KR100629896B1 - Recombinant streptomyces strain having high-producing streptomyces doxorubicin and a dna microarray system for analysis of an expresstion profiles of streptomyces doxorubicin biosynthetic gene cluster - Google Patents
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Abstract
본 발명은 독소루비신 대량생산을 위한 재조합 벡터, 상기 재조합 벡터로 형질전환된 형질전환 방선균, 독소루비신 생합성 관련 유전자가 포함된 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 상기 DNA 마이크로 어레이칩를 이용한 유전자 분석방법에 관한 것이다. 본 발명의 재조합 벡터 및 상기 재조합 벡터로 형질전환된 형질전환체는 독소루비신의 대량생산에 활용될 수 있고, 본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 이를 이용한 유전자 분석방법을 통하여, 독소루비신 대량생산을 위한 유전자를 선별할 수 있었다. 본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 이를 이용한 유전자 분석방법은 보다 효율적인 독소루비신 생산에 널리 활용될 수 있을 것이다.The present invention provides a recombinant vector for mass production of doxorubicin, a transformed actinomycetes transformed with the recombinant vector, a DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis including a doxorubicin biosynthesis related gene, and a gene analysis using the DNA microarray chip. It is about a method. The recombinant vector of the present invention and the transformant transformed with the recombinant vector may be utilized for mass production of doxorubicin, and through the DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis of the present invention and a gene analysis method using the same. Genes for mass production of doxorubicin could be selected. The DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis of the present invention and a gene analysis method using the same may be widely used for more efficient doxorubicin production.
독소루비신, 방선균 ,마이크로어레이칩 Doxorubicin, Actinomycetes, Microarray Chip
Description
도 1a는 독소루비신의 생합성 경로를 나타내는 개요도이다.1A is a schematic diagram showing the biosynthetic pathway of doxorubicin.
도 1b는 독소루비신 생합성 관련 유전자의 물리적 기능적 지도이다.1B is a physical functional map of doxorubicin biosynthesis related genes.
도 2는 독소루비신 고생산을 위한 발현벡터 pESK403 및 pESK404의 개열지도이다.2 is a cleavage map of expression vectors pESK403 and pESK404 for high production of doxorubicin.
도 3a는 pSE34로 형질전환된 S. peucetius/pSE34(-◆-), pESK403으로 형질전환된 S. peucetius/pESK403(-■-) 및 pESK404로 형질전환된 S. peucetius/pESK404(-▲-)에서의 배양시간에 따른 독소루비신의 생산정도를 나타내는 그래프이고, Figure 3a is S. peucetius / pSE34 transformed with pSE34 (- ◆ -), the S. peucetius / pESK403 transformed with pESK403 (- ■ -) and transformed S. peucetius / pESK404 to pESK404 (- ▲ -) Is a graph showing the degree of production of doxorubicin according to the incubation time in
도 3b는 pSE34로 형질전환된 S. peucetius/pSE34(-▤-), pESK403으로 형질전환된 S. peucetius/pESK403(-▥-) 및 pESK404로 형질전환된 S. peucetius/pESK404(-▨-)에서의 배양시간에 따른 다나루비신의 생산정도를 나타내 는 그래프이다.Figure 3b shows S. peucetius / pSE34 (-VIII) transformed with pSE34, S. peucetius / pESK403 (-VIII) transformed with pESK403 and S. peucetius / pESK404 (-VIII) transformed with pESK404 It is a graph showing the degree of production of danarubisin with the incubation time in.
도 4는 독소루비신 생합성 관련 유전자가 점적된 DNA 마이크로어레이칩 칩에 관한 사진이다. (A) Cyto-61이 표지된 DNA 칩; (B) S. peucetius/pESK404의 T0 대 T2의 유전자 발현양상을 비교한 DNA 칩.4 is a photograph of a DNA microarray chip chip in which doxorubicin biosynthesis-related genes have been deposited. (A) Cyto-61 labeled DNA chip; (B) DNA chip comparing gene expression patterns of T 0 to T 2 of S. peucetius / pESK404.
도 5는 액상 NDYE 배지에서의 S. peucetius/pESK403 및 S. peucetius/pESK404의 성장률을 나타내는 그래프이다. T0-T2는 총RNA 분리를 위한 배양액의 수확시기를 나타낸다. 5 is a graph showing the growth rate of S. peucetius / pESK403 and S. peucetius / pESK404 in liquid NDYE medium. T 0 -T 2 represents the harvest time of the culture for total RNA isolation.
도 6a는 S. peucetius/pESK403에서 doxA 유전자의 발현양상(-◆-)과 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. FIG. 6A shows the logarithms of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratios of the expression patterns of the doxA gene (-◆-) and the total expression of doxorubicin biosynthesis related genes (-■-) in S. peucetius / pESK403 [log 2 (red / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
도 6b는 S. peucetius/pESK404에서 dnrI 유전자의 발현양상(-▲-)과 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)를 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. FIG. 6B shows the logarithm of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratio of the expression patterns of the dnrI gene (-▲-) and the average expression of the total doxorubicin biosynthesis related genes (-■-) in S. peucetius / pESK404 [log 2 (red / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
도 7a는 S. peucetius/pESK403에서 DnrI 의존적인 유전자인 dnrG(-◆-), dpsA(-●-) 및 dpsE(-▲-)의 발현양상 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)] 으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. Figure 7a shows the expression patterns of DnrI dependent genes dnrG (-◆-) , dpsA (-●-) and dpsE (-▲-) in S. peucetius / pESK403 and the average expression patterns of all doxorubicin biosynthesis related genes (-■ This is a graph of microarray chip analysis showing-) as the log value of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratio (log 2 (red / green)).
도 7b는 S. peucetius/pESK403에서 독소루비신 저항성 유전자인 drrA(-▲-), drrB(-●-), drrC(-◆-)의 발현양상 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. 7b isS. peucetius/ pESK403 in the doxorubicin resistance genedrrA(-▲-), drrB(-●-), drrCThe expression patterns of (-◆-) and the average expression patterns (-■-) of all doxorubicin biosynthesis related genes are calculated as log values of the ratio of red fluorescence to green fluorescence intensity.2(red / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
도 7c는 S. peucetius/pESK403에서 dnmL 유전자의 발현양상(-◆-) 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. FIG. 7C shows the logarithm of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratio (log 2 (red) for the expression patterns of dnmL gene (-◆-) and total doxorubicin biosynthesis-related genes in S. peucetius / pESK403 [log 2 (red) / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
도 8a는 S. peucetius/pESK404에서 DnrI 의존적인 유전자인 dnrG(-◆-), dpsA(-●-) 및 dpsE(-▲-)의 발현양상 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. Figure 8a shows the expression patterns of DnrI dependent genes dnrG (-◆-) , dpsA (-●-) and dpsE (-▲-) in S. peucetius / pESK404 and the average expression patterns of all doxorubicin biosynthesis related genes (-■ This is a microarray chip analysis graph showing-) as the log value of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratio [log 2 (red / green)].
도 8b는 S. peucetius/pESK404에서 독소루비신 저항성 유전자인 drrA(-▲-), drrB(-●-), drrC(-◆-)의 발현양상 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. 8b isS. peucetius/ pESK404 is a doxorubicin resistance genedrrA(-▲-), drrB(-●-), drrCThe expression patterns of (-◆-) and the average expression patterns (-■-) of all doxorubicin biosynthesis related genes are calculated as log values of the ratio of red fluorescence to green fluorescence intensity.2(red / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
도 8c는 S. peucetius/pESK404에서 dnmL 유전자의 발현양상(-◆-) 및 전체 독소루비신 생합성 관련 유전자의 평균적 발현양상(-■-)을 적색형광 대 녹색형광 강도 비의 로그값[log2(red/green)]으로 나타낸 마이크로어레이칩 분석결과 그래프이다. FIG. 8C shows the logarithms of the red fluorescence to green fluorescence intensity ratios of the expression patterns of dnmL gene (-◆-) and total doxorubicin biosynthesis related genes (-■-) in S. peucetius / pESK404 [log 2 (red / green)] is a graph of microarray chip analysis results.
본 발명은 독소루비신의 생합성 유전자군의 발현양상 분석을 위한 마이크로어레이칩 및 그를 이용한 독소루비신 생합성 유전자군의 발현양상 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microarray chip for analyzing the expression pattern of the biosynthetic gene group of doxorubicin and a method for analyzing the expression pattern of the doxorubicin biosynthetic gene group using the same.
