【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明はピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素に関する。詳しくは、野生型の酵素と比較して特定の領域のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素に関する。本発明の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素は、例えば臨床検査などにおけるグルコース量の測定に利用される。
【0002】
【従来の技術】
ピロロキノリンキノン依存性β−Dグルコース脱水素酵素(EC1.1.199、PQQGDH)は補酵素ピロロキノリン(PQQ)と共役してβ−Dグルコースを酸化してグルコノラクトンを生成する反応を触媒する。この性質を利用してPQQGDHは臨床検査や食品分析、培養プロセスのモニタリング等におけるグルコースの定量に利用されている。
過去に報告されたPQQGDHとしては、アシネトバクター・スピーシーズ(Acinetobacter sp.)L.M.D 79.41株が産生するPQQGDH及びその改変型PQQGDHが知られている(例えば、特許文献1〜5、非特許文献1参照。)このL.M.D 79.41株が産生するPQQGDHの基質特異性は低く、例えばグルコースに対する反応性の約90%に相当する反応性をマルトースに対しても有するものであった。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−312588号公報
【特許文献2】
特開2000−350588号公報
【特許文献3】
特開2001−197888号公報
【特許文献4】
特開2001−346587号公報
【特許文献5】
WO 02/34919 A1公報
【非特許文献1】
A−M Cleton−JansenらMol. Gen. Genet., 217, 430(1989)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
正確なグルコース量を測定するためにPQQGDHには高い基質特異性が要求される。例えば輸血による点滴を受けている患者を対象とした糖尿病の診断を行う場合などにおいて基質特異性の低いPQQGDHが用いられれば、測定値として得られるものはグルコース量のほかに輸液中のマルトース量を測り込んだものであり正確な血中グルコース量が求められない。同様に例えば肝機能障害のある患者を対象とした測定を行う場合においてはガラクトースの影響を受けて信頼性の高い測定が行えないおそれがある。このように基質特異性の低いPQQGDHではマルトースなどの他の糖質の影響を大きく受け、正確なグルコース量を測定できない。
【0005】
過去に報告された上記改変型PQQGDHでは野生型PQQGDHの一部のアミノ酸を置換することによって基質特異性の改善が行われている。しかしながら、依然としてマルトースやガラクトースに対する反応性がかなり残存しており、より正確なグルコース量の測定を可能とすべく更なる基質特異性の向上が望まれている。特に、ガラクトースに対する反応性が十分に低いPQQGDHは未だ見出されておらず、その提供が切望されている。
本発明は以上の背景の下、グルコースに対する基質特異性の高い改変型PQQGDHを提供することを目的とする。特に、マルトースに対する反応性の低さに加えてガラクトースに対する反応性が極めて低い改変型PQQGDHを提供することを目的とする。併せて、このような改変型PQQGDHの作製に利用することができるポリヌクレオチド、発現ベクター、及び形質転換体、更にはこれらを利用した改変型PQQGDHの作製方法、グルコース測定キットを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成するためにアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)が産生するPQQGDHにおいて特定の領域のアミノ酸の置換と基質特異性の変化との関係を詳細に検討した。その結果、基質特異性に深く関与する複数の領域を見出すことに成功した。即ち、後述の実施例で示されるように本発明者らはアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)の野生型PQQGDHにおいて351番目のアミノ酸が置換されることによってマルトース及びガラクトースに対する反応性が顕著に低下することを見出した。また342番目のアミノ酸も同様に基質特異性に深く関与していることを見出した。ここで、これらのアミノ酸は第326番アミノ酸残基〜第354番アミノ酸残基からなる二次構造内に位置することから、当該構造部分の改変によってグルコースに対する基質特異性を効果的に改善できると考えられた。
また、278番アミノ酸残基〜320アミノ酸残基からなる二次構造内に位置する第295番アミノ酸残基も同様にマルトース及びガラクトースに対する反応性に大きく関与することが示され、このことから当該構造部分の改変もグルコースに対する基質特異性の改善に極めて有効であると考えられた。同様に、169番アミノ酸残基の置換によって基質特異性の向上が見られたことから、これが位置する162番アミノ酸残基〜197番アミノ酸残基からなる2次構造部分の改変も基質特異性の改善に有効であると考えられた。
さらに、その他のいくつかのアミノ酸残基が基質特異性に関与することが示唆された。
ここで、同一の機能を有するタンパク質は一般にその活性部位や基質特異性に関与する領域の構造が類似していることが多い。従って、アシネトバクター・カルコアセティカス由来のPQQGDHにおける特定のアミノ酸の置換と基質特異性の関係に関して得られた上記情報は他の微生物由来のPQQGDHについても適用できると予想された。
本発明は以上の知見に基づき完成されたものであって、以下の構成を提供する。
[1] 対応する野生型酵素のアミノ酸配列を基準として、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素における第326番アミノ酸〜第354番アミノ酸からなる第1領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が置換されてなるアミノ酸配列を有する、改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[2] 前記第1領域に相当する領域において二つ以上のアミノ酸が置換されている、[1]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[3] 前記第1領域内の第342番アミノ酸及び第351番アミノ酸に相当するアミノ酸がそれぞれ他のアミノ酸に置換されている、[1]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[4] アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素における第278番アミノ酸〜第320番アミノ酸からなる第2領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[1]〜[3]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[5] 前記第2領域内の第295番アミノ酸に相当するアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[4]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[6] アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素における第162番アミノ酸〜第197番アミノ酸からなる第3領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[1]〜[5]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[7] アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素における第75番アミノ酸、第168番アミノ酸、及び第347番アミノ酸にそれぞれ相当するアミノ酸からなるグループより選択される一以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[1]〜[6]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[8] アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来である、[1]〜[7]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[9] 配列番号1のアミノ酸配列において、第326番アミノ酸〜第354番アミノ酸からなる第1領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されてなるアミノ酸配列を有する、改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[10] 前記第1領域において二つ以上のアミノ酸が置換されている、[9]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[11] 前記第1領域内の第342番アミノ酸及び第351番アミノ酸がそれぞれ他のアミノ酸に置換されている、[9]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[12] 配列番号1のアミノ酸配列の第278番アミノ酸〜第320番アミノ酸からなる第2領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[9]〜[11]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[13] 前記第2領域内の第295番アミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[12]に記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[14] 配列番号1のアミノ酸配列の第162番アミノ酸〜第197番アミノ酸からなる第3領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[9]〜[13]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[15] 配列番号1のアミノ酸配列の第75番アミノ酸、第168番アミノ酸、及び第347番アミノ酸からなるグループより選択される一以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている、[9]〜[14]のいずれかに記載の改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[16] グルコースに対する反応性を基準として、マルトースに対する反応性が40%以下、ガラクトースに対する反応性が10%以下である、改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素。
[17] [1]〜[16]のいずれかの改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする、単離されたポリヌクレオチド。
[18] [17]に記載のポリヌクレオチドを含有するベクター。
[19] [17]に記載のポリヌクレオチドを保有する形質転換体。
[20] [19]に記載の形質転換体を、前記ポリヌクレオチドが発現可能な状態で培養する工程、及び
前記ポリヌクレオチドの発現産物を分離する工程、を含む改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素の製造方法。
[21] [1]〜[16]のいずれかの改変型ピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素を含んでなるグルコース測定用キット。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明では、対応する野生型酵素と比較して特定の領域のアミノ酸配列が置換されている改変型のPQQGDHが提供される。本発明の改変型PQQGDHは典型的には、天然に存在するPQQGDH、即ち野生型のPQQGDHにおいて一部のアミノ酸を他のアミノ酸に置換することによって作製或いは設計される。このように本発明の改変型PQQGDHの基礎となる(由来する)野生型のPQQGDHのことを本明細書では「対応する野生型の酵素」と表現する。本発明における野生型酵素としては、アシネトバクター・カルコアセティカス、アシネトバクター・バウマンニ(Acinetobacter baumannii)、シュードモナス・エルギノサ(Pseudomonas aeruginosa)、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)、シュードモナス・フルオレッセンス(Pseudomonas fluorescens)、バークホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia)グルコノバクター・オキシダンス(Gluconobacter oxydans)、アセトバクター・アセチ(Acetobacter aceti)等の酸化細菌やアグロバクテリウム・ラジオバクター(Agrobacterium radiobacter)、エシェリヒア・コリ、クレブシーラ・エーロジーンズ(Klebsiella aerogenes)等が産生するPQQGDHを例示することができる。
【0008】
本明細書においてアミノ酸残基または領域について使用する場合における「相当する」とは、比較されるタンパク質(酵素)間において、構造に起因する機能が同等であることを意味し、特にマルトースやガラクトースなど、グルコース以外の糖質に対する反応性についての機能が同等であることを意味する。例えばアシネトバクター・カルコアセティカス以外の微生物に由来するPQQGDHにおいて、一次構造を比較し、且つ二次構造の相同性を考慮した上でアシネトバクター・カルコアセティカス由来のPQQGDHのある二次構造領域と同じ機能を有していると合理的に考えられる領域は「アシネトバクター・カルコアセティカス由来のPQQGDHの当該二次構造領域に相当する」と言うことができる。
本明細書においてアミノ酸の位置はN末端のアスパラギン酸を1としてN末端側からC末端側に向かって順番に番号付けを行った場合の番号によって特定される。
【0009】
本発明の改変型PQQGDHでは対応する野生型酵素のアミノ酸配列を基準として、アシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素(以下、「A.C.PQQGDH」という)における第326番アミノ酸〜第354番アミノ酸からなる第1領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されている。本明細書におけるA.C.PQQGDHのアミノ酸配列は配列番号1によって特定される配列である。この配列は後述の実施例で示されるようにアシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552株が産生するPQQGDHのアミノ酸配列である。
【0010】
以上のアミノ酸の置換に加えて、A.C.PQQGDHにおける第278番アミノ酸〜第320番アミノ酸からなる第2領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されていることが好ましい。
更には、A.C.PQQGDHにおける第162番アミノ酸〜第197番アミノ酸からなる第3領域に相当する領域において一つ以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されていることが好ましい。
加えて、A.C.PQQGDHにおける第75番アミノ酸、第168番アミノ酸、及び第347番アミノ酸にそれぞれ相当するアミノ酸からなるグループより選択される一以上のアミノ酸が他のアミノ酸に置換されていることが好ましい。
【0011】
各領域において置換されるアミノ酸の数は特に限定されない。但し、上記第1領域に相当する領域では二つ以上のアミノ酸が置換されていることが好ましい。
また、各領域において置換されているアミノ酸の位置は特に限定されないが、例えば上記の第1領域に相当する領域においては当該第1領域内の第342番アミノ酸及び/又は第351番アミノ酸に相当する位置のアミノ酸が置換されていることが好ましい。同様に、第2領域に相当する領域においては当該第2領域内の第295番アミノ酸に相当する位置のアミノ酸が置換されていることが好ましく、第3領域に相当する領域においては当該第3領域内の第169番アミノ酸に相当する位置のアミノ酸が置換されていることが好ましい。
