酵母のストレス耐性を増加させる遺伝子類の同定方法類、およびそれらの遺伝子類の酵母株改良のための使用
酵母のストレス耐性を高める遺伝子類の同定方法、同定された遺伝子類のリスト、およびエタノール発酵中におけるより優れた生存と挙動のために酵母株類を改良するためのこれらの遺伝子類の使用が開示されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストレス耐性増強のための酵母の改良に関する。さらに詳細には、それは、エタノール産生中における酵母の生存性を高める遺伝子類を同定すること、および酵母株類の性能改良のためのそれらの遺伝子類の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生存性を余り失うことなくエタノール産生を完了できる酵母は、醸造業で非常に望まれている。しかし、醸造業で使用される一般的酵母株類は、発酵中に遭遇する高エタノール濃度により、急激に生存性を消失する。酵母はまた、その他に、エタノールとともに急激に生存性を低下させる高温（特に熱帯地方において）をも、経験する。さまざまな手法が、高エタノールおよび温度耐性（熱耐性）を有する改良された酵母株類を得るために行われた。ひとつの手法は、自然環境から得た酵母単離物について所望の性質を試験することである（非特許文献１）。それらのいくつかは、高エタノールまたは温度耐性を有しているが、それらは、高浸透圧耐性（すなわち、糖および塩のような溶質の高濃度に耐える能力）、より早い発酵速度、および望ましくない副産物がないなどの望ましい性質を全て有しているわけではない。もうひとつの手法は、すでに望ましい性質を数種有している株類で出発して、さらに、それらを突然変異させ発酵中における生存性の優れたものを選択することにより改良することである（例えば、非特許文献１）。この手法の大きな限界とは、前記改良がほとんど、単一遺伝子における突然変異によるものであることである。数種の遺伝子類がストレス耐性を制御しているので、１個を超える遺伝子類を修飾することが、単一遺伝子類の修飾よりもより高い耐性を提供すると予測される。このことは特に、エタノール発酵中におけるストレス耐性について言え、その理由としては、こうした条件下で酵母細胞は、高浸透圧、高エタノール濃度および高温のような１種以上のストレスに遭遇するからである。したがって、これらのストレスに対する耐性を提供する遺伝子類が同定されれば、その際には、それらを理論的に工学的に処理してストレス耐性を増強できる。しかし、従来の酵母遺伝学および分子生物学的手法を用いてこれらの遺伝子類を同定することは、下記の理由から容易ではない。
【０００３】
いかなる過程であれそれに関与する酵母遺伝子類を同定する従来の手法では、最初にその過程で傷害された変異体を同定すること、それらを遺伝子分析により異なる相補性の群類（遺伝子類）に属するものとして分類すること、および最終的に前記遺伝子類を酵母の分子生物学と組換えＤＮＡ手段を用いて同定することとなっている（非特許文献２）。変異体類は、自然変異体類として得られるか、化学的突然変異導入によって導入されるか（非特許文献２）、トランスポゾン挿入変異導入によって導入されるか（非特許文献３）、またはリボザイムライブラリーの導入によってさえも導入することができる（特許文献２）。さらに、望ましい表現型のスクリーニングには、多数の潜在的酵母変異体類を非選択的固体培地表面上にクローン群（コロニー）として維持すること、それらを同時に固体選択培地にレプリカプレーティングにより移すことによってそれらをスクリーニングすることが必要である。選択培地上での増殖に用いることができるコロニーが同定され、対応するコロニーを非選択培地から取り出し、さらに特性解析するであろう。変異体を同定するこのプロセスは、プレートスクリーンと称されている。しかし、この手法は発酵ストレス耐性に関与している遺伝子類を同定するためには有用ではなく、その理由は、液体発酵培地内部で遭遇する条件をシミュレーションできるプレートスクリーンがないためである。したがって、発明者らの研究室で先に、液体培地中に存在する混合群中の微生物のそれぞれの変異体の適合性を同時にモニターできる方法を開発した（非特許文献４および特許文献３）。この方法によって、発酵ストレス耐性に役割を有しているいくつかの遺伝子類が同定できた。また変異体の適合性の同時モニタリングを促進する他の方法も、この目的のために使用できる（特許文献４、非特許文献５および非特許文献６）。
【特許文献１】インド特許１８９７３７号
【特許文献２】米国特許６１８３９５９号
【特許文献３】米国特許６５２８２５７号
【特許文献４】米国特許５６１２１８０号
【非特許文献１】Ｂａｎａｔら、Ｗｏｒｌｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ワールドジャーナル・オブ・ミクロバイオロジー・エンド・バイオテクノロジー、１４巻、ｐｐ．８０９−８２１（１９９８）
【非特許文献２】Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス）、Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル），Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４）
【非特許文献３】Ｒｏｓｓ−Ｍａｃｄｏｎａｌｄら、Ｎａｔｕｒｅ（ネーチャー）、４０２巻、ｐｐ．４１３−８（１９９９）
【非特許文献４】Ｓｈａｒｍａｎら、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ（ヌクレイックアシッドリサーチ，２９巻、ｐｐ．Ｅ８６（２００１）
【非特許文献５】Ｓｍｉｔｈら、Ｓｃｉｅｎｃｅ（サイエンス），２７４巻、ｐｐ．２０６９−２０７４（１９９６）
【非特許文献６】Ｗｉｎｚｅｌｅｒら、Ｓｃｉｅｎｃｅ（サイエンス）、２８５巻、ｐｐ．９０１−９０６（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、変異体表現型により遺伝子類を同定することには、ある限界がある。第一に、正常な増殖と生存のために必須の遺伝子類を傷害された変異体類を得ることは簡単ではない。したがって、もしストレス耐性のような他の機能のためにも重要であるならば、このような遺伝子類は見過ごされるであろう。第二に、多くの遺伝子類が酵母で反復されており、すなわち、前記生物体に対して同一の機能を提供する遺伝子は１個を超えてあり、それらは、従来の変異体スクリーンでは見過ごされるであろう。さらに、もしストレス耐性のようなプロセスに関与している遺伝子類を同定するという目的が最終的に前記生物体を改良することであるならば、その際には、変異体追跡により関連遺伝子類を同定することが常に成功するとは限らない。その理由は、遺伝子はそのプロセスで必須のステップを行うことによって生物プロセスにおいて重要であるかもしれないが、それは、律速ステップを行ってはいないであろう。したがって、このような遺伝子を過剰発現させることが、前記プロセスにおけるいかなる改良にも結果的につながらないであろう。ゆえに、あるプロセスに関与する遺伝子類をすべて最初に同定し次にそれらをひとつずつ過剰発現させそれらが前記プロセス改良に役立つかどうかを確認することは、煩雑でしかも時間を要し、失敗する危険もある。ここで、発明者らは、上記の限界を全て克服できる代替方法を提供する。そのほかに、発明者らの方法はまた、プレートスクリーンがないという限界も克服する。
【０００５】
遺伝子類に機能を割り振る別の方法は、マイクロアレイを用いた発現プロファイリングである。発現プロファイリングによって、ある生物のほとんど全ての遺伝子類の発現レベルを同時に決定する（例えば、Ｈｕｇｈｅｓら、Ｃｅｌｌ（セル）、１０２巻、ｐｐ．１０９−２６（２０００）；Ｗｕら、Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（プラントフィジオロジー・エンド・バイオケミストリ），３９巻、ｐｐ．９１７−９２６（２００１）；Ｆａｂｒｉｚｉｏら、Ｍｅｃｈ Ａｇｅｉｎｇ Ｄｅｖ．（メカニズムズ・オブ・エージング・エンド・デベラップメント），１２６巻、ｐｐ．１１−６（２００５）；Ｖｒａｎａら、Ｎｅｕｒｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ（ニューロトキシコロジー），２４巻、ｐｐ．３２１−３２（２００３））。もし他に比してある条件下である遺伝子類群がより高く発現するならば、その際には、これらの遺伝子類が第一条件下で果たす役割を有していると想定される。しかし、この想定は、特定環境条件下でそれらの役割と遺伝子類発現を相関させるために試行した研究によって、裏づけられていない（Ｇｉａｅｖｅｒら、Ｎａｔｕｒｅ（ネーチャー）、４１８巻、ｐｐ．３８７−９１（２００２）；Ｂｉｒｒｅｌｌら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９９巻、ｐｐ．８７７８−８３（２００２））。観察された相関が偶然に観察できるものよりも優れているということはほとんどなく、したがって、発現レベルに基づいて遺伝子機能を割り振ることは間違いを起こすことになりうる。対照的に、変異体表現型に基づき機能を割り当てる変異体に基づく方法類（上記で引用）は、遺伝子類に生物学的役割を与える際にはるかに信頼性が高い。同様に、遺伝子類の意図的な過剰発現に基づく方法類（下記に記載）も信頼でき、その理由は、それらが、生物体の表現型に基づいて遺伝子類に生物機能を与えるからである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、過剰発現時に酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同時にスクリーニングすることに関連する。これは、一度に遺伝子１個を過剰発現させストレス耐性を増強させる公知の方法と対照的である；例えば、ＨＡＬ１、ＹＡＫ１、ＳＯＤ１、ＳＯＤ２およびＴＰＳ１の過剰発現はそれぞれ、さまざまなストレス条件に対するストレス耐性を高めることが明らかにされている（Ｃｈｅｎら、Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ（バイオキミカ・エト・バイオフィジカアクタ），１２６８巻、ｐｐ．５９−６４（１９９５）；Ｄａｖｉｄｓｏｎら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９３巻、ｐｐ．５１１６−５１２１（１９９６）；Ｇａｘｉｏｌａら、ＥＭＢＯ Ｊ（ヨーロピアンモレキュラーバイオロジーオーガナイゼーションジャーナル）、１１巻、ｐｐ．３１５７−３１６４（１９９２）；Ｈａｒｔｌｅｙら、Ｇｅｎｅｔｉｃｓ（ジェネィックス），１３６巻、ｐｐ．４６５−４７４（１９９４）；Ｓｏｔｏら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー），６５巻、ｐｐ．２０２０−２０２４（１９９９））。他の多くの場合、酵母株類が過剰発現ストラテジーを用いて工学的に作成され、その結果、それらが、デンプン、セロビオース、ラクトース、キシロース等のような基質類を効率的に発酵させる（Ａｄａｍら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．３９５−４０６（１９９５）；Ｍｕｓｌｉｎら、Ｐｒｏｔ ｅｘｐｒ ｐｕｒｉｆ（プロテインエクスプレション・エンド・ピュアリフィケーション），１８巻、ｐｐ．２０−２６（２０００）；Ｗａｌｆｒｉｄｓｏｎら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー），６１巻、ｐｐ．４１８４−４１９０（１９９５））。ＧＰＤ１の過剰発現は、グリセロール生産を１．５乃至２．５倍、高めることが明らかになっている（Ｒｅｍｉｚｅら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー）、６５巻、ｐｐ．１４３−１４９（１９９９））。発明者らは、発酵ストレス耐性のためのプレートスクリーンがないという限界およびこのプロセスに関与する遺伝子類についての多くの知識がないという限界を超えるために、発明者らの方法を考案した。ストレス耐性に関与する遺伝子類を最初に同定し次にそれらをひとつずつ過剰発現させストレス耐性を改善するかどうかを観察する代わりに、発明者らの方法では、過剰発現時にストレス耐性を増強させる遺伝子類を直接同定するために新しい手法を用いる。ゲノムスケールの過剰発現スクリーンが他者により行われており（Ｅｓｐｉｎｅｔら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．２５−３２（１９９５）；Ｂｏｙｅｒら、Ｇｅｎｏｍｅ Ｂｉｏｌ．（ゲノムバイオロジー）、５（９）巻：Ｒ７２，Ｅｐｕｂ（２００４））、さらに、これまで解析されていない細胞周期遺伝子類を同定するために他者により行われている（Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９８巻、ｐｐ．３９４６−５１（２００１））。これらのスクリーンの全ては、容易なプレートスクリーンの利点を利用して前記生物の望ましい性質を同定してきた。対照的に、発明者らの方法では、ストレス耐性増強を付与する遺伝子類を、異なる遺伝子類を過剰発現する多数の酵母変異体の混合プールから同定する。このことは、プレートスクリーンが全くない発酵性ストレス耐性のような表現型を付与する遺伝子類を同定するために特に有効である。
【０００７】