독소루비신은 스트렙토마이세스 퓨세티우스(Streptomyces peucetius)에 의해 생합성되는 안트라사이클린(anthracycline)계 II 형 폴리케타이드(polyketide) 화합물로서, DNA 토포이소머라제(topoisomerase) II의 작용을 저해하여 DNA 이중가닥을 파괴하는 기작을 통해 항암제로서의 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Arcamone, F., Med. Res. Rev., 4: 153-188, 1984). S. peucetius에서 생산되는 독소루비신은 유전체에 클러스터되어 있는 약 40여개의 유전자들이 암호화하는 다양한 효소반응을 거쳐 생합성 되는데, 우선 개시 단위(starter unit)인 한 분자의 프로피오닐 조효소 A(propionyl CoA)와 확장 단위(extender unit)인 9개의 말노닐 조효소 A(malonyl CoA)가 연속적으로 축합반응을 일으켜 폴리케타이드 사슬이 형성된다. 여기에 환형화, 탈수화 및 수산기화 반응을 거쳐 폴리케타이드 골격인인 엡실론-로도마이시논(ε-rhodomycinone)이 생합성되고(도 1a 및 1b 참조), 생합성된 엡실론-로도마이시논은 다음 단계로 메틸화, 수산기화, 탈카르복실화 및 글리코실화 반응을 거쳐서 최종적으로 독소루비신으로 생합성되는 것으로 알려져 있다(Grimm, A. et al., Gene, 151: 1-10, 1994; Hutchinson, C. R. et al., J. IND. MICROBIOL. BIOT., 23: 647-652, 1999). 생합성 유전자와 더불어 독소루비신의 생산에 관여하는 또 다른 중요 유전자 군으로는, 내성 유전자 및 경로 특이적 조절 유전자가 보고되고 있다. S. peucetius의 독소루비신 내성유전자 산물은 DrrA, DrrB, DrrC, DrrD로 구성되는 것으로 알려져 있으며, 이 중 ABC 트랜스포터(transporter)의 일종인 DrrA는 DrrB와 쌍을 이루어서 합성된 독소루비신을 세포 밖으로 배출시키는 것으로 알려져 있다(Kaur, P. and Russell, J., J. Biol. Chem., 273: 17933-17939, 1998; Lomovskaya, N. et al., J. Bacteriol., 178: 3238-3245, 1996). 또한 S. peucetius에서의 독소루비신 생합성과 관련된 조절기작은 DnrO, DnrN, DnrI를 통한 연속단계(cascade) 형태로 이루어지고, 이러한 조절기작 중 가장 마지막 단계의 DnrI는 독소루비신 생합성 관련 유전자들의 프로모터 부분에 직접적으로 결합함으로써 독소루비신 생합성 유전자의 발현을 촉진시키는 역할을 한다고 보고되고 있다(Furuya, K. et al., J. Bacteriol. 178: 6310-6318, 1996; Otten, S. L. et al., Microbiology, 146: 1457-1468, 2000). 그러나, 독소루비신의 조절기작은 생합성 과정과 직접적인 연관이 있는 일부 유전자만이 알려져 있으며, 다른 대부분의 방선균에서와 마찬가지로 2차 대사과정과 관련이 있는 상위단계에서의 조절기작 은 규명되지 않고 있는 실정이다.Doxorubicin is an anthracycline type II polyketide compound biosynthesized by Streptomyces peucetius , which inhibits the action of DNA topoisomerase II and thus double-strands DNA. It is known to play a role as an anticancer agent through a mechanism of destroying (Arcamone, F., Med. Res. Rev., 4: 153-188, 1984). Doxorubicin produced by S. peucetius is biosynthesized through various enzymatic reactions encoded by about 40 genes clustered in the genome, which is first expanded with a molecule of propionyl coenzyme A (starter unit). Nine malonyl coenzymes A (malonyl CoA), which is an extender unit, are condensed continuously to form polyketide chains. The polyketide skeleton epsilon-rhodomycinone (ε-rhodomycinone) is biosynthesized by cyclization, dehydration and hydroxylation reactions (see FIGS. 1A and 1B), and the biosynthesized epsilon-rhodomycinone The next step is methylation, hydroxylation, decarboxylation, and glycosylation, which is known to be finally biosynthesized into doxorubicin (Grimm, A. et al ., Gene , 151: 1-10, 1994; Hutchinson, CR et al ., J. IND. MICROBIOL. BIOT., 23: 647-652, 1999). In addition to biosynthetic genes, as another important gene family involved in the production of doxorubicin, resistance genes and pathway specific regulatory genes have been reported. The doxorubicin resistance gene product of S. peucetius is known to be composed of DrrA, DrrB, DrrC, and DrrD. Among them, DrrA, an ABC transporter, is paired with DrrB to excrete the synthesized doxorubicin out of cells. (Kaur, P. and Russell, J., J. Biol. Chem., 273: 17933-17939, 1998; Lomovskaya, N. et al., J. Bacteriol., 178: 3238-3245, 1996). The regulatory mechanisms associated with doxorubicin biosynthesis in S. peucetius also consist of cascades of DnrO, DnrN, and DnrI, the last of which is directly linked to the promoter portion of doxorubicin biosynthesis-related genes. It is reported to play a role in promoting the expression of doxorubicin biosynthetic gene (Furuya, K. et al ., J. Bacteriol. 178: 6310-6318, 1996; Otten, SL et al ., Microbiology , 146: 1457-1468 , 2000). However, the regulatory mechanism of doxorubicin is known only to a few genes that are directly related to the biosynthetic process, and as in most actinomycetes, the regulatory mechanisms at higher levels associated with secondary metabolic processes have not been identified.
독소루비신을 포함하여 산업적으로 유용산물을 생산하는 방선균에서의 유용산물 생산성 향상을 위한 균주개량 전략은 현재까지도 NTG(N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine)나 자외선등의 돌연변이 유발원(mutagen)을 사용한 돌연변이화 및 스크리닝 방법에 의존해 왔다. 그러나, 상기 방법은 생합성에 관여하는 조절유전자들의 분자유전학적 특성에 대한 이해와는 상관없이 무작위적으로 이루어지기 때문에, 독소루비신 생합성에 관여하는 모든 유전자군의 발현을 종합적으로 비교분석함으로써 보다 체계적이고 효과적인 분자수준에서의 균주개량 전략이 필요하다고 할 수 있다(Rodriguez, E. et al., J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 30: 480-488, 2003). 특히, 최근에는 DNA 마이크로어레이칩(microarray) 시스템을 이용하여 고생산성 산업균주인 사카로몰리스포라 에리트레이(Saccharopolyspora erythreae)가 생산하는 에리트로마이신(erythromycin)과 스트렙토마이세스 프라디애(Streptomyces fradiae)가 생산하는 틸로신(tylosin)의 생합성 유전자군 발현을 성공적으로 분석한 사례가 보고되고 있다(Lum, A. M. et al., Metabolic Engineering, 6: 186-196, 2003). 그러나, 아직까지 마이크로어레이칩 시스템을 이용하여 방선균에서의 독소루비신 생합성 관련 유전자의 발현 양상의 분석방법은 개발되고 있지 않은 실정이다.Strain improvement strategies for improving useful product productivity in actinomycetes, including doxorubicin, which produce industrially useful products, are still being used as mutagens such as NTG (N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidine) or ultraviolet light. Has been relied on for mutagenesis and screening methods. However, since the method is randomized regardless of the understanding of the molecular genetic characteristics of the regulatory genes involved in biosynthesis, it is more systematic and effective by comprehensively comparing the expression of all gene groups involved in doxorubicin biosynthesis. A strain improvement strategy at the molecular level is needed (Rodriguez, E. et al., J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 30: 480-488, 2003). In particular, recently, DNA microarray chip (microarray) is erythromycin (erythromycin) and Streptomyces plastic diae (Streptomyces fradiae) to and using the system to produce pneumolysin spokes la Erie tray (Saccharopolyspora erythreae) a saccharide productivity industrial strains Cases of successful analysis of the biosynthetic gene family expression of tylosin produced are reported (Lum, AM et al ., Metabolic Engineering , 6: 186-196, 2003). However, a method of analyzing the expression pattern of doxorubicin biosynthesis genes in actinomycetes using a microarray chip system has not been developed until now.
이에, 본 발명자들은 우선 경로 특이적 조절유전자(dnrI) 또는 전구체 전환에 관여하는 특정 생합성 경로유전자(doxA)를 형질전환시킨 결과 방선균에서 독소루비신의 발현율이 매우 향상됨을 확인함으로써, 독소루비신 고생산성 재조합 균주 를 제조하였고, 방선균의 독소루비신 생합성에 관여하는 35개의 유전자를 포함하는 DNA 마이크로어레이칩를 제작하고, 상기 DNA 마이크로어레이칩를 이용하여 상기 독소루비신 고생산성 재조합 균주의 독소루비신 생합성 유전자군 발현패턴을 분석한 결과, 독소루비신 생산성 향상에 결정적인 역할을 하는 유전자들을 선별할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors first confirmed that the expression rate of doxorubicin in actinomycetes is greatly improved as a result of transforming a specific biosynthetic pathway gene ( dOx ) involved in pathway specific regulatory gene ( dnrI ) or precursor conversion, thereby finding a highly productive doxorubicin recombinant strain. A DNA microarray chip containing 35 genes involved in doxorubicin biosynthesis of actinomycetes was prepared, and the doxorubicin biosynthetic gene group expression pattern of the doxorubicin high-productive recombinant strain was analyzed using the DNA microarray chip, thereby producing doxorubicin. The present invention was completed by confirming that genes that play a crucial role in improvement can be selected.
본 발명의 첫 번째 목적은 독소루비신 생합성에 관연하는 유전자를 포함하는 방선균용 발현벡터를 제공하는 것이다.The first object of the present invention is to provide an expression vector for actinomycetes comprising a gene associated with doxorubicin biosynthesis.
본 발명의 두 번째 목적은 상기 발현벡터로 형질전환된 독소루시신 고생산성 형질전환 균주를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a doxorushin high productivity transformed strain transformed with the expression vector.
본 발명의 세 번째 목적은 방선균의 독소루비신 생합성에 관여하는 유전자가 집적된 DNA 마이크로어레이칩를 제공하는 것이다.A third object of the present invention is to provide a DNA microarray chip in which genes involved in actinomycetes doxorubicin biosynthesis are integrated.
본 발명의 네 번째 목적은 상기 DNA 마이크로어레이칩를 이용하여 독소루비신 생합성 유전자군의 발현 양상을 비교 분석하는 방법을 제공하는 것이다.A fourth object of the present invention is to provide a method for comparatively analyzing the expression patterns of doxorubicin biosynthetic gene groups using the DNA microarray chip.
본 발명의 마지막 목적은 상기 분석 방법을 이용하여 독소루비신 생산성 향상에 관련된 유전자를 선별하는 방법을 제공하는 것이다.It is a final object of the present invention to provide a method for selecting genes related to doxorubicin productivity enhancement using the analytical method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 독소루비신 생합성에 관여하는 유 전자를 포함하는 방선균용 발현벡터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an expression vector for actinomycetes comprising a gene involved in doxorubicin biosynthesis.
