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WO2012133119A1 - フェリチンの製造方法 - Google Patents

フェリチンの製造方法 Download PDF

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WO2012133119A1
WO2012133119A1 PCT/JP2012/057369 JP2012057369W WO2012133119A1 WO 2012133119 A1 WO2012133119 A1 WO 2012133119A1 JP 2012057369 W JP2012057369 W JP 2012057369W WO 2012133119 A1 WO2012133119 A1 WO 2012133119A1
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WO
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subunit
ferritin
plasmid
gene
promoter
Prior art date
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PCT/JP2012/057369
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French (fr)
Inventor
淳子 卯津羅
万皎 張
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Nagase and Co Ltd
Original Assignee
Nagase and Co Ltd
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K14/00Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • C07K14/435Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans
    • C07K14/46Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates
    • C07K14/47Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates from mammals

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing ferritin.
  • Ferritin is a cage protein with a diameter of 8.5 to 12 nm composed of subunits of 20 to 25 kDa.
  • the interior of ferritin is a cavity in which metal elements such as iron can be stored.
  • Ferritin having such properties is expected to be used as a nano-sized material in the fields of electronic equipment, medicine, and the environment (Patent Document 1).
  • Animal-derived ferritin such as horse ferritin is a hetero24-mer composed of a 22 kDa H subunit and a 20 kDa L subunit. It is known that the amount of metal element that can be stored in animal-derived ferritin changes when the composition ratio of the H subunit and the L subunit changes.
  • the only natural ferritin that is readily available is ferritin and equine apoferritin derived from the spleen of horses with a composition ratio of H subunit to L subunit of 2: 8.
  • methods for producing ferritin derived from animals having different constituent ratios of H subunit and L subunit have been proposed (Non-Patent Documents 1 to 3).
  • Non-Patent Document 1 human-derived ferritin having a different composition ratio between the H subunit and the L subunit is synthesized using a cell-free protein synthesis system (in vitro translation system).
  • this method is carried out in a very small volume of 20 ⁇ l of reaction mixture, and is not suitable as a method for industrially producing ferritin.
  • Non-Patent Document 2 human-derived ferritin having a different composition ratio of H subunit and L subunit is expressed in E. coli using a pET vector.
  • human-derived ferritin and mouse-derived ferritin having different constituent ratios of H subunit and L subunit are expressed in E. coli using a pET vector or a pACYC vector.
  • the induction of protein expression is difficult to control, and it is difficult to produce the target protein in large quantities.
  • it is difficult to say that the pattern of the composition ratio of the H subunit and L subunit of ferritin expressed is large, and there remains room for improvement.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for producing ferritin, which can efficiently produce various ferritins having different subunit composition ratios.
  • the present invention relates to a method for producing ferritin composed of a first subunit and / or a second subunit having different amino acid sequences.
  • the production method according to the present invention includes a first gene encoding a first subunit, a promoter that controls expression of the first gene, a Shine-Dalgarno sequence (SD sequence), an origin of replication, and a function of the promoter
  • SD sequence Shine-Dalgarno sequence
  • the gene encoding the first subunit and the gene encoding the second subunit are respectively incorporated into separate plasmids, and these are combined and introduced into E. coli, whereby the subunits are obtained.
  • a variety of ferritins having different composition ratios can be efficiently produced.
  • the ratio between the first subunit and the second subunit in the ferritin may be adjusted by independently selecting the SD sequences of the first plasmid and the second plasmid. By changing the SD sequence, the expression levels of the first subunit and the second subunit can be adjusted. As a result, the pattern of the composition ratio of the ferritin subunits to be produced can be controlled more diversely.
  • the SD sequence may be selected from AGGA and AGGAGGG.
  • the promoter may be a tac promoter.
  • the lactose repressor gene may be a lacI q gene.
  • the Escherichia coli may be Escherichia coli having no deficiency in the lactose operon.
  • the ferritin is a horse-derived ferritin composed of an H subunit and an L subunit, the first subunit is an H subunit, the second subunit is an L subunit, or the first subunit
  • the subunit may be an L subunit and the second subunit may be an H subunit.
  • the ferritin production method includes the first plasmid containing the first gene encoding the first subunit alone or the second plasmid encoding the second subunit.
  • the method mainly includes a step of introducing it into E. coli together with the second plasmid and a step of culturing E. coli to produce ferritin.
  • ferritin which is a cage protein composed of a first subunit and / or a second subunit having different amino acid sequences, is produced.
  • the ferritin that can be produced by the method according to the present embodiment includes ferritin derived from microorganisms, ferritin derived from animals or ferritin derived from plants, or a variant thereof.
  • “ferritin” also includes Dps (DNA binding protein from cultured cells), which is a ferritin-like protein.
  • Dps DNA binding protein from cultured cells
  • ferritin derived from microorganisms include ferritin derived from Helicobacter, Dps derived from Listeria, which is a ferritin-like protein, and Dps derived from sulfolobas.
  • animal-derived ferritin include human-derived ferritin, mouse-derived ferritin, and horse-derived ferritin.
  • Examples of plant-derived ferritin include soybean ferritin.
  • the mutant of ferritin is not particularly limited as long as it is a mutant having the original structure and function of ferritin.
  • a ferritin mutant can be prepared by a method of artificially introducing a mutation into a gene encoding ferritin by a conventional genetic engineering technique, for example, a site-directed mutagenesis method.
  • the method according to this embodiment is suitable for producing animal-derived ferritin, particularly horse-derived ferritin.
  • the ferritin subunit means a single protein molecule constituting ferritin.
  • H subunit and L subunit constituting ferritin derived from animals such as horses can be mentioned.
  • the subunit of the ferritin mutant is not particularly limited as long as it is a subunit constituting a mutant having the original structure and function of ferritin.
  • the first subunit may be an H subunit
  • the second subunit may be an L subunit
  • the first subunit may be an L subunit.
  • the second subunit may be an H subunit.
  • the first plasmid according to the present embodiment includes a promoter that controls the expression of the first gene encoding the first subunit, an SD sequence, and the first gene in this order, and further includes a replication origin, and the promoter A lactose repressor gene that suppresses the function of
  • the second plasmid according to the present embodiment includes a promoter that controls the expression of the second gene encoding the second subunit, an SD sequence, and the second gene in this order, and further has an origin of replication at an arbitrary position. Including.
  • the plasmid according to the present embodiment can be constructed based on plasmids having E. coli as a host, such as pBR plasmids, pUC plasmids, pACYC plasmids, pCDF plasmids, pCOLA plasmids, and pRSF plasmids.
  • plasmids having E. coli as a host such as pBR plasmids, pUC plasmids, pACYC plasmids, pCDF plasmids, pCOLA plasmids, and pRSF plasmids.
  • pUC118, pUC119, pBR322, pETkmS2 (Mishima, N. et al., Biotechnol.
  • plasmid is constructed based on pKK223-3 or pACYC177.
  • the gene encoding the subunit of ferritin may be obtained from cells producing ferritin by a conventional cloning method, or registered in the GenBank database (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/). Based on the structural gene of the ferritin subunit, it may be artificially synthesized by a conventional method.
  • the promoters that control the expression of the first gene or the second gene may be the same as or different from each other.