【0012】
ここで、置換後のアミノ酸の種類は特に限定されないが、例えば第75番アミノ酸位置ではトリプトファン、第168番アミノ酸位置ではヒスチジン、第169番アミノ酸位置ではフェニルアラニン、第295番アミノ酸位置ではグルタミン酸やアスパラギン酸、チロシン、フェニルアラニンなど、第342番アミノ酸位置ではプロリン、第347番アミノ酸位置ではアルギニン、第351番アミノ酸位置ではスレオニンである。
【0013】
本発明の改変型PQQGDHは、野生型の酵素に比してグルコースに対する選択性が向上していることを特徴とする。即ち本発明の改変型PQQGDHは野生型の酵素に比較してマルトースやラクトースなどに対する反応性が低く、特にガラクトースに対する反応性が顕著に低いという特徴を有する。グルコースに対する反応性を100%とした相対値で表せば、本発明の改変型PQQGDHはマルトースに対する反応性が好ましくは40%以下であり、より好ましくは30%以下であり、さらに好ましくは20%以下である。同様にラクトースに対する反応については好ましくは50%以下であり、より好ましくは40%以下である。ガラクトースに対する反応性については好ましくは20%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは実質的に0%である。尚、本明細書において単に「基質特異性」という場合には、このグルコースに対する選択性を意味する。
【0014】
本発明の改変型PQQGDHでは上記のアミノ酸置換に加えて、さらに一部のアミノ酸の改変が行われていてもよい。ここでの「一部のアミノ酸の改変」とは、アミノ酸配列を構成する1〜数個のアミノ酸の欠失、置換、若しくは1〜数個のアミノ酸の付加、挿入、又はこれらの組合せによりアミノ酸配列に変化が生ずることをいうが、このような改変は原則としてPQQGDHとしての活性(即ちグルコースに対する反応性)が維持される限りにおいて行うことができる。但し、PQQGDH活性が多少低下する場合であっても、他の基質(例えばマルトースやガラクトース)に対する反応性も低下して却ってグルコースに対する基質特異性が向上する場合や、基質特異性が多少低下したとしてもグルコース量の測定に利用するのに支障のない場合などであれば上記のごとき改変が許容される。
以上のような一部のアミノ酸の改変は、マルトースやガラクトースなどに対する反応性が低い状態に維持される範囲内で行われることが好ましい。
ここでの改変に供されるアミノ酸の位置は特に限定されず、また複数の位置で改変が行われてもよい。ここでの複数とは例えば全アミノ酸の10%以内に相当する数であり、好ましくは全アミノ酸の5%以内に相当する数である。さらに好ましくは全アミノ酸の1パーセント以内に相当する数である。
【0015】
本発明の改変型PQQGDHは、まず野生型のPQQGDHをコードする遺伝子を取得し、次いでそれを改変して改変型PQQGDHをコードするポリヌクレオチドを構築し、最後に当該ポリヌクレオチドを適当な発現系において発現させることによっても作製され得る。以下に当該作製方法について説明する。尚、一旦その配列が設計された後は配列情報に基づきデオキシヌクレオチド三リン酸(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)を材料とした化学合成によって本発明の改変型PQQGDHをコードするポリヌクレオチド(遺伝子)を調製することができる。
【0016】
<野生型PQQGDHをコードする遺伝子の取得>
まず、PQQGDH生産菌からPQQGDHをコードする遺伝子を取得する。PQQGDH生産菌としては、例えばアシネトバクター・カルコアセティカス、アシネトバクター・バウマンニ(Acinetobacter baumannii)、シュードモナス・エルギノサ(Pseudomonas aeruginosa)、シュードモナス・プチダ(Pseudomonas putida)、シュードモナス・フルオレッセンス(Pseudomonas fluorescens)、バークホルデリア・セパシア(Burkholderia cepacia)グルコノバクター・オキシダンス(Gluconobacter oxydans)、アセトバクター・アセチ(Acetobacter aceti)等の酸化細菌やアグロバクテリウム・ラジオバクター(Agrobacterium radiobacter)、エシェリヒア・コリ、クレブシーラ・エーロジーンズ(Klebsiella aerogenes)等の腸内細菌を挙げることができる。中でもアシネトバクター・カルコアセティカスをPQQGDH生産菌として用いることが好ましい。
【0017】
PQQGDHをコードする遺伝子はPQQGDH生産菌の菌体から常法によって抽出することができる。PQQGDHのゲノムDNAを鋳型としたPCR法等を利用してPQQGDH遺伝子を調製することもできる。一方、抽出した遺伝子をPCR法等の増幅方法を利用して一旦増幅し、そして増幅産物を以降の操作に供してもよい。尚、PQQGDHをコードする遺伝子の塩基配列が同定された後は、化学的手法によっても目的とするPQQGDH遺伝子を調製することができる。以下、PQQGDH遺伝子を調製する方法の一例としてアシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552株を出発材料とした場合について具体的に説明する。
【0018】
まず、アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552 の染色体を分離、精製した後、超音波処理や制限酵素処理等を施して得られるDNA断片と、リニアーな状態に調製した発現ベクターとをDNAリガーゼなどを利用して両者の平滑末端又は付着末端において結合閉鎖させ、組換えベクターを構築する。公知のアシネトバクター・スピーシーズL.M.D 79.41株由来のPQQGDH遺伝子の塩基配列を基に設計したオリゴヌクレオチドプライマーを用いたポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によってPQQGDH遺伝子を増幅し、DNAリガーゼにより結合閉鎖させて組換えベクターを構築することもできる。次に、以上のいずれかの方法により構築した組換えベクターをそれが自律複製可能な宿主微生物に移入する。そして、発現ベクターに固有のマーカーとPQQGDH酵素活性を指標としてスクリーニングし、PQQGDHをコードする遺伝子を含有する組換えベクターで形質転換された宿主微生物を得る。
【0019】
次いで、必要に応じて選択された形質転換体を培養した後、菌体を回収する。回収した菌体から常法に従って組換えベクターを分離、精製する。このようにして目的のPQQGDH遺伝子を含有する組換えベクターが取得される。かかる組換えベクターからのPQQGDH遺伝子の分離は制限酵素処理等によって行うことができる。
【0020】
ここで、アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552からのPQQGDH遺伝子の取得方法の一例についてその詳細を以下に示す。まず、アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552を例えば1〜3日間攪拌培養して得られた培養液を遠心処理して集菌し、次いで菌体を溶菌させることによりPQQGDH遺伝子を含有する溶菌物を調製する。溶菌の方法としては、例えばリゾチーム等の溶菌酵素により処理を採用することができる。また、必要に応じてプロテアーゼ等の酵素処理やラウリル硫酸ナトリウム(SDS)等の界面活性剤による処理を併用してもよい。さらに、凍結融解やフレンチプレス処理のような物理的破砕方法と組み合わせてもよい。
【0021】
上記のようにして得られた溶菌物からのDNAの分離、精製は常法に従って行うことができる。例えばフェノール処理やプロテアーゼ処理による除蛋白処理や、リボヌクレアーゼ処理、アルコール沈殿処理などの方法を適宜組み合わせることにより行うことができる。
【0022】
微生物から分離、精製されたDNAからPQQGDH遺伝子を取得するために、既に明らかにされているアシネトバクター・スピーシーズL.M.D. 79.41株の塩基配列を基にしたプライマーを用いた遺伝子増幅反応を行う。
【0023】
増幅されたPQQGDH遺伝子を適当なベクターにクローニングすることも可能である。クローニングする際のベクター(クローニングベクター)としては、宿主微生物内で自律的に複製し得るファージまたはプラスミドから遺伝子組換え用として構築されたものが適している。このようなファージの例としては大腸菌(Escherichia coli)を宿主微生物とするLambda gt10 、Lambda gt11 などが挙げられる。同様にプラスミドの例としては大腸菌(Escherichia coli)を宿主微生物とするpBR322、pUC19、pBluescript、pTrc99, pGEM−T vectorなどが挙げられる。
【0024】
ベクターへのクローニングは、上述の方法で取得したPQQGDH遺伝子をベクターのクローニングサイトに挿入することにより行われる。かかる操作は制限酵素及びDNAリガーゼを利用した周知の方法によって行うことができる。
【0025】
クローニングに使用する宿主微生物としては、その中で組換えベクターが安定かつ自律増殖可能であって、さらに外来性遺伝子を形質発現できるものであれば特に限定されない。一般的には大腸菌(Escherichia coli)W3110 、大腸菌C600、大腸菌HB101 、大腸菌JM109 、大腸菌DH5 αなどを用いることができる。
【0026】
宿主微生物に組換えベクターを移入する方法としては、例えば宿主微生物がエシェリヒア・コリの場合を例に採れば、カルシウム処理によるコンピテントセル法やエレクトロポーレーション法などを用いることができる。
目的の組換えベクターが適切に導入された宿主微生物を選択するには、ベクターが有するマーカー(例えば薬剤耐性遺伝子)の発現と、PQQの添加によるGDH活性の発現が同時に認められる微生物を検索すればよい。例えば、薬剤耐性マーカーに基づく選択培地で生育し、かつPQQGDHを産生する微生物を選択すればよい。このような方法によって選択された形質転換体は、栄養培地で培養されることにより、多量のPQQGDHを安定に生産し得る。
【0027】
以上の方法により得られた野生型PQQGDH遺伝子の塩基配列をScience ,第214巻,1205(1981)に記載されたジデオキシ法により解読した(図1、配列番号2)。また、PQQGDHのアミノ酸配列は上記のように決定された塩基配列より推定した(図1、配列番号1)。尚、シグナル領域を含む、遺伝子配列(配列番号4)及びアミノ酸配列(配列番号3)は図2に示される。
【0028】
PQQGDH遺伝子を保有する組換えベクターから回収したPQQGDH遺伝子を遺伝子工学的手法を用いて容易に改変することができる。具体的には例えば部位特異的変異法を用いて、特定の部位のアミノ酸残基が置換、欠失、挿入、付加、又は逆位を含むように遺伝子の改変を行う。
【0029】
<改変型PQQGDHをコードするポリヌクレオチドの構築>
以上のようにして取得されたPQQGDH遺伝子に対して、発現産物であるタンパク質において特定のアミノ酸が置換されるように変異を加えることにより、目的とする改変型PQQGDHをコードする遺伝子を作製することができる。このような部位特異的塩基配列置換のための方法は当該技術分野において数多く知られており(例えば、Molecular Cloning, Third Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New Yorkを参照)、その中から適切な方法を選択して用いることができる。尚、PQQGDH遺伝子にランダムな変異を挿入し、各変異体(改変体)の発現産物の基質特異性を比較して好ましい基質特異性を有する遺伝子を選択することによっても、改変型PQQGDHをコードする遺伝子を作製することができる。このようなランダム変異を導入する場合は、まず例えばエラープローンPCRを利用して標的とする遺伝子領域にランダムに変異を導入し、改変型PQQGDH遺伝子ライブラリーを構築する。ランダム変異によって得られた有用な変異の組合せを有する多重置換体はノバルティスファーマ社によりバイオサイエンスとインダストリー誌 vol.59, No.3(2001), P35−38に報告されているミューテーションスクランブリング法にて得ることが出来る。この方法では、得られたコロニーの培養、リゾチームなど溶菌酵素を用いた菌体の溶菌、そして酵素活性の測定といった手順により、簡便かつ容易に改変型酵素の評価が行える。
【0030】
改変型PQQGDH遺伝子ライブラリーを効率良くスクリーニングするため、予めPQQGDH遺伝子にヒスチジンタグをコードする塩基配列を付加しておくことができる。このようにすることによって、生育状態、発現効率などに起因して産生酵素量が変動するとしても、一定量を用いた酵素活性の評価などを行うことができる。具体的には、例えばマイクロプレートのようなタンパク質吸着性の基材表面に一定量の抗ヒスチジンタグモノクローナル抗体を吸着させ、非特異的なタンパク質の吸着防止処理を施した後、上記溶菌液と反応させることで、上記溶菌液に含まれる内の一定量のPQQGDHを基材上に固相化し酵素活性を評価することができる。上記操作を96穴マイクロプレートで行うことにより一度に多数の改変体の単位量あたりの酵素活性を効率良く評価することが出来る。
目的とする改変型遺伝子を保有するクローンの選択は例えば次のように行われる。溶菌液に1−methoxy−PMSとXTTを加えて一定時間経過した後の410nmの吸光度をもとにPQQGDHの活性を測定し、そしてマルトースに対する反応性が野生型PQQGDHに比べ約80%以下に低下している検体をまず選択し、次にグルコースに対する反応性が野生型PQQGDHに比べ約90%以上保持されているクローンを選択する。ここで得られたクローンの塩基配列を解析してその変異を確認する。
【0031】
<改変型PQQGDH遺伝子の発現>
改変型PQQGDH遺伝子の発現には、大腸菌を宿主とする発現系などを利用することができる。例えば、まず上述の方法によって調製された改変型PQQGDH遺伝子を大腸菌を宿主とするベクター(例えばpUCベクター、pBluescriptベクター)に挿入して発現ベクターを構築する。当該発現ベクターには宿主内での改変型PQQGDHの発現に必要なプロモーター配列、複製開始点、ターミネータ配列などが含まれる。
【0032】
宿主微生物に発現ベクターを導入(移入)する方法としては、例えば宿主微生物が大腸菌(Escherichia coli)の場合には、カルシウム処理によるコンピテントセル法やエレクトロポーレーション法などを用いることができる。宿主微生物への発現ベクターが適切に導入された宿主微生物の選択は、発現ベクターが有する薬剤耐性マーカーの有無、及びPQQを添加した際のGDH活性の発現の有無を指標に行うことができる。例えば、発現ベクターの導入操作後の微生物を薬剤耐性マーカーを保有している場合のみに生育が可能な選択培地で培養し、続いて生育が認められた形質転換体の中から改変型PQQGDHを産生するものを選択すればよい。
【0033】
以上の操作によって選択された形質転換体を、それが良好に生育・増殖し且つ発現ベクターに挿入された改変型PQQGDH遺伝子が発現可能な条件で培養することにより、多量の改変型PQQGDHを安定的に産生させることができる。
【0034】
培地の栄養源としては、微生物の培養に通常用いられるものが使用され得る。炭素源としては資化可能な炭素化合物であればよく、例えばグルコース、シュークロース、ラクトース、マルトース、ラクトース、糖蜜、ピルビン酸などが使用される。また、窒素源としては利用可能な窒素化合物であればよく、例えばペプトン、肉エキス、酵母エキス、カゼイン加水分解物、大豆粕アルカリ抽出物などが使用される。その他、リン酸塩、炭酸塩、硫酸塩、マグネシウム、カルシウム、カリウム、鉄、マンガン、亜鉛などの塩類、特定のアミノ酸、特定のビタミンなどが必要に応じて使用される。
【0035】
形質転換体が生育可能であって且つ改変型PQQGDHが産生される温度条件で形質転換体の培養が行われる。例えば、20℃〜30℃の範囲内に培養温度を設定することができる。培養時間は、培養対象の形質転換体の生育特性や改変型PQQGDH産生特性、或いは必要とする改変型PQQGDH生産量などを考慮して設定することができ、例えば改変型PQQGDHの収量が最大に達する時期に培養を完了させる。培養時間の目安としては12〜72時間程度である。培地のpHは、形質転換体が生育し且つPQQGDHが産生される範囲内に調製される。好ましくは培地のpHを6.0〜9.0程度とする。
【0036】