또한, 본 발명은 상기 발현벡터로 형질전환된 독소루비신 고생산성 형질전환 균주를 제공한다.The present invention also provides a doxorubicin high productivity transformed strain transformed with the expression vector.
또한, 본 발명은 방선균의 독소루비신 생합성 관련 유전자가 집적된 DNA 마이크로어레이칩를 제공한다.In addition, the present invention provides a DNA microarray chip in which the doxorubicin biosynthesis related gene of actinomycetes is integrated.
아울러, 본 발명은 상기 DNA 마이크로어레이칩를 이용하여 독소루비신 생합성 관련 유전자의 발현 양상을 분석하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for analyzing the expression of doxorubicin biosynthesis related genes using the DNA microarray chip.
더 나아가, 본 발명은 상기 분석방법을 이용하여 독소루비신 생산성 향상에 관련된 유전자를 선별하는 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a method for selecting genes related to doxorubicin productivity improvement using the above assay method.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 방선균용 발현벡터는 방선균의 경로 특이적 조절유전자(dnrI) 또는 전구체 전환 생합성 유전자(doxA)를 포함한다. 이때, dnrI을 포함하는 발현벡터는 도 2의 개열지도로 나타내어지는 pESK404인 것이 바람직하고, doxA를 포함하는 발현벡터는 도 2로 나타내어지는 개열지도를 갖는 pESK403인 것이 바람직하다.The expression vector for actinomycetes of the present invention comprises a path specific regulatory gene ( dnrI ) or a precursor conversion biosynthesis gene ( doxA ) of actinomycetes . In this case, it is preferable that the expression vector containing the dnrI pESK404 that the cleavage map as shown in Figure 2 is preferred and, pESK403 having a cleavage map shown expression vectors containing doxA Figure 2.
본 발명의 형질전환 균주는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, pESK404로 형질전환된 S. peucetius/pESK404 또는 pESK403으로 형질전환된 S. peucetius/pESK403인 것이 바람직하다.The transforming strain of the present invention is not particularly limited, but is preferably S. peucetius / pESK404 transformed with pESK404 or S. peucetius / pESK403 transformed with pESK403.
본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자의 발현 양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩은 하나 이상의 독소루비신 생합성 관련 유전자가 점적된 고체기판을 포함한다. 이때, 상기 기판은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 유리기판인 것이 바람직하고, DNA의 결합을 용이하게 하기 위한 양이온성 폴리머로 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 양이온성 폴리머는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 폴리-L-라이신인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 DNA 마이크로어레이칩는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 분석결과의 신뢰성을 향상시키기 위하여 대조군 유전자를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하며, 상기 대조군 유전자는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 양성 대조군 유전자 및 음성 대조군 유전자를 모두 포함하는 것이 바람직하며, 상기 음성 대조군 유전자는 방선균에 존재하지 않는 유전자로 특별히 이에 제한되지 않고, 상기 양성 대조군 유전자는 방선균에서 일정한 수준으로 발현되는 하우스키핑 유전자로서 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 방선균의 16s rRNA인 것이 바람직하다.DNA microarray chip for analyzing the expression pattern of the doxorubicin biosynthesis related gene of the present invention includes a solid substrate in which one or more doxorubicin biosynthesis related genes are stored. In this case, the substrate is not particularly limited thereto, but is preferably a glass substrate, and is preferably coated with a cationic polymer for facilitating DNA binding, and the cationic polymer is not particularly limited thereto. Preference is given to -L-lysine. In addition, the DNA microarray chip of the present invention is not particularly limited thereto, but it is preferable to further include a control gene in order to improve the reliability of the analysis result, the control gene is not particularly limited thereto, but a positive control gene and negative It is preferable to include all control genes, and the negative control gene is not particularly limited to genes present in actinomycetes, and the positive control genes are housekeeping genes expressed at a constant level in actinomycetes, but are not particularly limited thereto. It is preferable that it is 16s rRNA of actinomycetes.
본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석 방법은 (ⅰ) 하나 이상의 독소루비신 생합성 관련 유전자가 점적된 DNA 마이크로어레이칩를 제조하는 단계; (ⅱ) 배양시간을 달리하여 수득한 독소루비신 고생산성 균주로부터 총RNA를 추출하는 단계; (ⅲ) 추출된 각각의 총RNA로부터 역전사 반응을 이용하여 서로 다른 형광물질이 표지된 cDNA를 제조하는 단계; (ⅳ) 상기 각각의 서로 다른 형광물질이 표지된 cDNA를 단계 ⅰ에서 제조한 DNA 마이크로어레이칩와 경쟁적으로 혼성화시키는 단계; (ⅴ) 세척 후 각각의 형광을 검출하는 단계 및 (ⅵ) 각각의 형광의 강도를 비교하는 단계를 포함한다.Doxorubicin biosynthesis-related gene expression analysis method of the present invention comprises the steps of (i) preparing a DNA microarray chip in which one or more doxorubicin biosynthesis-related genes are deposited; (Ii) extracting total RNA from doxorubicin high productivity strains obtained by varying incubation times; (Iii) preparing cDNAs labeled with different fluorescent materials by using reverse transcription from each extracted total RNA; (Iv) competitively hybridizing the cDNAs labeled with the respective fluorescent materials with the DNA microarray chips prepared in step iii; (Iii) detecting each fluorescence after washing and (iii) comparing the intensity of each fluorescence.
이때, 상기 독소루비신 생합성 관련 유전자는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, dnmZ, dnrD, dnmJ, dnmL, dnrN, dpsG, dpsH, dnrE, drrB, dpsY, drrA, drrD, dpsF, dpsD, dnrI, doxA, dnrM, dnrO, dnrF, dnmT, dnmV, dnrG, dpsA, dpsB, dnrV, dpsE, dnrH, dnrK, dnrP, dnmS, dpsC, dnrX, dnmU, dnrC 및 drrC로 구성되는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하고, 상기 독소루비신 고생산성 균주는 특별히 이에 제한되는 것이 아니나, 본 발명의 S. peucetius/pESK404 또는 S. peucetius/pESK403인 것이 바람직하며, 상기 배양시간은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 독소루비신이 생성되기 이전인 접종후 24시간 후를 T0으로 하고, 독소루비신이 생성되는 시점인 접종후 48시간을 T1으로 하며, 접종 후 80시간을 T2로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 형광물질은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 플루오레세인, 로다민, 녹색형광단백질, Cy-3 또는 Cy-5인 것이 바람직하며, Cy-3 또는 Cy-5인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, T0 시점에서 수득된 독소루비신 고생산 균주로부터 추출된 총RNA는 Cy-3로 표지되고, T1 또는 T2 시점에서 수득된 독소루비신 고생산 균주로부터 추출된 총RNA는 Cy-5로 표지된다. 상기 단계 ⅳ의 혼성화 방법은 당업계에서 이미 공지되어 있다. 통상적으로 형광 표지된 cDNA를 혼성화 용액과 혼합한 후 끓는 물에 방치하여 DNA 이중가닥을 분리시키고, DNA 마이크로어레이칩에 적용시킨 다음, 적절한 온도(40 내지 70℃)로 8 내지 20시간 동안 반응시킨다. 이어, 수 차례 세척한 다음, 건조시키고 형광 스캐너로 형광을 검출한다. 상기 단계 ⅵ의 형광 강도를 비교하는 단계는 형광 스캐너와 연결된 컴퓨터의 통상의 분석용 소프트웨어로 수행될 수 있다. In this case, the doxorubicin biosynthesis-related genes are not particularly limited thereto, but dnmZ , dnrD , dnmJ , dnmL , dnrN , dpsG , dpsH , dnrE , drrB , dpsY , drrA , drrD , dpsF , dpsD , dnrI , doxA , dnrM , dnrO , dnrF , dnmT , dnmV , dnrG , dpsA , dpsB , dnrV , dpsE , dnrH , dnrK , dnrP , dnmS , dpsC , dnrX, dnmU, dnrC and drrC , preferably the doxorubicin high productivity strains Is not particularly limited thereto, but is preferably S. peucetius / pESK404 or S. peucetius / pESK403 of the present invention, the incubation time is not particularly limited thereto, but 24 hours after inoculation before doxorubicin is produced. to T 0, and after the time of inoculation doxorubicin is created and for 48 hours in T 1, it is preferable that 80 hours after inoculation in T 2. On the other hand, the fluorescent material is not particularly limited thereto, but is preferably fluorescein, rhodamine, green fluorescent protein, Cy-3 or Cy-5, and more preferably Cy-3 or Cy-5. In a preferred embodiment of the invention, the total RNA extracted from the doxorubicin high production strain obtained at time point T 0 is labeled with Cy-3 and the total RNA extracted from the doxorubicin high production strain obtained at time point T 1 or T 2 is It is labeled Cy-5. Hybridization methods of step iii are already known in the art. Typically, fluorescently labeled cDNA is mixed with a hybridization solution and left in boiling water to separate DNA double strands, applied to a DNA microarray chip, and then reacted at an appropriate temperature (40 to 70 ° C.) for 8 to 20 hours. . It is then washed several times, dried and the fluorescence is detected with a fluorescence scanner. The step of comparing the fluorescence intensity of step VII may be performed with conventional analysis software of a computer connected to the fluorescence scanner.
