JP2002534115A5 - - Google Patents

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JP2002534115A5
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【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列と、(b)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の相補体と、(c)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の逆相補体と、(d)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の逆配列と、(e)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列に対し、コンピューターアルゴリズムBLASTNを用いて、少なくとも40%同一のヌクレオチドを有する配列と、(f)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列に対し、コンピューターアルゴリズムBLASTNを用いて、少なくとも60%同一のヌクレオチドを有する配列と、(g)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列に対し、コンピューターアルゴリズムBLASTNを用いて、少なくとも75%同一のヌクレオチドを有する配列と、(h)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列に対し、コンピューターアルゴリズムBLASTNを用いて、少なくとも90%同一のヌクレオチドを有する配列と、(i)上記の(a)ないし(d)に列挙された配列の200マーのヌクレオチド配列と、(j)上記の(a)ないし(d)に列挙された配列の100マーのヌクレオチド配列と、(k)上記の(a)ないし(d)に列挙された配列の40マーのヌクレオチド配列と、(l)上記の(a)ないし(d)に列挙された配列の20マーのヌクレオチド配列とからなるグループから選択される配列を含む、単離されたポリヌクレオチド。
【請求項2】
請求項1に記載のポリヌクレオチドにエンコードされる、単離されたポリペプチド。
【請求項3】
(a)配列識別番号第68−130、482−832及び889−945番の配列と、(b)(a)の配列に対し少なくとも50%同一の残基を有する配列と、(c)(a)の配列に対し少なくとも70%同一の残基を有する配列と、(d)(a)の配列に対し少なくとも90%同一の残基を有する配列とからなるグループから選択されるアミノ酸配列を含む、単離されたポリペプチド。
【請求項4】
請求項3に記載のポリペプチドをエンコードする、単離されたポリヌクレオチド。
【請求項5】
請求項1に記載のポリヌクレオチドを含む、DNAコンストラクト。
【請求項6】
請求項5に記載のDNAコンストラクトを含む、トランスジェニック細胞。
【請求項7】
5’から3’の方向に、(a)遺伝子プロモーター配列と、(b)請求項1に記載の単離されたポリヌクレオチドにエンコードされるポリペプチドの少なくとも機能性のある部分をコードするオープン・リーディング・フレームと、(c)遺伝子ターミネーション配列とを含む、DNAコンストラクト。
【請求項8】
オープン・リーディング・フレームはセンス方向である、請求項7に記載のDNAコンストラクト。
【請求項9】
オープン・リーディング・フレームはアンチセンス方向である、請求項7に記載のDNAコンストラクト。
【請求項10】
遺伝子プロモーター配列と遺伝子ターミネーション配列は植物宿主で機能性がある、請求項7に記載のDNAコンストラクト。
【請求項11】形質転換細胞の同定用のマーカーを含む、請求項7に記載のDNAコンストラクト。
【請求項12】5’から3’への方向に、(a)遺伝子プロモーター配列と、(b)請求項1ないし6及び9のいずれか1つの単離されたポリヌクレオチドのノンコーディング領域と、(c)遺伝子ターミネーション配列とを含む、DNAコンストラクト。
【請求項13】
ノンコーディング領域はセンス方向である、請求項12に記載のDNAコンストラクト。
【請求項14】
ノンコーディング領域はアンチセンス方向である、請求項12に記載のDNAコンストラクト。
【請求項15】
遺伝子プロモーター配列と遺伝子ターミネーション配列は植物宿主において機能性がある、請求項12に記載のDNAコンストラクト。
【請求項16】
請求項7ないし15のいずれか1つのDNAコンストラクトを含む、トランスジェニック植物細胞。
【請求項17】
請求項16に記載のトランスジェニック植物細胞を含む植物あるいはその部分、零余子又は子孫。
【請求項18】
植物は木本植物である、請求項17に記載の植物。
【請求項19】
植物はユーカリ、マツ、アカシア、ポプラ、スイートゴム、チーク及びマホガニーの種からなるグループから選択される、請求項18に記載の植物。
【請求項20】
請求項7ないし15のいずれか1つに記載のDNAコンストラクトを植物ゲノムに安定的に取り込むことを含む、植物の細胞シグナル伝達を改変するための方法。
【請求項21】
植物は木本植物である、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
植物はユーカリ、マツ、アカシア、ポプラ、スイートゴム、チーク及びマホガニーの種からなるグループから選択される、請求項21に記載の方法。
【請求項23】
(a)トランスジェニック細胞を提供するために請求項7ないし15のいずれか1つに記載のDNAコンストラクトで植物細胞を形質転換することと、(b)再生及び成熟した植物の成長に導く条件下で前記トランスジェニック細胞を培養することを含む、細胞シグナル伝達を改変された植物を作出する方法。
【請求項24】
植物は木本植物である、請求項23に記載の方法。
【請求項25】
植物はユーカリ、マツ、アカシア、ポプラ、スイートゴム、チーク及びマホガニーの種からなるグループから選択される、請求項24に記載の方法。
【請求項26】
請求項7ないし15のいずれか1つに記載のDNAコンストラクトを植物ゲノムに安定的に取り込むことを含む、植物のポリペプチドの活性を改変するための方法。
【請求項27】
植物は木本植物である、請求項26に記載の方法。
【請求項28】
植物はユーカリ、マツ、アカシア、ポプラ、スイートゴム、チーク及びマホガニーの種からなるグループから選択される、請求項27に記載の方法。
【請求項29】
請求項1に列挙されたヌクレオチド配列の10個の連続した残基と相補的な少なくとも10個の連続した残基を含む、単離されたオリゴヌクレオチドプローブ又はプライマー。
【請求項30】
請求項29に記載の複数のオリゴヌクレオチドプローブ又はプライマーを含むキット。
【請求項31】
複数のポリヌクレオチドを記録した記録媒体であって、少なくとも1つのポリヌクレオチドは請求項1に列挙されたヌクレオチド配列を含む、記録媒体。
[Claims]
(1)
