【発明の詳細な説明】
プトレッシンN−メチルトランスフェラーゼ、プ
トレッシンN−メチルトランスフェラーゼをコー
ドする組換えDNA分子、およびアルカロイド含
量が減少したトランスジェニックタバコ植物
発明の技術分野
この発明は、高度に精製されたプトレッシンN−メチルトランスフェラーゼ、
その新規の精製方法、およびそのアンチセンス遺伝子およびセンス遺伝子に関す
る。特にこの発明は、ニコチンレベルを遺伝的に変化させたトランスジェニック
タバコ植物を創製するためのセンスおよびアンチセンスのプトレッシンN−メチ
ルトランスフェラーゼ遺伝子の使用に関する。このようなトランスジェニック植
物は、タバコ産業に用いる乾燥タバコ葉を製造するのに有用である。
発明の背景
タバコからニコチンを除くために各種の方法が採用されている。しかしこれら
の方法のほとんどが、ニコチンに対して充分に選択的でない。これらの方法はタ
バコから他の成分を除去するのでタバコの風味と香気に不利な影響を与える。そ
の上に、このような方法は、一般に複雑で費用が高い。
ニコチンと生化学的に合成される化合物は、一般に一連の生化学反応によって
形成され、各反応は異なる酵素によって触媒される。所定の化合物をもたらす特
定の反応系列が一つの経路として知られている。経路の作動とその最終
生成物の産生を阻害する1方法は、その経路で必要な酵素量を減らすことである
。経路の他の酵素に比べてその酵素の数度が、通常、経路の作動においてその酵
素を律速的にするよう充分に低い場合、酵素の数度が減少すると、最終生成物の
産生量が低くなる。酵素の相対的数度が、通常、律速的でない場合は、細胞中の
その数度は、経路の産生量を減少させるためには、酵素を律速的にするように充
分に低下させねばならない。同様に酵素の相対的な数度が律速的である場合、そ
の数度の増大によってその経路の最終産生物の産生量が増大する。
ニコチンは最初にタバコ植物の根で形成され、次に葉に輸送され、葉の貯蔵さ
れる(Tso、Physiology and Biochemistry of Tobacco Plants、233〜234
頁、Dowden Hutchinson & Ross、米国、ペンシルヴェニア州、ストラウズバーグ
、1972年)。ニコチン分子は、二つの複素環、ピリジン部分およびピロリジ
ン部分で構成され、その各々は別個の生化学経路から誘導される。ニコチンのピ
リジン部分はニコチン酸から誘導される。ニコチンのピロリジン部分は、プトレ
ッシンからN−メチルプトレッシンに至り、次いでN−メチルピロリンに至る経
路によって提供される。ニコチン生合成時の必須の工程は、プトレッシンからN
−メチルプトレッシンを生成する工程である(Goodwin とMercer、Introduction
to Plant Biochemistry、488〜491頁、pergamon press、米国、ニューヨ
ーク、1983年)。
プトレッシンのN−メチルプトレッシンへの変換反応は
、メチル基供与体として働くS−アデノシルメチンを用いて行われ、酵素である
プトレッシンN−メチルトランスフェラーゼ(“PMT”)によって触媒される
。PMTは、タバコ内でのニコチン合成用のN−メチルピロリンを供給する経路
で律速酵素のようである(Feth等、“Regulation in Tobacco Callus of Enzyme
Activities of the Nicotine Pathway ”、planta、168巻、402〜407
頁、1986年;Wagner等、“The Regulation of Enzyme Activities of the N
icotine Pathway in Tobacco”、Physiol,Plant、68巻、667〜672頁、
1986年)。
比較的に粗製のPMT製剤(30倍の精製度)について限定的な特性決定がな
されている(Mizusaki等、“Phytochemical Studies on Tobacco Alkaloids XIV
.The Occurrence and Properties of Putrescine N-Methyltransferase in Tob
acco Plants ”,Plant cell Physiol.、12巻、633〜640頁、1971
年)。その製剤に至る精製工程は、最初の抽出液からの硫酸アンモニウム沈澱法
とゲル瀘過クロマトグラフィに限定した。
植物によって通常得られるよりも有意に低いレベルの酵素(またはその他のタ
ンパク質)を特徴とする植物を、アンチセンスRNA法によって作ることができ
る。通常、標的酵素をコードする遺伝子の転写をすると一本鎖mRNAが生成し
、そのRNAは次にリボソームによって翻訳されて標的酵素が得られる。アンチ
センスRNA分子は、そのヌクレオチド配列が標的mRNA分子のある部分に対
して相補的なRNA分子である。したがってアンチセンスRN
A分子は、標的mRNA分子と相補的塩基対合を行い(雑種形成、交配又はハイ
ブリダイセーション)、その標的mRNA分子を翻訳に利用できないようにして
一層分解し易くし、または両方を行う。したがって、標的mRNAがコードする
特異的酵素を産生する細胞の性能が阻害される。
アンチセンス法は、いくつもの研究で採用され、特異的な酵素が通常の量より
低いことを特徴とするトランスジェニック植物が創製されている。例えば、低レ
ベルのカルコンシンターゼ(花の色素の生合成経路の酵素)を含有する植物が、
カルコンシンターゼのアンチセンス遺伝子をタバコとペチュニアのゲノムに挿入
することによって生産されている。これらのトランスジェニックタバコ植物とト
ランスジェニックペチュニア植物は、通常の着色よりうすい色の花を産生する(
Van der Krol等、”An Anti-Sense Chalcone Synthase Gene in Transgenic Pla
nts Inhibits Flower Pigmentation”、Nature、333巻、866〜869頁、
1988年)。またアンチセンスRNA法は、トマト類に、ポリガラクツロナー
ゼ酵素が産生するのを阻害するために採用されて成功しており(Smith等、“Ant
isense RNA Inhibition of Polygalacturonase Gene Expression in Transgenic
Tomatoes”、Nature、334巻、724〜726頁、1988年;Sheehy等、
“Reduction of Polygalacturonase Activity in Tomato Fruit by Antisense R
NA”、Proc.Natl.Acad.Sci.USA、85巻、8805〜8809頁、1988
年)、およびタバコに、リブロースビスリン酸カルボキシラーゼ酵素の小さなサ
ブユニットを
産生するのを阻害するのに成功している(Rodermel等、“Nuclear-organelle In
teractions:Nuclear Antisense Gene Inhibits Ribulose Bisphosphate Carbox
ylase Enzyme Levels in Transformed Tobacco Plants”、Cell,55巻、67
3〜681頁、1988年)。あるいは、所定の酵素の通常量より多いことを特
徴とするトランスジェニック植物を、センス(すなわち通常の)配向のその酵素
の遺伝子で植物を形質転換することによって創製することができる。
PMTのレベルを変化させることによって、タバコ植物のニコチンレベルを上
下させるタバコ植物の遺伝子工学はまだ可能になっていない。その理由は、PM
T酵素を予め精製することなしにPMT遺伝子をクローン化をする方法が知られ
ておらず、またPMT酵素の精製法はこの発明以前に知られていなかったからで
ある。
図面の簡単な説明
図1は、タバコPMTの精製工程の連続段階で得られたタンパク質のパターン
を示す、銀染色12.5%SDS−ポリアクリルアミドゲルの写真の複写物であ
る。レーン1と6:分子量基準タンパク質(ホスホリラーゼB、95.5KD;
グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、55.0KD;オボアルブミン、43.0KD
;乳酸デヒドロゲナーゼ、36.0KD;カルボニックアンヒドラーゼ、29.
0KD;ラクトグロブリン、18.4KD;シトクロムC、12.4KD)。レ
ーン2:40〜65%飽和度硫酸アンモニウム画分。レーン3:疎水性相互作用
カラム由来のPM
T活性ピーク画分。レーン4:アニオン交換カラムからプトレッシンで溶離して
濃縮した物質。レーン5:アニオン交換カラム由来の濃縮物質のフリーフロー等
電点焦点化電気泳動によって得られたPMT活性ピーク画分。
図2は、12.5%非変性ポリアクリルアミドゲル由来の3mm厚連続スライ
スのPMT活性を示すグラフであり、そのゲルには、アニオン交換カラムからプ
トレッシンで溶離して濃縮した物質をロードした。PMTの酵素活性は、生成物
として回収された14C壊変数/分(バックグランド上)として表現し、“相対活
性”と命名してある。
図3は、非変性電気泳動ゲルのPMT活性のバンドおよびその前後の3mm厚
連続スライス(図2)が純度と見掛けの分子量について分析された、銀染色12
.5%SDS−ポリアクリルアミドゲルの写真の複写物である。“Sm”と命名
されているレーンは出発物質(すなわち非変性ゲルに添加された物質)を含有し
ている。“Std”と命名したレーンは、分子量基準タンパク質(ホスホリラー
ゼB、95.5KD;グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、55.0KD;オボアル
ブミン、43.0KD;乳酸デヒドロゲナーゼ、36.0KD;カルボニックア
ンヒドラーゼ、29.0KD;ラクトグロブリン、18.4KD;シトクロムC
、12.4KD)を含有している。
図4は、硫酸アンモニウム分画法、疎水性相互作用クロマトグラフィ、および
アニオン交換カラムからのプトレッシンによる溶離に続いて試料を濃縮すること
によって精製したタバコPMTを等電点焦点化電気泳動させることによ
って得られた画分の相対PMT活性とpHを画くグラフである。PMTの酵素活
性は、生成物として回収された14C壊変数/分(バックグランド上)として表現
し、“相対活性”と命名してある。
図5は、(不活性膜にエレクトロブロットした後)切取り、アミノ酸配列の決
定を行ったPMTタンパク質バンド(“a1”と“a2”)を示す銀染色12.
5%SDS−ポリアクリルアミドゲルの写真の複写物である。ゲルにロードした
試料は、アニオン交換カラムからプトレッシンで溶離された物質を等電点焦点化
電気泳動させて得た画分の一部分である。配列分析に用いられた実際のバンドは
、図5のゲルで分析されたのと同じ物質の一部をロードした別個の(しかし同じ
)ポリアクリルアミドゲル由来のものである。
発明の概要
この発明は、第1に、高度に精製されたプトレッシンN−メチルトランスフェ
ラーゼ(“PMT”)と、この酵素の新規な精製法を提供するものである。
この発明の精製法は、タバコ植物抽出液をアニオン交換媒体に添加する工程を
有し、添加温度および抽出液のpHと組成は、PMTがアニオン交換媒体によっ
て保持されるような条件である。次にPMTを、有効量のポリアミンを含有する
溶離緩衝液で、アニオン交換媒体から溶離する。また溶離温度および溶離緩衝液
のpHと化学組成は、ポリアミンがなければ、PMTがアニオン交換媒体によっ
て保持されるような条件である。
好ましい態様において、アニオン交換媒体の溶出液を、アニオン交換媒体の溶
離緩衝液の存在下、PMTに対して親和性を有するクロマトグラフィ媒体に直接
添加し、次に、結合された物質を溶離する。最も好ましくは、アニオン交換カラ
ムからの出口がω−アミノヘキシルアガロースカラムの入口に接続され、後者の
カラムにアニオン交換カラムからの希薄PMTが集められ、次いでより濃縮され
た形態でPMTが溶出される。
この発明のPMTは、分子量が約55〜65キロダルトン、未変性の等電点が
約5.0〜6.0のpH、プトレッシンについてのKm値が約300μM〜50
0μM、およびS−アデノシルメチオニンについてのKm値が約100μM〜1
50μMである。好ましい態様では、PMTは、配列表に配列番号1、配列番号
2および配列番号3として規定されているアミノ酸配列から選択される17のア
ミノ酸の配列をもっている。
またこの発明は、プトレッシンN−メチルトランスフェラーゼをコードするセ
ンス組換えDNA分子とアンチセンス組換えDNA分子、これらの組換えDNA
分子を含有するベクター、およびこれらのDNA分子またはベクターで形質転換
されたトランスジェニックタバコ細胞とトランスジェニックタバコ植物を提供す
るものである。この発明のトランスジェニックタバコ細胞とトランスジェニック
タバコ植物は、未形質転換の対照のタバコ細胞とタバコ植物よりニコチン含量が
低いかまたは高いことを特徴としている。
発明の詳細な記述 PMTの精製
PMT精製に用いる出発物質はタバコの根で構成されている。その根は水耕栽
培されたタバコ植物から収穫することが好ましい。水耕栽培法は、高度に制御さ
れた再現性のある条件下で植物を成長させることが容易であり、清浄で無傷の状
態で、広がった糸状根系を効率よく収穫することができる。
タバコの種子は、湿潤した植物鉢植え混合物の表面もしくはその近傍で発芽さ
せることができる。最も好ましい条件は約80°Fの温度と60%の相対湿度で
ある。種子が発芽してから約2週間後、実生苗を間引きし(除去し)、残留実生
苗が高さが約6インチで約6枚の葉が生成する時期まで、妨害されずに成長する
のに充分な余白を残す。実生苗が、約6インチの高さに到達したとき、一般に、
根系と鉢植え物質のペレットはそのままで、適切な養分溶液が入れられ、この養
分溶液の通気(酸化)手段を備えた水耕装置に移植される。またこの水耕栽培装
置は、溶解された養分を補充するように設備されていなければならず、かつ充分
に成長したタバコ植物を収納するのに充分な大きさでなければならない。
頭状花の除去(摘花)は商業的タバコ栽培における標準の慣行であるが、根の
成長を増大して葉のニコチン含量を増大することは、当該技術分野では公知であ
る。それ故に、PMTの精製用の出発物質として使用される植物は、通常、成長
の適当な段階で摘花される。植付けと摘花の適切
な間隔は、とりわけ、植物の品種、光の強度、日長、土壌と空気の温度、土壌水
分および無機栄養を含むいくつもの因子によってきまる。しかし、一般に根は摘
花してから3〜7日後に収穫される。所定の組合せの生育条件下で栽培される所
定のタバコ品種の摘花の最適時期は、当該技術分野の熟練者ならば容易に決定す
ることができる。
収穫された根は冷水で洗浄することが好ましく、次に残留水をブフナー漏斗で
吸引して除去する。次に洗浄した根は、収穫して直ちに、使用されるかまたは−
80℃に凍結される。凍結された根は、使用するまで約−80℃で貯蔵される。
一般的なPMT精製法では、抽出緩衝液11当り約400〜600gの凍結根
組織を高速混合器でホモジナイズする。抽出緩衝液は、一般に、一つ以上の緩衝
剤、一つ以上の還元剤、一つ以上の重金属キレート化剤、一つ以上の水活性変性
剤、および一つ以上のプロテアーゼ阻害剤それぞれの有効量を含有している。ま
た抽出緩衝液は、一つ以上のフェノール系化合物吸着剤の有効量を含有している
方が好ましい。これらの薬剤の有効量は、使用される特定の薬剤によって決まる
。しかし使用量は、一般に、植物タンパク質の精製中に使用される一般的な量か
ら選択される。したがって、薬剤とその有効量の選択は、通常の研究者の技能の
範囲内にある。
抽出緩衝液のpHは、約7.2〜8.3の範囲になければならないが、好まし
くは約7.5である。所望のpHで有効なpH緩衝能を与える解離定数(pKa
)を有する水
溶性化合物が使用される。また好ましい緩衝剤は紫外線を事実上透過する。適切
な緩衝剤には、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(“Tris”)、イミダ
ゾール、リン酸塩、N−モルホリノプロパンスルホン酸(“MOPS”)、N−
トリス(ヒドロキシメチル)メチル−2−アミノエタンスルホン酸(“TES”
)、トリエタノールアミン、およびN−トリス(ヒドロキシメチル)−メチル−
グリシン(“Tricine”)が含まれる。トリス緩衝剤が好ましい。
タンパク質のスルフヒドリル基の起りうる酸化反応と、植物のフェノール化合
物の起りうる酸化反応とを阻害して反応性遊離ラジカルの生成を阻害するために
、還元剤を抽出緩衝液中に添加する。これら両方の反応はPMTを不活性化する
ことがある。適切な還元剤には、ジチオトレイトール(“DTT”)、ジチオエ
リトリトール、2−メルカプトエタノール、チオグリコール酸塩、グルタチオン
、システイン、およびアスコルビン酸塩が含まれる。DTTとアスコルビン酸塩
が好ましい。
重金属キレート化剤は、プロテアーゼ類の活性化、および重金属との直接相互
作用によるかまたはフェノール化合物を酸化してPMTを不活性化する種にする
反応の重金属による促進によって起りうるPMTの不活性化を防止するために、
抽出緩衝液に添加される。好ましい重金属キレート化剤としては、エチレンジア
ミン四酢酸(“EDTA”)があるが、他の通常のキレート化剤例えばエチレン
グリコールビス(β−アミノエチルエーテル)N,N.N′,
N′四酢酸(“EGTA”)およびクエン酸塩も使うことができる。
水活性変性剤は、PMTを不活性化させる、起りうる変性とその外の一層微少
な配座の変化に対してPMTを安定化するために、抽出緩衝液に添加される。こ
のような水活性変性剤は、非イオン性の親水性化合物であり、これらが添加され
る水溶液の水活性を低下させる。グリセリン、エチレングリコールおよび低分子
量のポリエチレングリコール(例えば“PEG400”)が好ましいが、グルコ
ース、スクロース、フルクトースおよびソルビトールが、水活性変性剤として有
用な他の化合物の例である。
プロテアーゼ阻害剤は、組織を均質化中に放出されるタンパク質分解酵素によ
るタンパク質切断によるPMTの起りうる不活性化を防止するために、一般に抽
出緩衝液に添加される。有用なプロテアーゼ阻害剤には、フェニルメチルスルホ
ニルフルオリド(“PMSF”)、ロイペプチン、アプロチニン、キモスタチン
およびペプスタチンが含まれている。PMSFとロイペプチンが好ましい。
フェノール系化合物の吸着剤は、存在していると、植物細胞が破壊されると酸
化されて、PMTを不活性化もしくは沈澱させるフェノール系植物化合物を除く
ために、抽出緩衝液に添加することが好ましい。一般に、フェノール系化合物を
吸着するために、不溶性のポリビニルピロリドン(“PVPP”)とアンバーラ
イトXAD−4を抽出緩衝液中に懸濁させる。PMT酵素の活性に対して有意な
害を与えることなしに、フェノール系化合物を除去するかまた
は不活性化する他の物質には、PVPPもしくはアンバーライトXAD−4とこ
れらのものの代わりに使えるものが含まれる。
根組織を添加する前に、抽出緩衝液は約−15℃〜−20℃に冷却され、凍結
スラリーを生成させる。均一化の工程中、ホモジネートの温度は約3〜5℃以上
に上昇させてはならない。
当該技術分野の通常の熟練者には分かっているように、上記の方法に用いられ
る根組織の量は変えることができるが、使用される組織のおおよその重量は測定
しなければならず、それに応じて、使用される他の成分の量が調節される。
均一化処理の後、不溶性物質(吸着されたフェノール化合物を含有するPVP
Pを含む)は、ホモジネートから除去するのが好ましい。この除去は、好ましく
は、約10000〜20000×gに設定された冷凍遠心機で、約4℃で約30
〜90分間沈降させることによって行われる。不溶性物質を沈降させた後、可溶
性抽出液(すなわち上澄み液)をデカントする。可溶性抽出液の最終のタンパク
質濃度は一般に約2.5〜3.5mg/mlである。
可溶性抽出液を硫酸アンモニウムで分画し、標準の方法(Scopes、Protein Pu
rification Principles and Practice、48〜52頁、Springer-Verlag 、米国
、ニューヨーク、1982年)にしたがって、40%〜65%硫酸アンモニウム
の画分(沈澱)を、可溶性抽出液から集める。次にその画分を、根の重量1g当
り約0.1〜0.4mlの
溶解緩衝液に溶解する。
40%〜65%硫酸アンモニウムの画分を溶解するのに好ましい緩衝液は、有
効量の、緩衝剤、重金属キレート化剤、還元剤、水活性変性剤およびプロテアー
ゼ阻害剤を含有している。最も好ましい溶解緩衝剤は、トリス緩衝剤(pHが約
7.5)(約10〜20mM)、EDTA(約1〜10mM)、グリセリン(約
10〜30%)、DTT(約1〜10mM)、PMSF(約0.2〜10.0m
g/1)、およびロイペプチン(約0.2〜10.0mg/l)を含有している
。これらの緩衝成分は、抽出緩衝液中の類似の成分に対する上記の目的のために
含有させてある。当該技術分野の熟練者は、これらの成分は類似の機能を有する
他のもので取換えることができることを知っているであろう。
前記の硫酸アンモニウム画分を、次いで標準の方法、例えば透析もしくはふる
いクロマトグラフィで脱塩し、次いで脱塩された画分を、下記のようにしてアニ
オン交換クロマトグラフィに直接かける。しかし好ましい態様では、硫酸アンモ
ニウム画分は最初に、疎水性相互作用クロマトグラフィにかける。
溶解された硫酸アンモニウム画分を疎水性相互作用クロマトグラフィにかける
前に、塩を添加して、PMTが疎水性相互作用媒体と結合するのを保証するのに
充分高い塩濃度を与える。添加する塩の好ましい濃度は1.5Nである。添加さ
れる好ましい塩はNaClである。他の有用な塩は硫酸アンモニウムである。
好ましい疎水性相互作用媒体は、大きさがクロマトグラフィに適し、共有結合
したフェニル基を有する、ほぼ球形粒子の架橋アガロースゲルで構成されている
。このようなフェニルアガロースは、“フェニル−セファロースCL−4B”と
して市販されている(Pharmacia-LKB ,Inc.、米国、ニュージャージー州、ピス
カタウエイ、カタログ番号:17−0810−01)。
水和フェニルアガロースを、標準の方法を用いて適切なクロマトグラフィのカ
ラムに充填し、pHが約7.2〜8.3好ましくは約7.5の高塩平衡化緩衝液
で、約4〜8℃にて平衡化する。好ましい高塩平衡化緩衝液は、有効量の、緩衝
剤、重金属キレート化剤、水活性変性剤および還元剤、ならびに約1.5〜2.