또한, 본 발명의 독소루비신 생산성 향상에 관련된 유전자의 선별방법은 (ⅰ) 하나 이상의 독소루비신 생합성 관련 유전자가 점적된 DNA 마이크로어레이칩를 제조하는 단계; (ⅱ) 배양시간을 달리하여 수득한 독소루비신 고생산성 균주로부터 총RNA를 추출하는 단계; (ⅲ) 추출된 각각의 총RNA로부터 역전사 반응을 이용하여 서로 다른 형광물질이 표지된 cDNA를 제조하는 단계; (ⅳ) 상기 각각의 서로 다른 형광물질이 표지된 cDNA를 단계 ⅰ에서 제조한 DNA 마이크로어레이칩와 경쟁적으로 혼성화시키는 단계; (ⅴ) 세척 후 각각의 형광을 검출하는 단계; (ⅵ) 각각의 형광의 강도를 비교하는 단계 및 (ⅶ) 대조군에 비하여 형광 강도가 커지거나 발현 양상의 변화가 없는 유전자를 선별하는 단계를 포함한다.In addition, the method of selecting genes related to the productivity improvement of doxorubicin of the present invention comprises the steps of: (i) preparing a DNA microarray chip in which one or more doxorubicin biosynthesis related genes have been deposited; (Ii) extracting total RNA from doxorubicin high productivity strains obtained by varying incubation times; (Iii) preparing cDNAs labeled with different fluorescent materials by using reverse transcription from each extracted total RNA; (Iv) competitively hybridizing the cDNAs labeled with the respective fluorescent materials with the DNA microarray chips prepared in step iii; (Iii) detecting each fluorescence after washing; (Iii) comparing the intensities of each fluorescence and (iii) selecting genes that have a greater fluorescence intensity or no change in expression pattern as compared to the control.
이때, 상기 독소루비신 생합성 관련 유전자는 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, dnmZ, dnrD, dnmJ, dnmL, dnrN, dpsG, dpsH, dnrE, drrB, dpsY, drrA, drrD, dpsF, dpsD, dnrI, doxA, dnrM, dnrO, dnrF, dnmT, dnmV, dnrG, dpsA, dpsB, dnrV, dpsE, dnrH, dnrK, dnrP, dnmS, dpsC, dnrX, dnmU, dnrC 및 drrC로 구성되는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하고, 상기 독소루비신 고생산성 균주는 특별히 이에 제한되는 것이 아니나, 본 발명의 S. peucetius/pESK404 또는 S. peucetius/pESK403인 것이 바람직하며, 상기 배양시간은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 독소루비신이 생성되기 이전인 접종후 24시간 후를 T0으로 하고, 독소루비신이 생성되는 시점인 접종후 48시간을 T1으로 하며, 접종 후 80시간을 T2로 하는 것이 바람직하다(도 5 참조). 한편, 상기 형광물질은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 플루오레세인, 로다민, 녹색형광단백질, Cy-3 또는 Cy-5인 것이 바람직하며, Cy-3 또는 Cy-5인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서, T0 시점에서 수득된 독소루비신 고생산 균주로부터 추출된 총RNA는 Cy-3로 표지되고, T1 또는 T2 시점에서 수득된 독소루비신 고생산 균주로부터 추출된 총RNA는 Cy-5로 표지된다. 상기 단계 ⅳ의 혼성화 방법은 당업계에서 이미 공지되어 있다. 통상적으로 형광 표지된 cDNA를 혼성화 용액과 혼합한 후 끓는 물에 방치하여 DNA 이중가닥을 분리시키고, DNA 마이크로어레이칩에 적용시킨 다음, 적절한 온도(40 내지 70℃)로 8 내지 20시간 동안 반응시킨다. 이어, 수 차례 세척한 다음, 건조시키고 형광 스캐너로 형광을 검출한다. 상기 단계 ⅵ의 형광 강도를 비교하는 단계는 형광 스캐너와 연결된 컴퓨터의 통상의 분석용 소프트웨어로 수행될 수 있다. In this case, the doxorubicin biosynthesis-related genes are not particularly limited thereto, but dnmZ , dnrD , dnmJ , dnmL , dnrN , dpsG , dpsH , dnrE , drrB , dpsY , drrA , drrD , dpsF , dpsD , dnrI , doxA , dnrM , dnrO , dnrF , dnmT , dnmV , dnrG , dpsA , dpsB , dnrV , dpsE , dnrH , dnrK , dnrP , dnmS , dpsC , dnrX, dnmU, dnrC and drrC , preferably the doxorubicin high productivity strains Is not particularly limited thereto, but is preferably S. peucetius / pESK404 or S. peucetius / pESK403 of the present invention, the incubation time is not particularly limited thereto, but 24 hours after inoculation before doxorubicin is produced. to T 0, and after the time of inoculation doxorubicin is created and for 48 hours in T 1, it is preferable that 80 hours after inoculation in T 2 (see Fig. 5). On the other hand, the fluorescent material is not particularly limited thereto, but is preferably fluorescein, rhodamine, green fluorescent protein, Cy-3 or Cy-5, and more preferably Cy-3 or Cy-5. In a preferred embodiment of the invention, the total RNA extracted from the doxorubicin high production strain obtained at time point T 0 is labeled with Cy-3 and the total RNA extracted from the doxorubicin high production strain obtained at time point T 1 or T 2 is It is labeled Cy-5. Hybridization methods of step iii are already known in the art. Typically, fluorescently labeled cDNA is mixed with a hybridization solution and left in boiling water to separate DNA double strands, applied to a DNA microarray chip, and then reacted at an appropriate temperature (40 to 70 ° C.) for 8 to 20 hours. . It is then washed several times, dried and the fluorescence is detected with a fluorescence scanner. The step of comparing the fluorescence intensity of step VII may be performed with conventional analysis software of a computer connected to the fluorescence scanner.
본 발명자들은 독소루비신 생합성에 관련된 유전자 중 경로 특이적 조절유전 자(dnrI) 또는 전구체 전환에 관여하는 특정 생합성 경로유전자(doxA)를 ermE * 프로모터와 연결하여 제조한 pESK404 또는 pESK403 발현벡터로 방선균을 형질전환시켜 독소루비신 고생산성 균주를 제조하였은데, 상기 형질전환된 독소루비신 고생산성 균주는 대조군에 비하여 독소루비신의 생산성이 최대 5.5배까지 향상되었다(도 6 참조). 상기 형질전환된 방선균 균주는 독소루비신의 고효율 생산에 직접적으로 사용될 수 있고, 독소루비신 생합성에 관련된 유전자군의 발현양상을 분석하는데 유용하게 사용될 수 있다.The present inventors have found that a specific biosynthetic pathway gene (doxA) which is involved in the path specific regulatory gene (dnrI) or conversion of the precursor gene involved in doxorubicin biosynthesis ermE * Actinomycetes were transformed with a pESK404 or pESK403 expression vector prepared by linking a promoter to prepare a high productivity strain of doxorubicin. The transformed doxorubicin high productivity strain had a productivity of up to 5.5 times higher than that of the control group (FIG. 6). The transformed actinomycetes strain can be used directly for high efficiency production of doxorubicin, and can be usefully used for analyzing the expression patterns of gene groups related to doxorubicin biosynthesis.
또한 본 발명자들은 종래에 독소루비신 생합성에 관련하는 것으로 알려진 유전자인 dnmZ, dnrD, dnmJ, dnmL, dnrN, dpsG, dpsH, dnrE, drrB, dpsY, drrA, drrD, dpsF, dpsD, dnrI, doxA, dnrM, dnrO, dnrF, dnmT, dnmV, dnrG, dpsA, dpsB, dnrV, dpsE, dnrH, dnrK, dnrP, dnmS, dpsC, dnrX, dnmU, dnrC 및 drrC와 대조균 유전자를 PCR로 증폭하여 폴리-L-라이신이 코팅된 유리기판에 점적함으로써 독소루비신 생합성 관련 유전자의 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩를 제조하였으며, 상기 독소루비신 고생산성 균주를 접종한 뒤 독소루비신이 생산되기 전인 24시간 후(T0), 독소루비신이 생산되는 시점인 48시간 후(T1) 및 80시간 후(T2)에 상기 균주로부터 각각 총RNA를 추출하여, T0시점에서 추출한 총RNA는 Cy-5로, T1 및 T2 시점에서 추출한 총RNA는 Cy-3로 표지하여 cDNA를 제조한 다음, 상기 DNA 마이크로어레이칩에 상기 시점을 달리하여 제조한 형광표지 cDNA를 경쟁적으로 혼성화시키 고, 세척 후 각각의 형광물질에서 발산되는 형광의 강도를 비교 분석하였다. 그 결과, 평균이상으로 유전자 발현이 증가되는 유전자군과 유전자발현 정도가 변함이 없는 유전자군을 선별할 수 있었다(표 2 참조). 특히, 유전자 발현 정도가 변함이 없는 유전자인 dnmL의 경우 독소루비신인 디옥시당 부분인 TDP-다우노사민(TDP-daunosamine)을 합성하는데 관여하는 포도당-1인산 티미딜릴트랜스퍼라제(glucose-1-phosphate thymidylyltrasferase)를 코딩하는 유전자로서 프로모터 부위에 dnrI 결합부위가 존재하는 것으로 알려져 있으나, 실제 dnrI이 과발현되는 균주에서 그 발현의 변화가 없음을 확인할 수 있었다(도 7c및 8c 참조). 이는 상기 유전자를 포함하는 독립적인 발현 카세트를 제조하여 dnrI 유전자와 동시에 형질전환시킬 경우, 독소루비신 생산성에 있어서, 상승효과를 나타낼 수 있음을 시사한다.In addition, the inventors of the present invention are dnmZ , dnrD , dnmJ , dnmL , dnrN , dpsG , dpsH , dnrE , drrB , dpsY , drrA , drrD , dpsF , dpsD , dnrI , doxA , dnrM , dnrO , which are genes known to be related to doxorubicin biosynthesis. poly-L-lysine coated by PCR amplifying dnrF , dnmT , dnmV , dnrG , dpsA , dpsB , dnrV , dpsE , dnrH , dnrK , dnrP , dnmS , dpsC , dnrX, dnmU, dnrC and drrC A DNA microarray chip for analyzing the expression pattern of doxorubicin biosynthesis related genes was prepared by dropping onto a glass substrate. After inoculation of the high productivity strain of doxorubicin, 24 hours after the production of doxorubicin (T 0 ), it is a time point at which doxorubicin is produced. After 48 hours (T 1 ) and 80 hours (T 2 ), the total RNA was extracted from the strain, respectively, and the total RNA extracted at the time point T 0 was Cy-5, and the total RNA extracted at the time point T 1 and T 2 was CDNA was prepared by labeling with Cy-3, and then the DNA. And to the micro array chip competitive hybridization with a fluorescently labeled cDNA produced by varying the time point, after washing were compared with the fluorescence intensity emitted from each fluorophore. As a result, it was possible to select a group of genes whose gene expression is increased above the mean and a group of genes whose gene expression level did not change (see Table 2). In particular, in the case of dnmL , which is a gene whose gene expression does not change, glucose-1-phosphate thymidylyltransferase (glucose-1-phosphate) involved in synthesizing TDP-daunosamine, a deoxysaccharide portion of doxorubicin, thymidylyltrasferase) is a gene encoding a dnrI binding site is known to exist in the promoter region, it was confirmed that there is no change in its expression in the strain overexpressing the actual dnrI (see FIGS. 7c and 8c). This suggests that when an independent expression cassette containing the gene is produced and transformed simultaneously with the dnrI gene, synergistic effects may be exhibited on doxorubicin productivity.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자를 포함하는 DNA 마이크로어레이칩 및 이를 이용한 유전자 발현양상 분석방법은 독소루비신의 생합성에 관련된 유전자들의 발현양상을 보다 체계적으로 분석할 수 있게 해주고, 이들 유전자간의 작용관계를 파악하는데 유용하게 사용할 수 있으며, 더 나아가, 독소루비신의 고효율 생산을 위한 전략 수립에 유용하게 사용될 수 있다. As described above, the DNA microarray chip including the doxorubicin biosynthesis-related genes of the present invention and the gene expression pattern analysis method using the same allow more systematic analysis of the expression patterns of genes related to the biosynthesis of doxorubicin, and these genes. It can be usefully used to determine the functional relationship between the liver, and furthermore, it can be useful in establishing a strategy for high efficiency production of doxorubicin.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.