改変型PQQGDHを生産する菌体を含む培養液をそのまま、或いは濃縮、不純物の除去などを経た後に酵素溶液として利用することもできるが、一般的には培養液又は菌体より改変型PQQGDHを一旦回収する。産生される改変型PQQGDHが分泌型タンパク質であれば培養液より、それ以外であれば菌体内より回収することができる。培養液から回収する場合には、例えば培養上清をろ過、遠心処理して不溶物を除去した後、減圧濃縮、膜濃縮、硫酸アンモニウムや硫酸ナトリウムを利用した塩析、メタノールやエタノール又はアセトンなどによる分別沈殿法、透析、加熱処理、等電点処理、ゲルろ過や吸着クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティクロマトグラフィー等の各種クロマトグラフィー(例えば、セファデックス(Sephadex)ゲル(ファルマシアバイオテク)などによるゲルろ過、DEAEセファロースCL−6B (ファルマシアバイオテク)、オクチルセファロースCL−6B (ファルマシアバイオテク)、CMセファロースCL−6B(ファルマシアバイオテク))などを組み合わせて分離、精製を行ことにより改変型PQQGDHの精製品を取得することができる。他方、菌体内から回収する場合には、培養液をろ過、遠心処理等することによって菌体を採取し、次いで菌体を加圧処理、超音波処理などの機械的方法またはリゾチームなどによる酵素的方法で破壊した後、上記と同様に分離、精製を行うことにより改変型PQQGDHの精製品を取得することができる。尚、必要に応じてEDTA等のキレート剤及び界面活性剤を添加してPQQGDHを可溶化し、水溶液として分離採取することができる。
精製酵素は、電気泳動(SDS−PAGE)において単一のバンドを示す程度に純化されていることが好ましい。
【0037】
上記のようにして得られた精製酵素を、例えば凍結乾燥や真空乾燥或いはスプレードライなどにより粉末化して流通させることが可能である。その際、精製酵素を予めリン酸緩衝液、トリス塩酸緩衝液やGOODの緩衝液に溶解させておいてもよい。ここで使用される緩衝液として好適なものはGOODの緩衝液であり、中でもPIPES、MES又はMOPS緩衝液が特に好ましい。
【0038】
本発明の改変型PQQGDHは、PQQを補酵素として、グルコースを酸化してδ−グルコノラクトンを生成する反応を触媒する作用を有する。かかる酵素活性は、PQQGDHによるグルコースの酸化に伴って還元されるPQQの量を酸化還元試薬の呈色反応により定量することが出来る。呈色試薬としては例えば、PMS−DCIP、1−methoxy−PMS−XTT、フェリシアン化カリウムなどを用いることが出来る。
本発明においてはPQQGDH活性の測定を、原則として、以下の試薬を用い、以下の条件において行うこととする。
<試薬>
10mM MOPS(pH7.0)
1mM 1−methoxy PMS(フェナジンメトサルフェート)
0.25mM XTT
5mM グルコース
<測定条件>
上記試薬混液140μlを25℃で約5分予備加温した後に0.1mlの酵素溶液を加え、緩やかに混和する。その後、水を対照とし、25℃に制御された分光光度計で15分間記録し、その直線部分から1分間あたりの410nmの吸光度変化を測定する。盲検は酵素溶液の代わりに蒸留水を試薬混液に加えて、以下同様に吸光度変化を測定する。上記条件で1分間に生成するホルマザン1/2 μmolの酵素量を1単位(U)とする。
【0039】
本発明の改変型PQQGDHのグルコースに対する選択性は、基質としてラクトース、マルトース、ガラクトース、シュークロース及びキシロース等の各種の糖を用いて上述と同様に酵素活性を測定し、グルコースを基質としたときの活性に対する相対活性を調べることにより評価することが出来る。
【0040】
本発明の改変型PQQGDHを用いて、グルコース測定用キットを構築することができる。即ち、本発明の他の局面は改変型PQQGDHを含有するグルコース測定用キットを提供する。かかるキットには改変型PQQGDHの他に、測定する際に必要とされる緩衝液などの溶液や標準としてのグルコース溶液等を含有させることができる。
【0041】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1] 染色体DNAの分離
アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552株の染色体DNAを次の方法で分離した。同菌株を10mLのLB培地で30℃、一晩振とう培養した後、遠心処理(15000rpm、10分間)により集菌した。得られた菌体からDneasy tissue kit(キアゲン社)を用いて染色体DNAを抽出、精製し、そしてTEバッファーに溶解した。
【0042】
[実施例2] PQQGDHをコードする遺伝子を含有するDNA断片の調製、及び当該DNA断片を含有する組換えベクターの構築
実施例1で得られた染色体DNAを鋳型とし、次のプライマーを用いたポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって、目的とするPQQGDH遺伝子を含むDNA領域を増幅させた。尚、ここで使用されるプライマーは、アシネトバクター・スピーシーズ L.M.D 79.41株由来の可溶性PQQGDHの塩基配列(A−M Cleton−JansenらMol. Gen. Genet., 217, 430(1989))を基に設計した。
フォワードプライマー:5’−ACAAATCATATAGAGAACTCG−3’(配列番号5)
リバースプライマー:5’−TTACTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGAGATCCTGGG−3’(配列番号6)
PCRは以下の表1に示す組成の溶液中で行い、94℃2分間の反応、次に94℃30秒間、48℃30秒間、及び72℃2分間の反応を30サイクル、最後に72℃10分間の反応を行う条件とした。
【0043】
【表1】
TAKARA LA−taq 0.5 μL
10−fold buffer 5 μL
25mM MgCl2 5 μL
dNTP mix (2.5mM) 8 μL
フォワードプライマー (10pmol/μL) 1 μL
リバースプライマー (10pmol/μL) 1 μL
template
H2Oで50 μLに調整
【0044】
得られた増幅遺伝子断片をpGEM−T Easy vector(キアゲン社)に連結し、このプラスミドで大腸菌JM109株を形質転換した。尚、得られたプラスミドをpTGEM−GDHBとした。
【0045】
[実施例3] アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552の可溶性PQQGDHの塩基配列の決定
実施例2で得られたプラスミドpTGEM−GDHBに挿入された遺伝子断片の塩基配列をBigDye Terminator Sequencing Kit(アプライド・バイオシステムス社製)を用いて決定した。決定した塩基配列及びアミノ酸配列はそれぞれ配列番号2及び配列番号1に示す通りである。尚、シグナル領域を含めた塩基配列及びアミノ酸配列はそれぞれ配列番号4及び配列番号3に示される。アミノ酸配列から計算されたタンパク質の分子量は約50,000であり、アシネトバクター・カルコアセティカスの可溶性PQQGDHの分子量とほぼ一致した。
【0046】
[実施例4] PQQGDH遺伝子を含有する発現ベクターの構築
実施例2で得られたプラスミドpTGEM−GHDBを鋳型とし、次のプライマーを用いたPCRを行った。
フォワードプライマー:5’−GCGGCCGCGAATTCATGAATAAACATTTATTGGCTAAAATTACTTTAT−3’(配列番号7)
リバースプライマー:5’−GCGGCCGCCTGCAGCTATTACTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGAGATCCTGGG−3’ (配列番号8)
PCRは以下の表2に示す組成の溶液中で行い、94℃2分間の反応、次に94℃30秒間、55℃30秒間、及び72℃2分間の反応を30サイクル、最後に72℃10分間の反応を行う条件とした。
【0047】
【表2】
Sigma KlenTaq 0.5 μL
10−fold buffer 5 μL
dNTP mix (10mM) 2.5 μL
フォワードプライマー (10pmol/μL) 2 μL
リバースプライマー (10pmol/μL) 2 μL
template
H2Oで50 μLに調整
【0048】
得られた増幅遺伝子を制限酵素EcoRIとPstIにて切断した。切断した遺伝子断片を発現ベクターに連結し、このプラスミドで大腸菌JM109株を形質転換した。尚、得られた発現プラスミドをpUK−GDHB(S)とした(図3)。形質転換体を30℃、100μg/mLアンピシリンと6μM PQQを含む100mLのLB培地で一晩培養したところPQQGDHの産生が認められた。尚、このPQQGDHの分子量をアミノ酸配列から計算したところ約50,000であり、アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552の分子量とほぼ一致した。
【0049】
[実施例5] アシネトバクター・カルコアセティカスPQQGDH遺伝子産物の製造
LB培地1Lを500mL容フラスコに50mLずつ分注し、121℃, 20minオートクレーブを行った。放冷後、別途無菌濾過した100mg/mLアンピシリン溶液とイソプロピルガラクトピラノシド50μLを添加し、PQQGDH発現ベクターpUK−GDHB(S)を有するコロニーを接種した。そして30℃で16時間振とう培養した。培養終了時のPQQGDH活性は約1U/mLであった。
【0050】
培養終了後の培養液を遠心処理することにより回収した菌体を10mM Tris−HCL(pH7.5)に懸濁した。次に、菌体懸濁液を超音波破砕後、再度遠心分離を行い、上清液を粗酵素液として得た。この粗酵素液をカチオン凝集剤で処理し、脱塩濃縮した後、DEAEセファロース(ファルマシアバイオテク)、CMセファロース(ファルマシアバイオテク)カラムクロマトグラフィーにて分離、精製して精製酵素を得た。
【0051】
以上の方法によって得られたPQQGDHは電気泳動においてほぼ単一のバンドを示し、この際の比活性は約1600U/mgであった。以下に、得られたPQQGDHの性質を示す。
【0052】
[実施例6] PQQGDHのC末端ヒスチジンタグの付加
先ずPQQGDH遺伝子の下流にヒスチジンタグを導入し、続いてその直後に終始コドンを付加するプライマーを用いてPCRを行った。実施例4で得られたpUK−GDHB(S)を鋳型として、次のプライマーを用いたPCRを行った。
フォワードプライマー:5’−TCACATGTTCTTTCCTGCGTTATC−3’(配列番号9)
リバースプライマー:5’−ATGGTGATGGTGATGGTGCTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGA−3’(配列番号10、下線で示したのが6×ヒスチジンタグの配列)
PCRは実施例4と同様の組成及び条件にて行った。
続いて増幅遺伝子を鋳型としてヒスチジンタグの下流に翻訳終止コドンを導入するため次のプライマーを用いたPCRを行った。
フォワードプライマー:5’−TCACATGTTCTTTCCTGCGTTATC−3’(配列番号9)
リバースプライマー:5’−GCGGCCGCCTGCAGCTATTAATGGTGATGGTGCTTAGCCTTA−3’(配列番号11)
PCRは実施例4と同様の溶液組成及び条件にて行った。
【0053】
PQQGDH遺伝子下流にヒスチジンタグ、終止コドンを付加して得られた増幅遺伝子をEcoRIとPstIで切断した。切断した遺伝子断片を発現ベクターに連結し、このプラスミドで大腸菌JM109株を形質転換した。尚、得られた発現プラスミドをpUK−GDHB(S)C−Hisとした。形質転換体を30℃、100μg/mLアンピシリンと6μM PQQを含む100mLのLB培地で一晩培養したところPQQGDHの産生が認められた。尚、このPQQGDHの分子量をアミノ酸配列から計算したところ約50,000であり、アシネトバクター・カルコアセティカスIFO 12552の分子量とほぼ一致した。さらに対照として実施例5で得られた野生型のPQQGDHと一般的性質を比較したところ同等であることが認められた。
【0054】
[実施例7] 変異PQQGDH遺伝子ライブラリーの構築
実施例6で得られたプラスミドpUK−GDHB(S)C−Hisを鋳型とし、次のプライマーを用いてエラープローンPCR法を行い、変異の挿入を行った。
フォワードプライマー:5’−TCACATGTTCTTTCCTGCGTTATC−3’(配列番号9)
リバースプライマー:5’−GGCGCGTACTATGGTTGCTTTGA−3’(配列番号12)
変異導入の条件は以下の通りである。PCRは以下の表3に示す組成の溶液中で行い、94℃5分間の反応、次に94℃1分間、50℃1分間、70℃2分間の反応を25サイクル、最後に72℃7分間の反応を行う条件とした。
【0055】
【表3】
100mM Tris−HCl(pH8.3) 0.5 μL
500mM KCl 5 μL
1mg/mL BSA 2.5 μL
(15〜100mM)MgCl2 5 μL
1mM MnCl2 1.25〜3.75 μL
10mM ATP 0.5〜1.55 μL
10mM TTP 0.5〜5.0 μL
10mM GTP 1.0〜5.0 μL
10mM CTP 0.5〜5.0 μL
フォワードプライマー(20pmol/μL) 2.5 μL
リバースプライマー(20pmol/μL) 2.5 μL
Dimethylsulfoxide 0〜7.5 μL
0.2ng/μL template 5 μL
rTaq Polymerase 0.5 μL
H2Oで50 μLに調整
【0056】
変異の導入された遺伝子増幅断片をEcoRIとPstIで切断し、pUK−GDHB(S)の野生型遺伝子と入れ換えた。このようにして得られたプラスミドで大腸菌JM109を形質転換して変異遺伝子ライブラリーを構築した。
【0057】
得られたコロニーを96穴の培養用深溝マイクロプレート中の100μg/mLのアンピシリン、5μMのPQQそして1mMの塩化カルシウムを含む600μLのCircle Grow Medium(ストラタジーン社)に接種し、37℃で一晩200rpmの振とう条件で培養した。その後、菌体を遠心分離(3000rpm, 4℃, 30min)で回収し、3倍に希釈された溶菌液(50mM トリス緩衝液pH8.0, 2mM EDTA, 1mg/mLリゾチーム, 15μM PQQ)600μLに再懸濁した。その後37℃で1時間振とうし、30μLの20mM塩化カルシウム溶液を添加した。ライセートをフィルタープレート(コーニング社製)に移し、遠心分離した(2000rpm, 4℃, 5min)。得られた上清を以下のスクリーニングに用いた。
【0058】
スクリーニングに用いる96穴マイクロプレートには予め以下の方法で処理を施しておいた。即ち、まず96穴マイクロプレート(コースター社製)に15ng/μLのProtein A/G液を100μL添加し37℃で約2時間定置した。次にPBS溶液で3回洗浄しブロッキング溶液を150μL添加し、37℃で約2時間定置し、スクリーニング用マイクロプイレートとした。予め用意した80μLの0.1ng/μLのマウスIgG1抗5×ヒスチジンタグモノクローナル抗体の入った96穴マイクロプレートに上記の遠心上清を添加、混和し100μLのブロッキング液をPBS溶液で洗浄除去したスクリーニング用マイクロプレートに添加し、25℃で1時間定置した。その後PBSで3回洗浄し140μLのPQQGDHアッセイ溶液(4mM 1−methoxy PMS 3.5mL, 1mM XTT溶液 3.5mL, 20mM マルトースもしくはグルコース溶液 3.5mL, 40mM MOPS−NaOH pH7.0 3.5mLの混合液)を添加し、410nm の吸光度を15分間室温で測定した。
【0059】
第一段階のスクリーニングはランダム一塩基置換ライブラリーに対してマルトースを基質としたスクリーニングを実施し、酵素活性が野生型の約80%以下に低下した変異体を発現するクローンを同定した。同定された変異株に対して次にグルコースを基質としたスクリーニングを実施し、グルコースへの反応性に比しマルトースへの反応性の低下が大きい変異体を発現するクローンを得た。これら変異PQQGDH遺伝子の塩基配列を決定したところ75番目のグリシンがアルギニン、295番目のグリシンがグルタミン酸、342番目のメチオニンがバリン、351番目のアラニンがスレオニン、168番目のグルタミンがヒスチジン、169番目のロイシンがグルタミン、347番目のトリプトファンがアルギニンに変異していることが明らかとなった。以下の表4に示されるように、本発明で得られた改変型PQQGDHはマルトースへの特異性が野生型に比し何れも低下していた。グルコースを基質としたときの野生型PQQGDHの活性を100とし、これに対する相対値としてマルトースに対する反応性を示した。尚、対照として実施例6で得られたヒスチジンタグを付加した野生型のPQQGDHを用いた。