本発明は、酵母変異体の混合群をスクリーニングすることによって所望の表現型を付与する遺伝子類を同時に同定するための方法の開発に関する。それぞれのプロモーター類を有するか強力なプロモーターの制御下にある異なる遺伝子類を有するプラスミド類のライブラリーを、酵母に形質転換する。このライブラリーは十分に大きく、生物体のほとんど全ての遺伝子類を高確率で保持していなければならない。この酵母形質転換体のプールを次に、例えば、発酵条件下における優れた生存性についての選択に供する。一回の選択を生き抜いた細胞類を再度、もう一回選択に供する。１手法では、約６回選択を繰り返す。完了時点で、生存体プールは、最初の形質転換体プールよりも前記選択条件下ではるかに良好に生存できるほとんどの形質転換体を有していると考えられ、そのことは、これら２種のプールの挙動を比較することによって、確認できる。生存増強がプラスミド上に保持された遺伝子類によることおよび前記生物体ゲノムにおけるいかなる変異によるものでもないことを確認するため、前記プラスミドを酵母から回収し、野生型酵母に再度形質転換し、表現型を確認した。次に、これらのプラスミド上に保持された遺伝子類を、ＤＮＡ配列決定のような方法で同定する。これらの遺伝子類を次にひとつずつ調べ、ストレス耐性に果たすそれらの役割を確認する。これらの遺伝子類の発現は、一度に酵母１種においてまたは組み合わせて調節でき、発酵中における酵母性能を増強させる。別の手法では、酵母形質転換体プールを、数回の選択のみに供する。この選択の完了時点で、前記プールに平均群よりも良好に生存する能力を有するものを加えるが、しかし、前記形質転換体のほとんどの生存は、形質転換体出発プールの生存と同様であろう。優れた生存体に保持された遺伝子類を同定するため、下記のステップを行う。トータルＤＮＡを形質転換体出発群からおよび選択群から単離する。トータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡを、プラスミド特異的プライマー類を用いて、選択的に増幅させる。前記形質転換体出発群の増幅された挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識する。標識したＤＮＡプローブ類を、酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡを入れたマイクロアレイと混合し、それにハイブリダイズさせる。出発群に比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを次に同定する。これらのＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を次に、過剰発現時に酵母のストレス耐性を高めるものとして、候補者リストに載せる。これらの遺伝子類の役割は、さらに、これらの遺伝子類のそれぞれの過剰発現または欠失を伴う付加的実験により確認する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
したがって、本発明は、過剰発現時に酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同定する方法を提供し、
・酵母をプラスミド中でクローニングした酵母遺伝子ライブラリーで形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
・前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
・前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
・生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
・これらの細胞をさらに、前記ステップｃおよびｄを繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
・少なくとも３回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
・選択条件下で出発細胞群と選択した細胞群を比較し、選択した細胞の生存増強を確認すること、
・選択した細胞のプールをプレートに接種し、単離コロニーを得ること、
・それぞれのコロニーからＤＮＡを単離し、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）中に形質転換し、それぞれの酵母コロニー中に存在するプラスミドを回収すること、
・これらのプラスミド類を酵母中に形質転換し、プラスミドが実際に選択条件下で増強耐性を付与するかどうかを調べるために形質転換体類を試験すること、そして、
・配列決定により、増強ストレス耐性を付与するプラスミド上に保持された遺伝子類を同定すること、
を含む。
【０００９】
本発明の１態様において、選択中に増強された適合性に寄与する遺伝子類は、直接マイクロアレイハイブリダイゼーションを用いて同定され、それは、
・プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーにより酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体類を提供すること、
・前記形質転換体類をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
・前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
・生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
・これらの細胞をさらに、前記ステップｃおよびｄを繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
・少なくとも１回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
・トータルＤＮＡを形質転換体出発群と選択群から単離すること、
・プラスミド特異的プライマー類を用いて、トータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡのみを特異的に増幅すること、
・形質転換体出発群の挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識すること、
・前記標識プローブ類を混合し酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡを入れたマイクロアレイにハイブリダイズさせること、
・出発群のシグナルに比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを同定すること、および
・これらのＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を、選択中において酵母のストレス耐性を高めるものとして同定すること、
を含む。
【００１０】
本発明の別の態様において、酵母を、すでに特定のストレスに対して耐性となっている生物体由来の遺伝子類ライブラリーで形質転換する。
【００１１】
本発明のさらに別の態様において、選択中に高濃度になった遺伝子類を保持するプラスミド類を、直接、コロニーハイブリダイゼーションによってライブラリーから単離できる。
【００１２】
さらに本発明の別の態様において、酵母のストレス耐性は、上記で同定した遺伝子類を過剰発現するプラスミド類によって形質転換させることによって、改良する。
【００１３】
さらに本発明の別の態様において、前記プラスミドが、構成プロモーターを有する発現プラスミドである。
【００１４】
さらに本発明の別の態様において、前記プラスミドが、誘導プロモーターを有する発現プラスミドである。
【００１５】
さらに本発明の別の態様において、酵母のストレス耐性が、酵母ゲノム中に存在する標的遺伝子のプロモーターを構成または誘導プロモーターと置き換えることによって上記で同定した遺伝子類の発現レベルを調節することによって、改良される。
【００１６】
さらに本発明の別の態様において、ＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＳＳＫ２、ＥＣＭ３９、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択した遺伝子類が、単独でまたは組み合わせて過剰発現され、ストレス耐性を増強する。
【００１７】
さらに本発明の別の態様において、１個を超える遺伝子が、同一株中で同時に過剰発現され、さらに、ストレス耐性を改良する。
【００１８】
さらに本発明の別の態様において、前記ストレスが、特に高温におけるアルコール産生条件下で、酵母が遭遇するものである。
【００１９】
さらに本発明の別の態様において、グルコースを、アルコール産生のための原材料として用いる。
【００２０】
さらに本発明の別の態様において、ショ糖または糖蜜または他の全ての複合炭素源をアルコール産生のための原材料として用いる。
【００２１】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、酵母の研究室株である。
【００２２】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、酵母の工業用株である。
【００２３】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、ストレス耐性を改良する必要があるすべての微生物である。
【００２４】
さらに本発明の別の態様において、前記ストレスが、業界で微生物類が遭遇する全ての不都合な条件である。
【実施例】
【００２５】
本発明のプロセスを下記に示す実施例に示したが、それらは、しかし、本発明の範囲を限定するものとみなしてはならない。
【００２６】
実施例１
ストレス耐性増強遺伝子類の酵母ゲノム発現ライブラリースクリーニング
選択マーカーとしてのＵＲＡ３を有する動原体プラスミド中で構成ＡＤＨ１（アルコールデヒドロゲナーゼ１）制御下で作製した酵母ゲノムＤＮＡライブラリーを、アメリカンタイプカルチャーコレクション（ＡＴＣＣ）から入手した。酵母株ＦＹ３（Ｗｉｎｓｔｏｎら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．５３−５５（１９９５））は、Ｆｒｅｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ， Ｈａｒｖａｒｄ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｈｏｏｌ、Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ ０２１１５，ＵＳＡ）から入手し、それを全ての形質転換に用いた。このライブラリー由来のプラスミドを、標準的形質転換プロトコール（Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス）．Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル）、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４））によりＦＹ３株に形質転換した。形質転換体（〜１０５）をプールし、３８℃における発酵に５回供した。平行して、同一プールを３０℃における発酵６回に供した。収穫時点と次の回への移行は、細胞の約９０％が死滅する時点とした。各回の終点における最小培地への接種により、細胞の約５０％がそのプラスミドを消失していることが明らかになった。発酵を繰り返した後、両群ともに別々に処理した。
【００２７】
３８℃選択の結果：選択した群からプラスミドを標準的プロトコールにより取り出し、大腸菌ＪＭ１０９に形質転換した。形質転換体から標準的方法で（Ｓａｍｂｒｏｏｋら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ：Ａ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（モレキュラークローニング：アラボラトリマニュアル）。Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ。Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８９））プラスミドを精製し、制限酵素Ｘｈｏ１により消化した。類似の消化パターンを示すプラスミド類を、その後、２または３種の酵素（Ｘｈｏ１、ＸｂａＩおよびＥｃｏＲＶ）群で消化した。独特の消化パターンを示すプラスミド類２５種を次に酵母に形質転換し、それらの発酵研究を、ベクター単独で形質転換した対照株とともに３８℃において実施した。プラスミド２５種のうち、１０種が発酵４９−５２時間後２０乃至１０００倍の生存性増加を示し、対照と比較して同一量またはわずかにそれを上回るアルコールを産生した。ＡＤＨ１プロモーター特異的プライマーならびにＢＬＡＳＴ配列類似性検索（Ａｌｔｓｈｕｌら、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ（ヌクレイックアシッドリサーチ）．２５巻、ｐｐ．３３８９−３４０２（１９９７））による配列決定により、全９種の挿入物がプロモーターを含めて完全なＲＰＩ１遺伝子を有していることが明らかになった。その他に、このＲＰＩ１遺伝子は、ＡＤＨ１プロモーターに関して、両方の方向に存在していた。このことから、その独自のプロモーターから発現したＲＰＩ１の付加コピーを導入することが、発酵中に増強されたストレス耐性を提供するために十分であると推論できた。
【００２８】
３０℃選択の結果：繰り返し選択６回後に得られた群を、生存性とエタノール産生速度について、非選択親（出発）群と比較した。エタノール産生速度は匹敵していたが、選択した群は、発酵１２７時間後において親群よりも約１５０倍高い生存数を示した。増強された生存性において自然変異増強のいかなるものであってもそれが寄与している可能性を排除するため、選択した群からプラスミドを回収し、大腸菌ＪＭ１０９に形質転換した。大腸菌コロニー１０００個の無作為プールから単離したプラスミド類は、標準的プロトコールに従い、酵母株ＦＹ３に形質転換して戻した。約２００００個の酵母形質転換体がプールされ、さらに３０℃における発酵回数に供した。これらの形質転換体は、親株よりもはるかに優れた生存性を示し、プラスミドに保持された遺伝子類がストレス耐性を増強したことを確認した。これらのプラスミドを再度大腸菌に移し、コロニー３８個由来のプラスミドを単離し、制限酵素消化により分析し、独自のクローンを同定した。１５種の独自のプラスミドをＦＹ３に形質転換して戻し、３０℃発酵中において相対的生存数とエタノール産生を対照群と比較した。これらの中では、９種が、見込みがありそうであった。これらのプラスミドが保持した遺伝子類を、ＡＤＨ１特異的プライマーとＢＬＡＳＴ配列類似性検索により配列決定した。前記９種のクローン中、５種がＷＳＣ４に対応し、３種が特性解析されていない遺伝子ＹＩＬ０５５Ｃを有しており、１種がＣＡＰ２全体、ＳＲＡ１のほとんどおよび少量のＣＫＡ１を包含する約２．９Ｋｂの挿入物を保持していた。さらに研究し、これらの遺伝子類の発酵における役割を確認した。
【００２９】
実施例２
ＲＰＩ１の特性解析
予備的研究から、配列決定に基づき、発明者らは、ＲＰＩ１の単一コピー（Ｒａｃ ｃＡＭＰ経路阻害剤）１の付加で発酵中に増強されたストレス耐性を提供するために十分であると推定した。そこで、発明者らは、組み込みベクターｐＲＳ３０６のＸｈｏＩ部位にＲＰＩ１クローン１個から単離した全２．６ｋｂ挿入物をサブクローニングした。このベクターは、前記ベクターのＵＲＡ３遺伝子内部で直線状とし、酵母株ＦＹ３中に形質転換し、前記ゲノムのＵＲＡ３座における標的組み込みを行った。形質転換体は、最小培地プレートにおけるウラシル原栄養性によって選択した。ＲＰＩ１の付加的コピーをこのようにして前記ゲノムに組み込んだ。先の研究から、ＲＰＩ１破壊物が致死的でないことが明らかにされている（Ｋｉｍら、Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌ（モレキュラーセルバイオロジー）、１１巻、ｐｐ．３８９４−９０４（１９９１））。ＲＰＩ１破壊物は、Ｔｎ３を用いて挿入的突然変異導入によって作製した。破壊物を、Ｔｎ３特異的プライマー類を用いて配列決定することで、確認した。これらの過剰発現および破壊株類を次に、３８℃および３０℃で行った発酵研究で用いた。３８℃における発酵研究は、２０％グルコースにより３８−４４時間行い、一方、３０℃における発酵研究は、２５％グルコースで１０８−１１４時間行った。生存性は、発酵完了時点でモニタリングした。ＲＰＩ１の付加的コピーを有する株類は、３８℃および３０℃両方の発酵研究で対照群に比較して何倍も増強された生存数を示した。ＲＰＩ１破壊コピーを有する株類はかなり低下した生存数を示し、ストレス耐性におけるＲＰＩ１の役割を確認した。しかし、ＲＰＩ１の付加的コピーを有する株類は、最初は発酵速度が遅く、ただし、最終的に作製されたエタノール量では、野生型と異ならなかった。