  • the promoter is preferably located 5 'upstream of the gene encoding the subunit.
  • the promoter is selected from, for example, a lac promoter, a trp promoter, and a promoter obtained by fusing a lac promoter and a trp promoter such as a tac promoter and a trc promoter. From the viewpoint of expression efficiency, the tac promoter is preferable.
  • the lactose repressor gene contained in the first plasmid suppresses the function of the promoter of the first plasmid and usually also suppresses the function of the promoter of the second plasmid. From the viewpoint of the efficiency of controlling the promoter, this lactose repressor is preferably the lacI q gene.
  • the lacI q gene is a lacI gene connected to a regulatory promoter site that has been mutated to allow overexpression of the lacI repressor protein.
  • the SD sequence is not particularly limited as long as it is a 4 to 6 base sequence rich in adenine and guanine. Since the expression level of the subunit differs depending on the type of the SD sequence, the first subunit and the second subunit in ferritin are selected by independently selecting the SD sequences of the first plasmid and the second plasmid. The ratio of can be adjusted more diversely.
  • the SD sequence is preferably selected from AGGA and AGGAGGG. According to the SD sequence of AGGAGGG, the expression level of subunits tends to increase as compared with the SD sequence of AGGA.
  • SD sequence is placed between the promoter and the gene encoding the subunit.
  • the SD sequence may be placed immediately before the start codon, or a spacer sequence rich in adenine and thymine may be placed between the SD sequence and the start codon.
  • Examples of the sequence including the SD sequence and the spacer sequence include AGGAGGTATTAT (SEQ ID NO: 10, hereinafter sometimes referred to as “WSD sequence”).
  • the origin of replication is not particularly limited as long as it functions as an origin for starting replication of plasmid DNA in E. coli.
  • the origin of replication of the first plasmid and the origin of replication of the second plasmid are selected from those of different origins.
  • the origin of replication of the first plasmid and the second plasmid is selected to be different from each other from pBR322ori and p15Aori.
  • the origin of replication affects the copy number of the plasmid. Therefore, by changing the origin of replication of the plasmid, the expression level of the subunit can be adjusted, and the constituent ratio of the subunit can be controlled.
  • the copy number of a plasmid containing pBR322ori is generally 25 and the copy number of a plasmid containing p15Aori is generally 10-12, so that when the same protein is expressed as a result, pBR322ori There is a tendency that the plasmid containing E is expressed more in E. coli than the plasmid containing p15Aori.
  • the plasmid may further contain other sequences such as a terminator and antibiotic resistance gene.
  • the terminator is preferably placed 3 ′ downstream of the gene encoding the subunit.
  • the terminator is selected from those known to function in E. coli used as a host. Suitable terminators include trpA-derived terminators, phage-derived terminators, rrnB ribosomal RNA-derived terminators, and the like.
  • Antibiotic resistance genes include ampicillin resistance gene (Amp r ), tetracycline resistance gene (Tet r ), chloramphenicol resistance gene (Cm r ), streptomycin resistance gene (Sm r ), and kanamycin resistance gene (Km r). ) And the like.
  • Plasmid construction can be performed according to techniques commonly used in the fields of molecular biology, biotechnology, and genetic engineering.
  • the host bacterium used for the preparation of the plasmid can be appropriately selected from, for example, host bacteria commonly used in the art. Specifically, E. coli DH5 ⁇ , E. coli HB101, E. coli JM109 and the like can be mentioned. Of these host bacteria, Escherichia coli JM109 is preferable from the viewpoints of easy purification, large-scale preparation, safety, and the like.
  • the composition ratio of the first subunit (for example, H subunit) and the second subunit (for example, L subunit) by introducing the first plasmid into E. coli alone or together with the second plasmid Can be obtained as a transformant producing different ferritin.
  • the transformant refers to a recombinant microorganism (E. coli) into which a gene encoding a ferritin subunit has been introduced and the gene is expressed.
  • the first plasmid and the second plasmid may be simultaneously introduced into E. coli, or the first plasmid and the second plasmid may be sequentially introduced into E. coli in any order.
  • a plasmid may be introduced into E. coli to obtain a transformant.
  • the ferritin by which the composition ratio of a 1st subunit and a 2nd subunit was controlled by the more various pattern can be manufactured.
  • each plasmid may be introduced into E. coli at the same time, or sequentially introduced into E. coli in any order.
  • Transformation of E. coli can be performed by methods well known to those skilled in the art, such as calcium phosphate method and electroporation method.
  • E. coli having no deficiency in the lactose operon is preferable.
  • the Escherichia coli is preferably the W3110 strain, the RB791 strain, the BL21 strain, or the SCS1 strain, and more preferably the W3110 strain.
  • Escherichia coli By culturing Escherichia coli as a transformant obtained by introducing the plasmid into Escherichia coli, Escherichia coli grows and ferritin is produced.
  • the ferritin produced can be easily purified by genetic engineering. Therefore, the method according to the present embodiment can be easily applied to industrial production.
  • the culture of E. coli is appropriately adjusted so that ferritin can be expressed efficiently with respect to conditions such as medium composition, medium pH, culture temperature, and culture time, as well as the amount and time of use of inducer (inducing factor).
  • the medium used for culturing E. coli may be either a solid medium or a liquid medium known to those skilled in the art. Preferably, a liquid medium is used. Any carbon source and nitrogen source that can be used by the cultured Escherichia coli can be used as the carbon source and nitrogen source of the medium.
  • the carbon source is preferably selected from sugars such as starch, sucrose and glucose, alcohols such as glycerol, and organic acids (eg acetic acid and citric acid) or salts thereof (eg sodium salts).
  • the nitrogen source is preferably selected from natural nitrogen sources such as yeast extract, casein, corn steep liquor, peptone and meat extract, and inorganic nitrogen compounds such as ammonium sulfate, ammonium chloride and urea.
  • the concentration of the carbon source is preferably 1 to 20 w / v%, more preferably 1 to 5 w / v%.
  • the concentration of the nitrogen source is preferably 1 to 20 w / v%, more preferably 1 to 5 w / v%.
  • suitable media include LB media, TB media, and 2 ⁇ YT media.
  • the culture temperature is a temperature at which the cultured microorganism can sufficiently grow, and is preferably 20 to 37 ° C.
  • the culture time is appropriately adjusted so that ferritin is sufficiently produced, and is preferably about 16 to 48 hours. Culturing can preferably be carried out under aerobic conditions, for example using aeration or shaking. As the inducer, for example, lactose is preferable.
  • E. coli has antibiotic resistance genes such as ampicillin and kanamycin
  • a medium supplemented with the corresponding antibiotic may be used.
  • a method for purifying ferritin from a culture of a transformant (E. coli) can be employed from methods commonly performed by those skilled in the art.
  • transformants E. coli
  • transformants E. coli
  • the obtained cells are disrupted by sonication or the like, and then a cell-free extract is obtained by centrifugation or the like.
  • purification method by heat treatment (for example, 75 ° C., 30 minutes), salting-out method, ion exchange chromatography, gel filtration chromatography, hydrophobic chromatography, hydroxyapatite chromatography, affinity chromatography, etc.
  • Ferritin can be purified by protein purification methods such as various chromatographic methods.