表4のアミノ酸置換の欄における数字はアミノ酸番号を、数字の左側の記号は野生型におけるアミノ酸の種類を、数字の右側は変異後のアミノ酸の種類をそれぞれ表す。従って、例えばGly75Argは第75番アミノ酸のグリシンがアルギニンに置換された改変体を意味する。
【0060】
【表4】
【0061】
[実施例8] 野生型PQQGDH遺伝子への部位特異的変異の導入と及び改変型PQQGDHの基質特異性の検討
QuikChange Site−directed Mutagenesis kit(ストラタジーン社)を用いて、配列番号4で示されるアシネトバクター・カルコアセティカス由来PQQGDHの構造遺伝子に部位特異的変異の導入を行った。実施例7で変異が導入された部位、即ち、75番目のグリシン、295番目のグリシン、342番目のメチオニン、351番目のアラニン、168番目のグルタミン、169番目のロイシン、347番目のトリプトファンの各部位のアミノ酸をコードする塩基配列がランダムに20種類のアミノ酸をコードするように置換される条件とした。各部位を20種類のアミノ酸に置換するプライマーの配列を表5に示す。尚、表5において各配列名の語尾に記したF及びRはそれぞれフォワード及びリバースを表す。
【0062】
【表5】
配列名:配列
GDHB/G100−F:5’−GTAAATGATGCTGATNNNCAAAACGGTTTATTGGG−3’(35mer、配列番号13)
GDHB/G100−R:5’−CCCAATAAACCGTTTTGNNNATCAGCATCATTTAC−3’(35mer、配列番号14)
GDHB/G320−F:5’−CAAATTAAAGATTTANNNCAAAATGGTTTAAAAGTGGC−3’(38mer、配列番号15)
GDHB/G320−R:5’−GCCACTTTTAAACCATTTTGNNNTAAATCTTTAATTTG−3’(38mer、配列番号16)
GDHB/M367−F:5’−CCAACCTgTggggATNNNACCTACATTTgCTgg−3’(33mer、配列番号17)
GDHB/M367−R:5’−CCAgCAAATgTAggTNNNATCCCCACAggTTgg−3’(33mer、配列番号18)
GDHB/A376−F:5’−gCCAACggTTNNNCCgTCATCTgCTTATgTCTA−3’(33mer、配列番号19)
GDHB/A376−R:5’−TAgACATAAgCAgATgACggNNNAACCgTTggC−3’(33mer、配列番号20)
GDHB/Q193−F:5’−GATCAGGGGCGTAACNNNCTGGCTTATTTATTC−3’(33mer、配列番号21)
GDHB/Q193−R:5’−GAATAAATAAGCCAGNNNGTTACGCCCCTGATC−3’(33mer、配列番号22)
GDHB/L194−F:5’−GGGGCGTAACCAGNNNGCTTATTTATTCTTACC−3’(33mer、配列番号23)
GDHB/L194−R:5’−GGTAAGAATAAATAAGCNNNCTGGTTACGCCCC−3’(33mer、配列番号24)
GDHB/W372−F:5’−ggATATgACCTACATTTgCNNNCCAACggTTgCgCCg−3’(37mer、配列番号25)
GDHB/W372−R:5’−CggCgCAACCgTTggNNNgCAAATgTAggTCATATCC−3’(37mer、配列番号26)
【0063】
QuikChange Site−directed Mutagenesis kitに付属する1μLのPfuTurbo DNAポリメラーゼ(2.5U/μL)、125ngのフォワードとリバースの各プライマー、dNTPのミックス、10ngのpUK−GDHB(S)と1/10量のPCRバッファーとを混合した。反応条件は95℃30秒間、次に、95℃30秒間、55℃1分間、及び68℃10分間を16サイクルとした。反応終了後に鋳型DNAを除去するためにキットに付属の制限酵素DpnI(10U/μL)を1μL添加し、37℃で1時間インキュベートした。反応産物の1μLを用いて大腸菌XL1−Blueを形質転換しコロニーを得た。
【0064】
次に、得られた形質転換体のコロニーを600μLのCircle Grow medium(ストラタジーン社)に接種し、実施例7と同様の方法でスクリーニングを行った。その結果選択された変異株の塩基配列を決定したところ、以下の表6に示されるようにアミノ酸置換が行われた各種の変異体が得られていることがわかった。一方、これらの各変異体をアンピシリン100μg/mL、0.01mMのイソプロピルチオガラクトシド及び6μMのPQQを含む2mLのLB培地で30℃、一晩培養した。培養後、菌体を遠心分離で回収し、6μMのPQQを含む10mM MOPS緩衝液(pH7.0)500μLに再懸濁した。続いて懸濁溶液に250mgのガラスビーズ(安井器械社製)を加え、マルチビーズショッカー(安井器械社製)(2000rpm, 運転60秒間, インターバル30秒間を7サイクル)によって菌体を破砕した。
【0065】
菌体破砕後の溶液を遠心分離(15000rpm, 10分間, 4℃)し、上清をHis MicroSpin Purification Module(アマシャム・ファルマシアバイオテク社製)を用いて精製した。その結果、200μLの精製酵素溶液が得られた。この精製酵素溶液にPQQを5μMとなるように添加し、そして1mM 塩化カルシウム存在下で1時間以上放置してホロ化を行った。
【0066】
以上のようにして得られた各改変型PQQGDHの基質特異性を次の方法で測定した。即ち、精製酵素溶液を50μLずつ分注した後、130μLのアッセイ溶液(20mM MOPS pH7.0に溶解された3.3mM 1−methoxy PMSを60μL 20mM, 171μM XTTを70μL)及びD−グルコース溶液20μLを最終濃度5mMになるように添加し、実施例5に示した方法に従いPQQGDH活性を測定した。尚、対照として実施例6で得られたヒスチジンタグを付加した野生型のPQQGDHを用いた。測定結果を表6に示す。表6から明らかなように、野生型のPQQGDHに比較していずれの改変型PQQGDHもマルトース及びガラクトースに対する反応性が低下しており、またラクトース及びガラクトースに対する反応性も同時に低下している改変体も得られた。尚、表6のアミノ酸置換の欄における数字はアミノ酸番号を、数字の左側の記号は野生型におけるアミノ酸の種類を、数字の右側は変異後のアミノ酸の種類をそれぞれ表す。従って、例えばGly75 Trpは第75番アミノ酸のグリシンがトリプシンに置換された改変体を意味する。
【0067】
【表6】
【0068】
[実施例9] ミューテーションスクランブリング法を利用した多重変異の導入及び多重置換体の基質特異性の検討
実施例8で明らかにされた、基質特異性の向上に有効なアミノ酸置換の可能なすべての組み合わせを有する多重置換体ライブラリーをミューテーションスクランブリング法により作製することにより、各アミノ酸置換を単独で有する場合に比べてより高い基質特異性を有する改変体の取得を試みた。多重置換体ライブラリーの作製には既報のバイアスミューテーションスクランブリング法(第39回日本生物物理学会年会、平成13年10月6日開催、演題番号1P057、ノバルティスファーマ社;Biopolymer、64号(2002年)、P.95−105)を利用した。バイアスミューテーションスクランブリング法はミューテーションスクランブリング法の改変法であり、組み合わせるアミノ酸置換の導入確率を自由に設定可能であるという特徴を有する。本実施例では、構造モデルからの推定によって基質結合部位の近傍に位置しており特に基質特異性への貢献度が高いと期待されるG75, G295, M342, A351については80%の高確率で、構造的に特徴が認められると考えられるQ168, L169, W347については50%の確率で変異が導入されるような条件に設定した。具体的には、PQQGDH遺伝子全長を、末端が重複し且つ実施例8で明らかにされたアミノ酸置換を1〜3個含むような図4に示した5つの断片に分割し、各アミノ酸置換が上記の確率で導入されるように図5に示した各断片の混合比率でミューテーションスクランブリング法を施行してPQQGDH遺伝子の再構築を行った。
【0069】
ミューテーションスプラングリング法では、まず野生型遺伝子を鋳型としたPCRを行い部分増幅産物を得た(図4)。PCRに使用した反応液の組成を表7に示す。プライマーにはG75を挟みQ168とL169に対応する配列を含むものを用いた。
【0070】
【表7】
10×buffer for AccuTaq(シグマ社製) 2 μL
10mM dNTP 1 μL
フォワードプライマー(10pmol/μL) 1.2 μL
リバースプライマー(10pmol/μL) 1.2 μL
Template(10ng/μL) 0.5 μL
dH2O 13.9 μL
AccuTaq(5units/μL) 0.2 μL
Totalで20 μL
【0071】
フォワードプライマー:5’−TCACATGTTCTTTCCTGCGTTATC−3’(配列番号9)
S−primer(G)−10−QL:5’−AAgAATAAATAAgCCAgTTGgTTACgCCCCTgATC−3’(配列番号27)
反応条件は98℃30秒間、次に94℃5秒間、60℃20秒間、及び68℃90秒間を30サイクル、最後に68℃10分間とした。次に同じ反応条件でG75に変異を有する改変型遺伝子を鋳型としてPCRを行い、上記と同じ領域の部分増副産物を得た。ここで、表6からわかるようにG75部位、Q168部位、L169部位のアミノ酸置換の組み合わせは16通り存在する。これらすべての組み合わせに対応する部分増副産物は、図4に示した8種類のプライマー(S−primer(G)−10−QL〜S−primer(G)−10−YF)を用い、野生型と改変型の2種の遺伝子を鋳型にした遺伝子増幅反応を行うことによって調製された。得られた部分増幅産物を図5の混合比で混合して断片1(断片1、図4を参照)を得た。断片2から断片5(断片2、断片3、断片4、断片5、図4を参照)は、断片1の場合と同様の要領で、図4に示したプライマーを利用して得られる遺伝子増幅産物を図5にそれぞれ示される比率で混合することにより調製された。
【0072】
次に上述の各断片を等量ずつ混合し、以下の表8に示す溶液組成においてPCRを行った。反応条件は98℃30秒間、次に94℃5秒間、60℃20秒間、及び68℃2分間を5サイクルとした。PCR反応終了後、2.4μLずつの上記プライマー(10 pmol/μL)(配列番号7及び8)を添加し、再度PCRを行った。このときの反応条件は94℃5秒間、次に60℃20秒間、及び68℃2分間を25サイクル、最後に72℃10分間とした。
【0073】
【表8】
混合された断片 X μL
10×buffer for AccuTaq(シグマ社製) 2 μL
10mM dNTP 1 μL
dH2O (14.4−X) μL
AccuTaq(5units/μL) 0.2 μL
Totalで17.6 μL
【0074】
以上の操作によって得られた改変型遺伝子のライブラリーをEcoRIとPstIで切断し、pUK−GDHB(S)の野生型遺伝子と入れ替え、大腸菌を形質転換した。形質転換体のコロニーを実施例8に示した方法で培養した後、PQQGDH活性及び基質特異性を指標としてスクリーニングを行った。基質特異性の向上が見られたクローンについてはそれが保有する改変型PQQGDHの塩基配列を決定した。その結果、図6の表に示すように、置換されるアミノ酸の組合わせが異なる複数の改変型PQQGDHが得られたことが判明した。尚、図6の表においてG75(GGA)等の記号は、数字で特定されるアミノ酸位置が数字の左側のアルファベット一文字で特定されるアミノ酸であることを意味する。またカッコ内は当該アミノ酸をコードする塩基配列を表す。一方、Phe(TTT)等はそれが位置する列の最上段に記載された記号(例えばL194(CTG))で特定されるアミノ酸位置が当該アルファベット3文字で特定されるアミノ酸に置換されていることを意味する。またカッコ内は当該アミノ酸をコードする塩基配列を表す。
【0075】
これらの改変型PQQGDHを保有する各形質転換体を実施例7に示した方法と同様の方法で精製した後、各基質に対する反応性を測定した。測定結果を図6の表の右欄に示した。この表から明らかなように、取得された改変型PQQGDHは野生型に比較していずれもマルトースに対する反応性が顕著に低下している。また、ラクトースに対する反応性についても同様の低下が認められる。さらにガラクトースに対する反応性についてはいずれの改変型PQQGDHにおいても大きく低下し、一部のものではその反応性の低下は著しい。このように、マルトース、ラクトース、及びガラクトースに対する反応性が顕著に低下した、即ち基質特異性に極めて優れた改変型PQQGDHを取得することができた。この結果から図6の表に示されるアミノ酸位置の変異を組み合わせることにより、単独の変異の場合に比較して更に基質特異性に優れた改変型PQQGDHを作製することができることが分った。
【0076】
ここで、特にNO.1改変体ではマルトースに対する反応性が野生型に比べて1/9にまで低下しており、同様にラクトースに対する反応性では約1/2、ガラクトースに対する反応性では約1/9にまでそれぞれ低下している。また、No.6改変体においてもマルトースに対する反応性が野生型に比べて1/2以下に低下していると同時に、ラクトースに対する反応性も低下し、ガラクトースに対する反応性についても約1/4に低下している。同様に、No.7改変体においてもマルトースに対する反応性が野生型に比べて約1/5にまで低下していると同時に、ラクトースに対する反応性も約1/2にまで低下し、ガラクトースに対しては実質的に反応性がないことがわかる。以上のように基質特異性の向上が特に顕著であったNo.1、No.6及びNo.7改変体におけるアミノ酸置換部位を比較すれば、第342番アミノ酸及び第351番アミノ酸の置換が基質特異性の向上に特に重要であることが示唆される。次いで、第295番アミノ酸の置換が重要であり、また第194番アミノ酸の置換も基質特異性の向上に大きく関与することが予想される。
【0077】
本発明は、上記発明の実施の形態の説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0078】
【発明の効果】
本発明で提供される改変型のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素はグルコースに対する基質特異性が高い。従って、かかる改変型の酵素を利用すれば高い精度でグルコースの定量が行える。
【0079】
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする遺伝子の配列(シグナル領域は含まない)及びアミノ酸配列(シグナル領域は含まない)を示した図である。
【図2】図2はアシネトバクター・カルコアセティカス(Acinetobacter calcoaceticus)由来のピロロキノリンキノン依存性グルコース脱水素酵素をコードする遺伝子の配列(シグナル領域を含む)及びアミノ酸配列(シグナル領域を含む)を示した図である。
【図3】図3は実施例において使用される発現ベクターpUK−GDHB(S)の構造を示す図である。
【図4】図4は実施例におけるミューテションスクランブリングで用いたプライマー及び増幅部位を示した表である。
【図5】図5はミューテーションスプランブリングにおける各DNA断片の混合比率を示した表である。設定バイアス率を0.8 : G75, G295, M342, A351、0.5 :Q168, L169, W347とした。尚、バイアス率とは、あるアミノ酸置換がMutation Scrambling法によって導入される確率である。
【図6】図6は実施例のミューテーションスクランブリングによって得られた各種の改変型PQQGDHのアミノ酸置換位置、及び基質特異性をまとめた表である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase. Specifically, the present invention relates to a modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase in which an amino acid in a specific region is substituted with another amino acid as compared with a wild-type enzyme. The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase of the present invention is used, for example, for measuring the amount of glucose in a clinical test or the like.