0Mの濃度の塩を含有している。最も好ましい高塩平衡化緩衝溶液は、約10m
Mのトリス(pHは約7.5)、約1.5MのNaCl、約1mMのEDTA、約2
mMのDTTおよび約20%(V/V)のグリセリンを含有している。
塩で調節された可溶性抽出液の試料(フェニルアガロースの充填カラム容積1
ml当り約0.5〜2.0mlの抽出液)を、平衡化されたフェニルアガロース
カラムに注入し、溶出液にタンパク質性物質が特に含有されなくなるまで、カラ
ムを平衡化緩衝液で洗浄する。緩衝剤が紫外光を透過するならば、上記の状態は
約280nmの波長の紫外光の吸光度を測定することによって決定される。一般
に、フェニルアガロースカラムを、約5〜7倍カラム容積の平衡化緩衝液で洗浄
する。PMTは、疎水性相互作用媒体に
結合して残留する。
フェニルアガロースマトリックスに依然として吸着されているタンパク質(P
MTを含む)は、次に4〜8℃にて、負荷塩濃度が(好ましくは約1.5M)か
ら約0.0Mまで減少する線状塩勾配液を含有する、カラムの約4〜6倍容積の
溶離緩衝液を用いて溶離し、次にカラムの2〜3倍容積の追加の塩なし溶離緩衝
液で溶離する。好ましくは、溶離緩衝液は、トリス(約10mM)(pHは約7
.5)、DTT(約2mM)およびEDTA(約1mM)とグリセリン(約20
%V/V)を含有している。
約0.01〜0.03倍カラム容積の画分を集め、以下のようにしてPMT活
性を、280nmの波長光の吸光度について検定した。一般に集めた溶出液画分
は、約1〜2倍のカラム容積と、約0.4〜2.5mg/mlのタンパク質濃度
をもっている。
好ましいNaCl以外の塩も、前記の緩衝液に用いることができることは理解され
るであろう。かような塩には、塩化カリウムおよび硫酸アンモニウムが含まれる
。
この発明の精製方法の重要な工程は、下記のようにして実施される新規なアニ
オン交換クロマトグラフィの工程である。この工程を実施するには、カラムに添
加されるタバコ植物抽出液(例えば、好ましくはフェニルアガロース溶出液)は
、抽出液中のPMTがアニオン交換媒体に結合するようなpHと化学組成でなけ
ればならない。すなわち、抽出液は、pHが約7.2〜8.3で、約0.0〜1
0mM塩を含有していなければならず、好ましくはさらに以下
のものすなわち、約5〜10mMの緩衝剤、約1〜10mMの還元剤、約10〜
30%(V/V)の水活性変性剤、および約1〜5mMの重金属キレート化剤を
含有すべきである。最も好ましくは、タバコ植物抽出液は、10mMのトリス/
HCl (pH7.5)、2mMのDTT、1mMのEDTAおよび20%(V/V
)のグリセリンを含有している。
当該技術分野の熟練者には、勿論、タバコ植物抽出液のpHと塩濃度を、上記
の数値から一斉に変化させて、PMTが依然としてアニオン交換媒体と結合する
負荷状態にすることができることは明らかであろう。特に、塩濃度を増加すると
一般に、タンパク質のアニオン交換媒体に対する結合性が減少し、またpHを上
昇させると、一般にタンパク質のアニオン交換媒体に対する結合性が増大する。
それ故に当該技術分野の熟練者は、PMTがアニオン交換媒体と結合する、上記
以外の塩濃度とpHの各種の組合せを容易に決定することができるであろう。可
能なpH/塩濃度の組合せの唯一の制約は、pHが、PMTを変性し不活性化す
るほどに高くないということである。一般に、PMTは、約9以上のpHに有意
な時間暴露すべきではない。
上記のことから、アニオン交換媒体に添加されるタバコの根の抽出液が硫酸ア
ンモニウムによる画分か、または上記の疎水性相互作用クロマトグラフィの工程
からの溶出液の場合、その抽出液は、適当な緩衝液に脱塩しなければならないこ
とは明らかである。この脱塩は標準の方法で達成される。例えば、ゲル瀘過クロ
マトグラフィ(例えばセフ
ァデックスG−25を用いる)または透析が、公知の方法を用いて利用できる。
このような脱塩は透析で行うのが好ましい。
好ましい方法では、前記の疎水性相互作用クロマトグラフィ工程から集めた溶
出液(または他の高温タバコ根抽出液)は、集めた溶出液もしくは抽出液1ml
当り約15〜25mlの透析緩衝液に対して、約4〜8℃にて約8〜20時間、
透析される。透析緩衝液は撹拌する方が好ましい。10000KDカットオフの
透析膜が好ましい。透析緩衝液の化学組成とpHは、透析画分中のPMTが、前
記のようにアニオン交換媒体で保持されるように選択される。
アニオン交換媒体は、一つ以上の機能性のアニオン交換部分を有し、クロマト
グラフィに適した大きさの比較的硬質の粒子(例えば架橋されたアガロース)で
構成されていなければならない。かようなアニオン交換部分は、ジエチルアミノ
エチル、ポリエチレンイミン、第三級アミノ、第四級アミノ、p−アミノベンジ
ルおよびジエチル−(2−ヒドロキシプロピル)アミノエチルからなる群から選
択される。このような媒体は市販されている。ジエチルアミノエチル(“DEA
E”)部分を持っているアニオン交換媒体が好ましい。DEAE−アガロース(
“DEAE-Sepharose,Fast Flow”、Pharmacia-LKB,Inc.、米国、ニュージャージ
ー州、ピスカタウエイ、カタログ番号:17−0709−01)が最も好ましい
。
アニオン交換媒体は、標準方法によって、平衡化緩衝液のpHと塩の状態に平
衡化される。
平衡化されたアニオン交換媒体は、次いで、底部に、媒体を保持する手段(例
えば半融ガラスディスク)と出口管とを有するカラム(すなわち中空管)に標準
の方法で充填する。次にカラムの頂部にふたをし、入口管に接続する。次いで、
好ましくは平衡化緩衝液をカラムに通過させ、通過液のpHと伝導率を監視して
、媒体が適正に平衡化されていることを保証しなければならない。
カラムは、添加されるタバコ植物抽出液中のタンパク質が、すべて結合した場
合、媒体の容量のわずかに約50%を占めるのに充分なアニオン交換媒体を含有
していなければならない。例えば添加されるタバコ植物抽出液が上記の透折され
たフェニルアガロース溶出液の場合、カラムには、透析されたフェニルアガロー
ス溶出液1ml当り約0.04〜0.10ml(充填カラム容積)のDEAE−
アガロースが入っていなければならない。
好ましくは、カラムに媒体を充填し、タバコ植物抽出液を添加するときと同じ
温度で媒体を平衡化する。カラムが、タバコ植物抽出液を添加するときの温度よ
り暖かい温度で洗浄もしくは溶離する場合、アニオン交換マトリックスを含有す
るスラリーは、カラムに充填する前に脱ガスを行う。
アニオン交換媒体に添加されるタバコ植物抽出液について先に述べたように、
アニオン交換媒体の平衡化緩衝液は、PMTが媒体によって保持されるようなp
Hと化学組成をもっていなければならない。同様に、当該技術分野の熟練者は適
切なpH/化学組成の組合せを容易に決定するこ
とができる。好ましい平衡化緩衝液には、特に塩は全く添加されておらずpHは
約7.2〜8.3であり最も好ましいのは7.5である。より好ましい平衡化緩
衝液は、有効量の、緩衝剤、重金属キレート化剤、還元剤および水活性変性剤を
含有している。最も好ましい平衡化緩衝液は、10mMのトリス/HCl (pH7
.5)、1mMのEDTA、2mMのDTTおよび20%(V/V)のグリセリ
ンを含有している。
タバコ植物抽出液、平衡化緩衝液およびアニオン交換媒体はすべて、平衡化、
負荷およびカラムの洗浄の前および実施中、温度が好ましくは約2〜10℃であ
り、最も好ましくは約4〜8℃である。
タバコ植物抽出液は、約0.1〜0.3倍容積/分の流量で添加される。タバ
コ植物抽出液を添加して通過した流体は、事実上PMTを含有していないので廃
棄される。次にカラムは、タンパク質性物質の溶出が低レベルで安定化するまで
平衡化緩衝液で洗浄する。その平衡化緩衝液が280nmで吸光する緩衝剤を含
有していない場合は、カラムを、280nm波長の紫外光の吸光度が低レベルで
安定化するまで溶離緩衝液で洗浄する。一般に、アニオン交換媒体は、5〜10
倍容積の、10mM NaCl 含有平衡化緩衝液で洗浄し、次いで別の3〜10倍容
積の、NaClなしの平衡化緩衝液で洗浄する。PMTは上記洗浄工程中アニオン交
換媒体に保持されている。
洗浄後、PMTは、有効量のポリアミンを含有する溶離緩衝液で、アニオン交
換媒体から溶離されるが、溶離温度
、および溶離緩衝液のpHと化学組成は、ポリアミンがなければPMTがアニオ
ン交換媒体に保持される条件である。
溶離緩衝液中のポリアミンは、プトレッシン、N−メチルプトレッシン、スペ
ルミン、スペルミジン、アグマチン、カダベリンおよびその混合物からなる群か
ら選択される。プトレッシンが好ましいポリアミンである。ポリアミンは、溶離
緩衝液中、約0.5〜50mM、好ましくは1〜10mM、最も好ましくは約5
mMの濃度で存在していなければならない。
溶離緩衝液はさらに、有効量の、緩衝剤、重金属キレート化剤、還元剤および
水活性変性剤を含有していることが好ましい。これらの成分は、抽出緩衝液につ
いて先に述べたものと同じである。有効量のこれら成分は、当該技術分野の熟練
者によって、余分の試験をせずに測定することができる。溶離緩衝液のpHは、
約7.2〜8.3、好ましくは約7.5でなければならない。アニオン交換媒体
の平衡化緩衝液にポリアミンを補充すると、適切な溶離緩衝液になる。適切な溶
離緩衝液は、10mMのトリス/HCl (pH7.5)、1mMのEDTA、20
%(V/V)のグリセリン、2mMのDTT、および5mMのプトレッシン(1
,4−ジアミノブタン)(Sigma Chemical Co.、米国、ミズリー州、セントルイ
ス、カタログ番号:P7505)を含有している。
アニオン交換カラムからのPMTの溶離は、約18〜26℃(すなわち室温)
で行うのが好ましい。溶離緩衝液と
アニオン交換カラムは、溶離が開始される前に、選択された溶離温度でなければ
ならない。
PMTをカラムから溶離するには、溶離緩衝液を、約0.02〜0.10倍の
カラム容積/分の流量で添加し、画分はカラムの底部から集める。また溶出液は
単一の溶出液プールに集められる。最も好ましい溶離方法では、約1倍容積の溶
離緩衝液がカラムに添加され、次に流動を停止させる。アニオン交換媒体は、溶
離緩衝液の1部と約1〜6時間、好ましくは約1時間接触したままにしておく。
次いで溶離緩衝液の添加を再開する。
PMTはアニオン交換媒体から極めてゆっくりと溶出させる。一般に、アニオ
ン交換媒体は、約40〜70倍容積の溶離緩衝液で溶離され、最も好ましくは、
少なくとも50倍容積の溶離緩衝液で溶離される。PMTの溶離状態を監視する
ために、溶離された画分のPMT活性が下記のようにして検定される。
PMTは比較的希薄な状態で比較的大容積で回収されるので、アニオン交換溶
出液を濃縮することが望ましい。その溶出液は、例えばアニオン交換媒体の溶離
緩衝液の存在下、PMTに対して親和性を有するクロマトグラフィ媒体に添加さ
れ、そのクロマトグラフィ媒体から、結合物質を、良好な収率で比較的濃縮した
形態で溶出することができる。あるいは、PMTは沈澱させてもよい。この発明
の好ましい方法では、溶離中、アニオン交換カラムの出口は濃縮カラムの入口に
接続されている。このようにして、溶離されたPMTはアニオン交換カラムから
流出して直接に濃
縮カラムに入り、そこで吸着される。PMTのアニオン交換カラムからの溶離が
完了した後、そのカラムの出口を濃縮カラムからはずし、PMTを濃縮カラムか
ら溶離する。
好ましい濃縮カラムは、ω−アミノヘキシルアガロース(“ω−アミノヘキシ
ル−セファロース4B”、Sigma Chemical Co.、米国、ミズリー州、セントルイ
ス、カタログ番号:A8894)(“AHS”)を、アニオン交換カラムの10
〜30%のカラム容積で利用する。PMTは、比較的高い濃度の塩、好ましくは
1.5M NaCl を含有する溶離緩衝液で、このカラムから溶離される。溶離緩衝
液は、好ましくは、さらに、有効量の、緩衝剤、重金属キレート化剤、還元剤、
および水活性変性剤を含有している。最も好ましい溶離緩衝液は、1.5MのNa
Cl、10mMのトリス/HCl (pH7.5)、1mMのEDTA、20%(V/
V)のグリセリンおよび2mMのDTTを含有している。濃縮カラムは、4〜8
℃で負荷され溶離されるのが好ましい。
濃縮カラムからの最初の4〜8倍容積の溶出液が、PMTの活性の大部分を含
有している。その画分は、好ましくは限外瀘過装置(Amicon Corp.米国、マサチ
ューセッツ州、ダンバースが市販している“セントリコン30”など)でさらに
濃縮される。限外瀘過を行った後、試料は一般に約0.04〜0.70mg/m
lのタンパク質濃度をもっている。いくつものかような濃度カラムからの一般に
PMTを含有している画分を集めてさらに濃縮する。
アニオン交換と試料濃縮の工程の後に得られたPMTは
さらに分取規模の等電点焦点化電気泳動法で精製される。等電点焦点化電気泳動
法では、試料の混合物を、安定化したpH勾配液中に置き、次いでこの勾配液に
電圧を印加する。各タンパク質種は、そのたんぱく種の正味の電荷が零のpH勾
配液の点にむかって電気泳動的に移動する。タンパク質の正味の電荷が零の場合
のpHは、そのタンパク質の等電点と呼称される。
スクロース溶液類とポリアクリルアミドゲル類を含む各種のpH勾配液安定化
媒体を使用することができる。同様に、pH勾配液を分画して、等電点焦点化電
気泳動法の後タンパク質を回収する各種の方法を採用することができる。pH勾
配液分画法は、勾配液安定化媒体と適合性であるように選択しなければならない
。
好ましいpH勾配液安定化媒体は、ガラス管に入れたスクロース溶液(密度勾
配液)である。最も好ましくは、スクロース密度勾配液は、pHが約5〜約6の
範囲にあるpH勾配液を含有している。好ましい勾配液分画法では、活栓を通じ
て液体の流量が正確に制御される。集められた画分は、pHとPMT活性につい
て試験される。等電点焦点化電気泳動法の装置、化学薬品およびプロトコールは
いくつもの商業的企業から入手できる。
この発明の方法で単離されたPMTは他のタバコタンパク質を実質的に含有せ
ず、PMTは製剤中の支配的なタンパク質である。製剤中の少数の汚染タバコタ
ンパク質は、ドデシル硫酸ナトリウムポリアクリルアミドゲル電気泳動法(“S
DS−PAGE”)によって、標準の方法にした
がって分離される。このようにして、アミノ酸配列分析用に充分純粋なPMTが
得られる。PMTの特性決定
タバコPMTは、SDS−PAGEで測定した場合、約55〜65キロダルト
ンの分子量を有し、等電点焦点化電気泳動法で測定した場合、pHが約5.0〜
6.0の未変性の等電点を有することが特徴である。
さらに、タバコPMTは、S−アデノシルメチオニンのメチル基をプトレッシ
ンのδ−アミノ基へ転移させる反応を触媒する性能、およびプトレッシンに対す
る高い基質特異性を特徴としている。
ミカエリス・メンテン定数(Km)は、初期の反応速度が、最大反応速度の1
/2に等しくなるときの基質濃度として定義される。Km値は、同じ反応を触媒
する別個の酵素種については広く変化する。したがってKmの測定値は酵素に対
して有用な“同定マーカー”である。軽度に精製されたタバコPMTは、プトレ
ッシンについてのKm値が約300〜500μMであることを特徴としている。
この発明の高度に精製されたタバコPMTは、S−アデノシルメチオニンについ
てのKm値が約100〜150μMであることを特徴としている。PMTの部分アミノ酸配列の決定
アミノ酸配列の分析の準備として、標準のSDS−PAGE法を用いて、アニ
オン交換、試料の濃縮および等電点焦点化電気泳動法の工程の後に残留している
少数の汚染タンパク質類からPMTを分離する。SDS−PAGE法に
ついての詳細なプロトコールは、Laemmli 、“Cleavage of Structural Protein
s During the Assembly of the Head of Bacteriophage T4”、Nature、22
7巻、680〜685頁、1970年、および電気泳動法装置のメーカーから提
供されるマニュアルに見られる。公知の方法によって、個々のタンパク質を含有
するバンドを、薄いシートもしくは膜に電気泳動的に転移させ(電気ブロットさ
せ)、それに保持させ視覚化する。公知の一つの方法では、タンパク質のバンド
を、ポリヨウ化(4−ビニル−N−メチルピリジニウム)のような疎水性ポリカ
チオンでコートされたガラス微小繊維のシートに電気ブロットさせ、次にフルオ
レサミンのような非アニオン性薬剤によって視覚化する。他の方法は、タンパク
質を、ポリ二フッ化ビニリデンの膜の上に(“Immobilon−P”、Millipore 、
米国、マサチューセッツ州、ベッドフォード)、電気ブロットさせ、アミドブラ
ックのようなアニオン染料で、バンドを視覚化する方法である(Bauw等、“Alte
rations in the Phenotype of Plant Cells Studied by NH2-Terminal Amino Ac
id Sequence Analysis of Proteins Electroblotted from Two-Dimensional Gel
-Separated Total Extracts ”、Proc.Nat.Acad.Sci.USA、84巻、4806
〜4810頁、1987年;A Practical Guide to Protein and Peptide Purif
ication for Microse-quencing、Paul T.Matsudaira編集、Academic Press、米
国、ニューヨーク、1989年)。
単離されたタンパク質を、電気泳動ゲルから転移させ、
転移させたタンパク質を視覚化する上記方法が好ましい。しかし、電気泳動法で
単離されたタンパク質を配列分析用に準備するのに用いられる材料と方法の変化
は、この発明から除外されないということは、当該技術分野の熟練者にとって明
らかなことであろう。
バンドを構成する精製PMTは、見掛けの分子量(すなわち約60KD)で同
定される。タンパク質のバンドを電気泳動ゲルから膜に移転させ、移転させたバ
ンドを視覚化した後、精製PMTの個々のバンドを有する膜片を、隣接するタン
パク質のバンドによる汚染を避けて正確に切取る。
タンパク質バンド(上記のようにして単離された)を構成する精製タバコPM
Tについて、標準の自動測定法によってアミノ未端配列を分析する。タバコPM
Tタンパク質は、配列番号1、配列番号2および配列番号3から選択されるアミ
ノ酸配列を含有している。
配列番号1は、“a1”バンド(図5)からの配列であり配列番号2は“a2
”バンド(図5)からの配列である。配列番号3は、配列番号1と配列番号2の
共通配列である。
密接している精製タンパク質のバンドからの配列が高度に相同性なことは、複
合形のタバコPMTタンパク質が存在していることを示唆している。このような
複合形のタバコPMTタンパク質は、単一の遺伝子産物の翻訳後の修飾から、ま
たは複合形PMTの遺伝子から生成する。PMT DNA配列のクローン化
この発明のPMTタンパク質の部分アミノ酸配列(配列番号1、配列番号2、
配列番号3)は、次のようなオリゴヌクレオチドのセットを設計するのに用いら
れる。すなわちそのオリゴヌクレオチドの一つ以上が、タバコ根cDNAライブ
ラリー中のPMT配列と選択的に雑種を形成する。この選択的な雑種形成は、P
MTタンパク質の一部もしくは全体をコードする配列を含有するcDNAクロー
ンを同定するのに用いられる。アミノ酸配列からのオリゴヌクレオチドプローブ
の設計についての説明は、Sambrook等、Molecular Cloning-A Laboratory Manua
l、Cold Spring Harbor Press、1989年の11章に記載されている。
かようなオリゴヌクレオチドプローブの合成は、市販の自動装置で日常実施さ
れている。
cDNAライブラリーの構築は、現在、分子生物学の研究所では日常の作業で
ある(Sambrook等の前記文献の8章参照)。同様に、対象の配列を含有するクロ
ーンを同定するために、オリゴヌクレオチドプローブによってcDNAライブラ
リーをスクリーニングすることは現在周知のことであり、当該技術分野の熟練者
の能力内に充分含まれている。cDNAライブラリーをスクリーニングするのに
オリゴヌクレオチド類を使用することについての説明は、Sambrook等の前記文献
の実験室マニュアルの11章に記載されている。オリゴヌクレオチドプローブと
の雑種形成反応に基づいて選択されたcDNAクローンは、大きさ、制限部位の
存在およびヌクレオチド配列に特徴がある。このようなDNA分析法は、Sambro
ok等の前記文献、およびAusube
l等、Short Protocols in Molecular Biology、Green Publishing Associates a
nd Wiley Interscience、米国、ニューヨーク、1989年に充分に記載されて
いる。このようにして得られたいずれのPMT cDNAクローンも、それ自体
、ほかのPMT cDNAクローンの同定に用いるプローブとして使用できる。
タバコ[ニコチアナ・タバクム L.var.(Nicotiana tabacum L.var.)N
K326]のゲノムライブラリーは市販されている(Clonetech Laboratories,
Inc.、米国、カリフォルニア州パロ・アルト)。前記のゲノムライブラリーは、
販売者が提供するプロトコールにしたがってスクリーニングされ、タバコPMT
をコードする染色体遺伝子が得られる。
前述の方法に加えて、当業者は所望のPMT cDNAクローンを得るために
複製連鎖反応(“PCR”)法を有利に使用することができる。PCRの基本的
原理は既知の配列の二つの領域間にあるDNAの部分の急速な増幅である。様々
なPCR技術が特異なDNA分子の発見、分析及び構築に使用するために開発さ
れてきた。PCR技術の多数の用途のための装置、化学薬品及びプロトコールが
商業的に利用できる。PCR法の一般的な論述としては、Sambrookら著(supra
)のchapter14を参照されたい。