【００３０】
混合培養研究：ＲＰＩ１過剰発現株で観察された増強生存数が、発酵速度が遅いことによるか議論があるところであろう。この可能性を排除するため、混合培養発酵を行った。ＲＰＩ１の付加コピーを有する株を、Ｇ４１８耐性マーカーを有する等量の対照野生型と混合した。このＧ４１８耐性マーカーは、発酵中に細胞の挙動または生存性に影響を及ぼさず、混合発酵後の試験株と対照株を識別するマーカーとして作用する。混合培養物の発酵速度は、野生型株の発酵速度に匹敵した。発酵後、付加的ＲＰＩ１コピーを有する試験株は、３８℃（表１ａ）および３０℃（表１ｂ）において野生型よりも約１００倍高い生存数を示した。対照的に、ＲＰＩ１を欠損した株の生存性は、対照株に比較して非常に劣っていた。これらの結果は、ＲＰＩ１がエタノール発酵中における酵母のストレス耐性に重要であることを示している。
【００３１】
【表１ａ】
【００３２】
【表１ｂ】
【００３３】
ＲＰＩ１は、先に、Ｒａｓ２変異により導入された熱ショック表現型を抑制するＲａｓ２変異の高コピー数のサプレッサーとして同定された（Ｋｉｍら、Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌ（モレキュラーセルバイオロジー）、１１巻、ｐｐ．３８９４−９０４（１９９１））。後の研究では、それがＲａｓ−ｃＡＭＰ経路に関連しておらず、おそらく細胞を静止期への導入に準備させる転写因子であろうということが、証明された（真核細胞、１１巻、ｐｐ．５６−６５（２００２））。発明者らの研究では、ＲＰＩ１もまた、エタノール発酵中におけるストレス耐性にとって重要であること、およびその過剰発現を用いて酵母の生存率を何倍にも高められることが明らかになった。
【００３４】
実施例３
ＷＳＣ４の特性解析
３０℃における発酵から同定されたＷＳＣ４（細胞壁一体性およびストレス応答成分）遺伝子は、分泌タンパク質転座のため、細胞壁一体性の維持およびＳ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（サッカロマイセス・セレビジアエ）におけるストレス応答のため必要であることが公知である（Ｖｅｒｎａら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９４巻、ｐｐ．１３８０４−９（１９９７））。発酵ストレスにおけるその挙動を調べるため、完全ＷＳＣ４遺伝子をそのプロモーターとともに組み込みベクターＰＲＳ３０６中にサブクローニングした。この遺伝子を次に、ｕｒａ３座における相同組み換えによりゲノム中に組み込み、したがって、コピー数を１だけ増加させた。ＷＳＣ４破壊物もまた、トランスポゾン突然変異導入により作製し、さらに、配列決定により確認した。３０℃において２５％グルコースにより１０８時間の発酵研究により、それが、野生型に比較して５乃至１０倍生存を高めることができることが明らかになった。さらに、野生型株とともに混合培養発酵研究を行い、ＷＳＣ４が、サッカロマイセス・セレビジアエ（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）株のストレス耐性を改善することが明らかになった（表２）。多量のＷＳＣ４欠失株は、混合プールで顕著に減少する。この結果は、ＷＳＣ４が発酵中のストレス耐性を改善するために活用できることを明らかにしている。
【００３５】
【表２】
【００３６】
実施例４
ＹＩＬ０５５ｃの特性解析
機能未知の遺伝子であるＹＩＬ０５５ｃを、同様に、３０℃における過剰発現スクリーンから単離した。ストレス耐性におけるその役割を確認するため、この遺伝子類のＯＲＦを、組み込みベクターｐＧＶ８中に強力なＧＰＤ１プロモーターの制御下にサブクローニングした。この組み換え構築体を次に、株ＦＹ３のｕｒａ３座において組み込んだ。この遺伝子を、トランスポゾン突然変異導入により破壊し、配列決定により確認した。３０℃における発酵研究により、ＹＩＬ０５５ｃの過剰発現時に、発酵速度がかなり低下することが明らかになった。ただし、それは、野生型と同様に発酵を完了することができる。破壊物は、正常発酵速度を示した。３０℃における混合培養発酵において、野生型の混合培養対照と同じ速度でこれらの過剰発現株類は発酵した。これらの株類は、それでもなおかつ、野生型細胞に比較して生存性の高まりを付与した（表３）。このことは、増強された生存が発酵速度低下によるのではないことを示唆している。ストレス耐性におけるＹＩＬ０５５ｃの役割はＲＰＩ１のそれと非常によく似ており、従って、これらの遺伝子類は、同一ストレス応答経路の一部であるらしい。
【００３７】
【表３】
【００３８】
実施例５
ＳＲＡ１の特性解析
スクリーニングした別のクローンには、ＳＲＡ１断片を含む３種の遺伝子類が含まれていた。このクローン由来のＳＲＡ１部分を、強力なプロモーターＧＰＤ１の制御下にｐＧＶ８中にサブクローニングし、酵母ゲノムに組み込んだ。発酵研究では、３０℃におけるＳＲＡ１過剰発現クローンにより行った。それは、２５％糖による発酵１０８時間後に数倍に増強された生存を示した。過剰発現ＳＲＡ１を有する株類は、エタノール産生において当初ラグを示したが、野生型が要するのと同一の時間スパンにおいて発酵を完了した。さらに混合培養発酵研究により、正常な発酵速度が明らかになったが、しかし、対照株に比較して生存が増強された（表４）。ＳＲＡ１破壊物は、それ自体の正常増殖時に生存低下を示し、従って、これらの株では、発酵研究は行わなかった。
【００３９】
【表４】
【００４０】
ＳＲＡ１は、ｃＡＭＰ依存性プロテインキナーゼ阻害剤活性を有している。ＳＲＡ１の過剰発現は、ＰＫＡの会合または解離の平衡を非解離状態にむけてそのサブユニット中へ移行させる（Ｐｏｒｔｅｌａら、Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ（マイクロバイオロジー）、１４７巻、ｐｐ．１１４９−１１５９（２００１））。それはまたグリコーゲンの過大蓄積をもたらし、熱ショック耐性を改善した。したがって、ＳＲＡ１は過剰発現すると、低ＰＫＡ活性とストレス耐性増強につながる。低下したＰＫＡ活性の結果、増殖速度も低下する（Ｖａｎ Ｄｉｊｃｋら、Ｊ Ｍｏｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ（ジャーナル・オブ・モレキュラーミクロバイオロジー＆バイオテクノロジー）、２巻、ｐｐ．５２１−５３０（２０００））。このことは、ＳＲＡ１過剰発現時に観察された発酵速度低下を説明できた。しかし、混合培養発酵におけるその生存性増強は、増強されたストレス耐性が発酵速度低下によるものではないことを明らかにしている。過剰発現ストラテジーによるＳＲＡ１の単離は、ストレス耐性におけるｃＡＭＰ経路の役割がすでにＲＡＳ変異体による研究で確立されているので、このストラテジーの有効性を証明している。
【００４１】
実施例６
過剰発現株のゲノム規模での適合性プロファイリング
単一チップ中で全ゲノムをモニターするためにマイクロアレイは広く用いられている。何千という遺伝子間での相互作用の優れた見通しを同時に与える。ここで、発明者らは、ＤＮＡに基づくマイクロアレイを用い、プラスミド上に存在する遺伝子類を同時にモニターしその発酵ストレスにおける役割を調べた。酵母株ＦＹ３を、実施例１に記載のように、全ゲノム過剰発現ライブラリーにより形質転換した。約２００００個の形質転換体のプールを最小培地中で２４時間増殖させ、２つのプールに分けた。ひとつのプールは、非選択群として保持し、もうひとつは、３８℃における発酵２回に供した。各回の後、細胞を採取し、最小培地中で増殖させ、プラスミド保持細胞を高濃度にした。２回終了時点で、トータルＤＮＡを標準的プロトコールにより（Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス），Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル），Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４））選択し、さらに選択しなかった細胞のプールから単離した。トータルＤＮＡ中に存在するプラスミドの挿入ＤＮＡ断片類は、挿入ＤＮＡの両方の末端に存在するアダプター配列に相補性のプライマー（５´−ＣＡＣＧＡＧＣＴＡＣＧＴＣＡＧＧＧ−３´）を用いて特異的に増幅させた。容量２５μｌでＰＣＲ反応を設定した。それは、テンプレート１００ｎｇ、１×Ｔａｑバッファー（ＮＥＢ）、プライマー０．４ｍＭ、０．２ｍＭのｄＮＴＰｓ、および５ＵのＴａｑ ＤＮＡポリメラーゼを含んでいた。熱サイクル条件は、下記のようであった：９５℃における変性を５分間の後、９４℃１分間変性、６０℃１分間のアニーリング、および７２℃における４分間の伸長を３０サイクル、行った。この後、最終伸長を７２℃で１０分間行った。ＰＣＲ産物は、両群でアガロースゲル電気泳動によりサイズ範囲の均一性を調べ、その後、ＰＣＲ精製キット（Ｑｉａｇｅｎ）を用いて精製した。各群からの精製したＰＣＲ産物１μｇを、Ｃｙ３またはＣｙ５によりランダムプライマーラベリングにより標識した。各標識反応において、純粋なＰＣＲ産物１μｇ、ランダムプライマー類１０μｇ（ノナマー）、アラビドプシス（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ）コントロールＤＮＡを２ｎｇ、ｄＣＴＰを含まないｄＮＴＰｓ０．５ｍＭ、１×クレノウ緩衝液、いずれかのフルオロホア（Ｃｙ５／Ｃｙ３ ｄＣＴＰ）２μｌおよび５０ＵのＤＮＡポリメラーゼ（ＮＥＢ）のクレノウ断片を添加した。反応物を、３７Ｃにおいて１２時間インキュベーションし、０．５Ｍ ＥＤＴＡを２．５μｌ添加することによって終結させた。標識産物を、ＰＣＲ精製キットを用いて精製した。標識物は、スライドグラスにスポットした純粋なサンプルと不純サンプルの系列希釈物を比較することによって、定量した。これらはマイクロアレイ上でスキャンし、取り込み百分率を見出した。ハイブリダイゼーションのため、Ｃｙ５およびＣｙ３標識ＤＮＡ断片類を等しい割合で混合し、容量を１８μｌにした。これを９５℃で２分間、熱変性させた。８０μｌのハイブリダイゼーション反応を設定した。この中に、標識プローブ１８μｌ、１×ハイブリダイゼーション緩衝液、１．６μｌの１０％ＳＤＳおよび４０μｌのホルムアミドを混合した。この全容量をマイクロアレイスライドグラス上に置き、注意してカバースリップで覆った。ハイブリダイゼーションは、ハイブリダイゼーションチェンバー中で設定し、４２℃の水浴中で１２時間、インキュベーションした。スライドの洗浄は、標準的プロトコールに従い、行った（Ｂｏｗｔｅｌｌら、ＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ（ＤＮＡマイクロアレイ）． Ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｌｏｎｉｎｇ ｍａｎｕａｌ（アモレキュラークローニングマニュアル）．Ｃｏｌｄ ｓｐｒｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ．Ｃｏｌｄ ｓｐｒｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００２））。次に、これらのスライドをＡｘｏｎ４０００Ｂマイクロアレイスキャナーでスキャンした。データ解析にはＧｅｎｅｐｉｘ Ｐｒｏソフトウェアを用いた。実験は、異なるライブラリー２つで行い、一貫性を調べた。その他に、色素スワップ実験も同様に行い、標識におけるバイアスを排除した。出発群に比較して選択群のＤＮＡについて高いシグナルを示す特徴（遺伝子類）は、選択中に高濃度になったものであり、従って、選択条件中で高い適合性を有している。
【００４２】
実施例７
コロニーハイブリダイゼーションによる適合性増強を付与する高濃度遺伝子類の回収
ストレス耐性に役割を果たす遺伝子類を、直接、コロニーハイブリダイゼーションを用いてゲノムライブラリーから単離できる。全遺伝子プローブを調製し、全マイクロアレイ中で一貫して高濃度になった遺伝子を調製した。発酵４回の終了時に選択した群から検索回収したプラスミド類は、標準的プロトコールにより大腸菌中に形質転換した。大腸菌形質転換体１０００個が、ＬＢ−ａｍｐプレート上に散らばっていた。コロニーハイブリダイゼーションのため、Ｈｙｂｏｎｄ（Ｎ）ナイロン膜を用いる標準的プロトコールに従った（Ｓａｍｂｒｏｏｋら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ：Ａ ｌａｂｏａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（モレキュラークローニング：アラボラトリマニュアル）。Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｐｒｅｓｓ。Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８９））。各遺伝子について、多くのクローンが単離できた。プラスミド類（無作為に採取したクローン由来）は、アルカリ融解法で単離し、ＸｈｏＩ酵素により制限酵素分解し、独自の大きさの挿入物を同定した。独特に見えるものを、ＡＤＨ１特異的プライマーを用いて配列決定した。これらをさらに特性解析し、酵母に形質転換し、それらの発酵ストレス耐性における役割を確認した。挿入物の一部は、１を越える遺伝子を保持しているかまたは追加の部分遺伝子類を保持していた。その他に、配列決定により、ＡＤＨ１プロモーターに関して遺伝子の方向を見出すこともできた。ＲＰＩ１、ＭＫＴ１、ＥＣＭ３９、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６に対応する挿入物を同定し、この手法を用いて特性解析した。
【００４３】
実施例８
ＷＳＣ２の役割の確認