(A) the sequences provided in SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888, and (b) the sequences listed in SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888. (C) reverse complements of the sequences listed under Nos. 1-67, 131-481 and 833-888, and (d) Nos. 1-67, 131-481 and Using the computer algorithm BLASTN, the reverse sequence of the sequence listed at position 833-888 and (e) the sequence provided at sequence ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888 using the computer algorithm BLASTN, % Of the sequence having the same nucleotide and (f) the sequence provided in SEQ ID NOs: 1-67, 131-481 and 833-888, the computer algorithm BL Using STN, the sequence having at least 60% identical nucleotides and (g) the sequence provided in SEQ ID NOs: 1-67, 131-481 and 833-888 using the computer algorithm BLASTN, (H) using a computer algorithm BLASTN, at least 90% identical to a sequence having nucleotides at least 75% identical to the sequence provided in SEQ ID NOs: 1-67, 131-481, and 833-888. (I) a 200-mer nucleotide sequence of the sequences listed in (a) to (d) above, and (j) 100 nucleotides of the sequence listed in (a) to (d) above. And (k) the 40-mer nucleotide of the sequences listed in (a) to (d) above. And de sequence comprises a sequence selected from the group consisting of a 20-mer nucleotide sequence of the sequence listed in (l) to (a) above no (d), isolated polynucleotide.
(2)
An isolated polypeptide encoded by the polynucleotide of claim 1.
(3)
(A) a sequence having at least 50% residue identity to the sequence of SEQ ID Nos. 68-130, 482-832 and 889-945, and (c) (a) A) a sequence having at least 70% identical residues to the sequence of (d) and (d) a sequence having at least 90% identical residues to the sequence of (a). An isolated polypeptide.
(4)
An isolated polynucleotide encoding the polypeptide of claim 3.
(5)
A DNA construct comprising the polynucleotide according to claim 1.
6.
A transgenic cell comprising the DNA construct according to claim 5.
7.
In the 5 ′ to 3 ′ direction, an open gene encoding (a) a gene promoter sequence and (b) at least a functional portion of a polypeptide encoded by the isolated polynucleotide of claim 1. A DNA construct comprising a reading frame and (c) a gene termination sequence.
Claim 8.
8. The DNA construct according to claim 7, wherein the open reading frame is in a sense direction.
9.
The DNA construct according to claim 7, wherein the open reading frame is in an antisense direction.
10.
The DNA construct according to claim 7, wherein the gene promoter sequence and the gene termination sequence are functional in a plant host.
11. The DNA construct according to claim 7, comprising a marker for identifying a transformed cell.
12. In the 5 'to 3' direction: (a) a gene promoter sequence; and (b) a non-coding region of the isolated polynucleotide of any one of claims 1 to 6 and 9. (C) a DNA construct comprising a gene termination sequence.
Claim 13
13. The DNA construct according to claim 12, wherein the non-coding region is in a sense direction.
14.
13. The DNA construct according to claim 12, wherein the non-coding region is in the antisense direction.
15.