本発明の実施に好適なPCR法はRNA PCRと知られているものである。
RNA PCRには二つの基本的な工程がある:
(1) リバースプライマーの存在下で鋳型としてRNAを
使用して第1cDNAストランドの逆転写酵素合成、及び
(2) 相補的cDNAストランドのポリメラーゼ合成の後、フォーワード及びリバ
ースの両方のプライマーの存在下で両ストランドのTaqポリメラーセ増幅。
PMT cDNA分子は既知のPMT部分アミノ酸配列に基づいたオリゴヌク
レオチドプライマーとともに鋳型としてタバコ根poly (A+ )RNAを使用し
て、RNAPCR法の適用によって得てもよい。
従って、この発明はタバコPMTタンパク質をコードする組換えDNA分子を
提供する。センス又はアンチセンス配向でPMT DNA配列で安定的に形質転換されたト ランスジェニックタバコ細胞及び植物の製造
この発明は、タバコPMTタンパク質をコードしPMTアンチセンスRNA分
子をコードする規則的配列に作動可能に連結された組換えDNA分子で安定的に
形質転換されたトランスジェニックタバコ細胞及び植物を提供する。
形質転換されていないコントロールタバコ植物よりニコチン含量が少ないタバ
コ植物を製造するためには、タバコ細胞は適切な作動可能に連結された規則的配
列でアンチセンス配向でクローン化された、部分的なPMT cDNA配列、フ
ルレングスのPMT cDNA配列、部分的なPMT染色体配列、又はフルレン
グスのPMT染色体配列を含有する人工PMTアンチセンス転写単位で形質転換
される。適切な規則的配列としては、転写開始配列(“プロモーター”)及びポ
リアデニル化/転写終結配列が含まれる
。
トランスジェニックタバコ植物中のアンチセンス配列の発現には、一般にハナ
ヤサイ・モザイクウイルス(CaMV)35Sプロモーターを使用する(例えば、Co
rnelissen等、“Both RNA Level and Translation Efficiency are Reduced by
Anti-Sense RNA in Transgenic Tobacco”、Nucleic Acids Res.、17巻、83
3〜843頁、1989年;Rezaian等、“Anti-Sense RNAs of Cucumber Mosai
c Virus in Transgenic Plants Assessed for Contol of the Virus”、Plant M
olecular Biology、11巻、463〜471頁、1988年;Rodermel等、“Nu
clear-organelle Interactions:Nuclear Antisense Gene Inhibits Ribulose B
isphosphate Carboxylase Enzyme Levels in Transformed Tobacco Plants”、C
ell、55巻、673〜681頁、1988年;Smith 等、“Antisense RNA Inh
ibition of Polygalacturonase Gene Expression in Transgenic Tomatoes”、N
ature、334巻、724〜726頁、1988年;Van der Krol等、“An Ant
i-Sense Chalcone Synthase Gene in Transgenic Plants Inhibits Flower Pigm
entation”、Nature、333巻、866〜869頁、1988年を参照)。この
発明の形質転換されたタバコの細胞と植物内で、PMTを発現するのにCaMV35
Sプロモーターを用いることが好ましい。タバコの根の中で、他の組換え遺伝子
を発現するためにCaMVプロモーターを用いることは充分に報告されている(Lam
等、“Site-Specific Mutations Alter In Vitro Factor Binding and Change
Promoter Expression Pattern in Transgenic Plants ”、Proc.Nat.Acad.Sc
i.USA、86巻、7890〜7894頁、1989年;Poulsen 等、“Dissecti
on of 5’Upstream Sequences for selective Expression of the Nicotiana p
lumbaginifolia rbcs −8B Gene ”、Mol.Gen.Genet.、214巻、16〜2
3頁、1988年)。
CaMV35Sプロモーターを使用する方が好ましいけれども、他のプロモーター
がタバコ植物内に異種遺伝子を発現するのに成功裡に用いられることは明らかで
あり、CaMV35Sプロモーター以外のプロモーターを使用することもこの発明の
範囲に含まれる。
各種の転写終結配列が知られている。転写終結配列の起源と同一性は主として
便宜上の問題である。例えば、ノパリンシンターゼ(“NOS”)、オクトピン
シンターゼ(“OCS”)およびCaMVポリアデニル化/転写終結配列は、トラン
スジェニックタバコ植物中で異種の遺伝子を発現させるのに用いられ、PMT配
列の発現に有用である(例えばRezian等の前記文献およびRodermel等の前記文献
参照)。
次に、制限地図の作成、サザンブロット雑種形成法、およびヌクレオチド配列
分析法のような標準方法を使用して、アンチセンス配向でPMT配列を有し、調
節配列(すなわちプロモーターと、ポリアデニル化/転写終結配列)に作動可能
に連結されているクローンを同定する。
外因性DNAで安定に形質転換されたトランスジェニック細胞を製造するため
に、タバコ細胞のゲノムに外因性D
NAを導入するのに適用できるよく発達した方法がある。多数の公知の、タバコ
細胞形質転換法のいずれかを、この発明を実施するのに使用できる。タバコ細胞
の形質転換法は、アグロバクテリウム(Agrobacterium )系の成分を用いるか否
かに基づいて簡便に分類される。
アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefasciens)は、
“T−DNA”(転移されたDNAとして)と呼ばれるヌクレオチド配列を有す
るプラスミドを有し、かつ天然の双子葉植物(タバコを含む)の染色体に効率的
に転移され組込まれ、感染した植物に腫瘍を成長させるグラム陰性菌である。異
種のDNAを植物の染色体に組込むための天然産のベクター系は、植物の遺伝子
工学で、広く研究され、変性され、間発されている(Deblaere等、“Efficient
Octopine Ti Plasmid-Derived Vectors for Agrobacterium-Mediated Gene Tran
sfer to Plants”、Nucleic Acids Research、13巻、4777〜4788頁、
1985年)。調節配列に対しセンス配向もしくはアンチセンス配向で作動可能
に連結されたPMT DNA配列を含有する裸組換えDNA分子を、適当なT−
DNA配列に通常の方法によって接続する。これらを、ポリエチレングリコール
法または電気穿孔法によって(両法とも標準の方法)、タバコの原形質体中に導
入される。あるいはPMTをコードする組換えDNA分子を含有するかようなベ
クターを、生アグロバクテリウム細胞に導入する。次いでこの細胞がそのDNA
をタバコ植物細胞に転移させる(Rogers等、“Gene Transfer in Plants :Prod
uction of Tr
ansformed Plants Using Ti Plasmid Vectors”、Methods in Enzymology 、1
18巻、627〜640頁、1986年)。
アグロバクテリウム法は当該技術分野では広く用いられているが、この発明の
方法では必要な要素ではない。T−DNAベクター配列をもっていない裸DNA
による形質転換は、タバコ原形質体をDNA含有リポソームと融合させるかまた
は電気穿孔法によって行うことができる(Shillito等、“Direct Gene Transfer
to Protoplasts of Dicotyledonous and Monocotyledonous Plants by a Numbe
r of Methods,Including Electroporation ”、Methods in Enzymology 、15
3巻、313〜316頁、1987年)。T−DNAベクター配列をもっていな
い裸DNAも、不活性高速マイクロプロジェクティル[BIOLISTIC (登録商標)
Particle Delivery System、Dupont、米国、デラウエア州、ウイルミントン)に
よって、タバコ細胞を形質転換するのに用いることができる。
この発明の形質転換されたタバコ細胞とタバコ植物を作製するのに使用される
PMT組換えDNA分子とベクターは、さらに、優性の選択マーカー遺伝子を含
有する方が好ましい。タバコに用いるのに適切な優性の選択マーカーには、ネオ
マイシンホスホトランスフェラーゼ、ハイグロマイシンホスホトランスフェラー
ゼおよびクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼをコードする抗生物
質耐性遺伝子が含まれる。タバコに用いるのに適切な、その外の公知の優先の選
択マーカーは、メトトレキセート耐性ジ
ヒドロ葉酸レダクターゼをコードする変異体のジヒドロ葉酸レダクターゼ遺伝子
である(Deblaere等の前記文献)。適切な抗生物質耐性遺伝子を含有するDNA
ベクターおよび対応する抗生物質は市販されている。
形質転換されたタバコ細胞は、選択された優性の選択マーカー遺伝子の産生物
が耐性を与える抗生物質(またはタバコ細胞に対して通常毒性の他の化合物)を
適当な濃度で含有する培地に、細胞の混合集団を入れることによって、未形質転
換細胞の周囲の集団から選択される。したがって、形質転換されたタバコ細胞だ
けが生存し増殖する。
形質転換された細胞は、当該技術分野で公知のタバコ細胞と組織の培養法を適
用することによって、誘導されて、無傷で実りあるタバコ植物を再生する。植物
再生方法は、形質転換法と整合するように選択される。推定のトランスジェニッ
クタバコ植物のゲノム(genome)中にPMT配列が安定に存在して配向している
ことの検定は、PMTの配列のメンデルの遺伝によって行われ、制御された交雑
によってもたらされる子孫に対して行われる標準のDNA分析によって明らかに
なる。
トランスジェニックタバコ植物を、形質転換された細胞から再生させた後、導
入されたPMT配列は、通常の植物増殖法で余分の実験なしで他のタバコ変種に
容易に転移される。
PMTアンチセンストランスジェニックタバコ植物の減少したレベルのニコチ
ンは標準のニコチン検定法で検定される。
上記の組換えDNA法を知っていれば、全長のPMTcDNA分子または全長
のPMT染色体遺伝子を用いて、適当な作動可能に連結された調節配列をセンス
配向で連結させて、トランスジェニックタバコ細胞とトランスジェニックタバコ
植物を構築することができることが分かる(また当該技術分野の熟練者は、セン
ス配向で遺伝子を発現する適当な調節配列が、上記のプロモーターとポリアデニ
ル化/転写終結配列に加えて、公知の真核翻訳開始配列のいずれか一つを含んで
いることが分かるであろう)。このような形質転換されたタバコ植物は、PMT
タンパク質のレベルが増大し、したがって未形質転換の対照のタバコ植物よりニ
コチン含有が高いことが特徴である。
それ故に、PMT DNA配列を用いて、PMTタンパク質のレベルを減少さ
せるかまたは増加させて、タバコ植物中のニコチン含量を減少させるかまたは増
加させることがこの発明の範囲に含まれることは理解すべきである。
この発明を一層よく理解するために以下に実施例を示す。これらの実施例は例
示することだけを目的とするもので、この発明の範囲を限定するものではない。
実施例緩衝溶液の組成 緩衝液A
50mMのトリス/HCl 、pH7.5
5mMのEDTA(遊離酸)
20%(V/V)のグリセリン
2mMのDTT
0.5%(W/V)のアスコルビン酸ナトリウム
2%(W/V)のPEG400
0.4mg/lのPMSF(1mg/mlの貯蔵溶液由来)
0.4mg/lのロイペプチン(1mg/mlの貯蔵溶液由来)
100g/lのPVPP
40g/lのアンバーライトXAD−4緩衝液B
10mMのトリス/HCl 、pH7.5
1mMのEDTA(遊離酸)
20%(V/V)のグリセリン
2mMのDTT
0.4mg/lのPMSF(1mg/mlの貯蔵溶液由来)
0.4mg/lのロイペプチン(1mg/mlの貯蔵溶液由来)緩衝液C
10mMのトリス/HCl 、pH7.5
1mMのEDTA(遊離酸)
20%(V/V)のグリセリン
2mMのDTTプロテアーゼ阻害剤の貯蔵溶液
PMSF(1mg/ml)をジメチルホルムアミドに溶解し、2.1mlずつ
を、使用するまで−20℃で貯蔵した。ロイペプチン(1mg/ml)を蒸留水
に溶解し、2
.1mlずつを、使用するまで−20℃で貯蔵した。粗製抽出液の製造
水耕栽培法で栽培したタバコ(ニコチアナ・タバクム L.var.バーレイ21)
植物の根の約1Kgを、摘花してから3日後に収穫した。収穫した根を冷水で洗
浄しブフナー漏斗に入れて水を吸引して除去した。洗浄した根を−80℃に冷凍
して貯蔵した。冷凍した根を、1ガロンワーリングブレンダー中で予め冷却して
スラリーにしておいた2.51の緩衝液に添加した。根を大きなスプーンで緩衝
液スラリーと混合した。ブレンダーを低速度設定で運転を開始し、次に中速度設
定でホモゲナイゼーションを行った。ホモジネートの温度が3〜5℃より高くな
らないように注意した。
得られた抽出物を遠心分離びんに入れ、13680×gで70分間4℃で遠心
分離して不溶性の破片をペレット化した。
上澄み液をデカントしたがその容積は2.371であった。約0.77gのD
TTを抽出液に添加した。硫酸アンモニウムによる分画
硫酸アンモニウムの結晶を、抽出液100ml当り22.6gの量で抽出液に
徐々に添加し、硫酸アンモニウムで抽出液を40%飽和度にした。得られた硫酸
アンモニウム含有抽出液を4℃で2時間撹拌した。
40%飽和度の硫酸アンモニウムによる沈澱を、27500×gで30分間4
℃にて遠心分離することによって取出した。抽出液11当り0.33gの追加の
DTTを添加
した。硫酸アンモニウムの結晶を、抽出液100ml当り15.3gの量で抽出
液に徐々に添加して、硫酸アンモニウムの濃度を40%飽和度から65%飽和度
まで増大させた。65%飽和度の硫酸アンモニウム含有の抽出液を一夜4℃で撹
拌した。40〜65%飽和度の硫酸アンモニウムによる画分を、27500×g
で70分間4℃にて遠心分離することによってペレット化し、上澄み液を廃棄し
た。
40〜65%飽和度の硫酸アンモニウムによる沈澱を緩衝液Bに溶解して全容
積を200mlにし、次に17.53gのNaClを添加し、氷上で撹拌して溶解さ
せた。NaClを添加した40〜65%画分の溶液を47800×gで30分間、4
℃で遠心分離し、生成したペレットを廃棄した。
粗製抽出液の製造と硫酸アンモニウムによる分画を、先に述べたのと実質的に
同じようにしてさらに3回実施し、得られた四つの40〜65%飽和度硫酸アン
モニウム画分(各々200ml)をプールした。このようにして製造した800
mlのプールは合計5.239Kgの根の組織に相当するものであった。疎水性相互作用クロマトグラフィ
フェニル−セファロースCL4B(Pharmacia Inc.、米国、ニュージャージー
州、ピスカタウエイ、カタログ番号:17−0810−01)疎水性相互作用カ
ラム(5cm×20cm)を、1.5M NaCl を補充した緩衝液Cで平衡化した
。5.239Kgの根の組織に相当する、800mlのプールの透明な40〜6
5%飽和度硫酸アンモニウム画分を、上記の平衡化したフェニル−セファロース
カラ
ムに注入した。280nm波長光の吸光度の安定したベースラインが得られるま
で(未結合のタンパク質がすべて除去されたことを示す)、カラムを、1.5M
NaCl を補充した緩衝液Cで洗浄した。次に、緩衝液C中1.5Mから0.0M
まで濃度が低下するNaCLの線状勾配液21でPMTを溶離した。追加の緩衝液C
11でさらにカラムを洗浄した。各々12mlずつの画分を収集し、画分を(P
MT活性がピーク時およびその前後では3画分毎に、その外の勾配液の画分では
10画分毎に)、つぎのようにしてPMT活性を連続して検定した。疎水性相互
作用クロマトグラフィを、4℃にて4.7ml/minの流速で実施した。
PMT活性を有するフェノール−セファロース画分#86〜#116をプール
し、得られたプールを絶えず撹拌しながら、91の緩衝液Cに対して約18時間
透析した。透析された試料を100mlずつの四つの部分に分けて−80℃に冷
却した。PMT活性の検定
各反応管に以下のものを入れた。
12.5nmol トリス/HCl 8.3
0.25nmol EDTA
1.25nmol 2−メルカプトエタノール
0.9nmol プトレッシン
0.15nmol 未標識S−アデノシルメチオニン
0.18nmol 〔14C−メチル〕S−アデノシルメ
チオニン
(57nCi/nmol)
酵素試料
合計容積=0.25ml
反応は酵素試料を添加することによって開始され、30℃にて30分間行った
。NaClで飽和した10%(W/V)NaOH溶液0.5mlを添加することによって
反応を停止させた。
放射性生成物、N−[14C−メチル]プトレッシンを、クロロホルムへの溶媒
抽出によって、基質から分離した。反応を停止させた混合物を1mlのクロロホ
ルムとともに90秒間旋回撹拌した後、1600×gavで5分間遠心分離して
有機相と水相に分離させた。次に、有機相の0.5mlを検定した。0.5ml
の有機相を9.5mlの液体シンチレーションカクテル(Beckman Instruments
、米国、メリーランド州、コロンビア)に添加し、放射能を液体シンチレーショ
ンカウンターを用い標準の方法で測定した。
PMT活性の1単位は、30℃にて30分間に生成する生成物の1ナノモルと
定義する。
負の対照がすべての検定に含まれている。負の対照は、酵素なしの反応混合物
、または時間零の時点でNaOHで反応を停止させた混合物で構成されている。アニオン交換クロマトグラフィ
フェニル−セファロースで精製した100mlずつの二つの試料を解凍し、次
いで、4℃にて緩衝液Cで平衡化したDEAE−セファロース“Fast Flow ”カ
ラム(Pharmacia−LKB、米国、ニュージャージー州、ピスカタウエイ
、カタログ番号:17−0709−01、ロット番号:OB−05854,1c
m×14.5cm)に、4℃にて、1.5ml/minの流速で注入した。
次にDEAE−セファロースカラムを、安定した280nmのベースラインが
得られるまで、10mM NaCl を含有する緩衝液C70mlを用い、1.5ml
/minの流速で洗浄した。次にこのカラムを、NaClなしの緩衝液Cの50ml
で再び平衡化した。次にカラムの温度を室温(24℃)まで上昇させ、カラムの
空隙容量を、5mMプトレッシン(Sigma Chemical Co.、米国、ミズリー州、セ
ントルイス、カタログ番号:P7505、ロット番号:39F0039)含有緩
衝液Cで置換した。カラムを24℃で約1時間、何も通過させずに保持し、次い
で5mMプトレッシン含有緩衝液C632mlを用いて0.7ml/min(1
5時間)の流速で24℃にてPMTを溶離した。吸着によるPMTの濃縮
DEAE−セファロースカラムから溶出させたPMTを、ω−アミノヘキシル
−セファロース4B(“AHS”)(Sigma Chemical Co.、米国、ミズリー州、
セントルイス、カタログ番号:A8894)のカラム(1cm×3cm)(4℃
に保存した)に直接集めた。PMTを、上記AHSカラムから、1.5M NaCl
を含有する緩衝液Cを用いて1.6ml/minの流速で溶離した。12〜15
mlずつの四つの画分を収集し、上記のようにしてPMT活性を検定した。最初
の画分(14.7ml)が、AHS濃縮カラムから回収された全PMT活性の8
0%以上を含有し
ていた。限外濾過
さらに濃縮するために、13.7mlの最初のAHS画分を六つの部分に分け
て、“Centricon 30” (Amicon、米国、マサチューセッツ州、デンバーズ)
限外瀘過装置に入れて約25倍に濃縮した。6台の上記装置からの濃縮液をプー
ルし、塩を添加していない緩衝液Cで約80倍に希釈し、単一の“Centricon 3
0”を用いて、全容積が約150μlになるまで第2回の限外濾過を行った。得
られた150μlの濃縮液を−80℃で貯蔵した。分取等電点焦点化電気泳動
DEAE/AHS工程(限外濾過法による濃縮を含む)で精製したPMTを、
等電点焦点化電気泳動法でさらに精製した。分取規摸の等電点焦点化電気泳動法
を、スクロース密度勾配液中(1.6cm×21cm)で市販の両性電解質(Ph
armacia-LKB、米国、ニュージャージー州、ピスカタウエイ)を使って実施した
。pH勾配液は両性電解質の販売者の説明書にしたがって作製し、pHの範囲を
約5.3〜約6.3とした。1000〜4000ボルトの電圧を印加して(1〜
4ワットの電力)、約3時間焦点化を行った。焦点化を行った後、1mlずつの
画分を集め、各画分のpHとPMTの活性を測定した。焦点化と画分の収集は4
℃で行った。
図4は、等電点焦点化電気泳動を行った後の、PMT相対活性とpH対画分番
号(すなわちスクロース密度勾配の位置)の双対グラフである。図4に示す実験
データは、タ
バコPMTの等電点が約5.7であることを示している。他の等電点焦点化電気
泳動の実験では、タバコPMTのPIは、5.0という低い値と5.8という高
い値を示すようである。実際には、多くの因子が見掛けのPIに影響して、PI
の測定値は通常いくらか変動することは、当該技術分野の熟練者ならば分かるで
あろう。
精製工程の連続した段階におけるPMTの相対純度を比活性の測定値で評価し
た(表1)。表1に示す精製度値(倍)は、タバコの根の粗製抽出液からの実際
の精製度の過小評価値である。なぜならば40〜65%飽和度硫酸アンモニウム