マイクロアレイに基づくスクリーニングにより、ＷＳＣ２が全ての実験群で高濃縮されていることが明らかになった。従って、過剰発現と破壊クローン類を作製し、その役割を確認した。過剰発現クローン類は、その内因性プロモーターをＧＰＤ１プロモーターと置き換えることによって得られ（Ｐｅｔｒａｃｅｋら、Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｅｎｚｙｍｏｌ．（メソッズインエンザイモロジー），３５０巻、ｐｐ．４４５−４６８（２００２））、一方、破壊物は、ＷＳＣ２コード領域をＵＲＡ３マーカーにより置換することによって作製した。これらをＵＲＡ３欠失株に形質転換した。２０％糖による３８℃における発酵研究により、ＷＳＣ２過剰発現クローン類が、発酵終了時点で野生型よりも５０乃至１００倍、より優れた生存を示すことが明らかになった。それは、野生型に比べて発酵速度においていかなる変化も示さなかった。３８℃で行った混合培養発酵研究においてさえも、この株は、Ｇ４１８Ｒ対照株に比較して発酵終了時点で主要なものとなった（表５）。ＷＳＣ２は、ＷＳＣ４と同一ファミリーに属しており、細胞壁一体性経路に関与している。ＷＳＣ遺伝子類は、機能的には必要のないものである。全てを欠失させるかあるいは組み合わせて欠失させるまで、その役割を同定することはできない。しかし、この過剰発現ストラテジーは、もはや必要のない遺伝子類のそれぞれのメンバーの役割を同定できた。ＷＳＣはシグナル分子類のファミリであり、環境ストレス応答で重要な下流のＲｈｏ１およびＭＡＰキナーゼ経路を活性化する。さらに、増殖または発酵速度にいかなる明らかな効果も見られず、このことは、これらがＰＫＡ非依存性に活性化することを示唆している。したがって、ＷＳＣ経路のさらなる研究は、発酵ストレス耐性について株類を改良するのに役立つことができる。
【００４４】
【表５】
【００４５】
実施例９
適合性プロファイリングにより同定された他の遺伝子類
マイクロアレイ中に一貫して出現した多くの他の遺伝子類は、それらの発酵ストレス耐性における役割を、混合培養発酵研究を行うことによって確認した。第２回の選択群から単離し特異的遺伝子類についてコロニーハイブリダイゼーションによって同定した多くの他のプラスミド類は、ＦＹ３酵母株中に形質転換した。これらの形質転換体類は、混合培養発酵研究に供した。ここで、過剰発現試験株類は、等比率でＧ４１８Ｒ野生型対照株と混合した。発酵研究は、２０％糖により３８℃で行った。発酵終了時点で生存していたＧ４１８感受性細胞は、Ｇ４１８Ｒ細胞と比較した。ＥＣＭ３９（表６）およびＭＫＴ１（表７）の場合、９０％を超える群の過剰発現クローン類は、主にＧ４１８感受性試験株類であり、ＡＤＥ１６の場合、８５％を超える群のものは、ＡＤＥ１６過剰発現株に対応している（表８）。ＳＯＬ１形質転換体は、８０％と混合培養群で優位であった（表９）。ＥＣＭ３９、ＭＫＴ１およびＡＤＥ１６遺伝子類は、プラスミド類中ＡＤＨ１プロモーターに関して、反対の方向で存在していた。これらの遺伝子類のために、単一コピーの付加が、発酵中の増強ストレス耐性付与に十分であるようである。これらの遺伝子類の全ては前記文献中で公知であるが、発明者らの手法のみが発酵ストレス耐性におけるそれらの役割をもたらした。
【００４６】
【表６】
【００４７】
【表７】
【００４８】
【表８】
【００４９】
【表９】
【産業上の利用可能性】
【００５０】
要約すると、本発明はいくつかの利点を有している：
【００５１】
本発明において、過剰発現時にストレス耐性をおそらく増強できる生物体遺伝子類全てが、同時に同定される。これは、ストレス耐性に関与する遺伝子類が最初に同定され次に一度にひとつずつ過剰発現させそれらがストレス耐性を改善しているかどうかを調べる公知方法類と対照的である。現行方法類の限界は、過剰発現遺伝子類のいくつかのみが結果として改善をもたらすであろうということである。その利点は、あるプロセスに関与する遺伝子類のいくつかのみが律速性であり、もしこれらの遺伝子類が過剰発現される場合にのみ、改良されるであろう。一方、発明者らの手法では、実際のストレス耐性を改良する遺伝子類のみが直接同定される。したがって、発明者らの発明は労力が少なく、より効率的である。
【００５２】
本発明はまた、増殖ならびにストレス耐性に必須の遺伝子類も同定するであろう。対照的に、突然変異に基づく方法は、このような遺伝子類をほとんど見逃すであろうが、その理由は、必須遺伝子類を傷害された変異体は、それらを最初に研究すべき第１ステップで増殖できないであろう。
【００５３】
本発明はまた、複製遺伝子類のメンバーを同定するであろう。対照的に、変異に基づく手法では、複製遺伝子類が、互いの機能喪失を補償しあうので、このような遺伝子類を頻繁に見逃すであろう。
【００５４】
本発明はまた、液体培地中でのエタノール発酵中におけるストレス耐性のようなある種の表現型を研究するためにプレートスクリーンがないという限界を克服する。これはおそらく、単一プール中に形質転換体全てを豊富に存在させ、実際に、これらの形質転換体中に存在するプラスミド類上に保持された遺伝子類の豊富さをモニタリングすることによって、定量的に追跡できるからであろう。すなわち、プラスミド類自体に保持された遺伝子類は、ＤＮＡタグとして作用し、前記プール中に存在する異なる形質転換体類を区別させる。
【００５５】
本発明はまた、定量的に研究すべき異なる遺伝子類の適合性寄与を小さくできる。このことは、おそらく、全形質転換体類が単一プールとして研究され、従って、同一のかつ競合的選択的条件を経験することによるのであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストレス耐性増強のための酵母の改良に関する。さらに詳細には、それは、エタノール産生中における酵母の生存性を高める遺伝子類を同定すること、および酵母株類の性能改良のためのそれらの遺伝子類の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
生存性を余り失うことなくエタノール産生を完了できる酵母は、醸造業で非常に望まれている。しかし、醸造業で使用される一般的酵母株類は、発酵中に遭遇する高エタノール濃度により、急激に生存性を消失する。酵母はまた、その他に、エタノールとともに急激に生存性を低下させる高温（特に熱帯地方において）をも、経験する。さまざまな手法が、高エタノールおよび温度耐性（熱耐性）を有する改良された酵母株類を得るために行われた。ひとつの手法は、自然環境から得た酵母単離物について所望の性質を試験することである（非特許文献１）。それらのいくつかは、高エタノールまたは温度耐性を有しているが、それらは、高浸透圧耐性（すなわち、糖および塩のような溶質の高濃度に耐える能力）、より早い発酵速度、および望ましくない副産物がないなどの望ましい性質を全て有しているわけではない。もうひとつの手法は、すでに望ましい性質を数種有している株類で出発して、さらに、それらを突然変異させ発酵中における生存性の優れたものを選択することにより改良することである（例えば、非特許文献１）。この手法の大きな限界とは、前記改良がほとんど、単一遺伝子における突然変異によるものであることである。数種の遺伝子類がストレス耐性を制御しているので、１個を超える遺伝子類を修飾することが、単一遺伝子類の修飾よりもより高い耐性を提供すると予測される。このことは特に、エタノール発酵中におけるストレス耐性について言え、その理由としては、こうした条件下で酵母細胞は、高浸透圧、高エタノール濃度および高温のような１種以上のストレスに遭遇するからである。したがって、これらのストレスに対する耐性を提供する遺伝子類が同定されれば、その際には、それらを理論的に工学的に処理してストレス耐性を増強できる。しかし、従来の酵母遺伝学および分子生物学的手法を用いてこれらの遺伝子類を同定することは、下記の理由から容易ではない。
【０００３】
いかなる過程であれそれに関与する酵母遺伝子類を同定する従来の手法では、最初にその過程で傷害された変異体を同定すること、それらを遺伝子分析により異なる相補性の群類（遺伝子類）に属するものとして分類すること、および最終的に前記遺伝子類を酵母の分子生物学と組換えＤＮＡ手段を用いて同定することとなっている（非特許文献２）。変異体類は、自然変異体類として得られるか、化学的突然変異導入によって導入されるか（非特許文献２）、トランスポゾン挿入変異導入によって導入されるか（非特許文献３）、またはリボザイムライブラリーの導入によってさえも導入することができる（特許文献２）。さらに、望ましい表現型のスクリーニングには、多数の潜在的酵母変異体類を非選択的固体培地表面上にクローン群（コロニー）として維持すること、それらを同時に固体選択培地にレプリカプレーティングにより移すことによってそれらをスクリーニングすることが必要である。選択培地上での増殖に用いることができるコロニーが同定され、対応するコロニーを非選択培地から取り出し、さらに特性解析するであろう。変異体を同定するこのプロセスは、プレートスクリーンと称されている。しかし、この手法は発酵ストレス耐性に関与している遺伝子類を同定するためには有用ではなく、その理由は、液体発酵培地内部で遭遇する条件をシミュレーションできるプレートスクリーンがないためである。したがって、発明者らの研究室で先に、液体培地中に存在する混合群中の微生物のそれぞれの変異体の適合性を同時にモニターできる方法を開発した（非特許文献４および特許文献３）。この方法によって、発酵ストレス耐性に役割を有しているいくつかの遺伝子類が同定できた。また変異体の適合性の同時モニタリングを促進する他の方法も、この目的のために使用できる（特許文献４、非特許文献５および非特許文献６）。
【特許文献１】インド特許１８９７３７号
【特許文献２】米国特許６１８３９５９号
【特許文献３】米国特許６５２８２５７号
【特許文献４】米国特許５６１２１８０号
【非特許文献１】Ｂａｎａｔら、Ｗｏｒｌｄ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ワールドジャーナル・オブ・ミクロバイオロジー・エンド・バイオテクノロジー、１４巻、ｐｐ．８０９−８２１（１９９８）
【非特許文献２】Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス）、Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル），Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４）
【非特許文献３】Ｒｏｓｓ−Ｍａｃｄｏｎａｌｄら、Ｎａｔｕｒｅ（ネーチャー）、４０２巻、ｐｐ．４１３−８（１９９９）
【非特許文献４】Ｓｈａｒｍａｎら、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ（ヌクレイックアシッドリサーチ，２９巻、ｐｐ．Ｅ８６（２００１）
【非特許文献５】Ｓｍｉｔｈら、Ｓｃｉｅｎｃｅ（サイエンス），２７４巻、ｐｐ．２０６９−２０７４（１９９６）
【非特許文献６】Ｗｉｎｚｅｌｅｒら、Ｓｃｉｅｎｃｅ（サイエンス）、２８５巻、ｐｐ．９０１−９０６（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、変異体表現型により遺伝子類を同定することには、ある限界がある。第一に、正常な増殖と生存のために必須の遺伝子類を傷害された変異体類を得ることは簡単ではない。したがって、もしストレス耐性のような他の機能のためにも重要であるならば、このような遺伝子類は見過ごされるであろう。第二に、多くの遺伝子類が酵母で反復されており、すなわち、前記生物体に対して同一の機能を提供する遺伝子は１個を超えてあり、それらは、従来の変異体スクリーンでは見過ごされるであろう。さらに、もしストレス耐性のようなプロセスに関与している遺伝子類を同定するという目的が最終的に前記生物体を改良することであるならば、その際には、変異体追跡により関連遺伝子類を同定することが常に成功するとは限らない。その理由は、遺伝子はそのプロセスで必須のステップを行うことによって生物プロセスにおいて重要であるかもしれないが、それは、律速ステップを行ってはいないであろう。したがって、このような遺伝子を過剰発現させることが、前記プロセスにおけるいかなる改良にも結果的につながらないであろう。ゆえに、あるプロセスに関与する遺伝子類をすべて最初に同定し次にそれらをひとつずつ過剰発現させそれらが前記プロセス改良に役立つかどうかを確認することは、煩雑でしかも時間を要し、失敗する危険もある。ここで、発明者らは、上記の限界を全て克服できる代替方法を提供する。そのほかに、発明者らの方法はまた、プレートスクリーンがないという限界も克服する。
【０００５】
遺伝子類に機能を割り振る別の方法は、マイクロアレイを用いた発現プロファイリングである。発現プロファイリングによって、ある生物のほとんど全ての遺伝子類の発現レベルを同時に決定する（例えば、Ｈｕｇｈｅｓら、Ｃｅｌｌ（セル）、１０２巻、ｐｐ．１０９−２６（２０００）；Ｗｕら、Ｐｌａｎｔ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（プラントフィジオロジー・エンド・バイオケミストリ），３９巻、ｐｐ．９１７−９２６（２００１）；Ｆａｂｒｉｚｉｏら、Ｍｅｃｈ Ａｇｅｉｎｇ Ｄｅｖ．（メカニズムズ・オブ・エージング・エンド・デベラップメント），１２６巻、ｐｐ．１１−６（２００５）；Ｖｒａｎａら、Ｎｅｕｒｏｔｏｘｉｃｏｌｏｇｙ（ニューロトキシコロジー），２４巻、ｐｐ．３２１−３２（２００３））。もし他に比してある条件下である遺伝子類群がより高く発現するならば、その際には、これらの遺伝子類が第一条件下で果たす役割を有していると想定される。しかし、この想定は、特定環境条件下でそれらの役割と遺伝子類発現を相関させるために試行した研究によって、裏づけられていない（Ｇｉａｅｖｅｒら、Ｎａｔｕｒｅ（ネーチャー）、４１８巻、ｐｐ．３８７−９１（２００２）；Ｂｉｒｒｅｌｌら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９９巻、ｐｐ．８７７８−８３（２００２））。観察された相関が偶然に観察できるものよりも優れているということはほとんどなく、したがって、発現レベルに基づいて遺伝子機能を割り振ることは間違いを起こすことになりうる。対照的に、変異体表現型に基づき機能を割り当てる変異体に基づく方法類（上記で引用）は、遺伝子類に生物学的役割を与える際にはるかに信頼性が高い。同様に、遺伝子類の意図的な過剰発現に基づく方法類（下記に記載）も信頼でき、その理由は、それらが、生物体の表現型に基づいて遺伝子類に生物機能を与えるからである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、過剰発現時に酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同時にスクリーニングすることに関連する。これは、一度に遺伝子１個を過剰発現させストレス耐性を増強させる公知の方法と対照的である；例えば、ＨＡＬ１、ＹＡＫ１、ＳＯＤ１、ＳＯＤ２およびＴＰＳ１の過剰発現はそれぞれ、さまざまなストレス条件に対するストレス耐性を高めることが明らかにされている（Ｃｈｅｎら、Ｂｉｏｃｈｉｍ Ｂｉｏｐｈｙｓ Ａｃｔａ（バイオキミカ・エト・バイオフィジカアクタ），１２６８巻、ｐｐ．５９−６４（１９９５）；Ｄａｖｉｄｓｏｎら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９３巻、ｐｐ．