13. The DNA construct according to claim 12, wherein the gene promoter sequence and the gene termination sequence are functional in a plant host.
16.
A transgenic plant cell comprising the DNA construct according to any one of claims 7 to 15.
17.
A plant comprising the transgenic plant cell according to claim 16, or a part thereof, a reed, or a progeny.
18.
18. The plant according to claim 17, wherein the plant is a woody plant.
(19)
19. The plant according to claim 18, wherein the plant is selected from the group consisting of eucalyptus, pine, acacia, poplar, sweet gum, teak and mahogany species.
20.
A method for modifying plant cell signaling, comprising stably incorporating the DNA construct according to any one of claims 7 to 15 into a plant genome.
21.
21. The method according to claim 20, wherein the plant is a woody plant.
22.
22. The method according to claim 21, wherein the plant is selected from the group consisting of eucalyptus, pine, acacia, poplar, sweet gum, teak and mahogany seeds.
23.
(A) transforming a plant cell with the DNA construct of any one of claims 7 to 15 to provide a transgenic cell; and (b) conditions leading to regeneration and growth of a mature plant. A method for producing a plant in which cell signaling is modified, comprising culturing the transgenic cell in step (a).
24.
24. The method according to claim 23, wherein the plant is a woody plant.
25.
25. The method of claim 24, wherein the plant is selected from the group consisting of eucalyptus, pine, acacia, poplar, sweet gum, teak and mahogany seeds.
26.
A method for modifying the activity of a plant polypeptide, comprising stably incorporating the DNA construct according to any one of claims 7 to 15 into a plant genome.
27.
The method according to claim 26, wherein the plant is a woody plant.
28.
28. The method of claim 27, wherein the plant is selected from the group consisting of eucalyptus, pine, acacia, poplar, sweet gum, teak and mahogany species.
29.
An isolated oligonucleotide probe or primer comprising at least 10 contiguous residues complementary to 10 contiguous residues of the nucleotide sequence recited in claim 1.
30.
A kit comprising a plurality of oligonucleotide probes or primers according to claim 29.
31.
A recording medium on which a plurality of polynucleotides are recorded, wherein at least one of the polynucleotides comprises the nucleotide sequence listed in claim 1.