<실시예 1><Example 1> 독소루비신 고생산성 균주의 제조Preparation of Doxorubicin High Productivity Strains
독소루비신 생합성과정을 특이적으로 조절하는 dnrI 유전자의 도입으로 인해 독소루비신 생산성이 증가되었다는 사실은 이미 보고되었다(Park, H.-S. et al., J. Microbiol. Biotechnol., In press, Stutzman-Engwall, K. J. et al., J. Bacteriol., 174: 144-154, 1992). 그러나, 이러한 보고는 단순히 dnrI 유전자를 다중카피(multicopy) 형태로 도입하여 얻은 결과이기 때문에, 본 발명자들은 ermE * 프로모터를 포함하는 방선균용 발현 벡터인 pSE34(Pfizer Inc, USA)에 dnrI 유전자를 클로닝하여 도입함으로서 세포내에서 안정적이고 효율적으로 dnrI가 발현될 수 있도록 유도하고자 하였다. 또한, 독소루비신의 전구체로부터 독소루비신으로의 생전환에 관여하는 doxA 유전자도 pSE34에 클로닝하여 도입함으로서 다나루비신에서 독소루비신으로의 생전환 효율을 높이고자 하였다(Lomovskaya, N. et al., J. Bacteriol., 181: 305-318, 1999). The introduction of the dnrI gene, which specifically regulates the doxorubicin biosynthesis process, has already been reported to increase doxorubicin productivity (Park, H.-S. et al., J. Microbiol. Biotechnol., In press, Stutzman-Engwall , KJ et al., J. Bacteriol., 174: 144-154, 1992). However, since this report is simply the result obtained by introducing the dnrI gene in a multicopy form, the inventors have found that ermE * By cloning and introducing the dnrI gene into pSE34 (Pfizer Inc, USA), an actinomycete expression vector containing a promoter, it was intended to induce dnrI expression in cells stably and efficiently. In addition, the doxA gene, which is involved in the bioconversion of doxorubicin from the precursor of doxorubicin, was also cloned into pSE34 to enhance the bioconversion efficiency of danarubicin to doxorubicin (Lomovskaya, N. et al., J. Bacteriol. , 181: 305-318, 1999).
이를 위하여, 경로 특이적 조절유전자(dnrI) 및 전구체 전환 생합성 유전자(doxA)를 하기의 방법으로 S. peucetius ATCC29050 균주로부터 클로닝하였다: To this end, pathway specific regulatory genes ( dnrI ) and precursor converting biosynthetic genes ( doxA ) were cloned from the S. peucetius ATCC29050 strain in the following manner:
먼저, R2YE배지에 S. peucetius ATCC29050 균주를 5일간 배양하여 Hopwood 등의 방법으로 게놈 DNA를 분리하였다(Hopwood, D. A. et al., Genetic Manipulation of Streptomyces, A Laboratory Manual, Norwich, UK, John Innes Foundation, 1985). 상기 게놈 DNA로부터 doxA와 dnrI를 각각 중합효소 연쇄반응 (polymerase chain reaction, PCR)으로 증폭하기 위한 프라이머로 doxA에 대하여는 5'-GGATCCGGTCGAACTGCGGGAGGGGT-3'(정방향 프라이머 doxA-1, 서열번호 1) 및 5'-AAGCTTGCGGATCAGCGCAGCCAGAC-3'(역방향 프라이머 doxA-2, 서열번호 2)를 사용하였고, dnrI에 대하여는 5'-GGATCCGGAAATATGCCACCTGCTGA-3'(정방향 프라이머 dnrI-1, 서열번호 3) 및 5'-AAGCTTGTGGACACGTGACTCCTTGT-3'(역방향 프라이머 dnrI-2, 서열번호 4)를 사용하였다. 중합효소 연쇄반응은 Rapid ThermocyclerTM(Idaho Technology, USA)를 이용하여 96℃에서 30초간 분리, 40℃에서 30초간 서냉 및 68℃에서 35초간의 신장의 조건으로 30회 반복하였다(Kim, E.-S. et al., J. Bacteriol., 177: 1202-1207, 1995). 상기 반응으로 증폭된 PCR 산물을 pGEM T-easy(Promega, USA) 벡터에 클로닝한 다음, E. coli DH5α에 형질전환시켰다. 상기 형질전환된 E. coli DH5α로부터 플라스미드 DNA를 분리하여, 상기 pGEM T-easy 벡터의 다중클로닝 부위에 존재하는 BamH I과 Hind III로 절단하여 dnrI 및 doxA 유전자 절편을 추출한 다음, 이를 각각 pSE34(Pfizer Inc, USA)로 다시 삽입하였다(도 2). 상기와 같이 제조된 플라스미드 벡터를 각각 pESK403 및 pESK404로 명명하였으며, 이를 S. lividans TK21 균주에 프로토플라스트를 통한 PEG 형질전환방법으로 형질전환시켰다(Kim, E.-S. et al., J. Bacteriol., 177: 1202-1207, 1995). 형질전환된 균주는 티오스트렙톤(thiostrepton) 0.5 ㎎/㎖을 사용하여 선별하였다. 한편, 독소루비신의 고생산성 균주를 제조하기 위하여, 상기 형질전환된 S. lividans TK21 균주로부터 각각 분리된 pESK403 및 pESK404로 독소루비신을 생산하지 않는 야생형 균주인 S. peucetius ATCC27952 균주를 형질전환시켰으며, 이를 각각 S. peucetius/pESK403 및 S. peucetius/pESK404로 명명하였다. 상기 균주는 20% 글리세롤(glycerol)이 포함된 스톡(stock)으로 -20℃에 보관되었고, 이 스톡(stock)을 25㎖의 NDYE 배지(4.5% maltose, 0.5% yeast extract, 0.48% HEPES, 0.43 NaNO3, 0.023% K2HPO4, 0.012% MgSO4, 0.2% 10X trace element solution pH7.4)에 접종하여 30℃, 200rpm으로 배양하여 이후 분석에 사용하였다. First, the S. peucetius ATCC29050 strain was incubated in R2YE medium for 5 days to isolate genomic DNA by Hopwood et al. (Hopwood, DA et al., Genetic Manipulation of Streptomyces , A Laboratory Manual, Norwich, UK, John Innes Foundation, 1985). 5'-GGATCCGGTCGAACTGCGGGAGGGG-3-3 '(forward primer doxA- 1, SEQ ID NO: 1) and 5' for doxA as a primer for amplifying doxA and dnrI from the genomic DNA, respectively, by polymerase chain reaction (PCR). -AAGCTTGCGGATCAGCGCAGCCAGAC-3 '(reverse primer doxA -2, SEQ ID NO: 2) was used, with respect to dnrI 5'-GGATCCGGAAATATGCCACCTGCTGA-3' (forward primer dnrI -1, SEQ ID NO: 3) and 5'-AAGCTTGTGGACACGTGACTCCTTGT-3 '( Reverse primer dnrI- 2, SEQ ID NO: 4) was used. Polymerase chain reaction was repeated 30 times using Rapid Thermocycler ™ (Idaho Technology, USA) for 30 seconds at 96 ° C., slow cooling at 40 ° C. for 30 seconds, and elongation at 35 ° C. at 68 ° C. (Kim, E. -S. et al., J. Bacteriol ., 177: 1202-1207, 1995). The PCR product amplified by the reaction was cloned into pGEM T-easy (Promega, USA) vector, and then transformed into E. coli DH5α. Plasmid DNA was isolated from the transformed E. coli DH5α, digested with Bam H I and Hin d III present in the multicloning site of the pGEM T-easy vector to extract dnrI and doxA gene segments, and then, respectively, pSE34 ( Pfizer Inc, USA) (Figure 2). The plasmid vectors prepared as described above were named as pESK403 and pESK404, respectively, and were transformed into S. lividans TK21 strain by PEG transformation method through protoplasm (Kim, E.-S. et al., J. Bacteriol ., 177: 1202-1207, 1995). Transformed strains were selected using 0.5 mg / ml thiostrepton. On the other hand, in order to prepare a highly productive strain of doxorubicin, strains of S. peucetius ATCC27952, which do not produce doxorubicin, were transformed with pESK403 and pESK404, respectively, isolated from the transformed S. lividans TK21 strains. It was named S. peucetius / pESK403 and S. peucetius / pESK404. The strain was stored at −20 ° C. as a stock containing 20% glycerol, and the stock was stored in 25 ml of NDYE medium (4.5% maltose, 0.5% yeast extract, 0.48% HEPES, 0.43). NaNO 3 , 0.023% K 2 HPO 4 , 0.012% MgSO 4 , 0.2% 10X trace element solution pH7.4) and incubated at 30 ℃, 200rpm was used for subsequent analysis.