による画分を、活性収率を計算する際に100%としているからである。
また、この発明の方法の連続した段階におけるPMTの
相対純度を、標準のSDS−PAGE法で測定した。図1は、PMT精製工程の
各段階において試料が(銀染色時に)示すSDS−PAGEタンパク質バンドパ
ターンを示す。ゲル上の試料は次のとおりである。レーン1と6:分子量基準タ
ンパク質(後記の図面の簡単な説明の欄に列挙した);レーン2:40〜65%
飽和度硫酸アンモニウムによる画分;レーン3:フェニル−セファロースカラム
由来のPMT活性がピークの画分;レーン4;DEAE/AHS段階由来の濃縮
物質;レーン5:DEAE/AHS段階由来の濃縮物質を等電点焦点化電気泳動
させたもののPMT活性がピークの画分。DEAE/AHSで精製された物質(
レーン4)で支配的なPMTバンド(矢印で示す)が、前出の疎水性相互作用の
段階由来の物質(レーン3)中にはほとんど目視できないことが分かる。タバコPMTの分子量
タバコPMTの見掛けの分子量を、硫酸アンモニウム、フェニル−セファロー
ス、およびDEAE−AHS/限外濾過の精製段階を通過したPMT物質を注入
した非変性の電気泳動ゲル上でPMTを単離した実験で測定した。非変性濃縮用
ゲルの緩衝液は、0.27Mトリス/HCl (pH6.8)、10%(V/V)グ
リセリンおよび20mMの2−メルカプトエタノールを含有していた。非変性1
2.5%ポリアクリルアミド分離用ゲル緩衝液は0.38Mトリス/HCl (pH
8.8)、10%(V/V)グリセリン、および12mMの2−メルカプトエタ
ノールを含有していた。
非変性ゲル由来の単一のレーンを切取り、長さ方向に1/2に切断し、次いで
3mm厚のスライスに切断した。各ゲルスライスの1/2を、標準のPMT検定
混合物に直接入れ、各ゲルスライスの対応する1/2をSDS−PAGEに付し
た。
最高のPMT活性を示した非変性ゲルスライス(図2)は、特に、見掛けの分
子量が約60KDの単一タンパク質を含有していた(図3)。PMTの酵素活性
基質特異性試験を、この発明の高度に精製したタバコPMTについて行った。
1,3−ジアミノプロパンと1,5−ジアミノペンタン(いずれもプトレッシン
の化学的類似体)、ホスファチジルエタノールアミン(メチル基受容体)および
N−メチルプトレッシン(PMTの通常の産生物)をPMTに対する基質として
働く性能について、プトレッシン(1,4−ジアミノブタン)と比較した。1,
3−ジアミノプロパン、1,5−ジアミノペンタンおよびホスファチジルエタノ
ールアミンを、標準のPMT検定法(上記の検定法)でプトレッシンの代わりに
用いた場合、検出可能な量の放射性産生物は生成しなかった。PMTの検定に、
N−メチルプトレッシンをプトレッシンの代わりに用いた場合、放射性産生物の
生成は、プトレッシンで観察したときの6%以下であった。
二つのPMTの基質、すなわちプトレッシンとS−アデノシルメチオニンの見
掛けのKm値を他の基質を過剰に存在させながら、一つの基質の各種の律速濃度
で(上記のよ
うにして)PMT活性を測定することによって決定した。軽度に精製したタバコ
PMTのプトレッシンについてのKmは約400μMであった。高度に精製した
タバコPMTのS−アデノシルメチオニンについてのKmは約125μMであっ
た。軽度に精製されたタバコPMTによってプトレッシンについて見出されたK
m値と、高度に精製されたタバコPMTによってS−アデノシルメチオニンにつ
いて見出されたKm値は、PMTについて発表された値とよく一致している(Mi
zusaki等の前記文献;Feth等、“Determination of Putrescine N-methyltransf
erase By High Performance Liquid Chromatography ”、Phytochemistry、24
巻、921〜923頁、1985年)。アミノ末端アミノ酸配列の分析
配列分析用のタバコPMTは、硫酸アンモニウムによる分画、フェニル−セフ
ァロースクロマトグラフィ、プトレッシンで溶離するDEAEセファロースクロ
マトグラフィ(次いでAHSと限外濾過で濃縮を行う)、およびフリーフロー等
電点焦点化電気泳動法の精製工程にかけた物質を、SDS−PAGE法に付する
ことによって単離した。高度に精製したPMTをSDS−PAGEに付した後、
得られたタンパク質のバンドをポリ二フッ化ビニリデンの膜(“Immobilon ”、
Millipore 、米国、マサチューセッツ州、ベッドフォード)上にエレクトロブロ
ットを行い、次いでアミドブラックを用い、標準方法で視覚化した。“a1”バ
ンド(図5参照)を有する膜片は、タバコPMTの分子量特性を示す高度に精製
された製剤の二つだけのバンド
(図3参照)の一つであるが、これを、隣接する“a2”バンドをさけて切取っ
た。このようにして単離したPMTについて、メーカーが推薦する方法にしたが
って、オンライン120A分析計(パルス液相シークエンサー)を備えたApplie
d Biosystems 477A型を用いてアミノ末端アミノ酸配列分析を行った。
タバコPMTの“a1”バンドのアミノ末端における最初の17のアミノ酸の
配列は、(配列番号1):LeuSer Xaa Asn Phe Leu P
he Gly Thr Ala Ser Ser Xaa Tyr Gln T
yr Gluであることが分かった。
“a2”バンド(図5参照)は、タバコPMTの分子量を示す二つだけのバン
ドの2番目のものであった(図3参照)。“a2”バンド(図5)を作り“a1
”バンドと同様にして分析したところ、“a2”バンドは、以下の部分アミノ酸
配列(配列番号2):Leu Ser Ser Asn Phe Leu Ph
e Gly Thr Ala Ala Pro Tyr Tyr Gln Ty
r Gluを生成した。60kD PMT蛋白質のアミノ末端配列の確認
追加量の60kDタバコPMT蛋白質をアミノ酸配列分析のためにさらに調製
した。このさらなる分析に基づいて、“a1”バンドの最初の29アミノ酸の配
列が(配列番号4):Leu Ser Ser Asn Phe Leu Ph
e Gly Thr Ala Ser Ser Tyr Tyr Gln Ty
r Glu Gly Ala Phe Leu Ser Asp Gly Va
l Gly Leu Ser Asnであることがわかった。CNBrフラグメントの部分的アミノ酸配列
部分的内部(アミノ末端とは対照的)PMTアミノ酸配列を得るために、我々
は上記のようにタバコPMTの電気泳動バンドを単離し、精製したPMTを臭化
シアン(“CNBr”)分解に供した。(CNBrはメチオニン残基で特異的にペプチド
を切断する。)我々はSDS−PAGEによってCNBR反応生成物を分析し、
約15、6.2及び3kDの見掛け分子量を有するCNBRフラグメントを見出
した。我々はポリアクリルアミドゲルから CNBr フラグメントを含有する電気泳
動バンドを削除し、そのバンドから蛋白質を電気ブロットし、そして(上記のよ
うに)そのフラグメントをアミノ酸配列分析に供した。
PMTの15kD CNBRフラグメントの最初の13アミノ酸の配列は(配
列番号5):Phe Ile Thr Glu Asn Gly Phe Al
a Gly Arg Ser Gly Argであることがわかった。
PMTの6.2kD CNBRフラグメントの最初の1
5アミノ酸の配列は(配列番号6):Asn Glu Pro Xaa Phe
Val Ala Ila Ser Gly Tyr Arg Asp Xaa
Thrであることがわかった。
PMTの3kD CNBRフラグメントの最初の20アミノ酸の配列は(配列
番号7):Ala Asp Ile Glu His Tyr Ser Lys
Leu Ile Asp Ala Leu Xaa Ile Lys Gly
Ile Gln Pheであることがわかった。PMT cDNAクローンの単離及び特徴づけ
PMT cDNAクローンを単離するために一般的なRNA PCR法を使用
した。RNA PCR法における鋳型はタバコ根から単離した poly (A+ )R
NAであった。 poly (A+ )RNA製造のための開始材料は水耕栽培で成長し
たタバコ植物(N.tabacum,Var.Burly 21)からの根から構成した。 poly
(A+ )RNAの製造における第1工程は全RNAの製造であった。全タバコ根
RNAの単離は全RNAの製造のための商業的に入手可能なキット(Stratagene
,LaJolla,CA,Cat.No.200345)からの知識と試薬を使用して実行した
。 poly (A+ )RNAは poly (A+ )RNAの製造のための商業的に入手可
能なキット( Pharmacia LKB ,Piscataway ,NJ ,Cat.No.27−9258−
01)を使用して全RNA製造物から単離した。オリゴヌクレオチドPCRプラ
イマーを、精製されたPMT蛋白質から最初に得られた部分アミノ
酸配列データを利用して、標準原理に従って設計した。後の実験では、プライマ
ーは前に単離したcDNAクローンの配列から設計した。PCR法
RNA PCR法を、商業的に入手可能なキット(“GeneAmp RNA PCR
キット”,Perkin Elmer Cetus ,Norwalk,CT )で実行した。その方法はPC
Rキット販売者の忠告に本質的に従った。販売者のプロトコールは次のように修
正された:
逆転写酵素反応
(1) リバースプライマー濃度は2.5μMとした;
(2) poly (A+ )RNA量は逆転写酵素反応について約1μgとした;
(3) 熱サイクルプログラムは42℃60分、99℃10分、4℃10分を1サイ
クル行ない、soaker file 4℃につなげた;
ポリメラーゼ鎖反応
(1) プライマー濃度はそれぞれ2.5μMとした;
(2) Taqポリメラーゼ酵素を、98℃ cDNA変性工程後、最後の反応に添
加した;
(3) 熱サイクルプログラムはステップサイクル file 98℃1分、60℃10分
を1サイクル行ない、94℃1分、50℃2分、72℃3分を30サイクル行な
い、ステップサイクル file 72℃10分を行ない、soaker file 4℃につなげ
た;
標準クロロホルム抽出工程後、各PCR試料の20%
(vol.)を、PCR生成物の電気泳動分析のために2%アガロースゲル上に添加
した。クローン化手順
さらなる分析のために選択されたPCR生成物を、商業的に入手可能なベクタ
ー pBluescript II(SK+ )(Stratagene)にクローン化した。PCR生成物
のアリコートを、 Klenow 酵素で処理し、DNA上に平滑末端を生成した。Klen
ow 反応混合物は次のとおりである:約1μgのPCR生成DNA、80μMの
最終濃度それぞれについて各4つのデオキシヌクレオチド トリホスフェート、
2.5μlの1OX universal 緩衝液(Stratagene)、5単位の Klenow 酵素
(Stratagene)、及び全体積25μlを得るための水。 Klenow 反応を室温で3
0分間続け、75℃10分間、熱不活性化によって停止した。
次いでPCR生成DNAフラグメントを、制限酵素SmaIで消化された pBl
uescript II (SK+)に連結反応(ligated )させた。連結反応混合物は次
のとおりである:約1μgの平滑末端DNA、約0.2μgのSmaI消化 pBl
uescript II 、3μgの1OX連結反応緩衝液(Stratagene)、12単位のT
4 DNAリガーゼ、及び全体積30μlを得るための水。我々は4℃で一晩リ
ガーゼ反応を行ない、75℃10分間、熱活性化によって反応を停止した。
各連結反応の後、次の細菌形質転換法を実施した。商業的に得られるコンピテ
ントE.Coli細胞(“XL1−Blue”細胞、Stratagene)の懸濁液を氷
上で冷却した
。氷上で冷却されている(上記のように連結反応された)DNAの試料に約30
μlの懸濁液を加えた。コンピテント細胞を、連結反応されたDNAの存在下で
、氷上で30分間置いた。次いで42℃の湯浴を使用して、細胞を2分間DNA
の存在下で熱衝撃を与えた。熱衝撃後、細胞とDNAを5分間氷浴に戻した。1
mlのLB培養基の添加後、細胞を、元気良く振盪させて、1時間37℃でイン
キュベートした。次いで細胞を選択培地に置いた。一晩インキュベーションの後
、プレートを、形質転換した細胞のコロニーについて調べた。形質転換細胞の選
択のために、100mg/リットルでアンピシリンを含有するLB培地を使用し
た。
選択された形質転換細胞を、個々の形質転換細胞コロニーの培養から製造した
DNAのPVuII制限分析によって選別した。この選別法は、挿入として所望の
PCR生成物を有するコロニーがPCR生成物より大きな約0.5kbのPVu
IIを生ずるという事実に基づいた。これは、pBluescript II多重クローン化部
位(MCS)(それにPCR生成物がクローン化される)に隣接しながら、ヌク
レオチド位置529及び977にPVuII制限部位があるためである。(販売者
の生成物文献のプラスミドpBluescript IIのマップを参照されたい。)PVuI
I選別で選択されたクローンはさらにDNA配列分析によって分析された。クローン PMT1.2
クローン PMT1.2(約1.2kb)を、、上記のようにRNA PCR
及びクローン化によって得た。鋳型は
タバコ根 poly (A+ )RNAとし、フォーワード及びリバースプライマーはそ
れぞれP−20(配列番号8)及びP−22(配列番号9)とした。プライマー
P−20の配列設計は60kD PMT蛋白質のアミノ酸13−20に基づいた
。プライマーP22の配列設計はPMT蛋白の15kD CNBrフラグメントのア
ミノ酸1−7に基づいた。
予備のDNA配列分析をクローン PMT1.2について実施した。PMT1
.2読取枠の1つによってコードされる推論されるアミノ酸配列は、60kD
PMT蛋白質のN−末端領域に対して強いホモロジー(94%)を示した。PM
T1.2によってコードされる推論されるアミノ酸配列は、60kD PMT蛋
白質の内部(internal)領域を表わす(上記のような)3kD CNBrフラグメン
トに対して強いホモロジー(95%)を示した。クローン PMT−26
クローン PMT−26(約1.2kb)を、、上記のようにRNA PCR
及びクローン化によって得た。鋳型はタバコ根 poly (A+ )RNAとし、フォ
ーワード及びリバースプライマーはそれぞれP−24(配列番号10)及びP−
21(配列番号11)とした。プライマーP−24の配列は無傷の60kD P
MT蛋白質のアミノ酸4−10に基づき、その5′末端にBamHI部位を含ん
でいた。プライマーP−21の配列は60kD PMT蛋白質の15kD CNBr
フラグメントのアミノ酸1−6及びN−末端メチオニンに基づいた。さらに、プ
ライマーP−21はその5′末端にEcoRI部位を含んでいた。従って、実
験は、60kD PMT蛋白質のN−末端近くの、アミノ酸#4からその蛋白質
の15kD CNBrフラグメントのアミノ酸#6までの領域をコードするcDNA
クローンを得るために計画された。
予備のDNA配列分析はcDNAクローン PMT−26について実施した。
クローン PMT−26は60kD PMT蛋白質の約3分の2をコードした。
PMT−26読取枠の1つによってコードされる推論されるアミノ酸配列のN−
末端領域は60kD蛋白質のN−末端領域に対して強いホモロジーを示した。そ
の推論されるアミノ酸配列のC−末端領域は60kD PMT蛋白質の内部領域
を表わす(上記のような)3kD CNBrフラグメントに対して強いホモロジーを
示した。クローン Q7
クローン Q7(約0.4kb)を、上記のようにRNA PCR及びクロー
ン化によって得た。PCR鋳型はタバコ根 poly (A+ )RNAとし、フォーワ
ード及びリバースPCRプライマーはそれぞれP−18(配列番号12)及びP
−23(配列番号13)とした。プライマーP−18の配列は上記のように精製
した60kD蛋白質から発生した15kD臭化シアンフラグメントのN−末端メ
チオニン プラス アミノ酸 1〜7に基づいた。リバースプライマーP−23
の配列は poly (dt)領域(20 デオキシチミジン)、EcoRI部位、及
び5′末端の3つの付加的なデオキシチミジンから構成される。クローン PMT2−5
クローン PMT2−5(約1.5kb)を、部分クローン PMT−26か
らの配列情報と組合せて(本質的には上記のように)RNA PCR及びクロー
ン技術を利用することによって得た。(RNA PCR法では、プライマー濃度
は2.5μMよりむしろ1.0μMとした。さらに、最初のステップサイクル f
ile は55℃よりむしろ50℃に特定し、最後のステップサイクルは10分より
むしろ30分に特定した。)鋳型はタバコ根 poly (A+ )RNAとし、フォー
ワード及びリバースプライマーはそれぞれP−38(配列番号14)及びP−3
6(配列番号15)とした。プライマーP−38の配列は60kD PMT蛋白
質の(配列番号4)N−末端領域のアミノ酸4−11をコードする(上記のよう
な)クローン PMT−26の51領域からのDNA配列に基づいた。プライマ
ーP−36はDNAクローンQの3′領域から設計した。プライマーP−38及
びP−36はともにそれらの標的配列に対して100%ホモロジーを示した。
DNA配列分析はクローン化PMT2−5 DNA挿入について実施した。P
MT2−5 DNA配列は予期したようにPMT1.2及びQ7 DNAにマッ
チした。この結果から、クローンPMT1.2及びQ7が単一の転写の領域を表
わし、従って単一の蛋白質の領域をコードすることが確認された。クローン P
MT2−5はN−末端メチオニン及びアミノ酸1−3(即ち、leu - ser - ser
)を除いて完全な60kD PMT蛋白質をコードした。PMT2−5に加えて
、クローン PMT2−5又はQ7に対
して部分的にホモロジーを有する他のクローンが得られた(データは示さず)。クローン PMT14−3
フォーワードプライマー、P−37を、クローン PMT2−5の5′末端の
PMTアミノ酸1−3、アラニン及びN−末端メチオニンのためのコドンを加え
るために合成した。プライマーP−37の配列は標準DNA PCR技術によっ
てPMT2−5DNAに取込まれた。PMT2−5DNAはポリメラーゼ鎖反応
のための鋳型として作用し、フォーワード及びリバースプライマーはそれぞれP
−37(配列番号16)及びP−36(配列番号15)とした。PCRからのD
NA生成物は上記のようにクローン化した。クローン PMT14−3はこの方
法によって得られた。クローン PMT14−3はN−末端メチオニンの直後に
挿入された追加のアラニン残基を有する完全な60kD PMT蛋白質をコード
するものと相定された。クローン PMT14−3のこの相定構造は公知の配列
分析法によって確認された。挿入されたアラニン残基がN−末端メチオニン残基
の翻訳後処理にどのような効果をもたらすかは、センス方向にPMT14−3D
NA挿入断片を持つ発現ベクターで形質転換された宿主細胞に生成された組換え
PMT蛋白質の配列分析によって決定することができる。
ここに記載された方法によって調製された組換えDNA配列の例としては、米
国 メリーランド州 ロックビルのアメリカン タイプ カルチャー コレクシ
ョンに寄託されたカルチャーが挙げられる。大腸菌PMT14−3とし
て命名されたこのカルチャーは1993年3月11日に寄託され、ATCC寄託
番号69253が付せられている。ニコチアナ タバカム(Nicotiana tabacum
)葉を、下記のように3′〜5′方向又は5′〜3′方向のいずれかで、配列番
号17のDNA配列を含有するアグロバクテリウム ツメファシエンス(Agroba
cterium tumefaciens)でインキュベートした:
pBI121:対照プラスミド、Kan′(市販品)
1.2A3−3B:アンチセンス方向にPMT遺伝子の
1.2kbフラグメントで形質転換
された植物
1.2A2−40:アンチセンス方向にPMT遺伝子の
1.2kbフラグメントで形質転換
された植物
1.2S3−15:センス方向にPMT遺伝子の1.2
kbフラグメントで形質転換された
植物
1.2S4−16:センス方向でPMT遺伝子の1.2
kbフラグメントで形質転換された
植物
カルスは植物に成長し、植物が切取られる前及び後について葉の試料を取った
。葉の試料中のアルカロイドを、内部標準を含有するメタノール水酸化カリウム
で、形質転換された葉及び対照の葉から抽出した。上澄みを濾過し、ニコチンに
ついて分析するために窒素−燐検出器を使用してガス クロマトグラフィ分析に
供した。下記の結果が得ら
れた:
予想されたように、植物が切取られた後のニコチン量は切取られる前より明ら
かに多い。しかしながら、切取られることによってもたらされた増加は対照植物
と比較すると本発明に従って処理された材料から成長した植物では大きく減少し
ていた。
Detailed Description of the Invention
Putrescine N-methyl transferase,
Coat tresin N-methyltransferase
Containing recombinant DNA molecules and alkaloids
Transgenic tobacco plants with reduced abundance
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
This invention provides a highly purified putrescine N-methyltransferase,
The novel purification method, and the antisense gene and the sense gene
You. In particular, the present invention provides transgenics with genetically altered nicotine levels.
