buffer (0.125 M Tris/HCl pH 6.8, 4% SDS, 20% glycerol, 0.01% bromophenol blue) was added and boiled for 5 minutes. This was used as a sample for electrophoresis.
次に、以下の条件の下でポリアクリルアミド電気泳動(SDS-PAGE)を行った。電流は定電流30~50mAに設定し、バッファーとしては、泳動バッファー(Tris 3.03g/L、グリシン 14.31g/L、SDS 1.0g/L)を用いた。マーカーとしては、商品名「プレシジョンPlusプロテイン(登録商標)2色スタンダード#1610374」(Bio-Rad社製)を用いた。 Next, polyacrylamide electrophoresis (SDS-PAGE) was performed under the following conditions. The current was set at a constant current of 30 to 50 mA, and a migration buffer (Tris 3.03 g/L, glycine 14.31 g/L, SDS 1.0 g/L) was used as the buffer. As a marker, the trade name "Precision Plus Protein (registered trademark) 2-color standard #1610374" (manufactured by Bio-Rad) was used.
次に、電気泳動が終了したゲルと同サイズのPDVFメンブレン(ミリポア社製)と、10枚のろ紙を切り出した。次に、ろ紙5枚、メンブレン、ゲル、及びろ紙5枚の順に重ねて得られた積層体をセミドライ型ブロッティング装置(ATTO社製)に設置し、メンブレンサイズ[cm2]x2mAの定電流を1時間流すことでタンパク質をメンブレンに転写した。 Next, a PDVF membrane (manufactured by Millipore) of the same size as the gel after electrophoresis and 10 pieces of filter paper were cut out. Next, the laminate obtained by stacking 5 filter papers, membrane, gel, and 5 filter papers in this order was placed in a semi-dry blotting device (manufactured by ATTO), and a constant current of 2 mA x 2 mA was applied to the membrane size [cm 2 ]. Proteins were transferred to the membrane by allowing time to flow.
次に、転写後のメンブレンをメタノールで洗浄した後、ブロッキングバッファー(20mM Tris/HCl pH8.0、88%NaCl、3%スキムミルク)に浸し1時間ブロッキングした。その後、ブロッキングバッファーに一次抗体anti-FLAG M2(SIGMA社製)を1/1000量加えた溶液にメンブレンを浸し、4℃で一晩一次抗体処理を行った。 Next, the membrane after transfer was washed with methanol, and then immersed in blocking buffer (20 mM Tris/HCl pH 8.0, 88% NaCl, 3% skim milk) for blocking for 1 hour. Thereafter, the membrane was immersed in a solution prepared by adding 1/1000 amount of the primary antibody anti-FLAG M2 (manufactured by SIGMA) to a blocking buffer, and treated with the primary antibody overnight at 4°C.
次に、メンブレンをTBSTバッファー(20mM Tris/HCl pH8.0、88% NaCl、0.05%Tween20)で3回洗い流した。次に、TBSTバッファーを用いた5分間の洗浄を3回行った。その後、TBSTバッファーに二次抗体anti-rabbit HRP(Funakoshi社製)を1/1000量加えた溶液にメンブレンを浸し1時間室温で二次抗体処理をした。その後、TBSTバッファーを用いた5分間の洗浄を3回行った。これにより二次抗体を洗浄した。次に、ECL Plus (GE Healthcare社製)を用いたシグナルの検出を行った。 The membrane was then washed three times with TBST buffer (20mM Tris/HCl pH 8.0, 88% NaCl, 0.05% Tween20). Next, washing was performed three times for 5 minutes using TBST buffer. Thereafter, the membrane was immersed in a solution prepared by adding 1/1000 volume of the secondary antibody anti-rabbit HRP (manufactured by Funakoshi) to TBST buffer, and treated with the secondary antibody at room temperature for 1 hour. Thereafter, washing was performed three times for 5 minutes using TBST buffer. This washed away the secondary antibody. Next, the signal was detected using ECL Plus (manufactured by GE Healthcare).
図3は、エストロゲン誘導前後におけるウエスタンブロッティングの結果を示す画像である。図3における「WT」の列は、野生型のシロイヌナズナについての結果を示す。 FIG. 3 is an image showing the results of Western blotting before and after estrogen induction. The "WT" column in FIG. 3 shows the results for wild-type Arabidopsis.