<실시예 2> 배양시간에 따른 독소루비신 고생산성 균주의 독소루비신 생산정도 정량분석Example 2 Quantitative Analysis of Doxorubicin Production of Doxorubicin High Productive Strains According to Culture Time
S. peucetius ATCC27952 및 상기 실시예 1에서 제조한 고생산성 균주(S. peucetius/pESK403 및 S. peucetius/pESK404)가 생산하는 독소루비신을 하기와 같은 방법으로 C-18 역상 (250×4.6 mm) 컬럼(Waters, Ireland)을 사용하여 고성능 액상 크로마토그래피(high-performance liquid chromatography, HPLC)로 정량분석하였다: 먼저, 배양액의 일정량을 취하여 1 배 부피의 추출액 (Iso-propyl alcohol : 30% HCl = 50 : 1)을 섞고 30분 교반한 후 15000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 여과함으로써 추출액을 제조하였다. 이어, HPLC 분석을 위한 이동상으로는 아세토니트릴: 증류수(1 : 1 v/v) 혼합액에 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate) 1.327 g/ℓ와 인산용액(phosphoric acid) 0.68 ㎖/ℓ를 혼합하여 사용하였고, 유속은 1 ㎖/min, 컬럼 온도는 상온으로 유지하여 UV 검출기로 254 nm 파장에서 독소루비신의 생산량을 정량분석하였다(도 3a 및 3b). S. peucetiusATCC27952 and the high productivity strains prepared in Example 1S. peucetius/ pESK403 andS. peucetiusDoxorubicin produced by / pESK404) was quantified by high-performance liquid chromatography (HPLC) using a C-18 reversed phase (250 x 4.6 mm) column (Waters, Ireland) in the following manner: First, a predetermined amount of the culture solution was taken, a 1-volume extract (Iso-propyl alcohol: 30% HCl = 50: 1) was mixed, stirred for 30 minutes, and centrifuged at 15000 rpm for 10 minutes to prepare an extract. Subsequently, as a mobile phase for HPLC analysis, 1.327 g / l of sodium dodecyl sulfate and 0.68 ml / l of phosphoric acid were mixed in an acetonitrile: distilled water (1: 1 v / v) mixture. The flow rate was 1 ml / min and the column temperature was maintained at room temperature to quantify the production of doxorubicin at a wavelength of 254 nm with a UV detector (FIGS. 3A and 3B).
도 3a는 pSE34로 형질전환된 S. peucetius/pSE34(-◆-), pESK403으로 형질전환된 S. peucetius/pESK403(-■-) 및 pESK404로 형질전환된 S. peucetius/pESK404(-▲-)에서의 배양시간에 따른 독소루비신의 생산정도를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 pSE34로 형질전환된 S. peucetius/pSE34(-▤-), pESK403으로 형질전환된 S. peucetius/pESK403(-▥-) 및 pESK404로 형질전환된 S. peucetius/pESK404(-▨-)에서의 배양시간에 따른 다나루비신의 생산정도를 나타내는 그래프이다.Figure 3a is S. peucetius / pSE34 transformed with pSE34 (- ◆ -), the S. peucetius / pESK403 transformed with pESK403 (- ■ -) and transformed S. peucetius / pESK404 to pESK404 (- ▲ -) Figure 3b is a graph showing the degree of production of doxorubicin according to the incubation time in, S. peucetius / pSE34 (-▤-) transformed with pSE34, S. peucetius / pESK403 (-▥-) transformed with pESK403 and It is a graph showing the production level of danarubicin according to the incubation time in S. peucetius / pESK404 (-▨-) transformed with pESK404.
도 3a 및 3b에서 보는 바와 같이, 경로 특이적 조절유전자인 dnrI가 도입된 S. peucetius/pESK404의 경우 대조군으로 벡터만 포함된 S. peucetius/pSE34에 비해 약 5.5배의 생산성 증가가 이루어진 것으로 확인되었고, 전구체 전환 생합성 유전자인 doxA가 도입된 S. peucetius/pESK403의 경우 대조군에 비해 약 2.5배의 독소루비신 생산성 증가가 이루어진 것으로 확인되었다. 독소루비신의 전구체인 다나루비신의 생산성을 측정한 결과, S. peucetius/pESK403의 경우 3일째 까지 미량의 다나루비신이 생산되는 것으로 확인되었고, 이러한 결과는 세포내에서 생합성 된 다나루비신 중 대부분이 DoxA에 의해 독소루비신으로 생전환된 것으로 추측된다. 반면 S. peucetius/pESK404에서의 다나루비신은 3일째까지 높은 농도로 생산되는 것으로 확인되었으며, 이러한 결과는 DnrI에 의해 세포성장 후반까지 독소루비신 생합성과정이 지속됨을 시사한다. 그러나, S. peucetius/pESK403의 경우와는 달리 S. peucetius/pESK404에서의 다나루비신 생산성이 지속되는 이유는 세포내 DoxA의 발현양이 극히 적기 때문에 대부분의 다나루비신이 독소루비신으로 생전환 되지 못하고 남아있는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 조절유전자의 도입이나 생합성 과정의 대사 흐름(metabolic flux)를 원활하게 만들어줌으로서 유용 생리활성 물질의 생산성을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시하고 있다.As shown in FIGS. 3A and 3B, the S. peucetius / pESK404 to which the pathway-specific regulatory gene dnrI was introduced was found to have a productivity increase of about 5.5 times compared to S. peucetius / pSE34 containing only a vector as a control. In the case of S. peucetius / pESK403 in which doxA , a precursor conversion biosynthesis gene, was introduced, the productivity of doxorubicin was increased by about 2.5 times compared to the control group. As a result of measuring the productivity of dolanrubicin, a precursor of doxorubicin, it was confirmed that trace amounts of danarurubicin are produced by S. peucetius / pESK403 until the 3rd day. Is believed to have been bioconverted to doxorubicin. On the other hand, Danarubicin in S. peucetius / pESK404 was found to be produced at high concentrations until
<실시예 3> 독소루비신 생합성 유전자군 PCR 증폭 및 DNA 마이크로어레이칩 제작<Example 3> doxorubicin biosynthesis gene group PCR amplification and DNA microarray chip production
DNA 마이크로어레이(microarray)칩 제작을 위한 독소루비신 생합성 유전자 염기서열은 미국 국립 생명공학 정보센터(National Center for Biotechnoloy Information, NCBI)의 엔트레즈 핵산 데이터베이스(Entrez Nucleotides Database)에서 확보하였고, PCR 증폭을 위한 프라이머는 각 유전자들의 모든 ORF를 포함하도록 제작되었다(표 1). 각 유전자들을 증폭하기 위한 PCR 조건은, No. 1: 96℃에서 30초간 분리, 40℃에서 30초간 서냉, 68℃에서 35초간 신장; No. 2: 96℃에서 30초간 분리, 55℃에서 30초간 서냉, 68℃에서 35초간 신장; No. 3: 96℃에서 30초간 분리, 50℃에서 30초간 서냉, 68℃에서 60초간 신장의 세 가지이고, 세 조건 모두 30 회 반복하여 반응시켰다. 각 유전자들의 프라이머 염기서열과 PCR 조건은 표 1로 정리하였다(*는 상업적으로 판매되는 상품을 구입하였다(Stratagene, USA)). 한편, DNA 칩에는 35개의 독소루비신 생합성 유전자와 세 개의 양성 대조군을 포함하였다. 양성 대조군으로는 식물 유래의 유전자 두 종류와 S. peucetius의 16S rDNA를 사용하였다. PCR을 통해 증폭된 각각의 유전자 산물은 pGEM T-easy(Promega, USA) 벡터에 클로닝 시킨 후 시퀀싱을 통하여 DNA의 염기서열을 확 인하였다. 시퀀싱을 통한 염기서열 확인 중 dnrU, dumQ 두 유전자는 다른 유전자로 밝혀져 DNA 마이크로어레이 칩 제작 과정에서 제외하였다. pGEM T-easy 벡터에 클로닝된 각 유전자들은 벡터 내에 포함된 보편적 프라이머(universal primer)를 사용하여 각각 다시 PCR로 증폭시켰고, DNA 마이크로어레이칩 제작을 위한 시료로 사용하였다. DNA 마이크로어레이칩은 폴리-L-라이신(poly-L-lysine)이 코팅된 슬라이드 글래스를 사용하였고, 유전자의 점적에는 Pixsys 5500TM(Cartesian Technologies Inc., USA)를 사용하였으며, DNA 마이크로어레이칩의 스캐닝에는 Genepix Personal 4100ATM(Axon Instruments Inc., USA)를 사용하였다. Doxorubicin biosynthetic gene sequences for DNA microarray chip fabrication were obtained from the Entrez Nucleotides Database at the National Center for Biotechnoloy Information (NCBI), and primers for PCR amplification. Was constructed to include all ORFs of each gene (Table 1). PCR conditions for amplifying each gene, No. 1: separation for 30 seconds at 96 ° C, slow cooling for 30 seconds at 40 ° C, elongation for 35 seconds at 68 ° C; No. 2: separation at 96 ° C. for 30 seconds, slow cooling at 55 ° C. for 30 seconds, elongation at 68 ° C. for 35 seconds; No. 3: three seconds of separation at 96 ° C for 30 seconds, slow cooling at 50 ° C for 30 seconds, and elongation at 68 ° C for 60 seconds. Primer sequences and PCR conditions for each gene are summarized in Table 1 (* purchased commercially available products (Stratagene, USA)). Meanwhile, the DNA chip contained 35 doxorubicin biosynthesis genes and three positive controls. Two positive genes from plants and 16S rDNA from S. peucetius were used as positive controls. Each gene product amplified by PCR was cloned into a pGEM T-easy (Promega, USA) vector and sequenced to confirm the DNA sequence. Two genes, dnrU and dumQ, were identified as different genes during sequencing and were excluded from the DNA microarray chip fabrication process. Each gene cloned into the pGEM T-easy vector was amplified by PCR using a universal primer included in the vector and used as a sample for DNA microarray chip fabrication. The DNA microarray chip was a slide glass coated with poly-L-lysine, and Pixsys 5500 TM (Cartesian Technologies Inc., USA) was used for the drip of the gene. Genepix Personal 4100A ™ (Axon Instruments Inc., USA) was used for scanning.