５１１６−５１２１（１９９６）；Ｇａｘｉｏｌａら、ＥＭＢＯ Ｊ（ヨーロピアンモレキュラーバイオロジーオーガナイゼーションジャーナル）、１１巻、ｐｐ．３１５７−３１６４（１９９２）；Ｈａｒｔｌｅｙら、Ｇｅｎｅｔｉｃｓ（ジェネィックス），１３６巻、ｐｐ．４６５−４７４（１９９４）；Ｓｏｔｏら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー），６５巻、ｐｐ．２０２０−２０２４（１９９９））。他の多くの場合、酵母株類が過剰発現ストラテジーを用いて工学的に作成され、その結果、それらが、デンプン、セロビオース、ラクトース、キシロース等のような基質類を効率的に発酵させる（Ａｄａｍら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．３９５−４０６（１９９５）；Ｍｕｓｌｉｎら、Ｐｒｏｔ ｅｘｐｒ ｐｕｒｉｆ（プロテインエクスプレション・エンド・ピュアリフィケーション），１８巻、ｐｐ．２０−２６（２０００）；Ｗａｌｆｒｉｄｓｏｎら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー），６１巻、ｐｐ．４１８４−４１９０（１９９５））。ＧＰＤ１の過剰発現は、グリセロール生産を１．５乃至２．５倍、高めることが明らかになっている（Ｒｅｍｉｚｅら、Ａｐｐｌ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ（アプライドエンバイロメンタルミクロバイオロジー）、６５巻、ｐｐ．１４３−１４９（１９９９））。発明者らは、発酵ストレス耐性のためのプレートスクリーンがないという限界およびこのプロセスに関与する遺伝子類についての多くの知識がないという限界を超えるために、発明者らの方法を考案した。ストレス耐性に関与する遺伝子類を最初に同定し次にそれらをひとつずつ過剰発現させストレス耐性を改善するかどうかを観察する代わりに、発明者らの方法では、過剰発現時にストレス耐性を増強させる遺伝子類を直接同定するために新しい手法を用いる。ゲノムスケールの過剰発現スクリーンが他者により行われており（Ｅｓｐｉｎｅｔら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．２５−３２（１９９５）；Ｂｏｙｅｒら、Ｇｅｎｏｍｅ Ｂｉｏｌ．（ゲノムバイオロジー）、５（９）巻：Ｒ７２，Ｅｐｕｂ（２００４））、さらに、これまで解析されていない細胞周期遺伝子類を同定するために他者により行われている（Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９８巻、ｐｐ．３９４６−５１（２００１））。これらのスクリーンの全ては、容易なプレートスクリーンの利点を利用して前記生物の望ましい性質を同定してきた。対照的に、発明者らの方法では、ストレス耐性増強を付与する遺伝子類を、異なる遺伝子類を過剰発現する多数の酵母変異体の混合プールから同定する。このことは、プレートスクリーンが全くない発酵性ストレス耐性のような表現型を付与する遺伝子類を同定するために特に有効である。
【０００７】
本発明は、酵母変異体の混合群をスクリーニングすることによって所望の表現型を付与する遺伝子類を同時に同定するための方法の開発に関する。それぞれのプロモーター類を有するか強力なプロモーターの制御下にある異なる遺伝子類を有するプラスミド類のライブラリーを、酵母に形質転換する。このライブラリーは十分に大きく、生物体のほとんど全ての遺伝子類を高確率で保持していなければならない。この酵母形質転換体のプールを次に、例えば、発酵条件下における優れた生存性についての選択に供する。一回の選択を生き抜いた細胞類を再度、もう一回選択に供する。１手法では、約６回選択を繰り返す。完了時点で、生存体プールは、最初の形質転換体プールよりも前記選択条件下ではるかに良好に生存できるほとんどの形質転換体を有していると考えられ、そのことは、これら２種のプールの挙動を比較することによって、確認できる。生存増強がプラスミド上に保持された遺伝子類によることおよび前記生物体ゲノムにおけるいかなる変異によるものでもないことを確認するため、前記プラスミドを酵母から回収し、野生型酵母に再度形質転換し、表現型を確認した。次に、これらのプラスミド上に保持された遺伝子類を、ＤＮＡ配列決定のような方法で同定する。これらの遺伝子類を次にひとつずつ調べ、ストレス耐性に果たすそれらの役割を確認する。これらの遺伝子類の発現は、一度に酵母１種においてまたは組み合わせて調節でき、発酵中における酵母性能を増強させる。別の手法では、酵母形質転換体プールを、数回の選択のみに供する。この選択の完了時点で、前記プールに平均群よりも良好に生存する能力を有するものを加えるが、しかし、前記形質転換体のほとんどの生存は、形質転換体出発プールの生存と同様であろう。優れた生存体に保持された遺伝子類を同定するため、下記のステップを行う。トータルＤＮＡを形質転換体出発群からおよび選択群から単離する。トータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡを、プラスミド特異的プライマー類を用いて、選択的に増幅させる。前記形質転換体出発群の増幅された挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識する。標識したＤＮＡプローブ類を、酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡを入れたマイクロアレイと混合し、それにハイブリダイズさせる。出発群に比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを次に同定する。これらのＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を次に、過剰発現時に酵母のストレス耐性を高めるものとして、候補者リストに載せる。これらの遺伝子類の役割は、さらに、これらの遺伝子類のそれぞれの過剰発現または欠失を伴う付加的実験により確認する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
したがって、本発明は、過剰発現時に酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同定する方法を提供し、
・酵母をプラスミド中でクローニングした酵母遺伝子ライブラリーで形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
・前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
・前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
・生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
・これらの細胞をさらに、前記ステップｃおよびｄを繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
・少なくとも３回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
・選択条件下で出発細胞群と選択した細胞群を比較し、選択した細胞の生存増強を確認すること、
・選択した細胞のプールをプレートに接種し、単離コロニーを得ること、
・それぞれのコロニーからＤＮＡを単離し、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）中に形質転換し、それぞれの酵母コロニー中に存在するプラスミドを回収すること、
・これらのプラスミド類を酵母中に形質転換し、プラスミドが実際に選択条件下で増強耐性を付与するかどうかを調べるために形質転換体類を試験すること、そして、
・配列決定により、増強ストレス耐性を付与するプラスミド上に保持された遺伝子類を同定すること、
を含む。
【０００９】
本発明の１態様において、選択中に増強された適合性に寄与する遺伝子類は、直接マイクロアレイハイブリダイゼーションを用いて同定され、それは、
・プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーにより酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体類を提供すること、
・前記形質転換体類をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
・前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
・生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
・これらの細胞をさらに、前記ステップｃおよびｄを繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
・少なくとも１回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
・トータルＤＮＡを形質転換体出発群と選択群から単離すること、
・プラスミド特異的プライマー類を用いて、トータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡのみを特異的に増幅すること、
・形質転換体出発群の挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識すること、
・前記標識プローブ類を混合し酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡを入れたマイクロアレイにハイブリダイズさせること、
・出発群のシグナルに比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを同定すること、および
・これらのＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を、選択中において酵母のストレス耐性を高めるものとして同定すること、
を含む。
【００１０】
本発明の別の態様において、酵母を、すでに特定のストレスに対して耐性となっている生物体由来の遺伝子類ライブラリーで形質転換する。
【００１１】
本発明のさらに別の態様において、選択中に高濃度になった遺伝子類を保持するプラスミド類を、直接、コロニーハイブリダイゼーションによってライブラリーから単離できる。
【００１２】
さらに本発明の別の態様において、酵母のストレス耐性は、上記で同定した遺伝子類を過剰発現するプラスミド類によって形質転換させることによって、改良する。
【００１３】
さらに本発明の別の態様において、前記プラスミドが、構成プロモーターを有する発現プラスミドである。
【００１４】
さらに本発明の別の態様において、前記プラスミドが、誘導プロモーターを有する発現プラスミドである。
【００１５】
さらに本発明の別の態様において、酵母のストレス耐性が、酵母ゲノム中に存在する標的遺伝子のプロモーターを構成または誘導プロモーターと置き換えることによって上記で同定した遺伝子類の発現レベルを調節することによって、改良される。
【００１６】
さらに本発明の別の態様において、ＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＳＳＫ２、ＥＣＭ３９、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択した遺伝子類が、単独でまたは組み合わせて過剰発現され、ストレス耐性を増強する。
【００１７】
さらに本発明の別の態様において、１個を超える遺伝子が、同一株中で同時に過剰発現され、さらに、ストレス耐性を改良する。
【００１８】
さらに本発明の別の態様において、前記ストレスが、特に高温におけるアルコール産生条件下で、酵母が遭遇するものである。
【００１９】
さらに本発明の別の態様において、グルコースを、アルコール産生のための原材料として用いる。
【００２０】
さらに本発明の別の態様において、ショ糖または糖蜜または他の全ての複合炭素源をアルコール産生のための原材料として用いる。
【００２１】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、酵母の研究室株である。
【００２２】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、酵母の工業用株である。
【００２３】
さらに本発明の別の態様において、前記生物体が、ストレス耐性を改良する必要があるすべての微生物である。
【００２４】
さらに本発明の別の態様において、前記ストレスが、業界で微生物類が遭遇する全ての不都合な条件である。
【実施例】
【００２５】
本発明のプロセスを下記に示す実施例に示したが、それらは、しかし、本発明の範囲を限定するものとみなしてはならない。
【００２６】
実施例１
ストレス耐性増強遺伝子類の酵母ゲノム発現ライブラリースクリーニング
選択マーカーとしてのＵＲＡ３を有する動原体プラスミド中で構成ＡＤＨ１（アルコールデヒドロゲナーゼ１）制御下で作製した酵母ゲノムＤＮＡライブラリーを、アメリカンタイプカルチャーコレクション（ＡＴＣＣ）から入手した。酵母株ＦＹ３（Ｗｉｎｓｔｏｎら、Ｙｅａｓｔ（イースト），１１巻、ｐｐ．５３−５５（１９９５））は、Ｆｒｅｄ Ｗｉｎｓｔｏｎ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ， Ｈａｒｖａｒｄ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｈｏｏｌ、Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ ０２１１５，ＵＳＡ）から入手し、それを全ての形質転換に用いた。このライブラリー由来のプラスミドを、標準的形質転換プロトコール（Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス）．Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル）、Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４））によりＦＹ３株に形質転換した。形質転換体（〜１０５）をプールし、３８℃における発酵に５回供した。平行して、同一プールを３０℃における発酵６回に供した。収穫時点と次の回への移行は、細胞の約９０％が死滅する時点とした。各回の終点における最小培地への接種により、細胞の約５０％がそのプラスミドを消失していることが明らかになった。発酵を繰り返した後、両群ともに別々に処理した。
【００２７】