[0002]
[Prior art]
Pyrroloquinolinequinone-dependent β-D glucose dehydrogenase (EC 1.1.199, PQQGDH) catalyzes the reaction of oxidizing β-D glucose to gluconolactone in combination with the coenzyme pyrroloquinoline (PQQ). I do. Utilizing this property, PQQGDH is used for quantification of glucose in clinical tests, food analysis, monitoring of culture processes, and the like.
PQQGDH reported in the past includes Acinetobacter sp. M. D79.41 strain produced PQQGDH and its modified PQQGDH are known (for example, see Patent Documents 1 to 5 and Non-Patent Document 1). M. The substrate specificity of PQQGDH produced by strain D 79.41 was low, for example, it had a reactivity to maltose corresponding to about 90% of the reactivity to glucose.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-31588
[Patent Document 2]
JP 2000-350588 A
[Patent Document 3]
JP 2001-197888 A
[Patent Document 4]
JP 2001-346587 A
[Patent Document 5]
WO 02/34919 A1
[Non-patent document 1]
A-M Cleton-Jansen et al. Mol. Gen. Genet. , 217, 430 (1989).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
PQQGDH is required to have high substrate specificity in order to measure an accurate amount of glucose. For example, if PQQGDH having a low substrate specificity is used, for example, when diagnosing diabetes in a patient who has received intravenous infusion by blood transfusion, the measurement value obtained will be the amount of maltose in the transfusion in addition to the amount of glucose. It is a measured value, and an accurate blood glucose level cannot be obtained. Similarly, for example, when a measurement is performed on a patient with hepatic dysfunction, highly reliable measurement may not be performed due to the influence of galactose. In this way, PQQGDH having a low substrate specificity is greatly influenced by other carbohydrates such as maltose, so that an accurate glucose amount cannot be measured.
[0005]
In the above-mentioned modified PQQGDH reported in the past, the substrate specificity has been improved by substituting some amino acids of wild-type PQQGDH. However, the reactivity to maltose and galactose still remains considerably, and further improvement in substrate specificity is desired to enable more accurate measurement of glucose amount. In particular, PQQGDH, which has a sufficiently low reactivity to galactose, has not been found yet, and its provision is eagerly desired.
An object of the present invention is to provide a modified PQQGDH having high substrate specificity for glucose under the above background. In particular, it is an object of the present invention to provide a modified PQQGDH having extremely low reactivity to galactose in addition to low reactivity to maltose. In addition, an object of the present invention is to provide a polynucleotide, an expression vector, and a transformant that can be used for producing such a modified PQQGDH, and a method for producing a modified PQQGDH using these, and a glucose measurement kit. And
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied in detail the relationship between amino acid substitution in a specific region and a change in substrate specificity in PQQGDH produced by Acinetobacter calcoaceticus to achieve the above object. As a result, we succeeded in finding multiple regions that are deeply involved in substrate specificity. That is, as shown in the examples described below, the present inventors have shown that the substitution of the 351st amino acid in the wild-type PQQGDH of Acinetobacter calcoaceticus significantly reduces the reactivity to maltose and galactose. Was found to decrease. It was also found that the amino acid at position 342 is also deeply involved in substrate specificity. Here, since these amino acids are located in the secondary structure consisting of the 326nd amino acid residue to the 354th amino acid residue, it is considered that the modification of the structural portion can effectively improve the substrate specificity for glucose. it was thought.
Also, the 295th amino acid residue located in the secondary structure consisting of the 278th amino acid residue to the 320th amino acid residue was similarly shown to be greatly involved in the reactivity to maltose and galactose. Partial modification was considered to be extremely effective in improving the substrate specificity for glucose. Similarly, since the substitution of the 169th amino acid residue improved the substrate specificity, the modification of the secondary structure portion consisting of the 162nd amino acid residue to the 197th amino acid residue, in which the substitution was performed, was also carried out. It was considered effective for improvement.
In addition, several other amino acid residues were suggested to be involved in substrate specificity.
Here, proteins having the same function generally have similar structures in the active site and the region involved in substrate specificity. Therefore, it was expected that the above information obtained on the relationship between specific amino acid substitution and substrate specificity in PQQGDH derived from Acinetobacter calcoaceticus could be applied to PQQGDH derived from other microorganisms.
The present invention has been completed based on the above findings, and provides the following configurations.
[1] On the basis of the amino acid sequence of the corresponding wild-type enzyme, the first consisting of amino acids 326 to 354 of pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus A modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase having an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted in a region corresponding to the region.
[2] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [1], wherein two or more amino acids are substituted in a region corresponding to the first region.
[3] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [1], wherein amino acids corresponding to amino acids 342 and 351 in the first region are each substituted with another amino acid. .
[4] one or more amino acids in a region corresponding to the second region consisting of amino acids 278 to 320 in pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus; The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [3], which is substituted with another amino acid.
[5] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [4], wherein the amino acid corresponding to the 295th amino acid in the second region is substituted with another amino acid.
[6] one or more amino acids in a region corresponding to the third region consisting of amino acids 162 to 197 in pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus; The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [5], which is substituted with another amino acid.
[7] selected from the group consisting of amino acids corresponding to amino acids 75, 168, and 347 in a pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus; The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [6], wherein one or more amino acids are substituted with another amino acid.
[8] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [7], which is derived from Acinetobacter calcoaceticus.
[9] In the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1, a modified pyrroloquinoline quinone having an amino acid sequence in which one or more amino acids are substituted with another amino acid in a first region consisting of amino acids 326 to 354. Dependent glucose dehydrogenase.
[10] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [9], wherein two or more amino acids are substituted in the first region.
[11] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [9], wherein amino acid 342 and amino acid 351 in the first region are each substituted with another amino acid.
[12] Any of [9] to [11], wherein one or more amino acids are substituted with another amino acid in the second region consisting of amino acids 278 to 320 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1. 2. The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to item 1.
[13] The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to [12], wherein the 295th amino acid in the second region is substituted with another amino acid.
[14] any of [9] to [13], wherein one or more amino acids are substituted with another amino acid in the third region consisting of amino acids 162 to 197 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 2. The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to item 1.
[15] one or more amino acids selected from the group consisting of amino acids 75, 168, and 347 of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 are substituted with other amino acids; The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [14].
[16] A modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase having a reactivity to maltose of 40% or less and a reactivity to galactose of 10% or less based on the reactivity to glucose.
[17] An isolated polynucleotide encoding the modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [16].
[18] A vector containing the polynucleotide according to [17].
[19] A transformant having the polynucleotide of [17].
[20] a step of culturing the transformant according to [19] in a state where the polynucleotide can be expressed; and
A method for producing a modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase, comprising the step of separating the expression product of the polynucleotide.
[21] A glucose measurement kit comprising the modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase according to any one of [1] to [16].
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the present invention, there is provided a modified PQQGDH in which the amino acid sequence of a specific region is substituted as compared with the corresponding wild-type enzyme. The modified PQQGDH of the present invention is typically produced or designed by substituting some amino acids with other amino acids in naturally occurring PQQGDH, that is, wild-type PQQGDH. Thus, the wild-type PQQGDH, which is the basis of (derived from) the modified PQQGDH of the present invention, is referred to herein as “corresponding wild-type enzyme”. Examples of the wild-type enzyme in the present invention include Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas pudumonas, Pseudomonas pudumonas and Pseudomonas pudumonas. Oxidizing bacteria, such as Burkholderia cepacia, Gluconobacter oxydans, Acetobacter aceti, and Agrobacterium radiobacter. ter), Escherichia coli, Klebsiella, Eero Jeans (Klebsiella aerogenes) or the like can be exemplified PQQGDH produced.
[0008]
In the present specification, “corresponding to” when used for amino acid residues or regions means that the functions resulting from the structure are equivalent between the proteins (enzymes) to be compared, particularly maltose and galactose. , Meaning that they have the same function for reactivity to carbohydrates other than glucose. For example, in PQQGDH derived from a microorganism other than Acinetobacter calcoaceticus, a secondary structure region having PQQGDH derived from Acinetobacter calcoaceticus is compared with the primary structure and considering the homology of the secondary structure. A region reasonably considered to have the same function can be referred to as "corresponding to the secondary structure region of PQQGDH derived from Acinetobacter calcoaceticus".
In the present specification, the position of an amino acid is specified by the number when the aspartic acid at the N-terminus is 1 and the numbering is performed in order from the N-terminus to the C-terminus.
[0009]
In the modified PQQGDH of the present invention, a pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus based on the amino acid sequence of the corresponding wild-type enzyme is referred to as “AC PQQGDH”. In the region corresponding to the first region consisting of amino acids 326 to 354 of the above, one or more amino acids are substituted with other amino acids. A. In the present specification. C. The amino acid sequence of PQQGDH is the sequence specified by SEQ ID NO: 1. This sequence is the amino acid sequence of PQQGDH produced by Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552 strain, as shown in the Examples below.
[0010]
In addition to the above amino acid substitutions, C. It is preferable that one or more amino acids are substituted with another amino acid in a region corresponding to the second region consisting of amino acids 278 to 320 in PQQGDH.
Further, A.I. C. It is preferable that one or more amino acids are substituted with another amino acid in a region corresponding to the third region consisting of amino acids 162 to 197 in PQQGDH.
In addition, A.I. C. It is preferable that one or more amino acids selected from the group consisting of amino acids corresponding to amino acids 75, 168, and 347 in PQQGDH are substituted with other amino acids.
[0011]
The number of amino acids substituted in each region is not particularly limited. However, it is preferable that two or more amino acids are substituted in the region corresponding to the first region.
The position of the amino acid substituted in each region is not particularly limited. For example, in the region corresponding to the first region, the amino acid corresponds to the 342nd amino acid and / or the 351st amino acid in the first region. It is preferred that the amino acid at the position is substituted. Similarly, in the region corresponding to the second region, it is preferable that the amino acid at the position corresponding to the 295th amino acid in the second region is substituted, and in the region corresponding to the third region, the third region It is preferable that the amino acid at the position corresponding to the 169th amino acid is substituted.
[0012]
The type of amino acid after substitution is not particularly limited. For example, tryptophan at amino acid position 75, histidine at amino acid position 168, phenylalanine at amino acid position 169, and glutamic acid or aspartic acid at amino acid position 295. , Tyrosine, phenylalanine, etc., are proline at amino acid position 342, arginine at amino acid position 347, and threonine at amino acid position 351.
[0013]
The modified PQQGDH of the present invention is characterized in that the selectivity for glucose is improved as compared with the wild-type enzyme. That is, the modified PQQGDH of the present invention has a characteristic that its reactivity with maltose and lactose is lower than that of the wild-type enzyme, and the reactivity with galactose is particularly low. Expressed as a relative value with the reactivity to glucose as 100%, the modified PQQGDH of the present invention preferably has a reactivity to maltose of 40% or less, more preferably 30% or less, and still more preferably 20% or less. It is. Similarly, the reaction with lactose is preferably at most 50%, more preferably at most 40%. The reactivity with respect to galactose is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and further preferably substantially 0%. In the present specification, the term “substrate specificity” simply means this selectivity for glucose.
[0014]
In the modified PQQGDH of the present invention, some amino acids may be further modified in addition to the above amino acid substitutions. As used herein, the term "partial amino acid modification" refers to the deletion or substitution of one or several amino acids constituting an amino acid sequence, or the addition or insertion of one or several amino acids, or a combination thereof. However, such a modification can be performed as long as the activity as PQQGDH (that is, reactivity to glucose) is maintained in principle. However, even if the PQQGDH activity is slightly reduced, the reactivity to other substrates (for example, maltose or galactose) is also reduced and the substrate specificity for glucose is improved, or if the substrate specificity is slightly reduced. The above modification is also permitted if there is no problem in using glucose for measuring the amount of glucose.
The modification of some amino acids as described above is preferably performed within a range where the reactivity to maltose, galactose, and the like is kept low.
The position of the amino acid used for the modification here is not particularly limited, and the modification may be performed at a plurality of positions. Here, the term “plurality” refers to, for example, a number corresponding to 10% or less of all amino acids, and preferably a number corresponding to 5% or less of all amino acids. More preferably, it is a number corresponding to within 1% of all amino acids.
[0015]
The modified PQQGDH of the present invention is obtained by first obtaining a gene encoding wild-type PQQGDH, then modifying it to construct a polynucleotide encoding the modified PQQGDH, and finally converting the polynucleotide into an appropriate expression system. It can also be made by expressing. Hereinafter, the manufacturing method will be described. Once the sequence is designed, a polynucleotide (gene) encoding the modified PQQGDH of the present invention by chemical synthesis using deoxynucleotide triphosphates (dATP, dTTP, dGTP, dCTP) as a material based on the sequence information Can be prepared.