  • Example 1 Construction of basic plasmid vector for separately expressing genes encoding two types of horse-derived ferritin subunits in one E. coli
  • pKL223 vector Construction of pKL223 vector
  • PCR was performed using the primers Bsa-lacI-forward (SEQ ID NO: 1) and Bam-lacI-reverse (SEQ ID NO: 2) as primers, and the lacI q gene and The region containing the regulatory promoter was amplified.
  • PCR was performed under the following reaction conditions using KOD-plus- (trade name, manufactured by Toyobo Co., Ltd.).
  • Step 1 94 ° C., 2 minutes; Step 2: 94 ° C., 15 seconds; Step 3: 62 ° C., 30 seconds; Step 4: 68 ° C., 1 minute; Step 5: 4 ° C., ⁇ ; Repeated 30 cycles.
  • the obtained amplified fragment of about 1400 bp was double digested with BsaAI and BamHI.
  • the digested amplified fragment was inserted into the BsaAI-BamHI gap located upstream of the tac promoter in plasmid pKK223-3 (trade name, manufactured by GE Healthcare Japan) to obtain plasmid pKL223 shown in FIG.
  • the primer sequences are shown below.
  • Bsa-lacI-forward 5′-TATCGCTACCGTGACTGGGTCATGGCT-3 ′ (SEQ ID NO: 1)
  • Bam-lacI-reverse 5'-CGGGATCCCTCGCGCTACTACTACATTAATTGCGTTTGC-3 '(SEQ ID NO: 2)
  • PCR was performed using plasmid pKK223-3 as a template and Bam-Ptac-forward (SEQ ID NO: 3) and Pst-Ptac-reverse (SEQ ID NO: 4) as primers to amplify the region containing the tac promoter.
  • PCR was performed under the following reaction conditions using KOD-plus- (trade name, manufactured by Toyobo Co., Ltd.). Step 1: 94 ° C., 2 minutes; Step 2: 94 ° C., 15 seconds; Step 3: 60 ° C., 30 seconds; Step 4: 68 ° C., 1 minute; Step 5: 4 ° C., ⁇ ; Repeated 30 cycles.
  • the obtained amplified fragment of about 280 bp was digested with PstI.
  • Plasmid pACYC177 (Nippon Gene, trade name) was first digested with BamHI, and blunt-ended using Blunting high (Toyobo, trade name). Next, PstI digestion was performed, and a fragment of about 3000 bp was recovered by agarose gel electrophoresis. The about 280 bp amplified fragment and the about 3000 bp fragment were ligated to obtain the plasmid pACT177 shown in FIG.
  • the primer sequences are shown below.
  • Example 2 Construction of H subunit expression plasmid
  • GenBank database http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/
  • a gene having the sequence number 5 was obtained.
  • PCR amplification was performed by the method described below to construct four types of expression vectors. The following primers were used for PCR.
  • HFT-forward-EcoRI1 (SEQ ID NO: 6): 5'-GTTGAATTCATGACGACCCGCGTTCCCCTCGCAGGT-3 '
  • HFT-forward-EcoRI2 (SEQ ID NO: 7): 5'-GTTGAATTCAGGGAGGTATTATATGACGACCGCGTTCCCCTCGCAGGGT-3 '
  • HFT-reverse-HindIII (SEQ ID NO: 8): 5′-ACAGAAGCTTCTTAGCTCTCGTCACACTCTCCCAGGGTTGTG-3 ′
  • HFT-reverse-NsiI (SEQ ID NO: 9): 5'-GTTACAGATGCATCTTAGCTCTCGTCCACACTCTCCCAGGGTTGTG-3 '
  • HFT-forward-EcoRI1 and HFT-reverse-HindIII designed so that the initiation codon is linked immediately after EcoRI immediately downstream of the SD sequence of the tac promoter
  • the H subunit gene was amplified by the PCR method. PCR was performed under the following reaction conditions using KOD-plus-Neo (trade name, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) according to the reaction solution composition in the instruction manual.
  • Step 1 94 ° C., 2 minutes; Step 2: 98 ° C., 10 seconds; Step 3: 68 ° C., 30 seconds; Step 4: 4 ° C., ⁇ ; Step 2 to Step 3 were repeated 30 cycles.
  • the obtained DNA fragment was double-digested with EcoRI and HindIII.
  • the digested DNA fragment was inserted into the EcoRI-HindIII gap located downstream of the tac promoter of plasmid pKL223 to construct a recombinant plasmid pKLH whose SD sequence was AGGA.
  • HFT-forward-EcoRI2 and HFT-reverse-HindIII were designed as PCR primers to which a WSD sequence (AGGAGGTATTAT, SEQ ID NO: 10) for enhancing translation efficiency in E. coli was added immediately upstream of the start codon.
  • a WSD sequence AGGAGGTATTAT, SEQ ID NO: 10
  • the H subunit gene was amplified by PCR using the artificially synthesized H subunit structural gene as a template. PCR was performed under the same conditions as the construction of pKLH. The obtained DNA fragment was double-digested with EcoRI and HindIII.
  • the digested DNA fragment was inserted into the EcoRI-HindIII gap located downstream of the tac promoter of plasmid pKL223 to construct a recombinant plasmid pWKLH whose SD sequence was AGGAGG.
  • HFT-forward-EcoRI2 and HFT-Reverse-NsiI which are PCR primers
  • the H subunit gene was amplified by PCR using the artificially synthesized H subunit gene as a template. PCR was performed under the same conditions as the construction of pKLH. The resulting DNA fragment was double digested with EcoRI and NsiI. The digested DNA fragment was inserted into the EcoRI-PstI gap located downstream of the tac promoter of plasmid pACT177 to construct a recombinant plasmid pWCH whose SD sequence was AGGAGGG.
  • Example 3 Construction of plasmid for expressing L subunit
  • the N-terminal 8 amino acid residues from the amino acid sequence described in the paper are processed. It is known to be deficient.
  • PCR amplification was performed by the method described below to construct four types of expression plasmids. The primers used for PCR are shown below.
  • LSFT-forward-EcoRI1 (SEQ ID NO: 12): 5′-GTTGAATTCATGTATTCTACTGAAGTGGAGGCCGCCGGT-3 ′
  • LSFT-forward-EcoRI2 (SEQ ID NO: 13): 5′-GTTGAATTCAGGGAGGTATTATATGTATTCTACTGAAGTGGAGGCCGCCGGT-3 ′
  • LFT-reverse-PstI (SEQ ID NO: 14): 5'-ACAGCTGCAGCTTAGGTCGTGCTTGAGGGTGAGCCCTTCAAAG-3 '
  • LSFT-forward-EcoRI2 and LFT-reverse-PstI were designed as PCR primers with a WSD sequence added to increase the translation efficiency in E. coli immediately upstream of the start codon.
  • the horse-derived L subunit gene was amplified by PCR using the artificially synthesized horse-derived L subunit structural gene as a template. PCR was performed under the same conditions as the construction of pKLH. The resulting DNA fragment was double digested with EcoRI and PstI.
  • the digested DNA fragment was inserted into the EcoRI-PstI gap located downstream of the tac promoter of plasmid pKL223 to construct a recombinant plasmid pWKLS with an SD sequence of AGGAGG.