【発明の詳細な説明】
【0001】
本発明の技術分野
本発明は、環境の変化のような外界からの信号及び発生過程での合図に対する植物細胞の応答を改変することに関する。より具体的には本発明は、植物細胞膜に内在し細胞のシグナル伝達の過程を媒介するポリペプチドをエンコードする、単離されたポリヌクレオチドを提供する。
【0002】
本発明の背景
植物はその生涯にわたり所定の発生プログラムを経て成長する。この点は特に胚発生と花の発生において顕著である。植物の特定の細胞によって産生され、他の細胞、特に分裂組織領域での細胞が応答準備を整えている、さまざまなシグナル分子が存在する。これらのシグナル分子は、他と全く別な、例えば花や子葉の形成につながる発生プログラムを、特定の時に開始する引き金となる。前記のプログラム化された発生経路に加えて植物は、温度変化、日照量、水分補給の可能性、機械的な損傷による創傷及び病原体による攻撃のような、さまざまな環境的な刺激に曝されている。光、熱、寒冷、乾燥等への曝露のような環境的因子は、環境シグナルへの適切な応答及びこれを通じての植物の健全な発生に必須な、遺伝子の発現及びタンパク質その他の化合物の合成を活性化する。これらの応答は、発生経路と同様にシグナル分子により媒介される。
【0003】
これらのシグナル分子に応答するために植物細胞は細胞シグナルの検出器、調節器及び/又は変換器としての役割を果たす表面受容体タンパク質を産生する。シグナルの細胞内伝達は、正常発生のため又は環境からの挑戦に対抗するために適切な細胞の応答を誘発する遺伝子の転写において頂点に達する、分子のリン酸化カスケードを介してしばしば伝えられる。
【0004】
受容体タンパク質の1つの大きなクラスは1回膜貫通型ファミリーで、これにはいくつかのサブクラスがある。これらのタンパク質は、細胞外シグナル(又はリガンド)の認識/結合ドメインと、細胞膜を1回貫通するドメインと、通常はタンパク質キナーゼである細胞内のシグナル伝達ドメインとの3つのドメインが特徴である。全てではないが多くの植物の1回膜貫通型タンパク質は受容体様キナーゼ(receptor−like kinase、RLK)として知られるサブクラスに属する。植物RLKの細胞内キナーゼドメインは全てセリン/スレオニンタンパク質キナーゼであるが、RLKの細胞外ドメインは異なるタイプである。RLKの1つのタイプは、自家受粉を阻害する自家不和合性座位糖タンパク質(self−incompatibility−locus glycoproteins)において最初に記載された細胞外Sドメインの存在が特徴である。Sドメインは他の保存された残基と組み合わせられた10個のシステイン残基の配列(array)により認識される。別のクラスのRLKは、タンパク質−タンパク質間相互作用に関与するロイシン含量の高い繰り返し配列(leucine rich repeat、LRR)により識別される細胞外ドメインを有する。リガンドの細胞外ドメインへの結合に続いて受容体の2量体化、自己リン酸化及びシグナルの核への伝達に役立つ一連の細胞内タンパク質の活性化が起こる。植物のRLKの構造は動物の細胞シグナル伝達経路に見られる受容体と非常に類似している。
【0005】
植物PLKの1つの例は、植物の病原体Xanthomonas oryzae pv. oryzae race 6に対する耐性を与えるXa21遺伝子である。この遺伝子はXanthomonas菌感受性と耐性のイネの系統を比較する遺伝的な手段を用いてクローン化され(Songら、Science 270:1804−1806、1995)、その後シロイヌナズナにおいてもXanthomonas菌への耐性を与えることが示された。1025個のアミノ酸からなるこのタンパク質は、アミノ末端の23個のアミノ酸残基のシグナルペプチドを含む既知タンパク質ドメインと類似する多数の特徴を示し、このタンパク質は形質膜に局在することを表す。81番目から634番目のアミノ酸は24個のアミノ酸のLRRの23回の不完全な繰り返し(copy)を含む。651番目から676番目のアミノ酸は膜貫通ドメインを形成する可能性のある26個のアミノ酸の疎水性セグメントをエンコードする。C末端アミノ酸はタンパク質キナーゼに典型的な15個の不変の(invariant)アミノ酸からなる11個のサブドメインを含む細胞内セリンスレオニンキナーゼドメインと予測されるものを含む。サブドメインVI及びVIIIはセリンスレオニンリン酸化の特異性を表す。Xa21はシロイヌナズナの受容体様キナーゼタンパク質RLK5及びTMK1のような、他のRLKと類似性が高く、LRR及びタンパク質キナーゼの両ドメインの保存が見られる。Xa21がその病原体認識シグナルをいかなるタンパク質に伝達するかは不明である。
【0006】