３８℃選択の結果：選択した群からプラスミドを標準的プロトコールにより取り出し、大腸菌ＪＭ１０９に形質転換した。形質転換体から標準的方法で（Ｓａｍｂｒｏｏｋら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ：Ａ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（モレキュラークローニング：アラボラトリマニュアル）。Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ。Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８９））プラスミドを精製し、制限酵素Ｘｈｏ１により消化した。類似の消化パターンを示すプラスミド類を、その後、２または３種の酵素（Ｘｈｏ１、ＸｂａＩおよびＥｃｏＲＶ）群で消化した。独特の消化パターンを示すプラスミド類２５種を次に酵母に形質転換し、それらの発酵研究を、ベクター単独で形質転換した対照株とともに３８℃において実施した。プラスミド２５種のうち、１０種が発酵４９−５２時間後２０乃至１０００倍の生存性増加を示し、対照と比較して同一量またはわずかにそれを上回るアルコールを産生した。ＡＤＨ１プロモーター特異的プライマーならびにＢＬＡＳＴ配列類似性検索（Ａｌｔｓｈｕｌら、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ Ｒｅｓ（ヌクレイックアシッドリサーチ）．２５巻、ｐｐ．３３８９−３４０２（１９９７））による配列決定により、全９種の挿入物がプロモーターを含めて完全なＲＰＩ１遺伝子を有していることが明らかになった。その他に、このＲＰＩ１遺伝子は、ＡＤＨ１プロモーターに関して、両方の方向に存在していた。このことから、その独自のプロモーターから発現したＲＰＩ１の付加コピーを導入することが、発酵中に増強されたストレス耐性を提供するために十分であると推論できた。
【００２８】
３０℃選択の結果：繰り返し選択６回後に得られた群を、生存性とエタノール産生速度について、非選択親（出発）群と比較した。エタノール産生速度は匹敵していたが、選択した群は、発酵１２７時間後において親群よりも約１５０倍高い生存数を示した。増強された生存性において自然変異増強のいかなるものであってもそれが寄与している可能性を排除するため、選択した群からプラスミドを回収し、大腸菌ＪＭ１０９に形質転換した。大腸菌コロニー１０００個の無作為プールから単離したプラスミド類は、標準的プロトコールに従い、酵母株ＦＹ３に形質転換して戻した。約２００００個の酵母形質転換体がプールされ、さらに３０℃における発酵回数に供した。これらの形質転換体は、親株よりもはるかに優れた生存性を示し、プラスミドに保持された遺伝子類がストレス耐性を増強したことを確認した。これらのプラスミドを再度大腸菌に移し、コロニー３８個由来のプラスミドを単離し、制限酵素消化により分析し、独自のクローンを同定した。１５種の独自のプラスミドをＦＹ３に形質転換して戻し、３０℃発酵中において相対的生存数とエタノール産生を対照群と比較した。これらの中では、９種が、見込みがありそうであった。これらのプラスミドが保持した遺伝子類を、ＡＤＨ１特異的プライマーとＢＬＡＳＴ配列類似性検索により配列決定した。前記９種のクローン中、５種がＷＳＣ４に対応し、３種が特性解析されていない遺伝子ＹＩＬ０５５Ｃを有しており、１種がＣＡＰ２全体、ＳＲＡ１のほとんどおよび少量のＣＫＡ１を包含する約２．９Ｋｂの挿入物を保持していた。さらに研究し、これらの遺伝子類の発酵における役割を確認した。
【００２９】
実施例２
ＲＰＩ１の特性解析
予備的研究から、配列決定に基づき、発明者らは、ＲＰＩ１の単一コピー（Ｒａｃ ｃＡＭＰ経路阻害剤）１の付加で発酵中に増強されたストレス耐性を提供するために十分であると推定した。そこで、発明者らは、組み込みベクターｐＲＳ３０６のＸｈｏＩ部位にＲＰＩ１クローン１個から単離した全２．６ｋｂ挿入物をサブクローニングした。このベクターは、前記ベクターのＵＲＡ３遺伝子内部で直線状とし、酵母株ＦＹ３中に形質転換し、前記ゲノムのＵＲＡ３座における標的組み込みを行った。形質転換体は、最小培地プレートにおけるウラシル原栄養性によって選択した。ＲＰＩ１の付加的コピーをこのようにして前記ゲノムに組み込んだ。先の研究から、ＲＰＩ１破壊物が致死的でないことが明らかにされている（Ｋｉｍら、Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌ（モレキュラーセルバイオロジー）、１１巻、ｐｐ．３８９４−９０４（１９９１））。ＲＰＩ１破壊物は、Ｔｎ３を用いて挿入的突然変異導入によって作製した。破壊物を、Ｔｎ３特異的プライマー類を用いて配列決定することで、確認した。これらの過剰発現および破壊株類を次に、３８℃および３０℃で行った発酵研究で用いた。３８℃における発酵研究は、２０％グルコースにより３８−４４時間行い、一方、３０℃における発酵研究は、２５％グルコースで１０８−１１４時間行った。生存性は、発酵完了時点でモニタリングした。ＲＰＩ１の付加的コピーを有する株類は、３８℃および３０℃両方の発酵研究で対照群に比較して何倍も増強された生存数を示した。ＲＰＩ１破壊コピーを有する株類はかなり低下した生存数を示し、ストレス耐性におけるＲＰＩ１の役割を確認した。しかし、ＲＰＩ１の付加的コピーを有する株類は、最初は発酵速度が遅く、ただし、最終的に作製されたエタノール量では、野生型と異ならなかった。
【００３０】
混合培養研究：ＲＰＩ１過剰発現株で観察された増強生存数が、発酵速度が遅いことによるか議論があるところであろう。この可能性を排除するため、混合培養発酵を行った。ＲＰＩ１の付加コピーを有する株を、Ｇ４１８耐性マーカーを有する等量の対照野生型と混合した。このＧ４１８耐性マーカーは、発酵中に細胞の挙動または生存性に影響を及ぼさず、混合発酵後の試験株と対照株を識別するマーカーとして作用する。混合培養物の発酵速度は、野生型株の発酵速度に匹敵した。発酵後、付加的ＲＰＩ１コピーを有する試験株は、３８℃（表１ａ）および３０℃（表１ｂ）において野生型よりも約１００倍高い生存数を示した。対照的に、ＲＰＩ１を欠損した株の生存性は、対照株に比較して非常に劣っていた。これらの結果は、ＲＰＩ１がエタノール発酵中における酵母のストレス耐性に重要であることを示している。
【００３１】
【表１ａ】
【００３２】
【表１ｂ】
【００３３】
ＲＰＩ１は、先に、Ｒａｓ２変異により導入された熱ショック表現型を抑制するＲａｓ２変異の高コピー数のサプレッサーとして同定された（Ｋｉｍら、Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｂｉｏｌ（モレキュラーセルバイオロジー）、１１巻、ｐｐ．３８９４−９０４（１９９１））。後の研究では、それがＲａｓ−ｃＡＭＰ経路に関連しておらず、おそらく細胞を静止期への導入に準備させる転写因子であろうということが、証明された（真核細胞、１１巻、ｐｐ．５６−６５（２００２））。発明者らの研究では、ＲＰＩ１もまた、エタノール発酵中におけるストレス耐性にとって重要であること、およびその過剰発現を用いて酵母の生存率を何倍にも高められることが明らかになった。
【００３４】
実施例３
ＷＳＣ４の特性解析
３０℃における発酵から同定されたＷＳＣ４（細胞壁一体性およびストレス応答成分）遺伝子は、分泌タンパク質転座のため、細胞壁一体性の維持およびＳ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ（サッカロマイセス・セレビジアエ）におけるストレス応答のため必要であることが公知である（Ｖｅｒｎａら、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ（米国アカデミー紀要）、９４巻、ｐｐ．１３８０４−９（１９９７））。発酵ストレスにおけるその挙動を調べるため、完全ＷＳＣ４遺伝子をそのプロモーターとともに組み込みベクターＰＲＳ３０６中にサブクローニングした。この遺伝子を次に、ｕｒａ３座における相同組み換えによりゲノム中に組み込み、したがって、コピー数を１だけ増加させた。ＷＳＣ４破壊物もまた、トランスポゾン突然変異導入により作製し、さらに、配列決定により確認した。３０℃において２５％グルコースにより１０８時間の発酵研究により、それが、野生型に比較して５乃至１０倍生存を高めることができることが明らかになった。さらに、野生型株とともに混合培養発酵研究を行い、ＷＳＣ４が、サッカロマイセス・セレビジアエ（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）株のストレス耐性を改善することが明らかになった（表２）。多量のＷＳＣ４欠失株は、混合プールで顕著に減少する。この結果は、ＷＳＣ４が発酵中のストレス耐性を改善するために活用できることを明らかにしている。
【００３５】
【表２】
【００３６】
実施例４
ＹＩＬ０５５ｃの特性解析
機能未知の遺伝子であるＹＩＬ０５５ｃを、同様に、３０℃における過剰発現スクリーンから単離した。ストレス耐性におけるその役割を確認するため、この遺伝子類のＯＲＦを、組み込みベクターｐＧＶ８中に強力なＧＰＤ１プロモーターの制御下にサブクローニングした。この組み換え構築体を次に、株ＦＹ３のｕｒａ３座において組み込んだ。この遺伝子を、トランスポゾン突然変異導入により破壊し、配列決定により確認した。３０℃における発酵研究により、ＹＩＬ０５５ｃの過剰発現時に、発酵速度がかなり低下することが明らかになった。ただし、それは、野生型と同様に発酵を完了することができる。破壊物は、正常発酵速度を示した。３０℃における混合培養発酵において、野生型の混合培養対照と同じ速度でこれらの過剰発現株類は発酵した。これらの株類は、それでもなおかつ、野生型細胞に比較して生存性の高まりを付与した（表３）。このことは、増強された生存が発酵速度低下によるのではないことを示唆している。ストレス耐性におけるＹＩＬ０５５ｃの役割はＲＰＩ１のそれと非常によく似ており、従って、これらの遺伝子類は、同一ストレス応答経路の一部であるらしい。
【００３７】
【表３】
【００３８】
実施例５
ＳＲＡ１の特性解析
スクリーニングした別のクローンには、ＳＲＡ１断片を含む３種の遺伝子類が含まれていた。このクローン由来のＳＲＡ１部分を、強力なプロモーターＧＰＤ１の制御下にｐＧＶ８中にサブクローニングし、酵母ゲノムに組み込んだ。発酵研究では、３０℃におけるＳＲＡ１過剰発現クローンにより行った。それは、２５％糖による発酵１０８時間後に数倍に増強された生存を示した。過剰発現ＳＲＡ１を有する株類は、エタノール産生において当初ラグを示したが、野生型が要するのと同一の時間スパンにおいて発酵を完了した。さらに混合培養発酵研究により、正常な発酵速度が明らかになったが、しかし、対照株に比較して生存が増強された（表４）。ＳＲＡ１破壊物は、それ自体の正常増殖時に生存低下を示し、従って、これらの株では、発酵研究は行わなかった。
【００３９】
【表４】
【００４０】
ＳＲＡ１は、ｃＡＭＰ依存性プロテインキナーゼ阻害剤活性を有している。ＳＲＡ１の過剰発現は、ＰＫＡの会合または解離の平衡を非解離状態にむけてそのサブユニット中へ移行させる（Ｐｏｒｔｅｌａら、Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ（マイクロバイオロジー）、１４７巻、ｐｐ．１１４９−１１５９（２００１））。それはまたグリコーゲンの過大蓄積をもたらし、熱ショック耐性を改善した。したがって、ＳＲＡ１は過剰発現すると、低ＰＫＡ活性とストレス耐性増強につながる。低下したＰＫＡ活性の結果、増殖速度も低下する（Ｖａｎ Ｄｉｊｃｋら、Ｊ Ｍｏｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ（ジャーナル・オブ・モレキュラーミクロバイオロジー＆バイオテクノロジー）、２巻、ｐｐ．５２１−５３０（２０００））。このことは、ＳＲＡ１過剰発現時に観察された発酵速度低下を説明できた。しかし、混合培養発酵におけるその生存性増強は、増強されたストレス耐性が発酵速度低下によるものではないことを明らかにしている。過剰発現ストラテジーによるＳＲＡ１の単離は、ストレス耐性におけるｃＡＭＰ経路の役割がすでにＲＡＳ変異体による研究で確立されているので、このストラテジーの有効性を証明している。
【００４１】
実施例６
過剰発現株のゲノム規模での適合性プロファイリング
単一チップ中で全ゲノムをモニターするためにマイクロアレイは広く用いられている。何千という遺伝子間での相互作用の優れた見通しを同時に与える。ここで、発明者らは、ＤＮＡに基づくマイクロアレイを用い、プラスミド上に存在する遺伝子類を同時にモニターしその発酵ストレスにおける役割を調べた。酵母株ＦＹ３を、実施例１に記載のように、全ゲノム過剰発現ライブラリーにより形質転換した。約２００００個の形質転換体のプールを最小培地中で２４時間増殖させ、２つのプールに分けた。ひとつのプールは、非選択群として保持し、もうひとつは、３８℃における発酵２回に供した。各回の後、細胞を採取し、最小培地中で増殖させ、プラスミド保持細胞を高濃度にした。２回終了時点で、トータルＤＮＡを標準的プロトコールにより（Ｋａｉｓｅｒら、Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｙｅａｓｔ ｇｅｎｅｔｉｃｓ（メソッズ・イン・イーストジェネティックス），Ａ Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（コールドスプリングハーバーラボラトリマニュアル），Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９４））選択し、さらに選択しなかった細胞のプールから単離した。トータルＤＮＡ中に存在するプラスミドの挿入ＤＮＡ断片類は、挿入ＤＮＡの両方の末端に存在するアダプター配列に相補性のプライマー（５´−ＣＡＣＧＡＧＣＴＡＣＧＴＣＡＧＧＧ−３´）を用いて特異的に増幅させた。容量２５μｌでＰＣＲ反応を設定した。それは、テンプレート１００ｎｇ、１×Ｔａｑバッファー（ＮＥＢ）、プライマー０．４ｍＭ、０．２ｍＭのｄＮＴＰｓ、および５ＵのＴａｑ ＤＮＡポリメラーゼを含んでいた。熱サイクル条件は、下記のようであった：９５℃における変性を５分間の後、９４℃１分間変性、６０℃１分間のアニーリング、および７２℃における４分間の伸長を３０サイクル、行った。この後、最終伸長を７２℃で１０分間行った。ＰＣＲ産物は、両群でアガロースゲル電気泳動によりサイズ範囲の均一性を調べ、その後、ＰＣＲ精製キット（Ｑｉａｇｅｎ）を用いて精製した。各群からの精製したＰＣＲ産物１μｇを、Ｃｙ３またはＣｙ５によりランダムプライマーラベリングにより標識した。各標識反応において、純粋なＰＣＲ産物１μｇ、ランダムプライマー類１０μｇ（ノナマー）、アラビドプシス（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ）コントロールＤＮＡを２ｎｇ、ｄＣＴＰを含まないｄＮＴＰｓ０．５ｍＭ、１×クレノウ緩衝液、いずれかのフルオロホア（Ｃｙ５／Ｃｙ３ ｄＣＴＰ）２μｌおよび５０ＵのＤＮＡポリメラーゼ（ＮＥＢ）のクレノウ断片を添加した。反応物を、３７Ｃにおいて１２時間インキュベーションし、０．５Ｍ ＥＤＴＡを２．５μｌ添加することによって終結させた。標識産物を、ＰＣＲ精製キットを用いて精製した。標識物は、スライドグラスにスポットした純粋なサンプルと不純サンプルの系列希釈物を比較することによって、定量した。これらはマイクロアレイ上でスキャンし、取り込み百分率を見出した。ハイブリダイゼーションのため、Ｃｙ５およびＣｙ３標識ＤＮＡ断片類を等しい割合で混合し、容量を１８μｌにした。これを９５℃で２分間、熱変性させた。８０μｌのハイブリダイゼーション反応を設定した。この中に、標識プローブ１８μｌ、１×ハイブリダイゼーション緩衝液、１．６μｌの１０％ＳＤＳおよび４０μｌのホルムアミドを混合した。この全容量をマイクロアレイスライドグラス上に置き、注意してカバースリップで覆った。ハイブリダイゼーションは、ハイブリダイゼーションチェンバー中で設定し、４２℃の水浴中で１２時間、インキュベーションした。スライドの洗浄は、標準的プロトコールに従い、行った（Ｂｏｗｔｅｌｌら、ＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ（ＤＮＡマイクロアレイ）． Ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｌｏｎｉｎｇ ｍａｎｕａｌ（アモレキュラークローニングマニュアル）．Ｃｏｌｄ ｓｐｒｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｒｅｓｓ．Ｃｏｌｄ ｓｐｒｉｎｇ ｈａｒｂｏｒ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（２００２））。次に、これらのスライドをＡｘｏｎ４０００Ｂマイクロアレイスキャナーでスキャンした。データ解析にはＧｅｎｅｐｉｘ Ｐｒｏソフトウェアを用いた。実験は、異なるライブラリー２つで行い、一貫性を調べた。その他に、色素スワップ実験も同様に行い、標識におけるバイアスを排除した。出発群に比較して選択群のＤＮＡについて高いシグナルを示す特徴（遺伝子類）は、選択中に高濃度になったものであり、従って、選択条件中で高い適合性を有している。