  • Example 4 Production of horse-derived ferritin having different constituent ratios of H subunit and L subunit
  • the plasmids prepared in Examples 2 and 3 were used in the combinations shown in Table 1, and they were simultaneously introduced into Escherichia coli W3110. Thereafter, the cells were transformed to grow on LB agar medium (peptone 1%, yeast extract 0.5%, sodium chloride 1%, agar powder 1.5%, pH 7.2) containing ampicillin 50 ⁇ g / ml and kanamycin 50 ⁇ g / ml. E. coli strain W3110 was obtained.
  • the transformed Escherichia coli W3110 strain contains 5 ml of LB medium (1% peptone, 0.5% yeast extract, 1% sodium chloride, pH 7) supplemented with 50 ⁇ g / ml (final concentration) ampicillin and 50 ⁇ g / ml (final concentration) kanamycin.
  • the seed culture solution was prepared by shaking culture overnight at 37 ° C. and 200 rpm.
  • apoferritin derived from horse which is a recombinant protein contained in the bacterial cells collected by sampling the culture solution over time and centrifugation (13000 ⁇ g, 10 minutes, 4 ° C.) Analysis was performed by SDS-PAGE (FIGS. 2 and 3), and the composition ratio of the H subunit (theoretical molecular weight 21 kDa) and the L subunit (theoretical molecular weight 19 kDa) was determined.
  • Example 5 Purification of horse-derived ferritin with different constituent ratios of H subunit and L subunit
  • Escherichia coli washed with 50 mM trishydroxymethylaminomethane hydrochloride (Tris-HCl) buffer (pH 8.0) is resuspended in the same buffer 5 times its wet weight, and the cells are removed with an ultrasonic crusher. It was crushed. The suspension containing the disrupted cells was centrifuged (13000 ⁇ g, 30 minutes, 4 ° C.), and the supernatant was collected to obtain a cell-free extract containing recombinant horse apoferritin. This cell-free extract was heat-treated at 75 ° C. for 40 minutes. Subsequently, the precipitate of contaminating proteins denatured by heat was removed from the cell-free extract by centrifugation (13000 ⁇ g, 30 minutes, 4 ° C.).
  • Tris-HCl trishydroxymethylaminomethane hydrochloride
  • the cell-free extract was added to an anion exchange column Hiload 26/10 Q Sepharose HP (trade name, manufactured by GE Healthcare Japan, Inc.) previously equilibrated with 50 mM Tris-HCl buffer (pH 8.0). Then, the anion exchange column was washed with the same buffer. The recombinant equine apoferritin was then eluted from the anion exchange column with a linear gradient of sodium chloride from 0M to 0.4M.
  • the ferritin obtained by the production method of the present invention is expected to be used as a nano-sized material in the fields of electronic equipment, medical care and the environment.

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Abstract

本発明は、互いに異なるアミノ酸配列を有する第1のサブユニット及び/又は第2のサブユニットから構成されるフェリチンの製造方法であって、第1のサブユニットをコードする第1の遺伝子、プロモーター、シャイン・ダルガノ配列、複製起点、及び、ラクトースリプレッサー遺伝子を含み、シャイン・ダルガノ配列がプロモーターと第1の遺伝子との間に配置されている第1のプラスミドを、単独で、又は、第2のサブユニットをコードする第2の遺伝子、プロモーター、シャイン・ダルガノ配列、及び、複製起点を含み、シャイン・ダルガノ配列がプロモーターと第2の遺伝子との間に配置されている第2のプラスミドとともに、大腸菌に導入する工程と、大腸菌を培養し、フェリチンを産生させる工程と、を備える、フェリチンの製造方法を提供する。

Description

フェリチンの製造方法
 本発明は、フェリチンの製造方法に関する。
 フェリチンは、20~25kDaのサブユニットから構成される直径8.5~12nmのかご状タンパク質である。フェリチンの内部は空洞であり、そこに鉄等の金属元素を貯蔵することができる。このような性質を持つフェリチンは、電子機器、医療及び環境等の分野において、ナノサイズの材料としての利用が期待されている(特許文献1)。
 ウマのフェリチン等の動物由来のフェリチンは、22kDaのHサブユニットと20kDaのLサブユニットとからなるヘテロ24量体である。動物由来のフェリチンは、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が変化すると、金属元素を貯蔵できる量が変化することが知られている。しかし、容易に入手可能な天然のフェリチンは、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が2:8であるウマの脾臓由来のフェリチン及びそのアポフェリチンだけである。近年、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なる動物由来のフェリチンの製造方法が提案されている(非特許文献1~3)。
特開2009-131725号公報
Protein Expr Purif. 2007 Dec;56(2):237-46. Epub 2007 Aug 26. J Microbiol Biotechnol. 2008 May;18(5):926-32. Protein Eng. 1997 Aug;10(8):967-73.