[0016]
<Acquisition of Gene Encoding Wild-Type PQQGDH>
First, a gene encoding PQQGDH is obtained from a PQQGDH-producing bacterium. PQQGDH-producing bacteria include, for example, Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas pusoudosa, Pseudomonas pusoud esuda usadusonadusonadusonadusonadusonas. Oxidizing bacteria such as Burkholderia cepacia, Gluconobacter oxydans, Acetobacter aceti, and Agrobacterium radiobacter. ter), Escherichia coli, mention may be made of intestinal bacteria such as Klebsiella, Eero Jeans (Klebsiella aerogenes). Among them, Acinetobacter calcoaceticus is preferably used as a PQQGDH-producing bacterium.
[0017]
The gene encoding PQQGDH can be extracted from the cells of PQQGDH-producing bacteria by a conventional method. The PQQGDH gene can also be prepared using a PCR method using the genomic DNA of PQQGDH as a template. On the other hand, the extracted gene may be once amplified using an amplification method such as a PCR method, and the amplified product may be subjected to subsequent operations. After the base sequence of the gene encoding PQQGDH has been identified, the target PQQGDH gene can also be prepared by a chemical technique. Hereinafter, as an example of a method for preparing the PQQGDH gene, a case where Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552 strain is used as a starting material will be specifically described.
[0018]
First, after separating and purifying the chromosome of Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552, a DNA fragment obtained by sonication, restriction enzyme treatment, and the like, and an expression vector prepared in a linear state were subjected to DNA ligase or the like. Utilization is used to bind and close both blunt ends or cohesive ends to construct a recombinant vector. Known Acinetobacter species L. M. Constructing a recombinant vector by amplifying the PQQGDH gene by polymerase chain reaction (PCR) using oligonucleotide primers designed based on the base sequence of the PQQGDH gene derived from the D79.41 strain and binding and closing the DNA ligase to construct a recombinant vector You can also. Next, the recombinant vector constructed by any of the above methods is transferred to a host microorganism capable of autonomously replicating it. Then, screening is performed using the marker specific to the expression vector and the PQQGDH enzyme activity as an index to obtain a host microorganism transformed with the recombinant vector containing the gene encoding PQQGDH.
[0019]
Next, the transformants selected as necessary are cultured, and then the cells are collected. The recombinant vector is separated and purified from the collected cells according to a conventional method. Thus, a recombinant vector containing the target PQQGDH gene is obtained. Isolation of the PQQGDH gene from such a recombinant vector can be performed by restriction enzyme treatment or the like.
[0020]
Here, the details of an example of the method for obtaining the PQQGDH gene from Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552 will be described below. First, a culture solution obtained by stirring and culturing Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552, for example, for 1 to 3 days is collected by centrifugation, and then the cells are lysed to obtain a lysate containing the PQQGDH gene. Prepare. As a lysis method, for example, treatment with a lytic enzyme such as lysozyme can be employed. If necessary, an enzyme treatment with a protease or the like or a treatment with a surfactant such as sodium lauryl sulfate (SDS) may be used in combination. Further, it may be combined with a physical crushing method such as freeze-thawing or French pressing.
[0021]
Separation and purification of DNA from the lysate obtained as described above can be performed according to a conventional method. For example, it can be performed by appropriately combining methods such as protein removal treatment by phenol treatment or protease treatment, ribonuclease treatment, and alcohol precipitation treatment.
[0022]
In order to obtain the PQQGDH gene from DNA isolated and purified from microorganisms, Acinetobacter sp. M. D. A gene amplification reaction is carried out using primers based on the nucleotide sequence of the 79.41 strain.
[0023]
It is also possible to clone the amplified PQQGDH gene into an appropriate vector. As a vector for cloning (cloning vector), a vector constructed for gene recombination from a phage or a plasmid capable of autonomous replication in a host microorganism is suitable. Examples of such phage include Lambda gt10 and Lambda gt11 using Escherichia coli as a host microorganism. Similarly, examples of plasmids include pBR322, pUC19, pBluescript, pTrc99, pGEM-T vector, and the like using Escherichia coli as a host microorganism.
[0024]
Cloning into a vector is performed by inserting the PQQGDH gene obtained by the above method into the cloning site of the vector. Such an operation can be performed by a known method using a restriction enzyme and DNA ligase.
[0025]
The host microorganism used for cloning is not particularly limited as long as the recombinant vector can stably and autonomously propagate therein and can express foreign genes. Generally, Escherichia coli W3110, Escherichia coli C600, Escherichia coli HB101, Escherichia coli JM109, Escherichia coli DH5α and the like can be used.
[0026]
As a method for transferring the recombinant vector to the host microorganism, for example, when the host microorganism is Escherichia coli, a competent cell method by calcium treatment, an electroporation method, or the like can be used.
In order to select a host microorganism into which the desired recombinant vector has been appropriately introduced, it is possible to search for a microorganism in which expression of a marker (eg, a drug resistance gene) of the vector and expression of GDH activity by addition of PQQ are simultaneously observed. Good. For example, a microorganism which grows on a selective medium based on a drug resistance marker and produces PQQGDH may be selected. A transformant selected by such a method can stably produce a large amount of PQQGDH by culturing it in a nutrient medium.
[0027]
The nucleotide sequence of the wild-type PQQGDH gene obtained by the above method was decoded by the dideoxy method described in Science, Vol. 214, 1205 (1981) (FIG. 1, SEQ ID NO: 2). The amino acid sequence of PQQGDH was deduced from the nucleotide sequence determined as described above (FIG. 1, SEQ ID NO: 1). The gene sequence (SEQ ID NO: 4) and the amino acid sequence (SEQ ID NO: 3) including the signal region are shown in FIG.
[0028]
The PQQGDH gene recovered from the recombinant vector having the PQQGDH gene can be easily modified using genetic engineering techniques. Specifically, the gene is modified using, for example, a site-specific mutagenesis method so that amino acid residues at a specific site include substitution, deletion, insertion, addition, or inversion.
[0029]
<Construction of polynucleotide encoding modified PQQGDH>
The gene encoding the modified PQQGDH of interest can be produced by mutating the PQQGDH gene obtained as described above so that a specific amino acid is substituted in the protein as an expression product. it can. Many methods for such site-specific nucleotide sequence substitution are known in the art (see, eg, Molecular Cloning, Third Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York), among which are suitable methods. Can be selected and used. The modified PQQGDH can also be encoded by inserting a random mutation into the PQQGDH gene and comparing the substrate specificities of the expression products of the mutants (variants) to select a gene having a preferable substrate specificity. Genes can be made. When such a random mutation is introduced, first, a mutation is randomly introduced into a target gene region using, for example, error-prone PCR to construct a modified PQQGDH gene library. Multiple substitutions having useful combinations of mutations obtained by random mutations have been published by Novartis Pharma in Bioscience and Industry vol. 59, No. 3 (2001), pp. 35-38. In this method, the modified enzyme can be easily and easily evaluated by procedures such as culturing the obtained colony, lysing cells using a lytic enzyme such as lysozyme, and measuring the enzyme activity.
[0030]
In order to efficiently screen the modified PQQGDH gene library, a base sequence encoding a histidine tag can be added to the PQQGDH gene in advance. By doing so, even if the amount of the produced enzyme varies due to the growth state, expression efficiency, and the like, it is possible to evaluate the enzyme activity using a fixed amount. Specifically, for example, a predetermined amount of an anti-histidine-tagged monoclonal antibody is adsorbed on the surface of a protein-adsorbing substrate such as a microplate, and a treatment for preventing nonspecific protein adsorption is performed. By doing so, a certain amount of PQQGDH contained in the lysate is immobilized on a substrate, and the enzyme activity can be evaluated. By performing the above operation in a 96-well microplate, the enzyme activity per unit amount of many variants can be efficiently evaluated at once.
Selection of a clone having the desired modified gene is performed, for example, as follows. After adding 1-methoxy-PMS and XTT to the lysate, the activity of PQQGDH was measured based on the absorbance at 410 nm after a certain period of time, and the reactivity to maltose was reduced to about 80% or less as compared with wild-type PQQGDH. First, a clone that has about 90% or more of the reactivity to glucose as compared with wild-type PQQGDH is selected. The mutation is confirmed by analyzing the nucleotide sequence of the clone obtained here.
[0031]
<Expression of modified PQQGDH gene>
For expression of the modified PQQGDH gene, an expression system using Escherichia coli as a host can be used. For example, first, the modified PQQGDH gene prepared by the above-described method is inserted into a vector (for example, a pUC vector or a pBluescript vector) using Escherichia coli as a host to construct an expression vector. The expression vector contains a promoter sequence, a replication origin, a terminator sequence, and the like necessary for expression of the modified PQQGDH in the host.
[0032]
As a method for introducing (transferring) the expression vector into the host microorganism, for example, when the host microorganism is Escherichia coli, a competent cell method or an electroporation method by calcium treatment can be used. Selection of the host microorganism into which the expression vector has been appropriately introduced into the host microorganism can be performed based on the presence or absence of a drug resistance marker possessed by the expression vector and the presence or absence of expression of GDH activity when PQQ is added. For example, the microorganism after the operation of introducing the expression vector is cultured in a selective medium that can grow only when it has the drug resistance marker, and subsequently, a modified PQQGDH is produced from the transformants that have grown. What you need to do is select.
[0033]
By culturing the transformant selected by the above operation under conditions where it can grow and proliferate well and the modified PQQGDH gene inserted into the expression vector can be expressed, a large amount of the modified PQQGDH can be stably obtained. Can be produced.
[0034]
As the nutrient source of the medium, those usually used for culturing microorganisms can be used. The carbon source may be any assimilable carbon compound, and for example, glucose, sucrose, lactose, maltose, lactose, molasses, pyruvic acid, and the like are used. The nitrogen source may be any available nitrogen compound, such as peptone, meat extract, yeast extract, casein hydrolyzate, and soybean meal alkaline extract. In addition, phosphates, carbonates, sulfates, salts such as magnesium, calcium, potassium, iron, manganese, and zinc, specific amino acids, and specific vitamins are used as needed.
[0035]
The transformant is cultured under temperature conditions under which the transformant can grow and the modified PQQGDH is produced. For example, the culture temperature can be set within the range of 20 ° C to 30 ° C. The culturing time can be set in consideration of the growth characteristics of the transformant to be cultured, the modified PQQGDH production characteristics, or the required amount of modified PQQGDH production, for example, the yield of the modified PQQGDH reaches a maximum. Complete the culture at the appropriate time. The standard of the culture time is about 12 to 72 hours. The pH of the medium is adjusted so that the transformant grows and PQQGDH is produced. Preferably, the pH of the medium is about 6.0 to 9.0.
[0036]
The culture solution containing the cells producing the modified PQQGDH can be used as an enzyme solution as it is or after concentration, removal of impurities, etc., but generally, the modified PQQGDH is once obtained from the culture solution or the cells. to recover. If the modified PQQGDH to be produced is a secretory protein, it can be recovered from the culture solution, otherwise, it can be recovered from the cells. When recovering from the culture solution, for example, the culture supernatant is filtered, centrifuged to remove insolubles, and then concentrated under reduced pressure, membrane concentrated, salting out using ammonium sulfate or sodium sulfate, methanol, ethanol, acetone, or the like. Fractional sedimentation, dialysis, heat treatment, isoelectric point treatment, gel filtration, adsorption chromatography, ion exchange chromatography, affinity chromatography, and other various chromatographies (eg, gels by Sephadex gel (Pharmacia Biotech), etc.) Filtration, modified by combining DEAE Sepharose CL-6B (Pharmacia Biotech), Octyl Sepharose CL-6B (Pharmacia Biotech), CM Sepharose CL-6B (Pharmacia Biotech) It is possible to get a QQGDH of purified product. On the other hand, when the cells are collected from the cells, the cells are collected by filtration, centrifugation, etc. of the culture solution, and then the cells are subjected to a pressure treatment, a mechanical method such as ultrasonic treatment, or an enzymatic method such as lysozyme. After destruction by the method, a purified product of the modified PQQGDH can be obtained by performing separation and purification in the same manner as described above. In addition, PQQGDH can be solubilized by adding a chelating agent such as EDTA and a surfactant, if necessary, and separated and collected as an aqueous solution.
The purified enzyme is preferably purified to such an extent that it shows a single band in electrophoresis (SDS-PAGE).
[0037]
The purified enzyme obtained as described above can be distributed in a powder form by, for example, freeze-drying, vacuum drying, spray drying, or the like. At this time, the purified enzyme may be dissolved in a phosphate buffer, Tris-HCl buffer or GOOD buffer in advance. A buffer suitable for the buffer used here is GOOD buffer, and PIPES, MES or MOPS buffer is particularly preferred.
[0038]
The modified PQQGDH of the present invention has an action of catalyzing a reaction of oxidizing glucose to produce δ-gluconolactone using PQQ as a coenzyme. Such enzyme activity can be determined by the amount of PQQ reduced by oxidation of glucose by PQQGDH by a color reaction of a redox reagent. As the coloring reagent, for example, PMS-DCIP, 1-methyoxy-PMS-XTT, potassium ferricyanide and the like can be used.
In the present invention, the PQQGDH activity is measured under the following conditions using the following reagents in principle.
<Reagent>
10 mM MOPS (pH 7.0)
1 mM 1-methodoxy PMS (phenazine methosulfate)
0.25 mM XTT
5 mM glucose
<Measurement conditions>
After preliminarily heating 140 μl of the above reagent mixture at 25 ° C. for about 5 minutes, 0.1 ml of the enzyme solution is added and mixed gently. Thereafter, recording is performed for 15 minutes using a spectrophotometer controlled at 25 ° C. with water as a control, and the change in absorbance at 410 nm per minute is measured from the linear portion. In the blind test, distilled water is added to the reagent mixture instead of the enzyme solution, and the change in absorbance is measured in the same manner. The amount of enzyme of 1/2 μmol of formazan produced per minute under the above conditions is defined as 1 unit (U).