【００４２】
実施例７
コロニーハイブリダイゼーションによる適合性増強を付与する高濃度遺伝子類の回収
ストレス耐性に役割を果たす遺伝子類を、直接、コロニーハイブリダイゼーションを用いてゲノムライブラリーから単離できる。全遺伝子プローブを調製し、全マイクロアレイ中で一貫して高濃度になった遺伝子を調製した。発酵４回の終了時に選択した群から検索回収したプラスミド類は、標準的プロトコールにより大腸菌中に形質転換した。大腸菌形質転換体１０００個が、ＬＢ−ａｍｐプレート上に散らばっていた。コロニーハイブリダイゼーションのため、Ｈｙｂｏｎｄ（Ｎ）ナイロン膜を用いる標準的プロトコールに従った（Ｓａｍｂｒｏｏｋら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｌｏｎｉｎｇ：Ａ ｌａｂｏａｔｏｒｙ ｍａｎｕａｌ（モレキュラークローニング：アラボラトリマニュアル）。Ｃｏｌｄ Ｓｐｒｉｎｇ Ｈａｒｂｏｒ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｐｒｅｓｓ。Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８９））。各遺伝子について、多くのクローンが単離できた。プラスミド類（無作為に採取したクローン由来）は、アルカリ融解法で単離し、ＸｈｏＩ酵素により制限酵素分解し、独自の大きさの挿入物を同定した。独特に見えるものを、ＡＤＨ１特異的プライマーを用いて配列決定した。これらをさらに特性解析し、酵母に形質転換し、それらの発酵ストレス耐性における役割を確認した。挿入物の一部は、１を越える遺伝子を保持しているかまたは追加の部分遺伝子類を保持していた。その他に、配列決定により、ＡＤＨ１プロモーターに関して遺伝子の方向を見出すこともできた。ＲＰＩ１、ＭＫＴ１、ＥＣＭ３９、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６に対応する挿入物を同定し、この手法を用いて特性解析した。
【００４３】
実施例８
ＷＳＣ２の役割の確認
マイクロアレイに基づくスクリーニングにより、ＷＳＣ２が全ての実験群で高濃縮されていることが明らかになった。従って、過剰発現と破壊クローン類を作製し、その役割を確認した。過剰発現クローン類は、その内因性プロモーターをＧＰＤ１プロモーターと置き換えることによって得られ（Ｐｅｔｒａｃｅｋら、Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｅｎｚｙｍｏｌ．（メソッズインエンザイモロジー），３５０巻、ｐｐ．４４５−４６８（２００２））、一方、破壊物は、ＷＳＣ２コード領域をＵＲＡ３マーカーにより置換することによって作製した。これらをＵＲＡ３欠失株に形質転換した。２０％糖による３８℃における発酵研究により、ＷＳＣ２過剰発現クローン類が、発酵終了時点で野生型よりも５０乃至１００倍、より優れた生存を示すことが明らかになった。それは、野生型に比べて発酵速度においていかなる変化も示さなかった。３８℃で行った混合培養発酵研究においてさえも、この株は、Ｇ４１８Ｒ対照株に比較して発酵終了時点で主要なものとなった（表５）。ＷＳＣ２は、ＷＳＣ４と同一ファミリーに属しており、細胞壁一体性経路に関与している。ＷＳＣ遺伝子類は、機能的には必要のないものである。全てを欠失させるかあるいは組み合わせて欠失させるまで、その役割を同定することはできない。しかし、この過剰発現ストラテジーは、もはや必要のない遺伝子類のそれぞれのメンバーの役割を同定できた。ＷＳＣはシグナル分子類のファミリであり、環境ストレス応答で重要な下流のＲｈｏ１およびＭＡＰキナーゼ経路を活性化する。さらに、増殖または発酵速度にいかなる明らかな効果も見られず、このことは、これらがＰＫＡ非依存性に活性化することを示唆している。したがって、ＷＳＣ経路のさらなる研究は、発酵ストレス耐性について株類を改良するのに役立つことができる。
【００４４】
【表５】
【００４５】
実施例９
適合性プロファイリングにより同定された他の遺伝子類
マイクロアレイ中に一貫して出現した多くの他の遺伝子類は、それらの発酵ストレス耐性における役割を、混合培養発酵研究を行うことによって確認した。第２回の選択群から単離し特異的遺伝子類についてコロニーハイブリダイゼーションによって同定した多くの他のプラスミド類は、ＦＹ３酵母株中に形質転換した。これらの形質転換体類は、混合培養発酵研究に供した。ここで、過剰発現試験株類は、等比率でＧ４１８Ｒ野生型対照株と混合した。発酵研究は、２０％糖により３８℃で行った。発酵終了時点で生存していたＧ４１８感受性細胞は、Ｇ４１８Ｒ細胞と比較した。ＥＣＭ３９（表６）およびＭＫＴ１（表７）の場合、９０％を超える群の過剰発現クローン類は、主にＧ４１８感受性試験株類であり、ＡＤＥ１６の場合、８５％を超える群のものは、ＡＤＥ１６過剰発現株に対応している（表８）。ＳＯＬ１形質転換体は、８０％と混合培養群で優位であった（表９）。ＥＣＭ３９、ＭＫＴ１およびＡＤＥ１６遺伝子類は、プラスミド類中ＡＤＨ１プロモーターに関して、反対の方向で存在していた。これらの遺伝子類のために、単一コピーの付加が、発酵中の増強ストレス耐性付与に十分であるようである。これらの遺伝子類の全ては前記文献中で公知であるが、発明者らの手法のみが発酵ストレス耐性におけるそれらの役割をもたらした。
【００４６】
【表６】
【００４７】
【表７】
【００４８】
【表８】
【００４９】
【表９】
【産業上の利用可能性】
【００５０】
要約すると、本発明はいくつかの利点を有している：
【００５１】
本発明において、過剰発現時にストレス耐性をおそらく増強できる生物体遺伝子類全てが、同時に同定される。これは、ストレス耐性に関与する遺伝子類が最初に同定され次に一度にひとつずつ過剰発現させそれらがストレス耐性を改善しているかどうかを調べる公知方法類と対照的である。現行方法類の限界は、過剰発現遺伝子類のいくつかのみが結果として改善をもたらすであろうということである。その利点は、あるプロセスに関与する遺伝子類のいくつかのみが律速性であり、もしこれらの遺伝子類が過剰発現される場合にのみ、改良されるであろう。一方、発明者らの手法では、実際のストレス耐性を改良する遺伝子類のみが直接同定される。したがって、発明者らの発明は労力が少なく、より効率的である。
【００５２】
本発明はまた、増殖ならびにストレス耐性に必須の遺伝子類も同定するであろう。対照的に、突然変異に基づく方法は、このような遺伝子類をほとんど見逃すであろうが、その理由は、必須遺伝子類を傷害された変異体は、それらを最初に研究すべき第１ステップで増殖できないであろう。
【００５３】
本発明はまた、複製遺伝子類のメンバーを同定するであろう。対照的に、変異に基づく手法では、複製遺伝子類が、互いの機能喪失を補償しあうので、このような遺伝子類を頻繁に見逃すであろう。
【００５４】
本発明はまた、液体培地中でのエタノール発酵中におけるストレス耐性のようなある種の表現型を研究するためにプレートスクリーンがないという限界を克服する。これはおそらく、単一プール中に形質転換体全てを豊富に存在させ、実際に、これらの形質転換体中に存在するプラスミド類上に保持された遺伝子類の豊富さをモニタリングすることによって、定量的に追跡できるからであろう。すなわち、プラスミド類自体に保持された遺伝子類は、ＤＮＡタグとして作用し、前記プール中に存在する異なる形質転換体類を区別させる。
【００５５】
本発明はまた、定量的に研究すべき異なる遺伝子類の適合性寄与を小さくできる。このことは、おそらく、全形質転換体類が単一プールとして研究され、従って、同一のかつ競合的選択的条件を経験することによるのであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同定する方法であって、
ａ．プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーで酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
ｂ．ステップ（ａ）で得られた前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
ｃ．ステップ（ｂ）で得られた前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
ｄ．ステップ（ｃ）で得られた生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
ｅ．ステップ（ｄ）で得られた前記細胞をさらに、前記ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
ｆ．ステップ（ｅ）で得られた少なくとも３回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
ｇ．選択条件下で出発細胞群とステップ（ｆ）で得られた選択した細胞群を比較し、選択した細胞の生存が増強されたことを確認すること、
ｈ．ステップ（ｇ）で得られた選択した細胞プールをプレートに接種し、単離コロニーを得ること、
ｉ．ステップ（ｈ）で得られたそれぞれの酵母コロニーからＤＮＡを単離し、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）中に形質転換し、それぞれの酵母コロニー中に存在するプラスミドを回収すること、
ｊ．ステップ（ｉ）で得られたプラスミド類を酵母中に形質転換し、プラスミドが実際に前記選択条件下で増強された耐性を付与するかどうかを調べるために前記形質転換体を試験すること、そして、
ｋ．配列決定により、増強ストレス耐性を付与するステップ（ｊ）で得られたプラスミド上に保持された遺伝子類を同定すること、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の酵母のストレス耐性を高める遺伝子類を同定する方法であって、発酵条件下で下記のステップを含む方法：
ａ．プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーにより酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
ｂ．ステップ（ａ）で得られた前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
ｃ．ステップ（ｂ）で得られた前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
ｄ．ステップ（ｃ）で得られた生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
ｅ．ステップ（ｄ）で得られた細胞をさらに、前記ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
ｆ．少なくとも１回の選択後に生存していたステップ（ｅ）で得られた細胞を回収すること、
ｇ．トータルＤＮＡを形質転換体出発群とステップ（ｆ）で得られた選択群から単離すること、
ｈ．プラスミド特異的プライマー類を用いて、ステップ（ｇ）で得られたトータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡのみを特異的に増幅させること、
ｉ．形質転換体出発群のステップ（ｈ）で得られた挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識すること、
ｊ．ステップ（ｉ）で得られた前記標識プローブ類を混合し、酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡをスポットしたマイクロアレイにハイブリダイズさせること、
ｋ．出発群のシグナルと比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すステップ（ｊ）で得られたマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを同定すること、および
ｌ．ステップ（ｋ）で得られたＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を有する組換えプラスミドクローン類を、選択中において酵母のストレス耐性を高めるものとして単離すること。
【請求項３】
前記酵母を、すでに特定のストレスに対して耐性となっている生物体由来の遺伝子類ライブラリーで形質転換する請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