 非特許文献1に記載の方法では、無細胞タンパク質合成系(in vitro translation system)を用いて、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なるヒト由来のフェリチンを合成している。しかしながら、この方法は、反応混合物が20μlと極めて少ない容量で行われており、工業的にフェリチンを製造する方法としては不向きである。
 非特許文献2に記載の方法では、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なるヒト由来のフェリチンを、pETベクターを用いて大腸菌に発現させている。非特許文献3に記載の方法では、HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なるヒト由来のフェリチン及びマウス由来のフェリチンを、pETベクター又はpACYCベクターを用いて大腸菌に発現させている。しかしながら、これらの方法では、タンパク質の発現誘導が制御しにくく、目的のタンパク質を大量に製造することが困難である。また、発現されるフェリチンのHサブユニットとLサブユニットとの構成比率のパターンも、多いとは言い難く、改善の余地が残っている。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、サブユニットの構成比率が異なる多様なフェリチンを効率良く製造できる、フェリチンの製造方法の提供を目的とする。
 本発明は、互いに異なるアミノ酸配列を有する第1のサブユニット及び/又は第2のサブユニットから構成されるフェリチンの製造方法に関する。本発明に係る製造方法は、第1のサブユニットをコードする第1の遺伝子、第1の遺伝子の発現を制御するプロモーター、シャイン・ダルガノ配列(SD配列)、複製起点、及び、上記プロモーターの機能を抑制するラクトースリプレッサー遺伝子を含み、上記SD配列が上記プロモーターと第1の遺伝子との間に配置されている第1のプラスミドを、単独で、又は、第2のサブユニットをコードする第2の遺伝子、第2の遺伝子の発現を制御するプロモーター、SD配列、及び、第1のプラスミドの複製起点とは異なる複製起点を含み、上記SD配列が上記プロモーターと上記第2の遺伝子との間に配置されている第2のプラスミドとともに、大腸菌に導入する工程と、上記大腸菌を培養し、フェリチンを産生させる工程と、を備える。
 本発明に係る製造方法によれば、第1のサブユニットをコードする遺伝子及び第2のサブユニットをコードする遺伝子をそれぞれ別々のプラスミドに組み入れ、これらを組み合わせて大腸菌に導入することにより、サブユニットの構成比率が異なる多様なフェリチンを効率良く製造することができる。
 第1のプラスミド及び第2のプラスミドのSD配列をそれぞれ独立に選択することにより、当該フェリチンにおける上記第1のサブユニットと上記第2のサブユニットとの比率が調節されてもよい。SD配列を変化させることで、第1のサブユニット及び第2のサブユニットの発現量を調整することができる。その結果、産生されるフェリチンのサブユニットの構成比率のパターンをより多様に制御することができる。SD配列は、AGGA及びAGGAGGから選択されてもよい。
 上記プロモーターは、tacプロモーターであってもよい。上記ラクトースリプレッサー遺伝子は、lacI遺伝子であってもよい。上記大腸菌は、ラクトースオペロンに欠損のない大腸菌であってもよい。これら各構成を採用することにより、フェリチン製造の効率を更に向上することができる。
 上記フェリチンがHサブユニット及びLサブユニットから構成されるウマ由来のフェリチンであり、第1のサブユニットがHサブユニットで、第2のサブユニットがLサブユニットであるか、又は、第1のサブユニットがLサブユニットで、第2のサブユニットがHサブユニットであってもよい。
 本発明によれば、サブユニットの構成比率が異なる多様なフェリチンを効率良く製造できる、フェリチンの製造方法が提供される。
pKL223プラスミドベクター及びpACT177プラスミドベクターの概略構成図である。 組換えウマ由来アポフェリチンをSDS-PAGEで分離した後のCBB染色像を示す図である。 組換えウマ由来アポフェリチンをSDS-PAGEで分離した後のCBB染色像を示す図である。
 以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
 本実施形態に係るフェリチンの製造方法は、第1のサブユニットをコードする第1の遺伝子を含む第1のプラスミドを、単独で、又は、第2のサブユニットをコードする第2の遺伝子を含む第2のプラスミドとともに大腸菌に導入する工程と、大腸菌を培養し、フェリチンを産生させる工程とを主として備える。この方法により、互いに異なるアミノ酸配列を有する第1のサブユニット及び/又は第2のサブユニットから構成されるかご状タンパク質であるフェリチンが製造される。
 本実施形態に係る方法により製造され得るフェリチンは、微生物由来のフェリチン、動物由来のフェリチン若しくは植物由来のフェリチン、又はこれらの変異体を含む。本明細書において、「フェリチン」は、フェリチン様タンパク質であるDps(DNA binding protein from starved cells)も含む。微生物由来のフェリチンとしては、ヘリコバクター菌由来のフェリチン、フェリチン様タンパク質であるリステリア菌由来のDps及びスルホロバス菌由来のDps等が挙げられる。動物由来のフェリチンとしては、ヒト由来のフェリチン、マウス由来のフェリチン、及びウマ由来のフェリチン等が挙げられる。植物由来のフェリチンとしては、大豆フェリチン等が挙げられる。フェリチンの変異体は、フェリチン本来の構造及び機能を有する変異体であれば特に制限されない。フェリチンの変異体は、通常の遺伝子工学的手法、例えば部位特異的変異導入法によってフェリチンをコードする遺伝子に人為的に変異を導入する方法により作製することができる。本実施形態に係る方法は、動物由来のフェリチン、特にウマ由来のフェリチンを製造するために好適である。
 フェリチンのサブユニットとは、フェリチンを構成する単一のタンパク質分子を意味する。例えば、ウマ等の動物由来のフェリチンを構成するHサブユニット及びLサブユニットが挙げられる。フェリチンの変異体のサブユニットとしては、フェリチン本来の構造及び機能を有する変異体を構成するサブユニットであれば特に制限されない。フェリチンがHサブユニット及びLサブユニットから構成されるとき、第1のサブユニットがHサブユニットで、第2のサブユニットがLサブユニットであってもよいし、第1のサブユニットがLサブユニットで、第2のサブユニットがHサブユニットであってもよい。
 本実施形態に係る第1のプラスミドは、第1のサブユニットをコードする第1の遺伝子の発現を制御するプロモーター、SD配列及び第1の遺伝子をこの順に含み、さらに複製起点、及び、前記プロモーターの機能を抑制するラクトースリプレッサー遺伝子を任意の配置に含む。本実施形態に係る第2のプラスミドは、第2のサブユニットをコードする第2の遺伝子の発現を制御するプロモーター、SD配列及び第2の遺伝子をこの順に含み、さらに任意の位置に複製起点を含む。
 本実施形態に係るプラスミドは、pBR系プラスミド、pUC系プラスミド、pACYC系プラスミド、pCDF系プラスミド、pCOLA系プラスミド及びpRSF系プラスミド等の大腸菌を宿主とするプラスミドを基に構築することができる。例えば、pUC118、pUC119、pBR322、pETkmS2(Mishima, N.ら、Biotechnol. Prog.、第13巻、864-868頁、1997年)、pMAL(New England Biolabs)、pET-28a(+)(ノバジェン社製)、pCDF-2(ノバジェン社製)、pRSF-2(ノバジェン社製)、pKK223-3(GEヘルスケア・ジャパン社製)及びpACYC177(ニッポンジーン社製)が挙げられる。好ましくは、pKK223-3又はpACYC177を基にプラスミドが構築される。
 フェリチンのサブユニットをコードする遺伝子は、フェリチンを産生する細胞から通常のクローニング法によって得てもよいし、GenBankのデータベース(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/)に登録されているフェリチンのサブユニットの構造遺伝子を基に、通常行われる方法により人工的に合成してもよい。
 第1の遺伝子又は第2の遺伝子の発現を制御するプロモーターは、互いに同一でも異なっていてもよい。プロモーターは、好ましくは、サブユニットをコードする遺伝子の5’側上流に配置される。プロモーターは、例えば、lacプロモーター、trpプロモーター、並びに、tacプロモーター及びtrcプロモーター等のlacプロモーターとtrpプロモーターとが融合したプロモーターから選ばれる。発現効率の観点から、tacプロモーターが好ましい。