[0039]
The selectivity of the modified PQQGDH of the present invention for glucose is determined by measuring enzyme activity in the same manner as described above using various sugars such as lactose, maltose, galactose, sucrose, and xylose as substrates, and using glucose as a substrate. It can be evaluated by examining the relative activity to the activity.
[0040]
A kit for measuring glucose can be constructed using the modified PQQGDH of the present invention. That is, another aspect of the present invention provides a glucose measurement kit containing the modified PQQGDH. Such a kit can contain, in addition to the modified PQQGDH, a solution such as a buffer solution required for measurement, a glucose solution as a standard, and the like.
[0041]
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[Example 1] Isolation of chromosomal DNA
Chromosomal DNA of Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552 strain was isolated by the following method. The strain was cultured in 10 mL of LB medium at 30 ° C. with shaking overnight, and then collected by centrifugation (15000 rpm, 10 minutes). Chromosomal DNA was extracted and purified from the obtained cells using Dneasy tissue kit (Qiagen), and dissolved in TE buffer.
[0042]
Example 2 Preparation of DNA Fragment Containing Gene Encoding PQQGDH and Construction of Recombinant Vector Containing the DNA Fragment
Using the chromosomal DNA obtained in Example 1 as a template, the DNA region containing the target PQQGDH gene was amplified by polymerase chain reaction (PCR) using the following primers. The primers used herein are Acinetobacter sp. M. It was designed based on the base sequence of soluble PQQGDH derived from D 79.41 strain (AM Cleton-Jansen et al., Mol. Gen. Genet., 217, 430 (1989)).
Forward primer: 5'-ACAAATCATATAGAGAACTCG-3 '(SEQ ID NO: 5)
Reverse primer: 5'-TTACTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGAGATCCTGGGG-3 '(SEQ ID NO: 6)
The PCR was performed in a solution having the composition shown in Table 1 below, and the reaction was performed at 94 ° C. for 2 minutes, followed by 30 cycles of reactions at 94 ° C. for 30 seconds, 48 ° C. for 30 seconds, and 72 ° C. for 2 minutes. The reaction was carried out for minutes.
[0043]
[Table 1]
TAKARA LA-taq 0.5 μL
10-fold buffer 5 μL
25 mM MgCl 2 5 μL
dNTP mix (2.5 mM) 8 μL
Forward primer (10 pmol / μL) 1 μL
Reverse primer (10 pmol / μL) 1 μL
template
H 2 Adjust to 50 μL with O
[0044]
The obtained amplified gene fragment was ligated to pGEM-T Easy vector (Qiagen), and Escherichia coli JM109 strain was transformed with this plasmid. The obtained plasmid was designated as pTGEM-GDHB.
[0045]
[Example 3] Determination of base sequence of soluble PQQGDH of Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552
The nucleotide sequence of the gene fragment inserted into the plasmid pTGEM-GDHB obtained in Example 2 was determined using a BigDye Terminator Sequencing Kit (manufactured by Applied Biosystems). The determined base sequence and amino acid sequence are as shown in SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 1, respectively. The base sequence and the amino acid sequence including the signal region are shown in SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 3, respectively. The molecular weight of the protein calculated from the amino acid sequence was about 50,000, which was almost identical to the molecular weight of soluble PQQGDH of Acinetobacter calcoaceticus.
[0046]
[Example 4] Construction of expression vector containing PQQGDH gene
Using the plasmid pTGEM-GHDB obtained in Example 2 as a template, PCR was performed using the following primers.
Forward primer: 5'-GCGGCCGCGAATTCATGAATAAACATTTATTGGCTAAAAATTCTTTAT-3 '(SEQ ID NO: 7)
Reverse primer: 5'-GCGGCCGCCTGCAGCTATTACTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGAGATCCTGGGG-3 '(SEQ ID NO: 8)
The PCR was performed in a solution having the composition shown in Table 2 below, and the reaction was performed at 94 ° C. for 2 minutes, followed by 30 cycles of reactions at 94 ° C. for 30 seconds, 55 ° C. for 30 seconds, and 72 ° C. for 2 minutes. The reaction was carried out for minutes.
[0047]
[Table 2]
Sigma KlenTaq 0.5 μL
10-fold buffer 5 μL
dNTP mix (10 mM) 2.5 μL
Forward primer (10 pmol / μL) 2 μL
Reverse primer (10 pmol / μL) 2 μL
template
H 2 Adjust to 50 μL with O
[0048]
The obtained amplified gene was cut with restriction enzymes EcoRI and PstI. The cleaved gene fragment was ligated to an expression vector, and Escherichia coli JM109 strain was transformed with this plasmid. The obtained expression plasmid was designated as pUK-GDHB (S) (FIG. 3). When the transformant was cultured overnight at 30 ° C. in 100 mL of LB medium containing 100 μg / mL ampicillin and 6 μM PQQ, production of PQQGDH was observed. The molecular weight of PQQGDH calculated from the amino acid sequence was about 50,000, which was almost the same as the molecular weight of Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552.
[0049]
Example 5 Production of Acinetobacter calcoaceticus PQQGDH Gene Product
One liter of the LB medium was dispensed into a 500-mL flask by 50 mL, and autoclaved at 121 ° C. for 20 minutes. After cooling, a 100 mg / mL ampicillin solution which had been separately sterile-filtered and 50 μL of isopropylgalactopyranoside were added, and a colony having the PQQGDH expression vector pUK-GDHB (S) was inoculated. Then, shaking culture was performed at 30 ° C. for 16 hours. The PQQGDH activity at the end of the culture was about 1 U / mL.
[0050]
The cells recovered by centrifuging the culture after the culture were suspended in 10 mM Tris-HCL (pH 7.5). Next, the cell suspension was subjected to ultrasonic crushing and then centrifuged again to obtain a supernatant as a crude enzyme solution. This crude enzyme solution was treated with a cationic flocculant, desalted and concentrated, and then separated and purified by DEAE Sepharose (Pharmacia Biotech) and CM Sepharose (Pharmacia Biotech) column chromatography to obtain a purified enzyme.
[0051]
PQQGDH obtained by the above method showed a substantially single band in electrophoresis, and the specific activity at this time was about 1600 U / mg. The properties of the obtained PQQGDH are shown below.
[0052]
[Example 6] Addition of C-terminal histidine tag of PQQGDH
First, a histidine tag was introduced downstream of the PQQGDH gene, and then immediately after that, PCR was performed using a primer to which a stop codon was added. Using pUK-GDHB (S) obtained in Example 4 as a template, PCR was performed using the following primers.
Forward primer: 5'-TCACATGTTCTTTCTCGCGTTATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Reverse primer: 5'- ATGGTGATGGGTGATGGGTG CTTAGCCTTATAGGTGAACTTAATGAGA-3 ′ (SEQ ID NO: 10, the underlined is the sequence of the 6 × histidine tag)
PCR was performed under the same composition and conditions as in Example 4.
Subsequently, PCR was performed using the following primers to introduce a translation termination codon downstream of the histidine tag using the amplified gene as a template.
Forward primer: 5'-TCACATGTTCTTTCTCGCGTTATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Reverse primer: 5'-GCGGCCGCCTGCAGCTATTAATGGTGATGGTGCTTAGGCCTTA-3 '(SEQ ID NO: 11)
PCR was performed with the same solution composition and conditions as in Example 4.
[0053]
The amplified gene obtained by adding a histidine tag and a stop codon downstream of the PQQGDH gene was digested with EcoRI and PstI. The cleaved gene fragment was ligated to an expression vector, and Escherichia coli JM109 strain was transformed with this plasmid. In addition, the obtained expression plasmid was set to pUK-GDHB (S) C-His. When the transformant was cultured overnight at 30 ° C. in 100 mL of LB medium containing 100 μg / mL ampicillin and 6 μM PQQ, production of PQQGDH was observed. The molecular weight of PQQGDH calculated from the amino acid sequence was about 50,000, which was almost the same as the molecular weight of Acinetobacter calcoaceticus IFO 12552. Furthermore, when the general properties were compared with the wild-type PQQGDH obtained in Example 5 as a control, it was found that they were equivalent.
[0054]
[Example 7] Construction of mutant PQQGDH gene library
Using the plasmid pUK-GDHB (S) C-His obtained in Example 6 as a template, error-prone PCR was performed using the following primers to insert a mutation.
Forward primer: 5'-TCACATGTTCTTTCTCGCGTTATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
Reverse primer: 5'-GGCGCGTACTATGGTTGCTTTGA-3 '(SEQ ID NO: 12)
The conditions for mutagenesis are as follows. The PCR was carried out in a solution having the composition shown in Table 3 below. The reaction was performed at 94 ° C. for 5 minutes, followed by 25 cycles of reactions at 94 ° C. for 1 minute, 50 ° C. for 1 minute, and 70 ° C. for 2 minutes, and finally at 72 ° C. for 7 minutes. The conditions for carrying out the reaction were used.
[0055]
[Table 3]
0.5 mM 100 mM Tris-HCl (pH 8.3)
500 mM KCl 5 μL
1 mg / mL BSA 2.5 μL
(15-100 mM) MgCl 2 5 μL
1 mM MnCl 2 1.25 to 3.75 μL
10 mM ATP 0.5 to 1.55 μL
10 mM TTP 0.5-5.0 μL
10 mM GTP 1.0-5.0 μL
10 mM CTP 0.5-5.0 μL
Forward primer (20 pmol / μL) 2.5 μL
Reverse primer (20 pmol / μL) 2.5 μL
Dimethylsulfoxide 0-7.5 μL
0.2 ng / μL template 5 μL
rTaq Polymerase 0.5 μL
H 2 Adjust to 50 μL with O
[0056]
The amplified gene fragment into which the mutation was introduced was cut with EcoRI and PstI, and replaced with the wild-type gene of pUK-GDHB (S). Escherichia coli JM109 was transformed with the thus obtained plasmid to construct a mutant gene library.
[0057]
The obtained colony was inoculated into 600 μL of Circle Grow Medium (Stratagene) containing 100 μg / mL of ampicillin, 5 μM of PQQ and 1 mM of calcium chloride in a 96-well deep groove microplate for culture, and overnight at 37 ° C. The cells were cultured under shaking conditions of 200 rpm. Thereafter, the cells were collected by centrifugation (3000 rpm, 4 ° C., 30 min), and reconstituted in 600 μL of a 3-fold diluted lysate (50 mM Tris buffer, pH 8.0, 2 mM EDTA, 1 mg / mL lysozyme, 15 μM PQQ). Suspended. Thereafter, the mixture was shaken at 37 ° C. for 1 hour, and 30 μL of a 20 mM calcium chloride solution was added. The lysate was transferred to a filter plate (manufactured by Corning) and centrifuged (2000 rpm, 4 ° C., 5 min). The obtained supernatant was used for the following screening.
[0058]
The 96-well microplate used for screening was previously treated by the following method. That is, first, 100 μL of 15 ng / μL Protein A / G solution was added to a 96-well microplate (manufactured by Coaster), and the mixture was incubated at 37 ° C. for about 2 hours. Next, the plate was washed three times with a PBS solution, 150 μL of a blocking solution was added, and the mixture was allowed to stand at 37 ° C. for about 2 hours to obtain a screening micropirate. The above-mentioned centrifuged supernatant was added to a 96-well microplate containing a previously prepared 80 μL of 0.1 ng / μL mouse IgG1 anti-5 × histidine-tagged monoclonal antibody, mixed, and 100 μL of the blocking solution was washed and removed with a PBS solution. The plate was added to a microplate for incubation, and incubated at 25 ° C. for 1 hour. After that, the plate was washed three times with PBS and mixed with 140 μL of a PQQGDH assay solution (3.5 mL of 4 mM 1-methodyl PMS, 3.5 mL of 1 mM XTT solution, 3.5 mL of 20 mM maltose or glucose solution, 3.5 mL of 40 mM MOPS-NaOH pH 7.0). Liquid) was added and the absorbance at 410 nm was measured for 15 minutes at room temperature.
[0059]
In the first stage screening, a random single nucleotide substitution library was screened using maltose as a substrate, and clones expressing mutants in which the enzyme activity was reduced to about 80% or less of the wild type were identified. Next, the identified mutant was screened using glucose as a substrate, and a clone expressing a mutant having a large decrease in the reactivity to maltose compared to the reactivity to glucose was obtained. When the nucleotide sequences of these mutant PQQGDH genes were determined, glycine at position 75 was arginine, glycine at position 295 was glutamic acid, methionine at position 342 was valine, alanine at position 351 was threonine, glutamine at position 168 was histidine, and leucine at position 169. It was found that glutamine and tryptophan at position 347 were mutated to arginine. As shown in Table 4 below, all of the modified PQQGDH obtained in the present invention had reduced specificity to maltose as compared to the wild type. The activity of wild-type PQQGDH when glucose was used as a substrate was defined as 100, and the reactivity to maltose was shown as a relative value to this. As a control, the histidine-tagged wild-type PQQGDH obtained in Example 6 was used.
The numbers in the column of amino acid substitution in Table 4 indicate the amino acid number, the symbol on the left side of the number indicates the type of amino acid in the wild type, and the right side of the number indicates the type of amino acid after mutation. Therefore, for example, Gly75Arg means a variant in which glycine at the 75th amino acid is substituted with arginine.
[0060]
[Table 4]
[0061]
[Example 8] Introduction of site-specific mutation into wild-type PQQGDH gene and examination of substrate specificity of modified PQQGDH
Using the QuikChange Site-directed Mutagenesis kit (Stratagene), a site-specific mutation was introduced into the structural gene of PQQGDH derived from Acinetobacter calcoaceticus represented by SEQ ID NO: 4. The site where the mutation was introduced in Example 7, that is, each site of 75th glycine, 295th glycine, 342th methionine, 351th alanine, 168th glutamine, 169th leucine, 347th tryptophan The conditions were such that the nucleotide sequence encoding the amino acid was randomly substituted so as to encode 20 types of amino acids. Table 5 shows the sequences of the primers that substitute each site with 20 types of amino acids. In Table 5, F and R at the end of each sequence name indicate forward and reverse, respectively.