図3に示すように、約27kDa付近にバンドが確認できた。これは、葉緑体移行ペプチドとYjbMタンパク質とFLAG(登録商標)タグとの融合タンパク質の一次構造から予想されるタンパク質サイズである33.3kDaから、葉緑体移行ペプチドの分子サイズを引いた値である25.7kDaと近い。このことから、発現したYjbMタンパク質は葉緑体に局在することが明らかである。このように、エストロゲン誘導によってYjbMタンパク質を発現する形質転換体が得られた。 As shown in FIG. 3, a band was confirmed around about 27 kDa. This is the value obtained by subtracting the molecular size of the chloroplast-translocating peptide from the protein size of 33.3 kDa, which is predicted from the primary structure of the fusion protein of the chloroplast-translocating peptide, YjbM protein, and FLAG (registered trademark) tag. It is close to 25.7 kDa. From this, it is clear that the expressed YjbM protein is localized in chloroplasts. In this way, a transformant expressing YjbM protein by estrogen induction was obtained.
<3.ppGpp濃度の測定>
先ず、上述した形質転換体#1を、エストロゲン濃度が0、0.001、0.01、0.1、1、又は10μMであるエストロゲン含有液体培地で育成した。次に、エストロゲン誘導から2日後及び28日後における植物体のシュート部の一部を採取した。
<3. Measurement of ppGpp concentration>
First, the transformant #1 described above was grown in an estrogen-containing liquid medium with an estrogen concentration of 0, 0.001, 0.01, 0.1, 1, or 10 μM. Next, part of the shoot part of the plant was collected 2 days and 28 days after estrogen induction.
次に、採取したシュート部におけるppGpp濃度を測定した。ppGpp濃度の測定方法は、以下の参考文献3に記載の方法と同様の方法を用いて行った。具体的には、先ず、液体窒素でシュート部を破砕した。その後、ギ酸3mLと酢酸アンモニウム3mLを用いてサンプル溶液を作成した。その後、サンプル溶液にクロロホルム1mLを加え、固相抽出を行った。次に、得られたサンプルに対してカラム処理後、LC-MS/MSを用いた質量分析を行った。 Next, the ppGpp concentration in the collected shoot part was measured. The ppGpp concentration was measured using a method similar to that described in Reference 3 below. Specifically, first, the chute portion was crushed with liquid nitrogen. Thereafter, a sample solution was prepared using 3 mL of formic acid and 3 mL of ammonium acetate. Thereafter, 1 mL of chloroform was added to the sample solution, and solid phase extraction was performed. Next, the obtained sample was subjected to column treatment and then subjected to mass spectrometry using LC-MS/MS.
(参考文献3)Ihara, Y., Ohta, H. and Masuda, S. (2015) A highly sensitive quantification method for the accumulation of alarmone ppGpp in Arabidopsis thaliana using UPLC-ESI-qMS/MS. J. Plant Res. 128: 511-518.
図4は、エストロゲン誘導後2日目における、エストロゲン濃度とppGpp濃度との関係を示すグラフである。図5は、エストロゲン誘導後28日目における、エストロゲン濃度とppGpp濃度との関係を示すグラフである。
(Reference 3) Ihara, Y., Ohta, H. and Masuda, S. (2015) A highly sensitive quantification method for the accumulation of alarmone ppGpp in Arabidopsis thaliana using UPLC-ESI-qMS/MS. J. Plant Res. 128: 511-518.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between estrogen concentration and ppGpp concentration on the second day after estrogen induction. FIG. 5 is a graph showing the relationship between estrogen concentration and ppGpp concentration on day 28 after estrogen induction.
図4及び図5に示すように、エストロゲン処理によってppGpp濃度が増加した。また、図5に示すように、エストロゲン濃度に応じてppGppの量が増加した。 As shown in FIGS. 4 and 5, estrogen treatment increased ppGpp concentration. Moreover, as shown in FIG. 5, the amount of ppGpp increased according to the estrogen concentration.
上記のウエスタンブロッティング及びppGpp濃度測定の結果から明らかなように、ppGpp合成酵素を任意のタイミングで発現させることで、葉緑体においてppGppの蓄積を誘導することができた。 As is clear from the results of Western blotting and ppGpp concentration measurement described above, by expressing ppGpp synthase at an arbitrary timing, it was possible to induce accumulation of ppGpp in chloroplasts.
1…発現ユニット
10…ppGpp合成酵素遺伝子
11…誘導性プロモーター
12…領域
13…領域
1... Expression unit 10... ppGpp synthase gene 11... Inducible promoter 12... Region 13... Region
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