 第1のプラスミドに含まれるラクトースリプレッサー遺伝子は、第1のプラスミドのプロモーターの機能を抑制し、通常は第2のプラスミドのプロモーターの機能も抑制する。プロモーターを制御する効率の観点から、このラクトースリプレッサーは、好ましくはlacI遺伝子である。lacI遺伝子は、lacIリプレッサータンパク質を過剰に発現できるように変異された、制御プロモーター部位に接続されたlacI遺伝子である。
 SD配列は、アデニン及びグアニンに富んだ、4塩基~6塩基の配列であれば特に制限はない。SD配列の種類によってサブユニットの発現量が異なることから、第1のプラスミド及び第2のプラスミドのSD配列をそれぞれ独立に選択することにより、フェリチンにおける第1のサブユニットと第2のサブユニットとの比率をより多様に調節することができる。SD配列は、好ましくは、AGGA及びAGGAGGから選択される。AGGAGGのSD配列によれば、AGGAのSD配列と比べて、サブユニットの発現量が増大する傾向がある。
 SD配列は、プロモーターとサブユニットをコードする遺伝子との間に配置される。SD配列は、開始コドンの直前に配置してもよいし、SD配列と開始コドンとの間にアデニン及びチミンに富んだスペーサー配列を配置してもよい。SD配列とスペーサー配列とを含む配列としては、例えばAGGAGGTATTAT(配列番号10、以下「WSD配列」と呼ぶ場合がある)が挙げられる。このようなWSD配列を開始コドンの直前に配置することで、AGGAの配列を開始コドンの直前に配置したときと比べて、サブユニットの発現量を増大させることができる。
 複製起点は、大腸菌内において、プラスミドのDNAの複製を開始する起点として機能するものであれば、特に制限されない。ただし、第1のプラスミドの複製起点及び第2のプラスミドの複製起点は、互いに異なる起源のものから選択される。例えば、第1のプラスミド及び第2のプラスミドの複製起点は、pBR322ori及びp15Aoriから互いに異なるように選択される。複製起点は、プラスミドのコピー数に影響を与える。そのため、プラスミドの複製起点を変更することにより、サブユニットの発現量を調整して、サブユニットの構成比率を制御することができる。例えば、pBR322oriを含有するプラスミドのコピー数は一般的には25であり、p15Aoriを含有するプラスミドのコピー数は一般的には10~12であることから、結果として同一タンパク質を発現させる場合、pBR322oriを含有するプラスミドの方がp15Aoriを含有するプラスミドに比べて、タンパク質を大腸菌内で多く発現する傾向がある。
 プラスミドは、ターミネーター、抗生物質の耐性遺伝子等の他の配列を更に含んでいてもよい。ターミネーターは、好ましくは、サブユニットをコードする遺伝子の3’側下流に配置される。ターミネーターは、宿主として利用する大腸菌において機能することが知られているものから選ばれる。好適なターミネーターとしては、trpA由来のターミネーター、ファージ由来のターミネーター、rrnBリボソーマルRNA由来のターミネーター等が挙げられる。抗生物質の耐性遺伝子としては、アンピシリン耐性遺伝子(Amp)、テトラサイクリン耐性遺伝子(Tet)、クロラムフェニコール耐性遺伝子(Cm)、ストレプトマイシン耐性遺伝子(Sm)、及びカナマイシン耐性遺伝子(Km)等が挙げられる。
 プラスミドの構築は、分子生物学、生物工学、遺伝子工学の分野において慣用されている技術に準じて行うことができる。プラスミドの調製に用いられる宿主菌は、例えば、当該技術分野で通常用いられる宿主菌から適宜選択することができる。具体的には、大腸菌DH5α、大腸菌HB101、及び大腸菌JM109等が挙げられる。これらの宿主菌のうち、精製の容易化、大量調製、及び安全性等の観点から、大腸菌JM109が好ましい。
 第1のプラスミドを、単独で、又は、第2のプラスミドとともに大腸菌に導入することによって、第1のサブユニット(例えばHサブユニット)と第2のサブユニット(例えばLサブユニット)との構成比率が異なるフェリチンを産生する形質転換体としての大腸菌を得ることができる。本実施形態において、形質転換体とは、フェリチンのサブユニットをコードする遺伝子が導入され、当該遺伝子が発現した組換え微生物(大腸菌)のことを指す。
 第1のプラスミド及び第2のプラスミドを、同時に大腸菌に導入してもよいし、第1のプラスミド及び第2のプラスミドを任意の順で逐次、大腸菌に導入してもよい。
 第1のプラスミド及び第2のプラスミドとともに、第1のサブユニット又は第2のサブユニットをコードする遺伝子を含み、第1のプラスミド及び第2のプラスミドとは異なる1種又は2種以上の他のプラスミドを大腸菌に導入して形質転換体を得てもよい。このようにすることで、第1のサブユニットと第2のサブユニットとの構成比率がより多様なパターンで制御されたフェリチンを製造することができる。この場合、各プラスミドを同時に大腸菌に導入してもよいし、任意の順で逐次、大腸菌に導入してもよい。
 大腸菌の形質転換は、例えば、リン酸カルシウム法、及びエレクトロポレーション法等、当業者に周知の方法により行うことができる。
 大腸菌としては、ラクトースオペロンに欠損のない大腸菌が好ましい。大腸菌は、好ましくは、W3110株、RB791株、BL21株、又はSCS1株であり、より好ましくはW3110株である。
 プラスミドを大腸菌に導入して得られた形質転換体としての大腸菌を培養することにより、大腸菌が増殖して、フェリチンが産生される。産生されるフェリチンは、遺伝子工学的に容易に精製することができる。したがって、本実施形態に係る方法は、容易に工業的な製造に適用することができる。
 大腸菌の培養は、培地の組成、培地のpH、培養温度、培養時間の他、インデューサー(誘導因子)の使用量及び使用時間等の条件について、フェリチンが効率的に発現するように適宜調整される。
 大腸菌の培養に使用される培地は、当業者に知られる固体培地及び液体培地のどちらでもよい。好ましくは、液体培地が用いられる。培地の炭素源及び窒素源として、培養される大腸菌が利用できる任意の炭素源及び窒素源を用いることができる。炭素源は、好ましくは、デンプン、スクロース及びグルコース等の糖、グリセロール等のアルコール、並びに、有機酸(例えば、酢酸及びクエン酸)又はその塩(例えば、ナトリウム塩)から選ばれる。窒素源は、好ましくは、酵母エキス、カゼイン、コーンスチープリカー、ペプトン、及び肉エキス等の天然窒素源、並びに、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム及び尿素等の無機窒素化合物から選ばれる。炭素源の濃度は好ましくは1~20w/v%、より好ましくは1~5w/v%である。窒素源の濃度は好ましくは1~20w/v%、より好ましくは1~5w/v%である。好適な培地の具体例としては、LB培地、TB培地、及び2×YT培地が挙げられる。培養温度は、培養される微生物が十分に生育できる温度であり、好ましくは20~37℃である。培養時間は、フェリチンが十分に産生されるように適宜調整され、好ましくは16~48時間程度である。培養は、好ましくは、好気的な条件下で、例えば、通気攪拌又は振盪を用いて行うことができる。誘導因子としては、例えばラクトースが好ましい。
 大腸菌がアンピシリン及びカナマイシン等の抗生物質の耐性遺伝子を有している場合、対応する抗生物質を加えた培地を使用してもよい。
 形質転換体(大腸菌)の培養物からフェリチンを精製する方法は、当業者により通常行われている方法から採用することができる。細胞内にフェリチンが蓄積する場合には、例えば、培養終了後、遠心分離によって形質転換体(大腸菌)を集める。得られた細胞を超音波処理等によって破砕した後、遠心分離等によって無細胞抽出液を得る。これを出発材料とし、加熱処理(例えば、75℃、30分)による精製法、塩析法、並びに、イオン交換クロマトグラフィー、ゲル濾過クロマトグラフィー、疎水クロマトグラフィー、ハイドロキシアパタイトクロマトグラフィー及びアフィニティークロマトグラフィー等の各種クロマトグラフィー等のタンパク質精製法によってフェリチンを精製することができる。
 以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。特に明記しない限り、各種操作は、モレキュラークローニング ア ラボラトリー マニュアル(Molecular Cloning A Laboratory Manual)第2版(ザンブルーク(Sambrook, J)ら、1989年)に従って行った。なお、実施例において、%は、特に明記しない限り、w/v%を表す。
(実施例1:2種類のウマ由来のフェリチンのサブユニットをコードする遺伝子を1つの大腸菌内で別々に発現させるための基本となるプラスミドベクターの構築)