<실시예 4> DNA microarray 시스템을 이용한 유전자 발현패턴 분석Example 4 Gene Expression Pattern Analysis Using DNA Microarray System
상기 실시예 1에서 제조한 독소루비신 고생산성 균주를 배양하고, 특정 배양시간에 따라 총RNA를 총RNA 분리 키트(RNeasyTM Mini Kit, QIAGEN, Germany)을 사용하여 추출한 다음, cDNA합성을 위한 주형로 사용하였다. 독소루비신이 생산되기 이전인 접종 후 24시간 후를 T0 시점으로 정하고, 이때 추출한 총RNA를 형광물질인 Cy-3로 표지하여 cDNA를 제조하였다. 그 이후의 시점은 독소루비신 생산이 시작되는 시점인 접종 후 48시간 후를 T1 시점, 독소루비신 생산성이 최대인 접종 후 80 시간후를 T2 시점으로 정하였고, T1 및 T2 시점에 추출한 총RNA는 각각 Cy-5로 표지하여 cDNA를 제조하였다(도 5). The high productivity strain of doxorubicin prepared in Example 1 was cultured, and total RNA was extracted using a total RNA separation kit (RNeasy TM Mini Kit, QIAGEN, Germany) according to a specific incubation time, and then used as a template for cDNA synthesis. . 24 hours after the inoculation before doxorubicin was produced as the T 0 time point, cDNA was prepared by labeling the extracted total RNA with a fluorescent substance Cy-3. That point subsequent were positive for the 48 hours after inoculation of the time the doxorubicin production starting T 1 time, doxorubicin productivity up to the inoculation After 80 hours of the T 2 the time, T 1 and T 2 total extracted at the time of RNA Were each labeled with Cy-5 to prepare cDNA (FIG. 5).
도 5는 액상 NDYE 배지에서의 S. peucetius/pESK403 및 S. peucetius/pESK404의 성장률을 나타내는 그래프이다. 이때, T0-T2는 총RNA 분리를 위한 배양액의 수확시기를 나타낸다. 5 is a graph showing the growth rate of S. peucetius / pESK403 and S. peucetius / pESK404 in liquid NDYE medium. At this time, T 0 -T 2 represents the harvest time of the culture for total RNA separation.
상기와 같이 표지된 T0 시점의 cDNA와 T1 또는 T2 시점의 cDNA를 각각 1:1로 혼합하여, 경쟁적으로 DNA 칩 상에서 하기와 같은 방법으로 혼성화 시켰다: 먼저, cDNA 합성을 위하여 사용된 총RNA는 각각 15 ㎍이며, 역전사 반응을 위한 프라이머로는 70% GC-함량을 가진 무작위적 헥사머를 사용하였다. 형광 표지를 위하여, 우선 총RNA를 70℃에서 10분간 처리하여 분리시킨 후 바로 얼음에 보관하고 상기 무작위적 프라이머 및 반응 용액[5X first stand buffer, 0.1M DTT, dNTP(4mM dATP, 4mM dTTP, 10mM dGTP, 0.5mM dCTP), Cy-3 (또는 Cy-5)-dCTP(PerkinElmer, USA) 및 역전사 효소(SuperScript II, Invitrogen, USA)]를 혼합하였다. 그런 다음, 42℃에서 2시간 동안 반응시켜 cDNA를 합성하고, 종결 용액(stop solution)을 첨가한 다음, 65℃에서 10분간 정치시켰다. 여기에 3 M 소디움-아세테이트(pH 5.2)와 100% 에탄올을 첨가하고 -20℃ 냉동고에서 30 분동안 침전시킨 다음 원심분리과정을 통해 cDNA를 분리하였다. 혼성화는 상기 표지된 cDNA와 혼성화 용액을 혼합한 후 65℃에서 10분간 정치시키고, 각각 Cy-3와 Cy-5로 표지된 cDNA를 1:1로 섞은 다음, 끓는 물에서 2분간 방치하고 바로 45℃에서 20분간 정치시켰다. DNA 칩상에서 유전자가 점적된 부분에 준비된 cDNA 시료를 적재하고 커버글래스를 덮은 다음 65℃에서 12 내지 16시간 정도 혼성화시켰다(Huang, J. et al., Genes Dev., 15: 3183-3192, 2001). 상기 혼성화된 DNA 칩을 세척하기 위하여, 0.1% SDS가 포함된 2X SSC 완충액 50 ㎖에 담근 후, 2분간 흔들어주고, 바로 1X SSC 완충액 50 ㎖로 옮겨 3분간 흔들어 주었다. 마지막으로 0.2X SSC 완충액으로 옮긴 후, 다시 2분간 흔들어주고 세척 용액을 버린 다음, 원심분리를 통해서 혼성화된 DNA 칩에서 세척 용액 성분을 제거하였다. 세척이 끝난 DNA을 건조한 다음, DNA 칩 스캐너(Genepix Personal 4100A, Axon Instruments Inc., USA)를 사용하여 형광신호를 검출하였다(도 4). The labeled cDNA at the T 0 time point and the cDNA at the T 1 or T 2 time point were mixed in a 1: 1 manner and hybridized on the DNA chip in the following manner: First, the total used for cDNA synthesis. RNA was 15 μg each and a random hexamer with 70% GC-content was used as a primer for reverse transcription. For fluorescent labeling, total RNA was first separated by treatment for 10 minutes at 70 ° C., and then immediately stored on ice, and the random primer and reaction solution [5X first stand buffer, 0.1M DTT, dNTP (4mM dATP, 4mM dTTP, 10mM). dGTP, 0.5 mM dCTP), Cy-3 (or Cy-5) -dCTP (PerkinElmer, USA) and reverse transcriptase (SuperScript II, Invitrogen, USA)]. Then, cDNA was synthesized by reacting at 42 ° C. for 2 hours, a stop solution was added, and then left at 65 ° C. for 10 minutes. 3 M sodium-acetate (pH 5.2) and 100% ethanol were added thereto, precipitated in a -20 ° C. freezer for 30 minutes, and cDNA was isolated by centrifugation. Hybridization was performed by mixing the labeled cDNA and the hybridization solution, and then allowed to stand at 65 ° C. for 10 minutes, mixing the cDNA labeled with Cy-3 and Cy-5, respectively, 1: 1, then leaving it in boiling water for 2 minutes and immediately 45 It was left to stand at 20 degreeC for 20 minutes. The cDNA sample was loaded on the DNA chip onto the DNA dripping portion, covered with cover glass, and hybridized at 65 ° C. for about 12 to 16 hours (Huang, J. et al., Genes Dev., 15: 3183-3192, 2001). ). To wash the hybridized DNA chip, it was soaked in 50 ml of 2X SSC buffer containing 0.1% SDS, shaken for 2 minutes, immediately transferred to 50 ml of 1X SSC buffer, and shaken for 3 minutes. Finally, after transferring to 0.2X SSC buffer, shake again for 2 minutes, discard the wash solution, and centrifuged to remove the wash solution components from the hybridized DNA chip. After washing the dried DNA, the fluorescent signal was detected using a DNA chip scanner (Genepix Personal 4100A, Axon Instruments Inc., USA) (Fig. 4).
도 4는 독소루비신 생합성 관련 유전자가 점적된 DNA 마이크로어레이칩에 관한 사진이다. 이 때, A는 Cyto-61이 표지된 DNA 마이크로어레이칩을 나타내고, B는 S. peucetius/pESK404의 T0 대 T2의 유전자 발현양상을 비교한 DNA 마이크로어레이칩을 나타낸다.4 is a photograph of a DNA microarray chip in which doxorubicin biosynthesis related genes have been deposited. At this time, A represents a Cyto-61-labeled DNA microarray chip, and B represents a DNA microarray chip comparing gene expression patterns of T 0 to T 2 of S. peucetius / pESK404.