[0062]
[Table 5]
Array name: Array
GDHB / G100-F: 5'-GTAAATGATGCTGATNNNCAAAACGGTTTTATTGGG-3 '(35mer, SEQ ID NO: 13)
GDHB / G100-R: 5'-CCCAATAAAACCGTTTTGNNNATCAGCATCATTACTAC-3 '(35mer, SEQ ID NO: 14)
GDHB / G320-F: 5'-CAAAATTAAAGATTTANNNNCAAATGGTTTAAAAGTGGC-3 '(38mer, SEQ ID NO: 15)
GDHB / G320-R: 5′-GCCACTTTTAAAACCATTTTGNNNNTAATCTTTAATTTG-3 ′ (38mer, SEQ ID NO: 16)
GDHB / M367-F: 5'-CCAACCTgTggggATNNNNACCTACATTTgCTgg-3 '(33mer, SEQ ID NO: 17)
GDHB / M367-R: 5'-CCAgCAAATgTAggTNNNATCCCCACAggTTgg-3 '(33mer, SEQ ID NO: 18)
GDHB / A376-F: 5'-gCCAACggTTNNNNCCgTCATCTgCTTATgTCTA-3 '(33mer, SEQ ID NO: 19)
GDHB / A376-R: 5'-TAgACATAAgCAgATgACggNNNNACCgTTggC-3 '(33mer, SEQ ID NO: 20)
GDHB / Q193-F: 5'-GATCAGGGGCGTAACNNNCTGGCTTATTTTATTC-3 '(33mer, SEQ ID NO: 21)
GDHB / Q193-R: 5'-GAATAAATAAGCCAGNNNGTTTACGCCCCTGATC-3 '(33mer, SEQ ID NO: 22)
GDHB / L194-F: 5'-GGGGCGTAACCAGNNNGCTTTATTTATTCTTACC-3 '(33mer, SEQ ID NO: 23)
GDHB / L194-R: 5'-GGTAAGAATAAAATAAGCNNNCTGGTTACGCCCC-3 '(33mer, SEQ ID NO: 24)
GDHB / W372-F: 5′-ggATATgACCTACATTTgCNNNCCAACggTTgCgCCg-3 ′ (37mer, SEQ ID NO: 25)
GDHB / W372-R: 5'-CggCgCAACCgTTggNNNNgCAAATgTAggTCATATCC-3 '(37mer, SEQ ID NO: 26)
[0063]
1 μL of PfuTurbo DNA polymerase (2.5 U / μL) attached to the QuikChange Site-directed Mutagenesis kit, 125 ng of each forward and reverse primer, dNTP mix, 10 ng of pUK-GDHB (S) and 1/10 volume PCR The buffer was mixed. The reaction conditions were 95 ° C for 30 seconds, followed by 16 cycles of 95 ° C for 30 seconds, 55 ° C for 1 minute, and 68 ° C for 10 minutes. After completion of the reaction, 1 μL of a restriction enzyme DpnI (10 U / μL) attached to the kit was added to remove the template DNA, and the mixture was incubated at 37 ° C. for 1 hour. Escherichia coli XL1-Blue was transformed with 1 μL of the reaction product to obtain a colony.
[0064]
Next, the obtained transformant colonies were inoculated into 600 μL of Circle Grow medium (Stratagene) and screened in the same manner as in Example 7. As a result, the nucleotide sequence of the selected mutant strain was determined, and it was found that various mutants having amino acid substitutions were obtained as shown in Table 6 below. On the other hand, each of these mutants was cultured overnight at 30 ° C. in 2 mL of LB medium containing 100 μg / mL of ampicillin, 0.01 mM of isopropylthiogalactoside and 6 μM of PQQ. After the culture, the cells were collected by centrifugation, and resuspended in 500 μL of 10 mM MOPS buffer (pH 7.0) containing 6 μM PQQ. Subsequently, 250 mg of glass beads (manufactured by Yasui Kikai Co., Ltd.) was added to the suspension solution, and the cells were disrupted with a multi-beads shocker (manufactured by Yasui Kikai Co., Ltd.) (2000 rpm, operation 60 seconds, interval 30 seconds, 7 cycles).
[0065]
The solution after the disruption of the cells was centrifuged (15000 rpm, 10 minutes, 4 ° C.), and the supernatant was purified using His MicroSpin Purification Module (Amersham Pharmacia Biotech). As a result, 200 μL of a purified enzyme solution was obtained. PQQ was added to this purified enzyme solution to a concentration of 5 μM, and left for 1 hour or more in the presence of 1 mM calcium chloride to perform holation.
[0066]
The substrate specificity of each modified PQQGDH obtained as described above was measured by the following method. Specifically, after dispensing 50 μL of the purified enzyme solution, 130 μL of the assay solution (60 μL of 20 mM MOPS pH 7.0 dissolved in 1-methodoxy PMS, 70 μL of 20 mM and 171 μM XTT, and 20 μL of D-glucose solution) were added. PQQGDH activity was measured according to the method described in Example 5 to a final concentration of 5 mM. As a control, the histidine-tagged wild-type PQQGDH obtained in Example 6 was used. Table 6 shows the measurement results. As is clear from Table 6, any modified PQQGDH has reduced reactivity to maltose and galactose as compared to wild-type PQQGDH, and some modified PQQGDH also has reduced reactivity to lactose and galactose at the same time. Obtained. The numbers in the column of amino acid substitution in Table 6 indicate the amino acid number, the symbol on the left side of the number indicates the type of amino acid in the wild type, and the right side of the number indicates the type of amino acid after mutation. Therefore, for example, Gly75 Trp means a variant in which glycine at the 75th amino acid is replaced with trypsin.
[0067]
[Table 6]
[0068]
[Example 9] Introduction of multiple mutations using mutation scrambling method and examination of substrate specificity of multiple substitution products
By preparing a multi-substituted library having all possible combinations of amino acid substitutions effective for improving the substrate specificity, which was clarified in Example 8, by a mutation scrambling method, each amino acid substitution was independently performed. An attempt was made to obtain a variant having a higher substrate specificity as compared with the case of having the same. For the preparation of the multiple substitution library, the previously described bias mutation scrambling method (The 39th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan, held on October 6, 2001, abstract number 1P057, Novartis Pharma; Biopolymer, No. 64 ( 2002), pp. 95-105). The bias mutation scrambling method is a modification of the mutation scrambling method, and has a feature that the introduction probability of the combined amino acid substitution can be freely set. In this example, G75, G295, M342, and A351, which are located near the substrate binding site based on the estimation from the structural model and are expected to contribute to the substrate specificity in particular, have a high probability of 80%. For Q168, L169, and W347, which are considered to have structural features, conditions were set such that mutations were introduced with a probability of 50%. Specifically, the entire length of the PQQGDH gene was divided into the five fragments shown in FIG. 4 having overlapping ends and containing 1 to 3 amino acid substitutions identified in Example 8, and each amino acid substitution was as described above. Mutation scrambling was performed at the mixing ratio of each fragment shown in FIG. 5 so that the PQQGDH gene was introduced at the probability of reconstructing the PQQGDH gene.
[0069]
In the mutation sprangling method, PCR was first performed using a wild-type gene as a template to obtain a partially amplified product (FIG. 4). Table 7 shows the composition of the reaction solution used for PCR. Primers containing sequences corresponding to Q168 and L169 with G75 interposed therebetween were used.
[0070]
[Table 7]
10 μbuffer for AccuTaq (manufactured by Sigma) 2 μL
1 μL of 10 mM dNTP
Forward primer (10 pmol / μL) 1.2 μL
Reverse primer (10 pmol / μL) 1.2 μL
Template (10 ng / μL) 0.5 μL
dH 2 O 13.9 μL
AccuTaq (5 units / μL) 0.2 μL
20 μL in total
[0071]
Forward primer: 5'-TCACATGTTCTTTCTCGCGTTATC-3 '(SEQ ID NO: 9)
S-primer (G) -10-QL: 5'-AAgAATAAAATAAgCCAgTTGgTTACgCCCCTgATC-3 '(SEQ ID NO: 27)
The reaction conditions were 98 ° C. for 30 seconds, then 30 cycles of 94 ° C. for 5 seconds, 60 ° C. for 20 seconds, and 68 ° C. for 90 seconds, and finally to 68 ° C. for 10 minutes. Next, PCR was performed under the same reaction conditions using a modified gene having a mutation in G75 as a template to obtain a partially amplified by-product in the same region as above. Here, as can be seen from Table 6, there are 16 combinations of amino acid substitutions at the G75 site, the Q168 site, and the L169 site. The partial amplification by-products corresponding to all these combinations were obtained by using the eight types of primers (S-primer (G) -10-QL to S-primer (G) -10-YF) shown in FIG. It was prepared by performing a gene amplification reaction using two modified genes as templates. The obtained partial amplification products were mixed at the mixing ratio shown in FIG. 5 to obtain fragment 1 (fragment 1, see FIG. 4). Fragment 2 to Fragment 5 (Fragment 2, Fragment 3, Fragment 4, Fragment 5; see FIG. 4) were obtained in the same manner as Fragment 1 by using the primers shown in FIG. Was prepared by mixing at the ratios shown in FIG.
[0072]
Next, the above fragments were mixed in equal amounts, and PCR was carried out in a solution composition shown in Table 8 below. The reaction conditions were 98 ° C. for 30 seconds, followed by 5 cycles of 94 ° C. for 5 seconds, 60 ° C. for 20 seconds, and 68 ° C. for 2 minutes. After the completion of the PCR reaction, 2.4 μL of each of the primers (10 pmol / μL) (SEQ ID NOs: 7 and 8) was added, and PCR was performed again. The reaction conditions at this time were 94 ° C. for 5 seconds, then 60 ° C. for 20 seconds, and 68 ° C. for 2 minutes for 25 cycles, and finally 72 ° C. for 10 minutes.
[0073]
[Table 8]
X μL of mixed fragments
10 μbuffer for AccuTaq (manufactured by Sigma) 2 μL
1 μL of 10 mM dNTP
dH 2 O (14.4-X) μL
AccuTaq (5 units / μL) 0.2 μL
17.6 μL in Total
[0074]
The library of the modified gene obtained by the above operation was cut with EcoRI and PstI, replaced with the wild-type gene of pUK-GDHB (S), and transformed into Escherichia coli. After the transformant colonies were cultured by the method described in Example 8, screening was performed using PQQGDH activity and substrate specificity as indices. For clones showing improved substrate specificity, the nucleotide sequence of the modified PQQGDH possessed by the clone was determined. As a result, as shown in the table of FIG. 6, it was found that a plurality of modified PQQGDHs having different combinations of amino acids to be substituted were obtained. In the table of FIG. 6, symbols such as G75 (GGA) mean that the amino acid position specified by the numeral is the amino acid specified by one alphabetic character on the left side of the numeral. The parentheses indicate the nucleotide sequence encoding the amino acid. On the other hand, for Phe (TTT) and the like, the amino acid position specified by the symbol (for example, L194 (CTG)) described at the top of the row in which it is located is replaced by the amino acid specified by the three letters of the alphabet Means The parentheses indicate the nucleotide sequence encoding the amino acid.
[0075]
Each of the transformants having the modified PQQGDH was purified by a method similar to that shown in Example 7, and then the reactivity to each substrate was measured. The measurement results are shown in the right column of the table in FIG. As is clear from this table, the obtained modified PQQGDH has significantly reduced reactivity to maltose as compared with the wild type. A similar decrease is also observed in the reactivity to lactose. Furthermore, the reactivity to galactose is greatly reduced in any of the modified PQQGDHs, and the reactivity is remarkably reduced in some of them. As described above, it was possible to obtain a modified PQQGDH having significantly reduced reactivity to maltose, lactose, and galactose, that is, extremely excellent substrate specificity. From this result, it was found that by combining the mutations at the amino acid positions shown in the table of FIG. 6, a modified PQQGDH having more excellent substrate specificity can be produced as compared with the case of a single mutation.
[0076]
Here, in particular, NO. In one variant, the reactivity to maltose is reduced to 1/9 as compared to the wild type, and similarly, the reactivity to lactose is reduced to about 1/2 and the reactivity to galactose is reduced to about 1/9. ing. No. In the six variants, the reactivity to maltose is reduced to 以下 or less as compared with the wild type, and at the same time, the reactivity to lactose is reduced, and the reactivity to galactose is also reduced to about 4. . Similarly, no. Also in the 7 variant, the reactivity to maltose is reduced to about 1/5 compared to the wild type, and at the same time, the reactivity to lactose is also reduced to about 1/2, and the reactivity to galactose is substantially reduced. It turns out that there is no reactivity. As described above, no. 1, No. 6 and no. Comparison of the amino acid substitution sites in the seven variants suggests that the substitution of amino acids 342 and 351 is particularly important for improving the substrate specificity. Next, the substitution at the 295th amino acid is important, and the substitution at the 194th amino acid is expected to greatly contribute to the improvement of the substrate specificity.
[0077]
The present invention is not limited to the description of the embodiment of the present invention at all, and does not depart from the scope of the claims, and includes various modifications within a range that can be easily conceived by those skilled in the art. It is.
[0078]
【The invention's effect】
The modified pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase provided by the present invention has high substrate specificity for glucose. Therefore, if such a modified enzyme is used, glucose can be quantified with high accuracy.
[0079]
[Sequence list]
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows the sequence (not including a signal region) and the amino acid sequence (not including a signal region) of a gene encoding a pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus. FIG.
FIG. 2 shows a sequence (including a signal region) and an amino acid sequence (including a signal region) of a gene encoding a pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase derived from Acinetobacter calcoaceticus. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the structure of an expression vector pUK-GDHB (S) used in Examples.
FIG. 4 is a table showing primers and amplification sites used in mutation scrambling in Examples.
FIG. 5 is a table showing the mixing ratio of each DNA fragment in mutation sprambling. The set bias rates were 0.8: G75, G295, M342, A351, 0.5: Q168, L169, W347. In addition, the bias rate is a probability that a certain amino acid substitution is introduced by the Mutation Scramble method.
FIG. 6 is a table summarizing amino acid substitution positions and substrate specificities of various modified PQQGDHs obtained by mutation scrambling in Examples.