Sense and antisense putrescine N-meth for creating tobacco plants
The use of the le transferase gene. Transgenic plant like this
The article is useful for producing dried tobacco leaves for use in the tobacco industry.
Background of the Invention
Various methods have been adopted to remove nicotine from tobacco. But these
Most of these methods are not sufficiently selective for nicotine. These methods are
Removing other ingredients from Bako adversely affects the flavor and aroma of tobacco. So
Moreover, such methods are generally complex and expensive.
Compounds that are biochemically synthesized with nicotine are generally produced by a series of biochemical reactions.
Formed, each reaction is catalyzed by a different enzyme. A feature that yields a given compound
A constant reaction sequence is known as one route. Path activation and its final
One way to inhibit product production is to reduce the amount of enzyme required in the pathway
. Several degrees of that enzyme, compared to other enzymes in the pathway, usually result in the
If the enzyme's abundance is low enough to make the final product low enough to make the element rate limiting
Production will be low. If the relative abundance of enzymes is not usually rate-limiting,
That few degrees is necessary to make the enzyme rate limiting in order to reduce pathway output.
It must be reduced to a minute. Similarly, if the relative abundance of enzymes is rate limiting, then
An increase in the number of C.sub.i increases the yield of the end product of the pathway.
Nicotine is first formed in the roots of tobacco plants, then transported to the leaves and stored in the leaves.
(Tso, Physiology and Biochemistry of Tobacco Plants, 233-234
P., Dowden Hutchinson & Ross, Stroudsburg, PA, USA
, 1972). The nicotine molecule consists of two heterocycles, a pyridine moiety and a pyrrolidinium.
And each of which is derived from a distinct biochemical pathway. Nicotine pie
The lysine moiety is derived from nicotinic acid. The pyrrolidine moiety of nicotine is
From succinate to N-methylputrescine and then to N-methylpyrroline
Offered by the road. The essential step during nicotine biosynthesis is from putrescine to N
-A process that produces methylputrescine (Goodwin and Mercer, Introduction
to Plant Biochemistry, pp. 488-491, pergamon press, Newyo, USA
(1983)).
The conversion reaction of putrescine to N-methylputrescine is
, S-adenosylmethine, which acts as a methyl group donor, is an enzyme
Catalyzed by putrescine N-methyltransferase (“PMT”)
. PMT is a pathway that supplies N-methylpyrroline for nicotine synthesis in tobacco
And it seems to be a rate-limiting enzyme (Feth et al., “Regulation in Tobacco Callus of Enzyme
Activities of the Nicotine Pathway ", planta, 168, 402-407
P., 1986; Wagner et al., "The Regulation of Enzyme Activities of the N".
icotine Pathway in Tobacco ", Physiol, Plant, 68, 667-672,
1986).
Limited characterization of relatively crude PMT formulations (30x purification)
(Mizusaki et al., “Phytochemical Studies on Tobacco Alkaloids XIV
. The Occurrence and Properties of Putrescine N-Methyltransferase in Tob
acco Plants ", Plant cell Physiol., 12: 633-640, 1971.
Year). The purification process leading to the drug product is the ammonium sulfate precipitation method from the first extract.
And limited to gel filtration chromatography.
Significantly lower levels of enzymes (or other tags) than normally obtained by plants.
A plant characterized by
You. Normally, transcription of the gene encoding the target enzyme produces single-stranded mRNA.
, The RNA is then translated by the ribosome to yield the target enzyme. Anti
A sense RNA molecule has its nucleotide sequence paired with a portion of the target mRNA molecule.
And is a complementary RNA molecule. Therefore, antisense RN
The A molecule undergoes complementary base pairing with the target mRNA molecule (hybridization, hybridization or high hybridization).
Bridation), making the target mRNA molecule unavailable for translation
Make it easier to decompose, or do both. Therefore, the target mRNA encodes
The ability of cells to produce specific enzymes is inhibited.
The antisense method has been adopted in several studies and the specific enzyme is
Transgenic plants characterized by low levels have been created. For example,
Plants containing Bell chalcone synthase, an enzyme in the flower pigment biosynthesis pathway,
Inserting chalcone synthase antisense gene into the tobacco and petunia genomes
Is produced by doing. These transgenic tobacco plants and plants
Transgenic petunia plants produce lighter-than-normal color flowers (
Van der Krol et al., “An Anti-Sense Chalcone Synthase Gene in Transgenic Pla
nts Inhibits Flower Pigmentation ", Nature, 333, 866-869.
1988). In addition, the antisense RNA method is applied to tomatoes and polygalacturoners.
It has been successfully adopted to inhibit the production of zymase (Smith et al., “Ant
isense RNA Inhibition of Polygalacturonase Gene Expression in Transgenic
Tomatoes ", Nature, 334, 724-726, 1988; Sheehy et al.
“Reduction of Polygalacturonase Activity in Tomato Fruit by Antisense R
NA ", Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 8805-8809, 1988.
Years), and tobacco, a small support for the ribulose bisphosphate carboxylase enzyme.
Unit
Have been successful in inhibiting production (Rodermel et al., “Nuclear-organelle In
teractions: Nuclear Antisense Gene Inhibits Ribulose Bisphosphate Carbox
ylase Enzyme Levels in Transformed Tobacco Plants ”, Cell, 55, 67
3 to 681, 1988). Alternatively, it may be more than the usual amount of a given enzyme.
The transgenic plant is characterized by its enzyme in the sense (ie, normal) orientation.
It can be created by transforming a plant with the gene.
Increasing Nicotine Levels in Tobacco Plants by Changing PMT Levels
Genetic engineering of the tobacco plants to be let down is not yet possible. The reason is PM
There are known methods for cloning the PMT gene without prior purification of the T enzyme.
And the method for purifying the PMT enzyme was not known before this invention.
is there.
Brief description of the drawings
Figure 1 shows the protein patterns obtained during successive steps of the tobacco PMT purification process.
Is a photocopy of a 12.5% SDS-polyacrylamide gel stained with silver.
You. Lanes 1 and 6: molecular weight reference protein (phosphorylase B, 95.5 KD;
Glutamate dehydrogenase, 55.0 KD; Ovalbumin, 43.0 KD
Lactate dehydrogenase, 36.0 KD; carbonic anhydrase, 29.
0KD; lactoglobulin, 18.4KD; cytochrome C, 12.4KD). Les
Zone 2: 40-65% saturation ammonium sulfate fraction. Lane 3: Hydrophobic interaction
PM from column
T activity peak fraction. Lane 4: Elution with putrescine from anion exchange column
Concentrated substance. Lane 5: Free flow of concentrated material derived from anion exchange column, etc.
PMT activity peak fraction obtained by electrofocusing electrophoresis.
Figure 2 shows a 3mm thick continuous sliver from a 12.5% non-denaturing polyacrylamide gel.
FIG. 3 is a graph showing the PMT activity of the column, and the gel of
The concentrated material was loaded by elution with trescine. The enzymatic activity of PMT is the product
Was recovered as14Expressed as C break variable / min (on background),
It is named "sex".
FIG. 3 shows a band of PMT activity of a non-denaturing electrophoresis gel and a thickness of 3 mm before and after the band.
Silver stain 12 serial slices (Figure 2) were analyzed for purity and apparent molecular weight.
. It is a photocopy of a 5% SDS-polyacrylamide gel. Named "Sm"
The lanes shown contain the starting material (ie the material added to the non-denaturing gel)
ing. The lane named “Std” is a molecular weight standard protein (phosphorylase).
ZeB, 95.5 KD; glutamate dehydrogenase, 55.0 KD; ovoal
Bumin, 43.0 KD; lactate dehydrogenase, 36.0 KD; carbonic acid
Nhydrase, 29.0 KD; lactoglobulin, 18.4 KD; cytochrome C
, 12.4KD).
Figure 4 shows ammonium sulfate fractionation, hydrophobic interaction chromatography, and
Concentrating the sample following elution with putrescine from the anion exchange column
By subjecting the tobacco PMT purified by
It is a graph which draws the relative PMT activity and pH of the obtained fraction. Enzyme activity of PMT
Sex recovered as product14Expressed as C break variable / min (on background)
And is designated as "relative activity".
Figure 5 shows excision (after electroblotting on an inert membrane) and determination of amino acid sequence.
Silver stain showing the PMT protein bands ("a1" and "a2") that were determined.
It is a photocopy of a 5% SDS-polyacrylamide gel. Loaded in gel
The sample is isoelectrically focused on the substance eluted with putrescine from the anion exchange column.
It is a part of the fraction obtained by electrophoresis. The actual bands used for sequence analysis are
, Loaded with a portion of the same material analyzed in the gel of FIG.
) It is derived from polyacrylamide gel.
Summary of the invention
The present invention is firstly directed to highly purified putrescine N-methyl transferase.
And a novel method for purifying this enzyme.
The purification method of the present invention comprises the steps of adding a tobacco plant extract to an anion exchange medium.
The addition temperature and the pH and composition of the extract depend on the PMT being anion exchange medium.
It is a condition that is maintained. Next, the PMT contains an effective amount of polyamine
Elute from the anion exchange medium with elution buffer. Elution temperature and elution buffer
The pH and chemical composition of PMT, in the absence of polyamines, are
It is a condition that is maintained.
In a preferred embodiment, the eluate of the anion exchange medium is dissolved in the anion exchange medium.
Directly onto chromatographic media with an affinity for PMT in the presence of dissociation buffer
Add and then elute the bound material. Most preferably, anion exchange color
The outlet from the column is connected to the inlet of the ω-aminohexyl agarose column,
Dilute PMT from the anion exchange column was collected in the column and then more concentrated
PMT is eluted in a different form.
The PMT of the present invention has a molecular weight of about 55 to 65 kilodaltons and an unmodified isoelectric point.
PH of about 5.0-6.0, Km value for putrescine of about 300 μM-50
0 μM and a Km value for S-adenosylmethionine of about 100 μM to 1
50 μM. In a preferred embodiment, PMT has the sequence listing SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO:
2 and 17 amino acids selected from the amino acid sequence defined as SEQ ID NO: 3.
It has an array of mino acids.
The present invention also provides a cell encoding putrescine N-methyltransferase.
Recombinant DNA molecule, antisense recombinant DNA molecule, and these recombinant DNA molecules
Vectors containing molecules and transformation with these DNA molecules or vectors
A transgenic tobacco cell and a transgenic tobacco plant
Things. Transgenic tobacco cells and transgenics of this invention
Tobacco plants have higher nicotine content than untransformed control tobacco cells and tobacco plants.
Characterized by low or high.
Detailed description of the invention Purification of PMT
The starting material used for PMT purification consists of tobacco roots. The root is hydroponics
It is preferable to harvest from cultivated tobacco plants. Hydroponics is highly controlled
It is easy to grow plants under controlled and reproducible conditions and is clean and intact.
In this state, the spread filamentous root system can be efficiently harvested.
Tobacco seeds are germinated on or near the surface of a moist plant potting mixture.
Can be made. The most preferred conditions are a temperature of about 80 ° F and a relative humidity of 60%.
is there. Approximately 2 weeks after the seeds have germinated, the seedlings are thinned (removed) and the residual seedlings are removed.
The seedlings are about 6 inches high and grow unhindered until about 6 leaves are formed.
Leave enough blank space for. When the seedlings reach a height of about 6 inches, generally,
The root system and the pellets of potting material are left in place, and the appropriate nutrient solution is added.
The solution is transplanted to a hydroponic device equipped with an aeration (oxidation) means. Also this hydroponic cultivation equipment
The equipment must be equipped to supplement the dissolved nutrients, and
It must be large enough to accommodate a grown tobacco plant.
Head flower removal (thinning) is a standard practice in commercial tobacco cultivation, but
It is known in the art to increase growth and increase leaf nicotine content.
You. Therefore, the plants used as starting materials for the purification of PMT usually grow
Flowers are picked at the appropriate stage. Suitable for planting and thinning
Different intervals include plant varieties, light intensity, photoperiod, soil and air temperature, soil water, among others.
Determined by a number of factors including minute and mineral nutrition. However, the root is generally plucked
Harvested 3 to 7 days after flowering. Where the plant is cultivated under the specified combination of growth conditions
The optimum time for picking a given tobacco variety can be easily determined by a person skilled in the art.
Can be
Harvested roots are preferably washed with cold water, then residual water is removed with a Buchner funnel.
Aspirate and remove. The washed roots can then be harvested and used immediately or-
Freeze to 80 ° C. Frozen roots are stored at about -80 ° C until use.
In the general PMT purification method, about 400 to 600 g of frozen roots per 11 extraction buffers are used.
Homogenize the tissue with a high speed mixer. The extraction buffer is generally one or more buffers.
Agents, one or more reducing agents, one or more heavy metal chelating agents, one or more water-active modifications
And an effective amount of each of the one or more protease inhibitors. Ma
The extraction buffer contains an effective amount of one or more phenolic compound adsorbents.
Is preferred. Effective amounts of these drugs depend on the particular drug used
. However, the amount used is generally the amount commonly used during plant protein purification.
Selected from Therefore, the choice of drug and its effective dose will depend on the skill of the ordinary investigator.
Within range.
The pH of the extraction buffer should be in the range of about 7.2-8.3, but is preferred.
It is about 7.5. The dissociation constant (pKa) that gives an effective pH buffering capacity at the desired pH.
) Having water
Soluble compounds are used. Also preferred buffers are virtually transparent to UV radiation. Appropriate
Buffers include tris (hydroxymethyl) aminomethane (“Tris”) and imida
Sol, phosphate, N-morpholinopropanesulfonic acid (“MOPS”), N-
Tris (hydroxymethyl) methyl-2-aminoethanesulfonic acid (“TES”
), Triethanolamine, and N-tris (hydroxymethyl) -methyl-
Glycine (“Tricine”) is included. Tris buffer is preferred.
Possible oxidation reactions of sulfhydryl groups of proteins and phenolic compounds of plants
In order to inhibit the possible oxidation reaction of substances and to inhibit the formation of reactive free radicals
, A reducing agent is added to the extraction buffer. Both of these reactions inactivate PMT
Sometimes. Suitable reducing agents include dithiothreitol ("DTT"), dithioethol.
Litolitol, 2-mercaptoethanol, thioglycolate, glutathione
, Cysteine, and ascorbate. DTT and ascorbate
Is preferred.
Heavy metal chelators activate proteases and interact directly with heavy metals.
By action or by oxidation of phenolic compounds to PMT inactivating species
In order to prevent PMT inactivation that may occur due to the acceleration of the reaction by heavy metals,
Added to extraction buffer. As a preferable heavy metal chelating agent, ethylenedia
There is mintetraacetic acid (“EDTA”), but other common chelating agents such as ethylene
Glycol bis (β-aminoethyl ether) N, N. N ',
N'tetraacetic acid ("EGTA") and citrate can also be used.
Water-activated denaturants deactivate PMTs and may cause denaturation and other minor changes.
It is added to the extraction buffer to stabilize the PMT against various conformational changes. This
Water-active modifiers such as are non-ionic hydrophilic compounds and these are added
Decrease the water activity of the aqueous solution. Glycerin, ethylene glycol and small molecules
An amount of polyethylene glycol (eg "PEG400") is preferred, but
Sucrose, sucrose, fructose and sorbitol are water-active modifiers
It is an example of another compound useful.
Protease inhibitors are proteolytic enzymes that are released during tissue homogenization.
In order to prevent possible inactivation of PMT due to protein cleavage,
Is added to the output buffer. A useful protease inhibitor is phenylmethylsulfone.
Nilfluoride (“PMSF”), leupeptin, aprotinin, chymostatin
And pepstatin are included. PMSF and leupeptin are preferred.
The presence of phenolic adsorbents, when present, causes acid when plant cells are destroyed.
Excludes phenolic plant compounds that are denatured to inactivate or precipitate PMT
Therefore, it is preferable to add it to the extraction buffer. In general, phenolic compounds
Insoluble polyvinylpyrrolidone (“PVPP”) and amber for adsorption
Ito XAD-4 is suspended in extraction buffer. Significant to PMT enzyme activity
Or remove phenolic compounds without harm
Other substances that inactivate are PVPP or Amberlite XAD-4
Something that can be used instead of these things is included.
Before adding root tissue, the extraction buffer is cooled to about -15 ° C to -20 ° C and frozen.
Generate a slurry. During the homogenization process, the temperature of the homogenate is about 3-5 ° C or higher.
Should not be raised to.
As is known to one of ordinary skill in the art, the method used above
The amount of root tissue used can vary, but the approximate weight of tissue used is measured.
The amounts of the other ingredients used are adjusted accordingly.
After homogenization treatment, insoluble material (PVP containing adsorbed phenolic compound
(Including P) is preferably removed from the homogenate. This removal is preferred
Is a refrigerating centrifuge set to about 10,000 to 20,000 xg and about 30 at about 4 ° C.
This is done by allowing to settle for ~ 90 minutes. Soluble after sedimentation of insoluble material
The sex extract (ie the supernatant) is decanted. Final protein in soluble extract
The quality concentration is generally about 2.5-3.5 mg / ml.
Fractionate soluble extract with ammonium sulphate and use standard methods (Scopes, Protein Pu
rification Principles and Practice, pages 48-52, Springer-Verlag, USA
, New York, 1982) 40% to 65% ammonium sulfate.
Fractions (precipitation) are collected from the soluble extract. Then, the fraction is equivalent to 1 g of root weight.
About 0.1-0.4 ml
Dissolve in lysis buffer.
A preferred buffer for dissolving the 40% to 65% ammonium sulphate fraction is
Efficient Buffers, Heavy Metal Chelating Agents, Reducing Agents, Water Active Modifiers and Protears
Ze inhibitors. The most preferred lysis buffer is Tris buffer (pH about
7.5) (about 10-20 mM), EDTA (about 1-10 mM), glycerin (about
10-30%), DTT (about 1-10 mM), PMSF (about 0.2-10.0 m)
g / 1), and leupeptin (about 0.2-10.0 mg / l)
. These buffer components have the same purpose as described above for similar components in the extraction buffer.