(pKL223ベクターの構築)
 プラスミドpTrcHis(インビトロジェン社製、商品名)を鋳型にして、プライマーBsa-lacI-forward(配列番号1)及びBam-lacI-reverse(配列番号2)をプライマーとして用いてPCRを行い、lacI遺伝子とその制御プロモーターとを含む領域を増幅した。PCRは、KOD-plus-(東洋紡社製、商品名)を用いて次の反応条件で行った。ステップ1:94℃、2分;ステップ2:94℃、15秒;ステップ3:62℃、30秒;ステップ4:68℃、1分;ステップ5:4℃、∞;ステップ2からステップ4を30サイクル繰り返した。得られた約1400bpの増幅断片をBsaAI及びBamHIで二重消化した。消化した増幅断片をプラスミドpKK223-3(GEヘルスケア・ジャパン社製、商品名)のtacプロモーターの上流に位置するBsaAI-BamHIギャップに挿入して、図1に示すプラスミドpKL223を得た。プライマーの配列を以下に示す。
Bsa-lacI-forward:5’-TATCGCTACGTGACTGGGTCATGGCT-3’(配列番号1)
Bam-lacI-reverse:5’-CGGGATCCTCGCGCTAACTCACATTAATTGCGTTGC-3’(配列番号2)
(pACT177ベクターの構築)
 プラスミドpKK223-3を鋳型にして、Bam-Ptac-forward(配列番号3)及びPst-Ptac-reverse(配列番号4)をプライマーとして用いてPCRを行い、tacプロモーターを含む領域を増幅した。PCRは、KOD-plus-(東洋紡社製、商品名)を用いて次の反応条件で行った。ステップ1:94℃、2分;ステップ2:94℃、15秒;ステップ3:60℃、30秒;ステップ4:68℃、1分;ステップ5:4℃、∞;ステップ2からステップ4を30サイクル繰り返した。得られた約280bpの増幅断片をPstIで消化した。プラスミドpACYC177(ニッポンジーン社製、商品名)を、まずBamHIで消化し、Blunting high(東洋紡社製、商品名)を用いて平滑末端化した。次いでPstI消化を行い、約3000bpの断片をアガロースゲル電気泳動により回収した。上記約280bpの増幅断片と上記約3000bpの断片とをライゲーションして図1に示すプラスミドpACT177を得た。プライマーの配列を以下に示す。
Bam-Ptac-forward:5’-GATCCGGAGCTTATCGACTGCACGGTGCAC-3’(配列番号3)
Pst-Ptac-reverse:5’-ACAGCTGCAGGTCGACGGATCCCCGGGAAT-3’(配列番号4)
(実施例2:Hサブユニット発現用プラスミドの構築)
 GenBankのデータベース(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/)に登録されているウマ由来フェリチンのHサブユニットの構造遺伝子(Accession No.AY112742)を定法により人工合成して配列番号5の配列を有する遺伝子を得た。これを鋳型にして、以下に記す方法によりPCR増幅を行い、4種類の発現用ベクターを構築した。以下に示すプライマーをPCRに用いた。
HFT-forward-EcoRI1(配列番号6):
5’-GTTGAATTCATGACGACCGCGTTCCCCTCGCAGGT-3’
HFT-forward-EcoRI2(配列番号7):
5’-GTTGAATTCAGGAGGTATTATATGACGACCGCGTTCCCCTCGCAGGT-3’
HFT-reverse-HindIII(配列番号8):
5’-ACAGAAGCTTCTTAGCTCTCGTCACACTCTCCCAGGGTGTG-3’
HFT-reverse-NsiI(配列番号9):
5’-GTTACAGATGCATCTTAGCTCTCGTCACACTCTCCCAGGGTGTG-3’
(pKLHの構築)
 tacプロモーターのSD配列のすぐ下流のEcoRIの直後に開始コドンが繋がるように設計したPCR用プライマーHFT-forward-EcoRI1及びHFT-reverse-HindIIIを用い、人工合成したHサブユニットの遺伝子を鋳型として、Hサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、KOD-plus-Neo(東洋紡社製、商品名)を用いて使用説明書の反応液組成に従い、次の反応条件で行った。ステップ1:94℃、2分;ステップ2:98℃、10秒;ステップ3:68℃、30秒;ステップ4:4℃、∞;ステップ2からステップ3を30サイクル繰り返した。得られたDNA断片をEcoRI及びHindIIIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpKL223のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI―HindIIIギャップに挿入して、SD配列がAGGAである組換えプラスミドpKLHを構築した。
(pWKLHの構築)
 開始コドンのすぐ上流に大腸菌での翻訳効率を高める為のWSD配列(AGGAGGTATTAT、配列番号10)を付加したPCR用プライマーであるHFT-forward-EcoRI2及びHFT-reverse-HindIIIを設計した。これら2つのプライマーを用い、人工合成したHサブユニットの構造遺伝子を鋳型として、Hサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びHindIIIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpKL223のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-HindIIIギャップに挿入して、SD配列がAGGAGGである組換えプラスミドpWKLHを構築した。
(pACHの構築)
 PCR用プライマーであるHFT-forward-EcoRI1及びHFT-Reverse-NsiIを用い、人工合成したHサブユニットの遺伝子を鋳型として、Hサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びNsiIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpACT177のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAである組換えプラスミドpACHを構築した。
(pWCHの構築)
 PCR用プライマーであるHFT-forward-EcoRI2及びHFT-Reverse-NsiIを用い、人工合成したHサブユニットの遺伝子を鋳型として、Hサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びNsiIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpACT177のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAGGである組換えプラスミドpWCHを構築した。
(実施例3:Lサブユニット発現用プラスミドの構築)
 ウマ由来のフェリチンの天然型のLサブユニットにおいては、論文(Biochimica et Biophysica Acta,1993年,1174巻,p.218-220)に記載のアミノ酸配列からN末端の8アミノ酸残基がプロセッシングの過程で欠損していることが知られている。天然型のLサブユニットを作るために、GenBankのデータベースに登録されているウマ由来のフェリチンのLサブユニットの構造遺伝子(Accession No.D14523)からN末端の8アミノ酸残基をコードする24塩基を削除し、メチオニン1残基をコードする3塩基を付加したLサブユニットをコードする遺伝子を人工合成し、配列番号11の配列を有する遺伝子を得た。これを鋳型にして以下に記す方法でPCR増幅を行い、4種類の発現用プラスミドを構築した。PCRに用いたプライマーを以下に示す。
LSFT-forward-EcoRI1(配列番号12):
5’-GTTGAATTCATGTATTCTACTGAAGTGGAGGCCGCCGT-3’
LSFT-forward-EcoRI2(配列番号13):
5’-GTTGAATTCAGGAGGTATTATATGTATTCTACTGAAGTGGAGGCCGCCGT-3’
LFT-reverse-PstI(配列番号14):
5’-ACAGCTGCAGCTTAGTCGTGCTTGAGGGTGAGCCTTTCAAAG-3’
(pKLSの構築)