결과 분석은 스캐닝을 통해 분석된 각 점의 형광 강도의 값을 기준으로 전체 유전자의 발현 패턴을 순위적 클러스터링(hierachical clustering)을 통해 그룹화하여 분석하였다(표 2 및 도 6 내지 8).Results analysis was analyzed by grouping the expression patterns of the entire genes by means of hierachical clustering based on the value of the fluorescence intensity of each point analyzed through scanning (Table 2 and FIGS. 6 to 8).
표 2에서 볼 수 있듯이, DNA 마이크로어레이칩를 통하여 분석한 결과, S. peucetius/pESK403과 S. peucetius/ pESK404 두 균주 모두 독소루비신 생산성의 증가에 따라 독소루비신 생합성 유전자군의 발현패턴이 유사하게 증가하는 양상을 보였다. 그러나, 일부 점들에서는 공통적으로 신호가 관찰되지 않았는데(상기 표에서 F*로 나타낸 부분: Flagging), 이는 상기 유전자들의 발현이 극히 낮은 수준으로 이루어졌거나, 유전자의 발현은 이루어졌지만 cDNA합성에 사용된 무작위적 헥사머가 모든 생합성 관련 유전자의 cDNA를 합성하는데 적합하지 못했던 것으로 추측된다. 과발현을 유도한 S. peucetius/pESK403의 doxA 유전자나 S. peucetius/pESK404의 dnrI 유전자 모두 다른 독소루비신 생합성 유전자들보다 높은 수준으로 발현되었다. 이는 pSE34의 ermE * 프로모터에 의해 세포성장 초기부터 안정적으로 유전자의 발현이 이루어지고 있음을 입증하고 있다(도 6a 및 6b). As shown in Table 2, as a result of analysis using a DNA microarray chip, both strains of S. peucetius / pESK403 and S. peucetius / pESK404 showed a similar pattern of expression pattern of the doxorubicin biosynthetic gene group as doxorubicin productivity increased. Seemed. However, at some points no signal was commonly observed (indicated by F * in the table: Flagging), which was either at extremely low levels of expression of the genes or randomly used for cDNA synthesis, even though the expression of the genes occurred. It is speculated that enemy hexamers were not suitable for synthesizing cDNAs of all biosynthetic related genes. Both doxA gene of S. peucetius / pESK403 and dnrI gene of S. peucetius / pESK404 induced higher expression than those of other doxorubicin biosynthetic genes. This is the ermE * of pSE34 Promoting the gene expression from the early growth of the cell by the promoter has been demonstrated (Fig. 6a and 6b).
또, S. peucetius/pESK403의 독소루비신 관련 유전자군의 발현패턴은 전반적으로 독소루비신 생합성 유전자의 발현뿐만 아니라 내성유전자의 발현 역시도 두드러지게 증가하였으며(도 7b), 상기 경향은 S. peucetius/pESK404의 경우에서도 유사하게 나타났다(도 8b). 따라서, 본 연구 결과는, 내성유전자의 과 발현을 유도함으로서 독소루비신 생산성 증가를 이끌어 낼 수 있다는 가능성을 제시해 주고 있다(Dairi, T. et al., Biosci. Biotechnol. Biochem. 59(10): 1835-1841, 1995). In addition,S. peucetiusThe expression pattern of the doxorubicin-related gene group of / pESK403 significantly increased the expression of the resistance gene as well as the expression of the doxorubicin biosynthetic gene as a whole (Fig. 7b).S. peucetiusSimilar results were found for / pESK404 (FIG. 8B). Therefore, the present results suggest the possibility of inducing an overexpression of the resistance gene, leading to an increase in doxorubicin productivity (Dairi, T. et al.,Biosci. Biotechnol. Biochem. 59 (10): 1835-1841, 1995).
DnrI에 의해 조절을 받는 독소루비신 생합성 유전자는 drrAB, dnrG-dpsABCD, dpsEF, dnrDKPQS, dnmLM 오페론과 dnrC, drrC 유전자들로 알려져 있다(Otten, S. L. et al., J. Bacteriol., 177: 1216-1224, 1995; Sheldon, P. J. et al., Mol. Microbiol., 44(2): 449-460, 2002). S. peucetius/pESK403의 경우 DnrI에 의해 조절을 받는 유전자들의 발현을 관찰한 결과, 다른 독소루비신 생합성 유전자들과 비슷한 수준으로 발현이 이루어졌다(도 7a). 반면, 비교적 초반부터 dnrI 유전자를 과발현시킨 S. peucetius/pESK404의 경우, DnrI에 의해 조절을 받는 대부분의 유전자들은 다른 생합성 유전자들에 비해 발현 수준이 높게 유지되고 있음을 확인할 수 있었다(도 8a). 그러나, S. peucetius/pESK404의 경우, dnrI 유전자를 과발현시켰음에도 불구하고 독소루비신의 디옥시당 부분인 TDP-다나사민(TDP-daunosamine)을 합성하는데 관여하는 포도당-1인산 티미딜릴트랜스퍼라제인 dnmL 유전자는 다른 DnrI 의존적인 유전자들과 비교하여 그 발현양이 상당히 낮은 수준임을 확인할 수 있었다(도 8c). 상기 결과는 S. peucetius/pESK403의 경우에서도 마찬가지로 확인되었다(도 7c). dnmL의 프로모터 부분의 염기서열을 확인한 결과, 다른 dnrI-의존적 유전자들과 마찬가지로 DnrI-결합 지역이 온전히 보존되어있는 것을 확인할 수 있었다. 상기 결과는 S. peucetius의 독소루비신 생합성 과정에 있어 dnmL의 발현을 극대화함으로써 TDP-다우노사민의 공급을 원활하게 만들어준다면 결과적으로 독소루비신 생산성의 증가를 유도할 수 있는 가능성을 시사하고 있다.Doxorubicin biosynthesis genes regulated by DnrI are known as drrAB, dnrG-dpsABCD, dpsEF, dnrDKPQS, dnmLM operon and dnrC, drrC genes (Otten, SL et al., J. Bacteriol., 177: 1216-1224, 1995; Sheldon, PJ et al., Mol. Microbiol ., 44 (2): 449-460, 2002). In the case of S. peucetius / pESK403, the expression of genes regulated by DnrI was observed, and the expression was similar to that of other doxorubicin biosynthesis genes (FIG. 7A). On the other hand, S. peucetius / pESK404 overexpressing the dnrI gene from the relatively early, it can be seen that most of the genes regulated by DnrI maintain a higher expression level than other biosynthetic genes (Fig. 8a). However, in the case of S. peucetius / pESK404, the dnmL gene, a glucose-1 phosphate thymidylyltransferase involved in synthesizing TDP-daunosamine, the deoxysaccharide portion of doxorubicin, despite overexpressing the dnrI gene Compared to other DnrI dependent genes, it was confirmed that the expression level is significantly low (Fig. 8c). The results were similarly confirmed for S. peucetius / pESK403 (FIG. 7C). As a result of confirming the nucleotide sequence of the promoter portion of dnmL , it was confirmed that the DnrI-binding region was intactly preserved like other dnrI -dependent genes. The results suggest that maximizing the expression of dnmL in S. peucetius biosynthesis process can facilitate the supply of TDP-danosamine , and consequently increase the doxorubicin productivity.
본 발명자들은 상기와 같이 DNA 마이크로어레이칩 시스템을 통한 독소루비신 생합성 유전자 발현패턴 분석결과, 전체 생합성 관련 유전자의 발현을 촉진하는 경로 특이적 유전자인 dnrI 유전자뿐 아니라, DnrI에 조절을 받는 디옥시당 합성 유전자인 dnmL 그리고 독소루비신 내성유전자인 drrA, drrB, drrC의 안정적이고 꾸준한 발현이 독소루비신 생산성 증가를 위한 주요 인자임을 확인할 수 있었다. The present inventors have analyzed the doxorubicin biosynthetic gene expression pattern through the DNA microarray chip system as described above, as well as the dnrI gene, which is a path-specific gene that promotes the expression of all biosynthetic genes, as well as the deoxysaccharide synthesis gene regulated by DnrI It was confirmed that stable and steady expression of dnmL and doxorubicin resistance genes drrA, drrB, and drrC are major factors for increasing doxorubicin productivity.
본 발명은 독소루비신 대량생산을 위한 재조합 벡터, 상기 재조합 벡터로 형질전환된 형질전환 방선균, 독소루비신 생합성 관련 유전자가 포함된 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 상기 DNA 마이크로 어레이를 이용한 유전자 분석방법에 관한 것이다. 상기에서 주장하고 입증한 바와 같이, 본 발명의 재조합 벡터 및 상기 재조합 벡터로 형질전환된 형질전환체는 독소루비신의 대량생산이 가능하였다. 또한, 본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 이를 이용한 유전자 분석방법을 통하여, 독소루비신 대량생산을 위한 유전자를 선별할 수 있었다. 본 발명의 독소루비신 생합성 관련 유전자 발현양상 분석용 DNA 마이크로어레이칩 및 이를 이용한 유전자 분석방법은 보다 효율적인 독소루비신 생산에 널리 활용될 수 있을 것이다.The present invention provides a recombinant vector for mass production of doxorubicin, a transformed actinomycetes transformed with the recombinant vector, a DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis including a doxorubicin biosynthesis related gene, and a gene analysis using the DNA microarray. It is about a method. As claimed and demonstrated above, the recombinant vector of the present invention and transformants transformed with the recombinant vector were capable of mass production of doxorubicin. In addition, the gene for mass production of doxorubicin could be selected through the DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis of the present invention and a gene analysis method using the same. The DNA microarray chip for analyzing gene expression patterns related to doxorubicin biosynthesis of the present invention and a gene analysis method using the same may be widely used for more efficient doxorubicin production.
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