It is included. Those skilled in the art will appreciate that these ingredients have similar functions.
You will know that you can replace it with something else.
The ammonium sulphate fraction is then subjected to standard methods such as dialysis or sieving.
Chromatographic desalting and then the desalted fractions are annealed as described below.
Subject directly to on-exchange chromatography. However, in a preferred embodiment, ammonium sulfate
The nium fraction is first subjected to hydrophobic interaction chromatography.
The dissolved ammonium sulfate fraction is subjected to hydrophobic interaction chromatography
Before adding salt to ensure that PMT binds to the hydrophobic interaction medium.
It gives a sufficiently high salt concentration. The preferred concentration of salt added is 1.5N. Added
The preferred salt shown is NaCl. Another useful salt is ammonium sulfate.
Preferred hydrophobic interaction media are sized for chromatography and covalently bound.
Composed of cross-linked agarose gels with nearly spherical particles, containing phenyl groups
. Such phenyl agarose is referred to as "phenyl-Sepharose CL-4B".
Commercially available (Pharmacia-LKB, Inc., Pis, NJ, USA)
Cataway, catalog number: 17-0810-01).
The hydrated phenyl agarose is then applied to a suitable chromatographic column using standard methods.
High salt equilibration buffer filled in ram and having a pH of about 7.2-8.3, preferably about 7.5.
Equilibrate at about 4-8 ° C. A preferred high salt equilibration buffer is an effective amount of buffer
Agents, heavy metal chelating agents, water-active modifiers and reducing agents, and about 1.5-2.
It contains salt at a concentration of 0M. The most preferred high salt equilibration buffer solution is about 10 m
M Tris (pH is about 7.5), about 1.5 M NaCl, about 1 mM EDTA, about 2
It contains mM DTT and about 20% (V / V) glycerin.
Sample of soluble extract adjusted with salt (volume of packed column of phenylagarose 1
Approximately 0.5-2.0 ml of extract per ml) is equilibrated with phenyl agarose
Inject it into the column until the eluate is free of proteinaceous substances.
Wash the membrane with equilibration buffer. If the buffer is transparent to UV light then
It is determined by measuring the absorbance of UV light at a wavelength of about 280 nm. General
First, wash the phenyl agarose column with about 5 to 7 column volumes of equilibration buffer.
I do. PMT is a hydrophobic interaction medium
Combine and remain.
Proteins still adsorbed on the phenyl agarose matrix (P
(Including MT) at 4-8 ° C. and then loaded salt concentration (preferably about 1.5 M).
From about 4 to 6 times the volume of the column containing a linear salt gradient decreasing from about 0.0M to about 0.0M.
Elute with elution buffer, then 2-3 column volumes of additional salt-free elution buffer
Elute with liquid. Preferably, the elution buffer is Tris (about 10 mM) (pH is about 7).
. 5), DTT (about 2 mM) and EDTA (about 1 mM) and glycerin (about 20)
% V / V).
Fractions of about 0.01 to 0.03 column volume were collected and PMT activity was performed as follows.
The sex was assayed for absorbance at 280 nm wavelength light. Eluate fractions commonly collected
Has a column volume of about 1 to 2 times and a protein concentration of about 0.4 to 2.5 mg / ml.
I have
It is understood that salts other than the preferred NaCl can also be used in the above buffers.
Will Such salts include potassium chloride and ammonium sulfate.
.
An important step of the purification method of the present invention is the novel aniline carried out as follows.
This is a step of on-exchange chromatography. To perform this step, add it to the column.
The added tobacco plant extract (eg, preferably phenyl agarose eluate) is
, The pH and chemical composition must be such that the PMT in the extract will bind to the anion exchange medium.
I have to. That is, the extract has a pH of about 7.2 to 8.3 and about 0.0 to 1
Must contain 0 mM salt, preferably
That is, about 5-10 mM buffer, about 1-10 mM reducing agent, about 10
30% (V / V) water active modifier and about 1-5 mM heavy metal chelator
Should be included. Most preferably, the tobacco plant extract is 10 mM Tris /
HCl (pH 7.5), 2 mM DTT, 1 mM EDTA and 20% (V / V
) Glycerin is contained.
Those skilled in the art will, of course, adjust the pH and salt concentration of the tobacco plant extract to the above values.
The PMT is still bound to the anion exchange medium by changing the value of
It will be clear that it can be loaded. Especially when the salt concentration increases
Generally, the binding of proteins to anion exchange media is reduced and the pH is increased.
Increasing the protein generally increases the binding of the protein to the anion exchange medium.
Therefore, those skilled in the art will appreciate that the PMT binds to the anion exchange medium,
Various combinations of salt concentration and pH other than could be readily determined. Yes
The only constraint on the effective pH / salt combination is that pH denatures and inactivates PMT.
It is not expensive enough. In general, PMT is significant at pH above about 9.
Should not be exposed for a long time.
From the above, the extract of tobacco root added to the anion exchange medium is sulfated.
Fractionation with ammonium or the steps of hydrophobic interaction chromatography described above
In the case of the eluate from E. coli, the extract must be desalted in an appropriate buffer.
Is clear. This desalting is accomplished by standard methods. For example, gel filtration black
Matography (eg Sef
Adex G-25) or dialysis can be used using known methods.
Such desalting is preferably performed by dialysis.
In the preferred method, the solution collected from the hydrophobic interaction chromatography steps described above is used.
Effluent (or other hot tobacco root extract) is 1 ml of collected eluate or extract
For about 15 to 25 ml of dialysis buffer per about 8 to 20 hours at about 4 to 8 ° C,
Dialyzed. It is preferable to stir the dialysis buffer. 10000KD cut-off
Dialysis membranes are preferred. The chemical composition and pH of the dialysis buffer should be such that the PMT in the dialysis fraction
It is selected to be retained by the anion exchange medium as described.
Anion exchange media have one or more functional anion exchange moieties and
With relatively rigid particles (eg cross-linked agarose) of suitable size for the graph
Must be configured. Such anion exchange moieties are diethylamino
Ethyl, polyethyleneimine, tertiary amino, quaternary amino, p-aminobenzyl
And diethyl- (2-hydroxypropyl) aminoethyl.
Selected. Such media are commercially available. Diethylaminoethyl (“DEA
Anion exchange media having an E ″) moiety are preferred. DEAE-agarose (
"DEAE-Sepharose, Fast Flow", Pharmacia-LKB, Inc., New Jersey, USA
State of Piscataway, Cat. No. 17-0709-01) is the most preferable.
.
The anion exchange medium should be adjusted to pH and salt conditions of the equilibration buffer by standard methods.
Be balanced.
The equilibrated anion exchange medium then has a means for retaining the medium at the bottom (eg,
Standard for columns with a semi-molten glass disc) and outlet tube (ie hollow tube)
Fill with the method. Then cap the top of the column and connect to the inlet tube. Then
Equilibration buffer is preferably passed through the column and the pH and conductivity of the flow-through is monitored.
, It must be ensured that the medium is properly balanced.
The column is used when all the proteins in the added tobacco plant extract are bound.
Contain enough anion exchange medium to make up only about 50% of the volume of the medium
I have to For example, the added tobacco plant extract is
For phenyl agarose eluate, the column contains dialyzed phenyl agarose.
About 0.04-0.10 ml (packed column volume) of DEAE-
Must contain agarose.
Preferably the same as when filling the column with medium and adding the tobacco plant extract
Equilibrate the medium at temperature. The temperature of the column depends on the temperature at which the tobacco plant extract is added.
When washing or eluting at a warmer temperature, it contains an anion exchange matrix.
The slurry is degassed before it is packed in the column.
As mentioned above for the tobacco plant extract added to the anion exchange medium,
The equilibration buffer of the anion exchange medium should be such that the PMT is retained by the medium.
Must have a chemical composition with H. Similarly, those skilled in the art are suitable.
Easy determination of sensitive pH / chemical composition combinations
Can be. The preferred equilibration buffer has no added salt at all and has a pH of
It is about 7.2 to 8.3, and most preferably 7.5. More favorable equilibration
The buffer solution contains an effective amount of a buffer, a heavy metal chelating agent, a reducing agent and a water activity modifier.
Contains. The most preferred equilibration buffer is 10 mM Tris / HCl (pH 7).
. 5) 1 mM EDTA, 2 mM DTT and 20% (V / V) glycerin
Contains
Tobacco plant extract, equilibration buffer and anion exchange media are all equilibration,
Prior to and during loading and washing of the column, the temperature is preferably about 2-10 ° C.
Most preferably about 4-8 ° C.
The tobacco plant extract is added at a flow rate of about 0.1 to 0.3 times the volume / minute. Taba
The fluid that passed through with the addition of the co-plant extract practically does not contain PMT, and is therefore discarded.
Be abandoned. The column is then allowed to elute the proteinaceous material until it stabilizes at a low level.
Wash with equilibration buffer. The equilibration buffer contains a buffer that absorbs at 280 nm.
If not, the column should have a low level of absorption of UV light at 280 nm.
Wash with elution buffer until stabilized. Generally, the anion exchange medium is 5-10.
Wash with 2 volumes of equilibration buffer containing 10 mM NaCl, then add another 3-10 volumes
Wash the product with equilibration buffer without NaCl. PMT is an anion exchange during the cleaning process.
It is held on a replacement medium.
After washing, the PMT is an elution buffer containing an effective amount of polyamine and anion exchange.
Elution from the exchange medium, but elution temperature
, And the pH and chemical composition of the elution buffer are similar to those of PMT without polyamine.
It is a condition to be held in the exchange medium.
Polyamines in the elution buffer are putrescine, N-methylputrescine, spermine.
A group consisting of Lumin, spermidine, agmatine, cadaverine and mixtures thereof
Selected from Putrescine is the preferred polyamine. Polyamine elutes
About 0.5-50 mM, preferably 1-10 mM, most preferably about 5 in buffer.
Must be present at a concentration of mM.
The elution buffer further comprises an effective amount of buffer, heavy metal chelating agent, reducing agent and
It preferably contains a water activity modifier. These components are
And is the same as described above. Effective amounts of these ingredients are determined by those skilled in the art.
Can be measured by one without extra testing. The pH of the elution buffer is
It should be about 7.2-8.3, preferably about 7.5. Anion exchange medium
Replenishing the equilibration buffer of 1. with the polyamine will result in the appropriate elution buffer. Proper melting
Isolation buffer is 10 mM Tris / HCl (pH 7.5), 1 mM EDTA, 20
% (V / V) glycerin, 2 mM DTT, and 5 mM putrescine (1
, 4-diaminobutane) (Sigma Chemical Co., St. Louis, Missouri, USA)
, Catalog number: P7505).
Elution of PMT from the anion exchange column was about 18-26 ° C (ie room temperature)
It is preferable to carry out. With elution buffer
The anion exchange column must be at the selected elution temperature before the elution begins.
I won't.
To elute the PMT from the column, elute the elution buffer about 0.02-0.10 times.
Column volume / minute flow rate is added and fractions are collected from the bottom of the column. The eluate is
Collected in a single eluate pool. In the most preferred elution method, about 1 volume of elution is used.
Dissociation buffer is added to the column and then the flow is stopped. The anion exchange medium
Leave in contact with a portion of the release buffer for about 1 to 6 hours, preferably about 1 hour.
Then the addition of elution buffer is restarted.
PMT elutes very slowly from the anion exchange medium. In general, anio
The exchange medium is eluted with about 40-70 volumes of elution buffer, most preferably
Elute with at least 50 volumes of elution buffer. Monitor the elution state of PMT
Therefore, the PMT activity of the eluted fractions is assayed as follows.
Since PMT is recovered in a relatively dilute state and in a relatively large volume, it can be dissolved in anion exchange solution.
It is desirable to concentrate the exudate. The eluate is, for example, an anion exchange medium
Added to a chromatographic medium that has an affinity for PMT in the presence of a buffer.
From the chromatographic medium, the bound material was relatively concentrated in good yield.
It can be eluted in the form. Alternatively, the PMT may be precipitated. The invention
In the preferred method, during the elution, the outlet of the anion exchange column is connected to the inlet of the concentration column.
It is connected. In this way, the eluted PMT is removed from the anion exchange column.
Spill out and concentrate directly
It enters the shrink column and is adsorbed there. Elution from the anion exchange column of PMT
After completion, remove the outlet of the column from the concentration column and put the PMT on the concentration column.
Elute from
A preferred concentration column is ω-aminohexyl agarose (“ω-aminohexyl.
Le-Sepharose 4B ", Sigma Chemical Co., St. Louis, Missouri, USA
, Catalog No .: A8884) (“AHS”) on an anion exchange column.
Utilize ~ 30% column volume. PMT is a relatively high concentration of salt, preferably
The column is eluted with an elution buffer containing 1.5 M NaCl. Elution buffer
The liquid preferably further comprises an effective amount of a buffering agent, a heavy metal chelating agent, a reducing agent,
And a water-active modifier. The most preferred elution buffer is 1.5M Na
Cl, 10 mM Tris / HCl (pH 7.5), 1 mM EDTA, 20% (V /
V) glycerin and 2 mM DTT. Concentration column is 4-8
It is preferably loaded and eluted at ° C.
The first 4-8 volumes of eluate from the concentration column contained most of the activity of PMT.
Have. The fraction is preferably an ultrafiltration device (Amicon Corp. USA, Masachi).
Further available with the "Centricon 30" available from Danvers, S.
Concentrated. After performing ultrafiltration, the sample is generally about 0.04 to 0.70 mg / m 2.
It has a protein concentration of 1 l. Generally from several concentration columns
Fractions containing PMT are collected and concentrated further.
The PMT obtained after the steps of anion exchange and sample concentration is
It is then purified by preparative scale isoelectric focusing. Isoelectric focusing
The method involves placing a mixture of samples in a stabilized pH gradient and then
Apply voltage. Each protein species has a pH gradient where the net charge of the protein species is zero.
It moves electrophoretically toward the point of distribution. If the net charge of the protein is zero
The pH of the protein is called the isoelectric point of the protein.
Stabilization of various pH gradient solutions including sucrose solutions and polyacrylamide gels
Media can be used. Similarly, fractionate the pH gradient solution and focus on the isoelectric focus.
Various methods for recovering the protein after the electrophoresis method can be adopted. pH gradient
Distributing fractionation method must be selected to be compatible with the gradient stabilizing medium
.
A preferred pH gradient liquid stabilizing medium is a sucrose solution (density gradient) placed in a glass tube.
Liquid distribution). Most preferably, the sucrose density gradient solution has a pH of about 5 to about 6.
It contains a range of pH gradients. The preferred gradient liquid fractionation method is through a stopcock.
The liquid flow rate is accurately controlled. The collected fractions were tested for pH and PMT activity.
Be tested. Isoelectric focusing instruments, chemicals and protocols
Available from a number of commercial companies.
The PMT isolated by the method of this invention is substantially free of other tobacco proteins.
Nonetheless, PMT is the predominant protein in the formulation. Few contaminated tobacco strains in the formulation
The protein is sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (“S
Standard method by DS-PAGE ")
Be separated. In this way, PMT that is pure enough for amino acid sequence analysis is obtained.
can get.Characterization of PMT
Tobacco PMT is about 55-65 kilodalts when measured by SDS-PAGE.
It has a molecular weight of about 1.0 to about 5.0 and is measured by isoelectric focusing method.
It is characterized by having a native isoelectric point of 6.0.
In addition, tobacco PMT has a methyl group on S-adenosylmethionine.
The ability to catalyze the reaction of transferring benzene to the δ-amino group and to putrescine
It is characterized by high substrate specificity.
The Michaelis-Menten constant (Km) shows that the initial reaction rate is 1 of the maximum reaction rate.
It is defined as the substrate concentration when it equals / 2. Km values catalyze the same reaction
There is wide variation in the distinct enzyme species involved. Therefore, the measured value of Km is
It is a useful “identification marker”. Lightly purified tobacco PMT
It is characterized by a Km value of about 300-500 μM for succinate.
The highly purified tobacco PMT of the present invention has been tested for S-adenosylmethionine.
The Km value is about 100 to 150 μM.Determination of partial amino acid sequence of PMT
In preparation for amino acid sequence analysis, standard SDS-PAGE methods were used to
Remains after the steps of on-exchange, sample concentration and isoelectric focusing
Separation of PMT from a small number of contaminating proteins. For SDS-PAGE method
For a detailed protocol on this, see Laemmli, “Cleavage of Structural Protein.
s During the Assembly of the Head of Bacteriophage T4 ", Nature, 22
Vol. 7, pp. 680-685, 1970, and from the manufacturer of the electrophoresis apparatus.
Seen in the provided manual. Contains individual proteins by known methods
Electrophoretically transferred the band to a thin sheet or membrane (electroblotting
Let's hold it and visualize it. In one known method, protein bands
To a hydrophobic polymer such as polyiodide (4-vinyl-N-methylpyridinium).
Electroblot to a sheet of glass microfiber coated with thione, then fluor
Visualize with a non-anionic drug such as resamine. Another method is protein
Quality onto a polyvinylidene difluoride membrane (“Immobilon-P”, Millipore,
Electroblot, Amidobra, Bedford, Mass., USA
This is a method of visualizing bands with an anionic dye such as Beck (Bauw et al., “Alte
rations in the Phenotype of Plant Cells Studied by NH2-Terminal Amino Ac
id Sequence Analysis of Proteins Electroblotted from Two-Dimensional Gel
-Separated Total Extracts ", Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 84, 4806
~ 4810, 1987; A Practical Guide to Protein and Peptide Purif
ication for Microse-quencing, Paul T. Edited by Matsudaira, Academic Press, US
Country, New York, 1989).
Transferring the isolated protein from the electrophoretic gel,
The above methods of visualizing transferred proteins are preferred. However, by electrophoresis
Changes in materials and methods used to prepare isolated proteins for sequence analysis
Is not excluded from the invention, as would be apparent to one of ordinary skill in the art.
It will be easy.
The purified PMT that composes the band has the same apparent molecular weight (that is, about 60 KD).
Is determined. The protein band was transferred from the electrophoretic gel to the membrane and transferred to a membrane.
After visualization of the bands, the membrane strips with individual bands of purified PMT were
Cut accurately to avoid contamination by a puffy band.
Purified tobacco PM constituting a protein band (isolated as described above)
For T, the amino terminal sequence is analyzed by standard automated methods. Cigarette PM
The T protein is an amino acid selected from SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3.
It contains a no acid sequence.
SEQ ID NO: 1 is the sequence from the “a1” band (FIG. 5) and SEQ ID NO: 2 is “a2”.
"Is the sequence from the band (FIG. 5). SEQ ID NO: 3 is the sequence of SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2.
It is a common array.
The high homology of the sequences from the bands of the purified protein with which they are closely related is due to the
It is suggested that a shaped tobacco PMT protein is present. like this
The complex form of tobacco PMT protein consists of post-translational modifications of a single gene product.
Or, it is generated from the gene of complex PMT.Cloning of PMT DNA sequence
A partial amino acid sequence of the PMT protein of the present invention (SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2,
SEQ ID NO: 3) was used to design a set of oligonucleotides such as
It is. In other words, one or more of the
It hybridizes selectively with the PMT sequences in the rally. This selective hybridization leads to P
A cDNA clone containing a sequence encoding part or all of the MT protein
It is used to identify Oligonucleotide probe from amino acid sequence
For a description of the design of Sambrook et al., Molecular Cloning-A Laboratory Manua.
I, Cold Spring Harbor Press, 1989, Chapter 11.
The synthesis of such oligonucleotide probes is routinely performed on commercially available automated equipment.
Have been.
Construction of a cDNA library is currently a routine task at a molecular biology laboratory.
(See Chapter 8 of Sambrook et al., Supra). Similarly, the clone containing the sequence of interest.
CDNA library with an oligonucleotide probe to identify
It is well known in the art to screen Lee and one skilled in the art
It is fully included in the ability of. For screening a cDNA library
For a description of using oligonucleotides, see Sambrook et al., Supra.
It is described in chapter 11 of the laboratory manual of. With oligonucleotide probe
The cDNA clones selected on the basis of the hybridization reaction of
Characterized by presence and nucleotide sequence. Such a DNA analysis method is based on Sambro
ok, etc., and Ausube
l et al., Short Protocols in Molecular Biology, Green Publishing Associates a
nd Wiley Interscience, New York, USA, fully described in 1989
I have. Any PMT cDNA clone thus obtained was
, And can be used as a probe to identify other PMT cDNA clones.
Tobacco [Nikotiana Tabakum L. var. (Nicotiana tabacum L. var.) N
K326] genomic library is commercially available (Clonetech Laboratories,
Inc., Palo Alto, CA, USA). The above genomic library is
Tobacco PMT screened according to the vendor's provided protocol
A chromosomal gene encoding is obtained.