 tacプロモーターのSD配列のすぐ下流のEcoRIの直後に開始コドンが繋がるように設計したPCR用プライマーであるLSFT-forward-EcoRI1及びLFT-reverse-PstIを用い、Lサブユニットをコードする人工合成した遺伝子を鋳型として、ウマ由来のLサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びPstIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpKL223のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAである組換えプラスミドpKLSを構築した。
(pWKLSの構築)
 開始コドンのすぐ上流に大腸菌での翻訳効率を高める為のWSD配列を付加したPCR用プライマーであるLSFT-forward-EcoRI2及びLFT-reverse-PstIを設計した。設計した2つのプライマーを用い、人工合成したウマ由来のLサブユニットの構造遺伝子を鋳型として、ウマ由来のLサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びPstIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpKL223のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAGGである組換えプラスミドpWKLSを構築した。
(pACSの構築)
 PCR用プライマーであるLSFT-forward-EcoRI1及びLFT-reverse-PstIを用い、人工合成したLサブユニットの構造遺伝子を鋳型として、ウマ由来のLサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びPstIで2重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpACT177のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAである組換えプラスミドpACSを構築した。
(pWCSの構築)
 PCR用プライマーであるLSFT-forward-EcoRI2及びLFT-reverse-PstIを用い、人工合成したLサブユニットの構造遺伝子を鋳型として、ウマ由来のLサブユニット遺伝子をPCR法によって増幅した。PCRは、pKLHの構築と同様の条件で行った。得られたDNA断片をEcoRI及びPstIで二重消化した。消化したDNA断片をプラスミドpACT177のtacプロモーターの下流に位置するEcoRI-PstIギャップに挿入して、SD配列がAGGAGGである組換えプラスミドpWCSを構築した。
(実施例4:HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なるウマ由来のフェリチンの生産)
 実施例2及び3で作製したプラスミドを表1に示した組み合わせで用い、それらを同時に大腸菌W3110株へ導入した。その後、アンピシリン50μg/ml及びカナマイシン50μg/mlを含むLB寒天培地(ペプトン1%、酵母エキス0.5%、塩化ナトリウム1%、寒天粉末1.5%、pH7.2)で生育する形質転換した大腸菌W3110株を得た。
 形質転換した大腸菌W3110株は、アンピシリン50μg/ml(終濃度)及びカナマイシン50μg/ml(終濃度)を添加した5mlのLB培地(ペプトン1%、酵母エキス0.5%、塩化ナトリウム1%、pH7.2)で、37℃、200rpmの条件で一夜振とう培養して、シード培養液を調製した。続いて、3L容ミニジャーファーメンター(Biott社製)を用いて、1.5Lのラクトース(1%又は2%)を含む2×YT培地(ペプトン2%、酵母エキス1%、塩化ナトリウム2%、pH7.2)にシード培養液1.5mlを添加し、37℃、通気量1vvm、撹拌数400rpmの条件で培養を開始した。経時的に培養液をサンプリングし、遠心分離(13000×g、10分間、4℃)により集めた菌体内に含まれる組換えタンパク質であるウマ由来のアポフェリチン(組換えウマアポフェリチン)の生産をSDS-PAGE法により解析し(図2及び図3)、Hサブユニット(理論分子量21kDa)とLサブユニット(理論分子量19kDa)の構成比率を求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(実施例5:HサブユニットとLサブユニットとの構成比率が異なるウマ由来のフェリチンの精製)
 50mM トリスヒドロキシメチルアミノメタン塩酸塩(Tris-HCl)緩衝液(pH8.0)で洗浄した大腸菌をその湿重量の5倍量の同緩衝液に再懸濁し、超音波破砕器にて菌体を破砕した。破砕した菌体を含む懸濁液を遠心分離(13000×g、30分間、4℃)し、上清を集め、組換えウマアポフェリチンを含む無細胞抽出液を得た。この無細胞抽出液を75℃で40分間、加熱処理した。次いで、遠心分離(13000×g、30分間、4℃)によって、熱によって変性した夾雑タンパク質の沈殿物を無細胞抽出液から除去した。
 続いて、無細胞抽出液を、50mM Tris-HCl緩衝液(pH8.0)で予め平衡化した陰イオン交換カラムHiload 26/10 Q Sepharose HP (GE ヘルスケア・ジャパン社製、商品名)に添加し、同緩衝液で陰イオン交換カラムを洗浄した。次いで塩化ナトリウムの0Mから0.4Mまでのリニアグラジェントにより、組換えウマアポフェリチンを陰イオン交換カラムから溶出させた。溶出した組換えウマアポフェリチンの溶液を、ゲルろ過カラムTSK-GEL G4000SWXL(7.8×300mm、東ソー株式会社製、商品名)により分析したところ、組換えウマアポフェリチンが分子量約430kDaの一本のピークとして現れたことから、HサブユニットとLサブユニットとが複合体を形成していることが示唆された。表2に、精製した組換えウマアポフェリチンの純度、収量及びHサブユニットとLサブユニットとの構成比率をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 以上の実験結果から、本発明によれば、サブユニットの構成比率が異なる多様なフェリチンを効率良く製造できることが確認された。
 本発明の製造方法によって得られるフェリチンは、電子機器、医療及び環境等の分野において、ナノサイズの材料としての利用が期待される。

Claims (7)

  1.  互いに異なるアミノ酸配列を有する第1のサブユニット及び/又は第2のサブユニットから構成されるフェリチンの製造方法であって、
     前記第1のサブユニットをコードする第1の遺伝子、前記第1の遺伝子の発現を制御するプロモーター、シャイン・ダルガノ配列、複製起点、及び、前記プロモーターの機能を抑制するラクトースリプレッサー遺伝子を含み、前記シャイン・ダルガノ配列が前記プロモーターと前記第1の遺伝子との間に配置されている第1のプラスミドを、単独で、又は、
     前記第2のサブユニットをコードする第2の遺伝子、前記第2の遺伝子の発現を制御するプロモーター、シャイン・ダルガノ配列、及び、前記第1のプラスミドの複製起点とは異なる複製起点を含み、前記シャイン・ダルガノ配列が前記プロモーターと前記第2の遺伝子との間に配置されている第2のプラスミドとともに、大腸菌に導入する工程と、
     前記大腸菌を培養し、フェリチンを産生させる工程と、
    を備える、フェリチンの製造方法。
  2.  前記第1のプラスミド及び前記第2のプラスミドのシャイン・ダルガノ配列をそれぞれ独立に選択することにより、当該フェリチンにおける前記第1のサブユニットと前記第2のサブユニットとの比率が調節される、請求項1に記載の製造方法。
  3.  前記シャイン・ダルガノ配列が、AGGA又はAGGAGGである、請求項1又は2に記載の製造方法。
  4.  前記プロモーターがtacプロモーターである、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。
  5.  前記ラクトースリプレッサー遺伝子が、lacI遺伝子である、請求項1~4のいずれか一項に記載の製造方法。
  6.  前記大腸菌が、ラクトースオペロンに欠損のない大腸菌である、請求項1~5のいずれか一項に記載の製造方法。
  7.  前記フェリチンがHサブユニット及びLサブユニットから構成されるウマ由来のフェリチンであり、
     前記第1のサブユニットがHサブユニットで、前記第2のサブユニットがLサブユニットであるか、又は、前記第1のサブユニットがLサブユニットで、前記第2のサブユニットがHサブユニットである、請求項1~6のいずれか一項に記載の製造方法。
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