使用した前記酵母株が、サッカロマイセス・セレビジアエ（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記プラスミドが、構成プロモーターを有する発現プラスミドである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記プラスミドが、誘導プロモーターを有する発現プラスミドである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項で同定した遺伝子類を有する組換えプラスミド類で形質転換することによって酵母のストレス耐性を改良する方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のようにして同定した遺伝子類を過剰発現する組換えプラスミド類で形質転換することによって酵母のストレス耐性を改良する方法で、
ａ．構成プロモーターの制御下に前記遺伝子のコード領域をサブクローニングし、前記遺伝子を過剰発現する組換えプラスミドを得ること、および
ｂ．ステップ（ａ）で得られた組換えプラスミドで酵母を形質転換することによってストレス耐性を改良すること、
を含む。
【請求項９】
前記プラスミドが誘導プロモーターを有する発現プラスミドである請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記プラスミドが組み込みプラスミドである請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
酵母ゲノム中に存在する標的遺伝子のプロモーターを強力な構成プロモーターで置き換えることによって、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のようにして同定した標的遺伝子類の発現レベルを調節することによって酵母のストレス耐性を改良する方法。
【請求項１２】
前記プロモーターが誘導プロモーターである請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記遺伝子類がＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＥＣＭ３９、ＳＳＫ２、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択される請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の酵母ストレス耐性を改良する方法。
【請求項１４】
前記ストレスがアルコール産生条件下における発酵性ストレスである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ストレスが、３７乃至４０℃範囲の高温におけるアルコール産生条件下における発酵性ストレスである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
グルコースまたはショ糖がアルコール産生のための原材料である請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
糖蜜または他の複合炭素源がアルコール産生のための原材料として作用する請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
前記生物体が酵母の実験室株である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記生物体が酵母の工業株である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記生物体がストレス耐性のために改良を必要としているすべての微生物である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記ストレスが、工業界で微生物類が遭遇する全ての悪影響のある条件である請求項１乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
酵母株改良のために請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の方法を用いることによって同定された遺伝子類の使用。
【請求項２３】
酵母株改良のために請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の方法を用いることによって同定されたＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＥＣＭ３９、ＳＳＫ２、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択される遺伝子類の使用。
【請求項１】
酵母のストレス耐性を増強する遺伝子類を同定する方法であって、
ａ．プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーで酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
ｂ．ステップ（ａ）で得られた前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
ｃ．ステップ（ｂ）で得られた前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
ｄ．ステップ（ｃ）で得られた生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
ｅ．ステップ（ｄ）で得られた前記細胞をさらに、前記ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
ｆ．ステップ（ｅ）で得られた少なくとも３回の選択後に生存していた細胞を回収すること、
ｇ．選択条件下で出発細胞群とステップ（ｆ）で得られた選択した細胞群を比較し、選択した細胞の生存が増強されたことを確認すること、
ｈ．ステップ（ｇ）で得られた選択した細胞プールをプレートに接種し、単離コロニーを得ること、
ｉ．ステップ（ｈ）で得られたそれぞれの酵母コロニーからＤＮＡを単離し、大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）中に形質転換し、それぞれの酵母コロニー中に存在するプラスミドを回収すること、
ｊ．ステップ（ｉ）で得られたプラスミド類を酵母中に形質転換し、プラスミドが実際に前記選択条件下で増強された耐性を付与するかどうかを調べるために前記形質転換体を試験すること、そして、
ｋ．配列決定により、増強ストレス耐性を付与するステップ（ｊ）で得られたプラスミド上に保持された遺伝子類を同定すること、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の酵母のストレス耐性を高める遺伝子類を同定する方法であって、発酵条件下で下記のステップを含む方法：
ａ．プラスミド中にクローニングした酵母遺伝子ライブラリーにより酵母を形質転換し、多数の酵母形質転換体を提供すること、
ｂ．ステップ（ａ）で得られた前記形質転換体をプールして、形質転換体出発群を提供すること、
ｃ．ステップ（ｂ）で得られた前記形質転換体群を細胞群の生存性が３ないし２００倍低下するような選択条件に供し、それによってこれらの条件下でよりよく生存できる形質転換細胞を豊富にすること、
ｄ．ステップ（ｃ）で得られた生存細胞を回収し、プラスミド保持細胞のみの増殖を可能とする規定最小培地中でそれらを増殖させること、
ｅ．ステップ（ｄ）で得られた細胞をさらに、前記ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことにより、さらに何回かの選択に供すること、
ｆ．少なくとも１回の選択後に生存していたステップ（ｅ）で得られた細胞を回収すること、
ｇ．トータルＤＮＡを形質転換体出発群とステップ（ｆ）で得られた選択群から単離すること、
ｈ．プラスミド特異的プライマー類を用いて、ステップ（ｇ）で得られたトータルＤＮＡからプラスミド上に保持された挿入ＤＮＡのみを特異的に増幅させること、
ｉ．形質転換体出発群のステップ（ｈ）で得られた挿入ＤＮＡ断片を蛍光色素で標識し、選択群のそれは、別の蛍光色素で標識すること、
ｊ．ステップ（ｉ）で得られた前記標識プローブ類を混合し、酵母のほとんど全ての遺伝子類に対応するＤＮＡをスポットしたマイクロアレイにハイブリダイズさせること、
ｋ．出発群のシグナルと比較して選択群に対応するプローブについて増強シグナルを示すステップ（ｊ）で得られたマイクロアレイ上のＤＮＡスポットを同定すること、および
ｌ．ステップ（ｋ）で得られたＤＮＡスポットに対応する遺伝子類を有する組換えプラスミドクローン類を、選択中において酵母のストレス耐性を高めるものとして単離すること。
【請求項３】
前記酵母を、すでに特定のストレスに対して耐性となっている生物体由来の遺伝子類ライブラリーで形質転換する請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
使用した前記酵母株が、サッカロマイセス・セレビジアエ（Ｓ．ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記プラスミドが、構成プロモーターを有する発現プラスミドである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記プラスミドが、誘導プロモーターを有する発現プラスミドである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項で同定した遺伝子類を有する組換えプラスミド類で形質転換することによって酵母のストレス耐性を改良する方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のようにして同定した遺伝子類を過剰発現する組換えプラスミド類で形質転換することによって酵母のストレス耐性を改良する方法で、
ａ．構成プロモーターの制御下に前記遺伝子のコード領域をサブクローニングし、前記遺伝子を過剰発現する組換えプラスミドを得ること、および
ｂ．ステップ（ａ）で得られた組換えプラスミドで酵母を形質転換することによってストレス耐性を改良すること、
を含む。
【請求項９】
前記プラスミドが誘導プロモーターを有する発現プラスミドである請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記プラスミドが組み込みプラスミドである請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
酵母ゲノム中に存在する標的遺伝子のプロモーターを強力な構成プロモーターで置き換えることによって、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のようにして同定した標的遺伝子類の発現レベルを調節することによって酵母のストレス耐性を改良する方法。
【請求項１２】
前記プロモーターが誘導プロモーターである請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記遺伝子類がＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＥＣＭ３９、ＳＳＫ２、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択される請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の酵母ストレス耐性を改良する方法。
【請求項１４】
前記ストレスがアルコール産生条件下における発酵性ストレスである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ストレスが、３７乃至４０℃範囲の高温におけるアルコール産生条件下における発酵性ストレスである請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
グルコースまたはショ糖がアルコール産生のための原材料である請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
糖蜜または他の複合炭素源がアルコール産生のための原材料として作用する請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
前記生物体が酵母の実験室株である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記生物体が酵母の工業株である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記生物体がストレス耐性のために改良を必要としているすべての微生物である請求項１乃至１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記ストレスが、工業界で微生物類が遭遇する全ての悪影響のある条件である請求項１乃至２０のいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
酵母株改良のために請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の方法を用いることによって同定された遺伝子類の使用。
【請求項２３】
酵母株改良のために請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の方法を用いることによって同定されたＲＰＩ１、ＷＳＣ２、ＷＳＣ４、ＹＩＬ０５５Ｃ、ＳＲＡ１、ＥＣＭ３９、ＳＳＫ２、ＭＫＴ１、ＳＯＬ１およびＡＤＥ１６から構成される群から選択される遺伝子類の使用。
【公表番号】特表２００９−５０２１５８（Ｐ２００９−５０２１５８Ａ）
【公表日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２３４７４（Ｐ２００８−５２３４７４）
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／００１９１０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１２９３４
【国際公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【出願人】（５０５１８５７０９）カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ (35)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１１日（２００６．７．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００６／００１９１０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１２９３４
【国際公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【出願人】（５０５１８５７０９）カウンシル オブ サイエンティフィック アンド インダストリアル リサーチ (35)
【Ｆターム（参考）】
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