In addition to the methods described above, one of skill in the art can obtain the desired PMT cDNA clone.
The replication chain reaction (“PCR”) method can be advantageously used. Basics of PCR
The principle is the rapid amplification of a portion of DNA between two regions of known sequence. various
PCR technology was developed for use in the discovery, analysis and construction of unique DNA molecules.
It has come. Equipment, chemicals and protocols for numerous uses of PCR technology
Commercially available. For a general discussion of PCR, see Sambrook et al. (Supra
), Chapter 14.
A preferred PCR method for practicing the present invention is known as RNA PCR.
RNA PCR has two basic steps:
(1) RNA as a template in the presence of reverse primer
Reverse transcriptase synthesis of the first cDNA strand using, and
(2) After polymerase synthesis of complementary cDNA strands, forward and reverse
Taq Polymerase amplification of both strands in the presence of both primers.
The PMT cDNA molecule is an oligonucleotide based on a known PMT partial amino acid sequence.
Tobacco root poly (A+ ) Using RNA
And may be obtained by applying the RNA PCR method.
Therefore, the present invention provides a recombinant DNA molecule encoding a tobacco PMT protein.
provide.Transfectants stably transformed with PMT DNA sequences in sense or antisense orientation. Production of transgenic tobacco cells and plants
This invention encodes a tobacco PMT protein and contains a PMT antisense RNA component.
Stable with recombinant DNA molecules operably linked to a regular sequence encoding the offspring
Provided are transgenic transgenic tobacco cells and plants.
Taba with lower nicotine content than untransformed control tobacco plants
To produce a co-plant, tobacco cells are operably linked in a regular array.
A partial PMT cDNA sequence cloned in antisense orientation in a row,
Relength PMT cDNA sequence, partial PMT chromosomal sequence, or fullerene
Transformation with Artificial PMT Antisense Transcription Unit Containing Guts PMT Chromosome Sequence
Is done. Suitable regular sequences include transcription initiation sequences ("promoters") and
Includes rearadenylation / transcription termination sequences
.
Expression of antisense sequences in transgenic tobacco plants is generally associated with
Uses the Yasai Mosaic Virus (CaMV) 35S promoter (eg, Co
“Both RNA Level and Translation Efficiency are Reduced by rnelissen et al.
Anti-Sense RNA in Transgenic Tobacco ”, Nucleic Acids Res., 17:83
Pp.3-843, 1989; Rezaian et al., "Anti-Sense RNAs of Cucumber Mosai.
c Virus in Transgenic Plants Assessed for Contol of the Virus ”, Plant M
olecular Biology, Vol. 11, pp. 463-471, 1988; Rodermel et al., "Nu.
clear-organelle Interactions: Nuclear Antisense Gene Inhibits Ribulose B
isphosphate Carboxylase Enzyme Levels in Transformed Tobacco Plants ”, C
ell, 55, pp. 673-681, 1988; Smith et al., "Antisense RNA Inh".
ibition of Polygalacturonase Gene Expression in Transgenic Tomatoes ”, N
ature, 334, 724-726, 1988; Van der Krol et al., "An Ant.
i-Sense Chalcone Synthase Gene in Transgenic Plants Inhibits Flower Pigm
entation ", Nature, 333, 866-869, 1988).
CaMV35 was used to express PMT in transformed tobacco cells and plants of the invention.
It is preferable to use the S promoter. Other recombinant genes in tobacco roots
The use of the CaMV promoter to express E. coli has been well documented (Lam
, “Site-Specific Mutations Alter In Vitro Factor Binding and Change
Promoter Expression Pattern in Transgenic Plants ", Proc. Nat. Acad. Sc
i. USA, Vol. 86, pp. 7890-7894, 1989; Poulsen et al., "Dissecti.
on of 5'Upstream Sequences for selective Expression of the Nicotiana p
lumbaginifolia rbcs-8B Gene ", Mol. Gen. Genet., Volume 214, 16-2
Page 3, 1988).
Although it is preferable to use the CaMV35S promoter, other promoters
Has been successfully used to express heterologous genes in tobacco plants.
It is also possible to use a promoter other than the CaMV35S promoter of the present invention.
Included in the range.
Various transcription termination sequences are known. The origin and identity of transcription termination sequences are mainly
This is a matter of convenience. For example, nopaline synthase (“NOS”), octopine
Synthase (“OCS”) and CaMV polyadenylation / transcription termination sequences are
Used to express heterologous genes in transgenic tobacco plants and used in PMT
Useful for expression of sequences (eg Rezian et al., Supra and Rodermel et al., Supra).
reference).
Next, restriction mapping, Southern blot hybridization, and nucleotide sequences.
Using standard methods, such as analytical methods, and having PMT sequences in the antisense orientation,
Operable on node sequences (ie promoter and polyadenylation / transcription termination sequences)
Identify clones that are ligated to.
To produce transgenic cells stably transformed with exogenous DNA
Exogenous D in the tobacco cell genome
There are well-developed methods that can be applied to introduce NA. Many known tobacco
Any of the cell transformation methods can be used to practice this invention. Tobacco cells
Whether the transformation method of A. coli uses components of the Agrobacterium system
It is easily classified based on crab.
Agrobacterium tumefasciens is
Has a nucleotide sequence called "T-DNA" (as transferred DNA)
Efficient in the chromosome of natural dicotyledonous plants (including tobacco)
It is a Gram-negative bacterium that has been metastasized to and integrated in and grows tumors on infected plants. Difference
Naturally-occurring vector systems for integrating seed DNA into plant chromosomes include plant genes.
In engineering, it has been extensively studied, modified, and interspersed (Deblaere et al., “Efficient
Octopine Ti Plasmid-Derived Vectors for Agrobacterium-Mediated Gene Tran
sfer to Plants ”, Nucleic Acids Research, 13: 4777-4788,
1985). Operable in sense or antisense orientation relative to regulatory sequences
A naked recombinant DNA molecule containing a PMT DNA sequence linked to
Connect to the DNA sequence by conventional methods. These are polyethylene glycol
Method into the tobacco protoplasts by electroporation or electroporation (both standard methods).
Be entered. Alternatively, it may contain a recombinant DNA molecule encoding PMT.
Is introduced into live Agrobacterium cells. This cell is then the DNA
To tobacco plant cells (Rogers et al., “Gene Transfer in Plants: Prod
auction of Tr
ansformed Plants Using Ti Plasmid Vectors ”, Methods in Enzymology, 1
18: 627-640, 1986).
Although the Agrobacterium method is widely used in the art,
It is not a necessary element in the method. Naked DNA without T-DNA vector sequence
Transformation by fusing tobacco protoplasts with DNA-containing liposomes or
Can be done by electroporation (Shillito et al., “Direct Gene Transfer
to Protoplasts of Dicotyledonous and Monocotyledonous Plants by a Numbe
r of Methods, Including Electroporation ", Methods in Enzymology, 15
3, 313-316, 1987). Does not have T-DNA vector sequence
Inert high-speed microprojectiles [BIOLISTIC (registered trademark)]
Particle Delivery System, Dupont, Wilmington, Delaware, USA)
Thus, it can be used to transform tobacco cells.
Used to make transformed tobacco cells and tobacco plants of this invention
The PMT recombinant DNA molecule and vector also contain a dominant selectable marker gene.
It is preferable to have. Suitable dominant selectable markers for use in tobacco include neo
Mycin phosphotransferase, hygromycin phosphotransferase
Antibiotics Encoding Zeze and Chloramphenicol Acetyltransferase
A quality resistance gene is included. Other well-known prioritized selections suitable for use in tobacco
The selection marker is methotrexate resistant di-
A mutant dihydrofolate reductase gene encoding hydrofolate reductase.
(Deblaere et al., Supra). DNA containing an appropriate antibiotic resistance gene
Vectors and corresponding antibiotics are commercially available.
The transformed tobacco cells are the product of the selected dominant selectable marker gene.
Antibiotics (or other compounds that are usually toxic to tobacco cells) that confer resistance to
Untransformed cells by adding a mixed population of cells to medium containing the appropriate concentration.
Selected from the population surrounding the transformed cells. Therefore, it is a transformed tobacco cell
Injuries survive and multiply.
The transformed cells may be cultured according to any method known in the art of culturing tobacco cells and tissues.
By applying, regenerates an induced, intact and fruitful tobacco plant. plant
The regeneration method is selected to be consistent with the transformation method. Estimated transgenesis
PMT sequences are stably present and oriented in the genome of the tobacco plant
The test for this was performed by Mendelian inheritance of the PMT sequence and controlled hybridization.
Revealed by standard DNA analysis performed on offspring resulting from
Become.
Transgenic tobacco plants are regenerated from transformed cells and then transformed into
The inserted PMT sequence can be transformed into other tobacco varieties without undue experimentation using conventional plant propagation methods.
Easily transferred.
Decreased levels of nicotine in PMT antisense transgenic tobacco plants
Is tested by the standard nicotine assay.
Full length PMT cDNA molecule or full length
The appropriate operably linked regulatory sequences using the PMT chromosomal gene of
Transgenic tobacco cells and transgenic tobacco linked in orientation
It will be appreciated that plants can be constructed (and those skilled in the art should
Appropriate regulatory sequences that express the gene in the mouse orientation are provided in
Including any one of the known eukaryotic translation initiation sequences in addition to the transcription / transcription termination sequence.
You will see). Such a transformed tobacco plant has PMT
The level of protein is increased and, therefore, is higher than that of untransformed control tobacco plants.
It is characterized by high content of cotin.
Therefore, the PMT DNA sequence was used to reduce the level of PMT protein.
Increase or decrease to reduce or increase the content of nicotine in tobacco plants.
It should be understood that addition is included within the scope of this invention.
The following examples are provided for better understanding of the invention. These examples are examples
It is for the purpose of showing only and is not intended to limit the scope of the invention.
ExampleBuffer solution composition Buffer A
50 mM Tris / HCl, pH 7.5
5 mM EDTA (free acid)
20% (V / V) glycerin
2 mM DTT
0.5% (W / V) sodium ascorbate
2% (W / V) PEG400
0.4 mg / l PMSF (from 1 mg / ml stock solution)
0.4 mg / l leupeptin (from 1 mg / ml stock solution)
100g / l PVPP
40g / l Amberlite XAD-4Buffer B
10 mM Tris / HCl, pH 7.5
1 mM EDTA (free acid)
20% (V / V) glycerin
2 mM DTT
0.4 mg / l PMSF (from 1 mg / ml stock solution)
0.4 mg / l leupeptin (from 1 mg / ml stock solution)Buffer C
10 mM Tris / HCl, pH 7.5
1 mM EDTA (free acid)
20% (V / V) glycerin
2 mM DTTStock solution of protease inhibitor
Dissolve PMSF (1 mg / ml) in dimethylformamide and add 2.1 ml each.
Was stored at -20 ° C until use. Leupeptin (1mg / ml) distilled water
Dissolved in 2
. 1 ml aliquots were stored at -20 ° C until use.Production of crude extract
Tobacco grown by hydroponics (Nicotiana tabacum L. var. Burley 21)
About 1 kg of plant roots was harvested 3 days after flowering. Wash the harvested roots with cold water
Placed in a clean Buchner funnel and aspirated to remove water. Frozen washed roots at -80 ° C
And stored. Pre-chill the frozen roots in a 1 gallon Waring blender
Added to 2.51 buffer that had been slurried. Buffer the roots with a large spoon
Mix with liquid slurry. Start the blender at a low speed setting and then the medium speed setting.
Homogenization was performed according to the standard. If the homogenate temperature is higher than 3-5 ° C
I was careful not to.
Put the resulting extract in a centrifuge bottle and centrifuge at 13680 xg for 70 minutes at 4 ° C.
Separated and insoluble debris was pelletized.
The supernatant was decanted and its volume was 2.371. About 0.77g of D
TT was added to the extract.Fractionation with ammonium sulfate
Crystals of ammonium sulfate were added to the extract in an amount of 22.6 g per 100 ml of the extract.
It was added slowly and the extract was brought to 40% saturation with ammonium sulfate. Obtained sulfuric acid
The ammonium-containing extract was stirred at 4 ° C for 2 hours.
Precipitation with ammonium sulphate at 40% saturation was carried out at 27500 xg for 30 minutes 4
It was recovered by centrifugation at ° C. An additional 0.33 g of extract 11
Add DTT
did. Extraction of ammonium sulfate crystals with an amount of 15.3 g per 100 ml of extract.
Gradually add ammonium sulphate to the solution to adjust the concentration of ammonium sulfate from 40% to 65% saturation.
Up to. The extract containing 65% ammonium sulfate was stirred overnight at 4 ° C.
Stirred. Fraction with 40-65% saturation ammonium sulphate, 27500 xg
Pellet by centrifuging for 70 minutes at 4 ° C and discard the supernatant.
Was.
Precipitation with 40-65% saturation ammonium sulfate was dissolved in buffer B to obtain a total volume.
The volume is made up to 200 ml, then 17.53 g of NaCl are added and dissolved by stirring on ice.
I let you. The solution of the 40-65% fraction containing NaCl was added at 47800 × g for 30 minutes, 4
Centrifuged at 0 ° C and the resulting pellet was discarded.
The production of the crude extract and the fractionation with ammonium sulphate were carried out essentially as described above.
The same procedure was repeated three more times to obtain four 40-65% saturated ammonium sulfate solutions.
The monium fractions (200 ml each) were pooled. 800 manufactured in this way
The ml pool corresponded to a total of 5.239 Kg of root tissue.Hydrophobic interaction chromatography
Phenyl-Sepharose CL4B (Pharmacia Inc., New Jersey, USA
State, Piscataway, Catalog Number: 17-0810-01) Hydrophobic interaction
Rams (5 cm x 20 cm) were equilibrated with buffer C supplemented with 1.5 M NaCl.
. Clear 40-6 of 800 ml pool corresponding to 5.239 Kg of root tissue.
The 5% saturated ammonium sulphate fraction was converted to equilibrated phenyl-sepharose as described above.
Kara
Injected into Until a stable baseline of absorbance of 280 nm wavelength light is obtained.
Column (indicating that all unbound protein was removed), the column was
It was washed with buffer C supplemented with NaCl. Then 1.5M to 0.0M in buffer C
The PMT was eluted with a linear gradient solution 21 of NaCL that had a decreasing concentration. Additional buffer C
The column was further washed with 11. Fractions of 12 ml each were collected and the fractions (P
At the peak of MT activity and before and after it, every 3 fractions, and the other fractions of the gradient solution
(Every 10 fractions), PMT activity was assayed continuously as follows. Hydrophobic mutual
Working chromatography was carried out at 4 ° C. with a flow rate of 4.7 ml / min.
Pool Phenol-Sepharose Fractions # 86- # 116 with PMT activity
And continuously agitate the resulting pool for about 18 hours against buffer C 91.
It was dialyzed. The dialyzed sample is divided into four 100 ml portions and cooled to -80 ° C.
I rejected it.Assay of PMT activity
The following was put in each reaction tube.
12.5 nmol Tris / HCl 8.3
0.25 nmol EDTA
1.25 nmol 2-mercaptoethanol
0.9 nmol putrescine
0.15 nmol unlabeled S-adenosylmethionine
0.18 nmol [14C-methyl] S-adenosylme
Thionine
(57nCi / nmol)
Enzyme sample
Total volume = 0.25 ml
The reaction was initiated by adding the enzyme sample and was performed for 30 minutes at 30 ° C.
. By adding 0.5 ml of 10% (W / V) NaOH solution saturated with NaCl
The reaction was stopped.
Radioactive product, N- [14C-methyl] putrescine is a solvent to chloroform
Separated from the substrate by extraction. The reaction was stopped by adding 1 ml of chlorophosphine to the mixture.
After swirling with Rum for 90 seconds, centrifuge at 1600 x gav for 5 minutes
The organic and aqueous phases were separated. Then 0.5 ml of the organic phase was assayed. 0.5 ml
Organic phase of 9.5 ml of liquid scintillation cocktail (Beckman Instruments
, USA, Columbia, USA) to add radioactivity to liquid scintillation
Counter using a standard method.
One unit of PMT activity is equivalent to 1 nmole of the product produced in 30 minutes at 30 ° C.
Define.
Negative controls are included in all tests. Negative control is reaction mixture without enzyme
, Or a mixture quenched with NaOH at time zero.Anion exchange chromatography
Thaw two 100 ml aliquots of phenyl-Sepharose and thaw
DEAE-Sepharose "Fast Flow" column equilibrated with buffer C at 4 ° C.
Lamb (Pharmacia-LKB, Piscataway, NJ, USA)
, Catalog number: 17-0709-01, Lot number: OB-05854, 1c
m × 14.5 cm) at 4 ° C. at a flow rate of 1.5 ml / min.
The DEAE-Sepharose column is then placed on a stable 280 nm baseline.
To obtain 1.5 ml of buffer C containing 10 mM NaCl.
It was washed at a flow rate of / min. The column is then loaded with 50 ml of buffer C without NaCl.
Equilibrated again. Next, raise the temperature of the column to room temperature (24 ° C) and
The void volume was adjusted to 5 mM putrescine (Sigma Chemical Co., USA, Missouri, USA).
Into Louis, catalog number: P7505, lot number: 39F0039)
The buffer solution C was replaced. Hold the column at 24 ° C for approximately 1 hour without passing it through, then
At 0.7 ml / min (1 ml with 5 mM putrescine-containing buffer C632 ml).
PMT was eluted at 24 ° C. with a flow rate of 5 hours).Concentration of PMT by adsorption
The PMT eluted from the DEAE-Sepharose column was treated with ω-aminohexyl.
Sepharose 4B ("AHS") (Sigma Chemical Co., Missouri, USA,
St. Louis, Catalog No .: A8894) column (1 cm x 3 cm) (4 ° C
Directly stored in). PMT was removed from the above AHS column using 1.5 M NaCl.
Was eluted at a flow rate of 1.6 ml / min with buffer C containing 12-15
Four fractions of ml were collected and assayed for PMT activity as described above. the first
(14.7 ml) of the total PMT activity recovered from the AHS concentration column.
Contains 0% or more
I wasUltrafiltration
For further concentration, 13.7 ml of the first AHS fraction was divided into 6 parts.
"Centricon 30" (Amicon, Denver, Mass., USA)
It was placed in an ultrafiltration device and concentrated about 25 times. Pool the concentrates from the six above devices
Diluted with buffer C containing no salt, and diluted with a single "Centricon 3".
A second ultrafiltration was performed with 0 "until the total volume was approximately 150 μl.
The resulting 150 μl concentrate was stored at −80 ° C.Preparative isoelectric focusing
PMT purified in the DEAE / AHS step (including concentration by ultrafiltration),
It was further purified by isoelectric focusing. Isoelectric focusing of preparative separation method
In a sucrose density gradient liquid (1.6 cm × 21 cm), a commercially available ampholyte (Ph
armacia-LKB, Piscataway, NJ, USA)
. The pH gradient solution should be prepared according to the ampholyte manufacturer's instructions, and the pH range should be adjusted.
It was set to about 5.3 to about 6.3. Apply a voltage of 1000 to 4000 volts (1 to
Focusing was performed for about 3 hours at a power of 4 watts. After focusing,
Fractions were collected and the pH and PMT activity of each fraction were measured. Focusing and fraction collection 4
C. was performed.
Figure 4 shows the relative activity of PMT and pH vs. fraction number after isoelectric focusing.
Is a dual graph of the number (ie, position of sucrose density gradient). Experiment shown in Figure 4
The data is
It shows that the isoelectric point of Baco PMT is about 5.7. Other isoelectric focusing
In the migration experiment, the PI of tobacco PMT was as low as 5.0 and as high as 5.8.
It seems to indicate a high value. In fact, many factors affect the apparent PI,
One of ordinary skill in the art will recognize that the measured value of will usually vary somewhat.
There will be.
The relative purity of PMT at successive stages of the purification process was evaluated by measuring the specific activity.
(Table 1). The purity values (doubled) shown in Table 1 are actually from the crude extract of tobacco roots.
Is an underestimated value of the degree of purification. Because 40-65% saturation ammonium sulfate
This is because the fraction according to 1. is set to 100% when the activity yield is calculated.
Also, the PMT at successive stages of the method of the present invention
Relative purity was measured by standard SDS-PAGE method. Figure 1 shows the PMT purification process.
SDS-PAGE protein bandpass that the sample shows (during silver staining) at each step
Indicates a turn. The samples on the gel are as follows: Lanes 1 and 6: molecular weight standard
Quality (listed in the column of brief description of the drawings below); Lane 2: 40-65%
Fractions with ammonium sulfate saturation; Lane 3: Phenyl-Sepharose column.
Fraction with peak PMT activity derived from lane 4; lane 4; enrichment from DEAE / AHS stage
Material; Lane 5: Isoelectric focusing of concentrated material from DEAE / AHS stage
The fraction with the peak PMT activity. Substances purified by DEAE / AHS (
The predominant PMT band in lane 4) (indicated by the arrow) shows the above-mentioned hydrophobic interaction.
It can be seen that it is hardly visible in the material from the stage (lane 3).Tobacco PMT molecular weight
The apparent molecular weight of tobacco PMT was calculated using ammonium sulfate, phenyl-cephalon.
And PMT material that has passed the DEAE-AHS / ultrafiltration purification step.
It was measured in an experiment in which PMT was isolated on a non-denaturing electrophoretic gel. For non-denaturing concentration
The gel buffer is 0.27M Tris / HCl (pH 6.8), 10% (V / V)
It contained lyserine and 20 mM 2-mercaptoethanol. Non-denaturing 1
Gel buffer for separation of 2.5% polyacrylamide is 0.38M Tris / HCl (pH
8.8) 10% (V / V) glycerin, and 12 mM 2-mercaptoetha
It contained a nol.
Cut a single lane from a non-denaturing gel, cut in half along the length, then
It was cut into 3 mm thick slices. 1/2 of each gel slice is standard PMT assay
Place directly in the mixture and subject the corresponding 1/2 of each gel slice to SDS-PAGE.
Was.
The non-denaturing gel slices that showed the highest PMT activity (Fig. 2) were especially apparent.
It contained a single protein with an abundance of approximately 60 KD (Fig. 3).Enzyme activity of PMT
Substrate specificity tests were performed on the highly purified tobacco PMTs of this invention.
1,3-diaminopropane and 1,5-diaminopentane (both putrescine
, A chemical analog of phosphatidylethanolamine (a methyl group acceptor) and
N-methylputrescine (a normal product of PMT) as a substrate for PMT
The working performance was compared with putrescine (1,4-diaminobutane). 1,
3-diaminopropane, 1,5-diaminopentane and phosphatidylethano
In the standard PMT assay (assay above) instead of putrescine
When used, no detectable amount of radioactive product was produced. To test PMT,
When N-methylputrescine is used instead of putrescine, radioactive products
Production was less than 6% as observed with putrescine.
A look at the substrates of two PMTs, putrescine and S-adenosylmethionine.
Multiplying the Km value with other substrates in excess, while controlling various rate-determining concentrations of one substrate
In (from above
Thus, it was determined by measuring PMT activity. Lightly purified tobacco
The Km for putrescine of PMT was about 400 μM. Highly purified
The Km for S-adenosylmethionine of tobacco PMT was about 125 μM.
Was. K found for putrescine by lightly purified tobacco PMT
m-value and S-adenosylmethionine by highly purified tobacco PMT.
The Km value found for the PMT is in good agreement with that published for PMT (Mi
zusaki et al., supra; Feth et al., "Determination of Putrescine N-methyltransf.
erase By High Performance Liquid Chromatography ", Phytochemistry, 24
Vol., 921-923, 1985).Analysis of amino terminal amino acid sequence
Tobacco PMT for sequence analysis is fractionated by ammonium sulphate, Phenyl-Cef
Chromatography, DEAE Sepharose chromatography eluting with putrescine
Matography (followed by concentration with AHS and ultrafiltration), free flow, etc.
The substance that has been subjected to the purification step of the electrofocusing electrophoresis is subjected to the SDS-PAGE method.
By isolation. After subjecting the highly purified PMT to SDS-PAGE,
The resulting protein band was labeled with polyvinylidene difluoride membrane (“Immobilon”,
Millipore, Bedford, Mass., USA)
And then visualized by standard methods with Amido Black. "A1"
The membrane pieces with the sliver (see FIG. 5) are highly purified showing the molecular weight characteristics of tobacco PMT.
Only two bands of formulated product
(See Fig. 3), but cut it apart from the adjacent "a2" band.
Was. The method recommended by the manufacturer was used for the PMT isolated in this way.
Applie equipped with an online 120A analyzer (pulse liquid phase sequencer)
Amino terminal amino acid sequence analysis was performed using d Biosystems Model 477A.
Of the first 17 amino acids at the amino terminus of the "a1" band of tobacco PMT
The sequence is (SEQ ID NO: 1): LeuSer Xaa Asn Phe Leu P.
he Gly Thr Ala Ser Ser Xaa Tyr Gln T
It was found to be yr Glu.
The "a2" band (see Figure 5) is the only two bands showing the molecular weight of tobacco PMT.
It was the second one (see Figure 3). Create "a2" band (Fig. 5)
When analyzed in the same manner as the "band," the "a2" band shows the following partial amino acids:
Sequence (sequence number 2): Leu Ser Ser Asn Phe Leu Ph
e Gly Thr Ala Ala Pro Tyr Tyr Gln Ty
rGlu was generated.Confirmation of amino-terminal sequence of 60kD PMT protein
Additional amount of 60kD tobacco PMT protein was further prepared for amino acid sequence analysis
did. Based on this further analysis, the first 29 amino acid sequences of the "a1" band were
Column (SEQ ID NO: 4): Leu Ser Ser Asn Phe Leu Ph
e Gly Thr Ala Ser Ser Tyr Tyr Gln Ty
r Glu Gly Ala Phe Leu Ser Asp Gly Va
l Gly Leu Ser Asn.Partial amino acid sequence of CNBr fragment
To obtain a partial internal (as opposed to amino-terminal) PMT amino acid sequence, we
Isolated the tobacco PMT electrophoretic band as described above and brominated the purified PMT.
It was subjected to cyanine (“CNBr”) decomposition. (CNBr is a methionine residue and is specifically a peptide
Disconnect. ) We analyzed the CNBR reaction products by SDS-PAGE,
Found a CNBR fragment with an apparent molecular weight of about 15, 6.2 and 3 kD
did. We electrophoresed from a polyacrylamide gel containing CNBr fragments.
The active band, electroblot the protein from that band, and (see above).
Sea urchin) The fragment was subjected to amino acid sequence analysis.
The sequence of the first 13 amino acids of the 15 kD CNBR fragment of PMT is
(Column number 5): Phe Ile Thr Glu Asn Gly Phe Al
a Gly Arg Ser Gly Arg was found.
The first of the 6.2 kD CNBR fragments of PMT
The sequence of 5 amino acids is (SEQ ID NO: 6): Asn Glu Pro Xaa Phe.
Val Ala Ila Ser Gly Tyr Arg Asp Xaa
It was found to be Thr.
The sequence of the first 20 amino acids of the 3 kD CNBR fragment of PMT is (sequence
No. 7): Ala Asp Ile Glu His Tyr Ser Lys
Leu Ile Asp Ala Leu Xaa Ile Lys Gly
It was found to be Ile Gln Phe.Isolation and characterization of PMT cDNA clones
Uses common RNA PCR method to isolate PMT cDNA clones
did. The template in the RNA PCR method is poly (A+ ) R
NA. poly (A+ The starting material for RNA production is grown in hydroponics
Of tobacco plants (N. tabacum, Var. Burly 21). poly
(A+ ) The first step in the production of RNA was the production of total RNA. Whole tobacco root
RNA isolation is accomplished using commercially available kits (Stratagene
, LaJolla, CA, Cat. Performed using the knowledge and reagents from No. 200345)
. poly (A+ ) RNA is poly (A+ ) Commercially available for the production of RNA
Noh Kit (Pharmacia LKB, Piscataway, NJ, Cat. No. 27-9258-
01) was used to isolate from total RNA production. Oligonucleotide PCR plastic
Immersed with partial amino acid originally obtained from purified PMT protein
Designed according to standard principles using acid sequence data. In later experiments, the primer
Was designed from the sequence of a previously isolated cDNA clone.PCR method
The RNA PCR method was performed using a commercially available kit (“GeneAmp RNA PCR
Kit ”, Perkin Elmer Cetus, Norwalk, CT).
Essentially followed the advice of the R kit seller. The seller's protocol is modified as follows.
Corrected:
Reverse transcriptase reaction
(1) Reverse primer concentration was 2.5 μM;
(2) poly (A+ ) RNA amount was approximately 1 μg for the reverse transcriptase reaction;
(3) Thermal cycle program is 42 ℃ 60 minutes, 99 ℃ 10 minutes, 4 ℃ 10 minutes 1 cycle
I did a kuru and connected to a soaker file at 4 ℃;
Polymerase chain reaction
(1) Primer concentration was 2.5 μM each;
(2) Add Taq polymerase enzyme to the final reaction after 98 ° C cDNA denaturation step.
Added;
(3) Thermal cycle program is step cycle file 98 ℃ 1 minute, 60 ℃ 10 minutes
1 cycle, 94 ° C for 1 minute, 50 ° C for 2 minutes, 72 ° C for 3 minutes for 30 cycles
Step cycle file 72 ℃ for 10 minutes, soaker file 4 ℃
Was;
20% of each PCR sample after standard chloroform extraction step
(Vol.) On a 2% agarose gel for electrophoretic analysis of PCR products
did.Cloning procedure
A PCR product selected for further analysis is provided with a commercially available vector
ー pBluescript II (SK+ ) (Stratagene). PCR product
An aliquot of was treated with Klenow enzyme to generate blunt ends on the DNA. Klen
The ow reaction mixture is as follows: about 1 μg PCR-generated DNA, 80 μM
4 deoxynucleotide triphosphates for each final concentration,
2.5 μl of 1OX universal buffer (Stratagene), 5 units of Klenow enzyme
(Stratagene), and water to obtain a total volume of 25 μl. Klenow reaction at room temperature 3
Continued for 0 minutes and stopped by heat inactivation at 75 ° C. for 10 minutes.
The PCR-generated DNA fragment was then digested with pBl digested with the restriction enzyme SmaI.
The uescript II (SK +) was ligated. The ligation reaction mixture is
As: about 1 μg of blunt ended DNA, about 0.2 μg of SmaI digested pBl
uescript II, 3 μg 1OX ligation reaction buffer (Stratagene), 12 units T
4 DNA ligase, and water to obtain a total volume of 30 μl. We'll be at 4 ° C overnight
A gauze reaction was carried out, and the reaction was stopped by thermal activation at 75 ° C. for 10 minutes.
After each ligation reaction, the following bacterial transformation method was performed. Commercially available competent
E. Coli cells (“XL1-Blue” cells, Stratagene) suspension on ice
Cooled on
. About 30 for a sample of DNA that has been chilled on ice (ligated as described above).
μl of suspension was added. Competent cells in the presence of ligated DNA
, Put on ice for 30 minutes. Then, using a 42 ° C water bath, incubate the cells for 2 minutes with DNA.
In the presence of. After the heat shock, the cells and DNA were returned to the ice bath for 5 minutes. 1
After addition of ml of LB medium, the cells were vigorously shaken and incubated at 37 ° C for 1 hour.
I had a cube. The cells were then placed in selective medium. After overnight incubation
The plates were examined for colonies of transformed cells. Selection of transformed cells
For selection, LB medium containing ampicillin at 100 mg / liter was used.
Was.
Selected transformants were produced from cultures of individual transformant colonies
Screened by PVuII restriction analysis of DNA. This selection method is the desired insertion
Colonies with PCR product are larger than PCR product, about 0.5 kb PVu
Based on the fact that it produces II. This is the pBluescript II multiple cloning part
Position adjacent to the position (MCS) into which the PCR product is cloned
This is because there are PVuII restriction sites at reotide positions 529 and 977. (Seller
See the map of the plasmid pBluescript II in the product literature. ) PVuI
Clones selected in I-screen were further analyzed by DNA sequence analysis.Clone PMT1.2
Clone PMT1.2 (about 1.2 kb) was cloned into RNA PCR as described above.
And obtained by cloning. The mold is
Tobacco root poly (A+ ) RNA and forward and reverse primers
They were designated as P-20 (SEQ ID NO: 8) and P-22 (SEQ ID NO: 9), respectively. Primer
The sequence design of P-20 was based on amino acids 13-20 of the 60 kD PMT protein.
. The sequence design of primer P22 was based on the 15kD CNBr fragment of PMT protein.
Based on mino acids 1-7.
Preliminary DNA sequence analysis was performed on clone PMT1.2. PMT1
. The deduced amino acid sequence encoded by one of the two open reading frames is 60 kD.
It showed strong homology (94%) to the N-terminal region of the PMT protein. PM
The deduced amino acid sequence encoded by T1.2 is a 60 kD PMT protein.
3kD CNBr Fragment (as described above) representing the internal area of white matter
It showed strong homology (95%).Clone PMT-26
Clone PMT-26 (about 1.2 kb) was subjected to RNA PCR as described above.
And obtained by cloning. The template is tobacco root poly (A+ ) RNA and
The reverse and reverse primers are P-24 (SEQ ID NO: 10) and P-, respectively.
21 (SEQ ID NO: 11). The sequence of primer P-24 is intact 60 kD P
Based on amino acids 4-10 of MT protein, contains a BamHI site at its 5'end
I was out. The sequence of primer P-21 is 15 kD CNBr of 60 kD PMT protein.
Based on amino acids 1-6 and the N-terminal methionine of the fragment. In addition,
Limer P-21 contained an EcoRI site at its 5'end. Therefore,
The test was conducted from amino acid # 4 near the N-terminus of the 60 kD PMT protein to the protein.
CDNA encoding the region up to amino acid # 6 of the 15 kD CNBr fragment of Escherichia coli
Planned to get a clone.
Preliminary DNA sequence analysis was performed on cDNA clone PMT-26.
Clone PMT-26 encoded approximately two-thirds of the 60 kD PMT protein.
N- of the deduced amino acid sequence encoded by one of the PMT-26 open reading frames
The terminal region showed strong homology to the N-terminal region of the 60 kD protein. So
The deduced amino acid sequence C-terminal region is the internal region of the 60 kD PMT protein.
A strong homology to the 3 kD CNBr fragment (as described above)
Indicated.Clone Q7
Clone Q7 (approximately 0.4 kb) was cloned into RNA PCR and clones as described above.
It was obtained by PCR template is tobacco root poly (A+ ) RNA and Fowa
And PCR primers were P-18 (SEQ ID NO: 12) and P, respectively.
-23 (SEQ ID NO: 13). The sequence of primer P-18 was purified as above.
N-terminal fragment of the 15 kD cyanogen bromide fragment generated from the isolated 60 kD protein.
Based on thionine plus amino acids 1-7. Reverse primer P-23
Sequence of poly (dt) region (20 deoxythymidine), EcoRI site, and
And 3 additional deoxythymidines at the 5'end.Clone PMT2-5
Is the clone PMT2-5 (about 1.5 kb) a partial clone PMT-26?
RNA PCR and clones in combination with their sequence information (essentially as described above).
It was obtained by using the technology. (In RNA PCR method, primer concentration
Was 1.0 μM rather than 2.5 μM. Furthermore, the first step cycle f
ile specified at 50 ° C rather than 55 ° C, last step cycle 10 min
Rather, I specified 30 minutes. ) The template is tobacco root poly (A+ ) RNA
The word and reverse primers are P-38 (SEQ ID NO: 14) and P-3, respectively.
6 (SEQ ID NO: 15). The sequence of primer P-38 is 60 kD PMT protein.
Encodes amino acids 4-11 of the quality (SEQ ID NO: 4) N-terminal region (as described above).
Based on the DNA sequence from the 51 region of clone PMT-26. Primer
-P-36 was designed from the 3'region of DNA clone Q. Primer P-38 and
And P-36 both showed 100% homology to their target sequences.
DNA sequence analysis was performed on the cloned PMT2-5 DNA insert. P
The MT2-5 DNA sequence maps to PMT1.2 and Q7 DNA as expected.
I did. From this result, clones PMT1.2 and Q7 displayed a single transcribed region.
It was confirmed that I encode a single protein region. Clone P
MT2-5 is an N-terminal methionine and amino acids 1-3 (ie leu-ser-ser).
) But encoded the complete 60 kD PMT protein. In addition to PMT2-5
, Clone PMT2-5 or Q7
Other clones with partial homology were obtained (data not shown).Clone PMT14-3
The forward primer, P-37, was added to the 5'end of clone PMT2-5.
Added codons for PMT amino acids 1-3, alanine and N-terminal methionine
It was synthesized for. The sequence of primer P-37 was determined by standard DNA PCR techniques.
Were incorporated into PMT2-5 DNA. PMT2-5 DNA is a polymerase chain reaction
And the forward and reverse primers are each
It was set to -37 (sequence number 16) and P-36 (sequence number 15). D from PCR
The NA product was cloned as above. This is the clone PMT14-3
Obtained by law. Clone PMT14-3 immediately after the N-terminal methionine
Encodes a complete 60 kD PMT protein with additional alanine residues inserted
It was determined to do. This homologous structure of clone PMT14-3 has a known sequence.
Confirmed by analytical method. The inserted alanine residue is the N-terminal methionine residue
The effect of PMT14-3D on post-translational processing of
Recombination produced in a host cell transformed with an expression vector having an NA insert
It can be determined by sequence analysis of the PMT protein.
Examples of recombinant DNA sequences prepared by the methods described herein include rice
American Type Culture Collection in Rockville, Maryland
The culture that was deposited with the company. E. coli PMT14-3
Named after, this culture was deposited on March 11, 1993 and was deposited with the ATCC.
The number 69253 is attached. Nicotiana tabacum
) Leaves are sequenced in either the 3'to 5'or the 5'to 3'direction as follows:
Agrobacterium tumefaciens containing the DNA sequence of No. 17 (Agroba
cterium tumefaciens):
pBI121: control plasmid, Kan '(commercially available)
1.2A3-3B: PMT gene in the antisense direction
Transformation with 1.2 kb fragment
Plant
1.2A2-40: PMT gene in the antisense direction
Transformation with 1.2 kb fragment
Plant
1.2S3-15: 1.2 of PMT gene in the sense direction
transformed with the kb fragment
plant
1.2S4-16: 1.2 of PMT gene in sense orientation
transformed with the kb fragment
plant
Callus grew into a plant and took leaf samples before and after the plant was cut
. Alkaloids in leaf samples were treated with methanol potassium hydroxide containing an internal standard.
And extracted from transformed leaves and control leaves. The supernatant is filtered and turned into nicotine
Gas chromatography analysis using a nitrogen-phosphorus detector for analysis.
I served. I got the following results
Was:
As expected, the amount of nicotine after the plant was cut was clearer than before it was cut.
There are many crabs. However, the increase brought about by the pruning was
Significantly reduced in plants grown from materials treated according to the invention as compared to
I was
【手続補正書】特許法第184条の8
【提出日】1995年5月31日
【補正内容】
請求の範囲
1. S−アデノシルメチオニンのメチル基を、プトレッシンのδ−アミノ基へ
転移させる反応を触媒する性能によって特徴づけられるタバコタンパク質をコー
ドする組換えDNA分子。
2. 配列番号17のヌクレオチド配列又は前記配列番号17に交配(雑種形成
、ハイブリダイセーション)させるヌクレオチド配列又は前記ヌクレオチド配列
のいずれかに退化するヌクレオチド配列を含有する請求の範囲第1項記載の組換
えDNA分子。
3. 分離されたDNA分子によってコードされるmRNAの転写を行なうこと
ができる配列に作動可能に連結された請求の範囲第1項又は第2項記載のDNA
分子を含有するベクター。
4. アンチセンスmRNAの転写を行なうことができる配列に連結された相補
的アンチセンスmRNAをコードするDNA配列によって特徴づけられる請求の
範囲第3項記載のベクター。
5. 請求の範囲第3項又は第4項記載のベクターで安定的に形質転換された培
養トランスジェニックタバコ細胞。
6. 請求の範囲第3項又は第4項記載のベクターで安定的に形質転換されたト
ランスジェニックタバコ植物。
7. 配列番号17のヌクレオチド配列を含有し、プトレッシンN−メチルトラ
ンスフェラーゼをコードする分離されたDNA分子。[Procedure of Amendment] Article 184-8 of the Patent Act
[Submission date] May 31, 1995
[Correction contents]
The scope of the claims
1. S-adenosylmethionine methyl group to putrescine δ-amino group
Coat tobacco proteins characterized by their ability to catalyze a transfer reaction.
Recombinant DNA molecule.
2. Nucleotide sequence of SEQ ID NO: 17 or a cross with said SEQ ID NO: 17 (hybridization
, A nucleotide sequence to be hybridized or said nucleotide sequence
The recombinant according to claim 1, which contains a degenerate nucleotide sequence in any of the following.
E DNA molecule.
3. Performing transcription of mRNA encoded by the separated DNA molecule
The DNA of claim 1 or 2 operably linked to a sequence capable of
A vector containing the molecule.
4. Complementary linked to a sequence capable of transcription of antisense mRNA
Claims characterized by a DNA sequence encoding a specific antisense mRNA
The vector according to claim 3.
5. A culture stably transformed with the vector according to claim 3 or 4.
Transgenic tobacco cells.
6. A plant stably transformed with the vector according to claim 3 or 4.
Lancegenic tobacco plants.
7. Contains the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 17 and contains putrescine N-methyltra
An isolated DNA molecule encoding a transferase.