植物細胞で発現される膜受容体分子の別のファミリーは、ヒスチジンキナーゼ(HK)である。HKは、2要素(two−component)シグナルシステムの一方の片割れとなる、細菌のシグナル伝達系においてしばらく前から知られてきた。細菌のHKは浸透圧調整物(osmoticum)、栄養素及び毒物の変化のような細胞外シグナルに対する検出器分子として役立つ。HKはリガンドの結合に反応してヒスチジン残基に自己リン酸化する。このホスホヒスチジンは自らのリン酸基を応答調節体(response regulator、RR)として知られる2要素システムの第2の構成要素のアスパラギン酸基に供与する。リン酸化されたRRは配列特異的にDNAに結合し、前記細胞外刺激に対する応答を媒介するタンパク質をコードする特異的な遺伝子を直的的に活性化する役割を果たす。一定の場合にはHKは複合的な構造を有する。具体的には、これらのタンパク質はRRドメインをカルボキシル末端に含む。HKのホスホヒスチジンはそのリン酸基をこのRRドメインの活性部位のアスパラギン酸残基に転移する。これらの場合においては、前記RRドメインは膜に結合しているため、シグナルはRRがDNAに結合することにより直接的に伝達されることはありえない。かわりに、ヒスチジンリン酸転移(HPt)タンパク質がさらにシグナルを伝達するのに役割を果たす。複合的なHK/RRタンパク質のホスホアスパラギン酸はリン酸基をHPtタンパク質の活性部位ヒスチジンに供与する。このHPtのホスホヒスチジンは今度はリン酸基を真のRRに供与し、その後RRは外界のシグナルに反応して遺伝子発現を活性化させる。
【0007】
細菌と同様に植物細胞は検出器の要素を持つHKとRRとからなる2要素シグナル伝達システムを有する。さらに、カルボキシル末端にRRドメインを持つ複合的なHKタンパク質(以下ハイブリッドHK/RRタンパク質という)は細菌と植物の両方に見いだされる。HKタンパク質は特異的な順序で生起する良く保存されたアミノ酸モチーフにより識別される。アミノ末端から前記の保存された領域はH、N、G1、F及びG2ボックスとして識別される。これらのモチーフは通常は前記タンパク質の200ないし250個のアミノ酸の範囲に見いだされる。細菌におけるのと同様に、細胞外シグナルを受け取るとHKはHボックスに含まれるヒスチジン残基を自己リン酸化する。このリン酸基はその後前記RRに転移される。代替策として、一部のHKは自らのヒスチジン残基を構成的に自己リン酸化し、この活性は細胞外シグナルの結合により抑制される。全てのHKはシグナル伝達の絶対的な(obligate)一部としてRRをリン酸化すると信じられている。RRはHKのホスホヒスチジンによりリン酸化されるアスパラギン酸とリジン残基との絶対的な保存が特徴である。細菌とは異なり、植物のRRはDNAと直接は結合しないことが示されている。むしろ、今日までに調べられた全ての植物のRRは、一見してシグナルをタンパク質キナーゼカスケードに伝達するようであり、ついにはこのカスケードが転写因子をリン酸化して遺伝子発現を活性化するか不活性化するかのいずれかをする。細菌と同様に、植物はタンパク質のカルボキシル末端にRRドメインを含む複合的HKをも含む。この観察にもとづいて予測されるように、植物ゲノムはHPt遺伝子も有することも見いだされている。しかし、いずれかの植物HPtタンパク質が複合的HKあるいは可溶性のRRとの間で相互作用していることは未だに直接示されてはいない。
【0008】
エチレン受容体(ETR1、Changら、Science 262:539−544、1993)は最も周知の植物の2要素シグナル伝達システムである。エチレンは受精の調整、老化、暗/光形態形成及び病原体と機械的な損傷に対する応答とともに植物の発生の調節に関与する周知のシグナル分子である。エチレン受容体はハイブリッドHK/RRタンパク質である。前記シグナルはRaf類似タンパク質キナーゼであるCTR1タンパク質を介して伝達される。CTR1はシグナル伝達経路の下流のステップの負の調節因子である。この経路の詳細は未だ明らかではないが、HKはエチレン非存在下で構成的に活性があり、そして常にCTR1をリン酸化し、CTR1はエチレン応答経路の他の遺伝子を抑制する。エチレンのETR1への結合は前記受容体のHK機能を阻害し、エチレンシグナル伝達カスケードの下流のタンパク質の活性化を可能にする。これはエチレン応答遺伝子の活性化で頂点に達する。
【0009】
植物成長調節因子サイトカイニンに応答して誘導されるIBC6とIBC7という2個のRR遺伝子が、最近シロイヌナズナからクローン化され解析された(BrandstatterとKieber、Plant Cell 10:1009−1019、1998)。IBC6とIBC7は植物におけるサイトカイニンシグナルの伝達に関与するらしい。ハイブリッドHK/RRタンパク質CKI1をエンコードする遺伝子(Kakimoto、Science 274:982−985、1996)がトランスジェニック植物で異所的に発現されたときにサイトカイニン様の効果を生じる事実に照らしてこれは特に興味深い。したがって2要素HK/RRシステムはサイトカイニンシグナル伝達に関与することもあり得るようである。サイトカイニンは、栄養代謝、葉の伸長と老化及び側方分枝のような生理学的な事象を含む植物の成長と発生を調節することが知られている。
【0010】
植物細胞シグナル伝達に関与するタンパク質をエンコードするポリヌクレオチドは一定の植物種については単離されてきたが、多くのかかるタンパク質をエンコードする遺伝子は広範囲の植物種において未だ同定されていない。そこで、この技術分野における細胞シグナル伝達の改変に有効に用いられる材料についての必要性はまだある。
【0011】
発明の概要
簡潔には本発明は、ユーカリとマツから単離され細胞シグナル伝達に関与するポリペプチドをエンコードするポリヌクレオチドを、かかるオリゴヌクレオチド及びポリペプチドの利用方法とともに提供する。かかるポリペプチドは検出器−調節器又は受容体キナーゼとして機能する。前記の単離されたポリヌクレオチドとポリペプチドは、植物の成長及び発生のにおいてかあるいは病原体又は環境因子を原因とするストレス条件下かのいずれかでの植物細胞応答の改変に有効に用いられる。
【0012】
第1の局面では本発明は、RLK、HK、RR、HPt又はハイブリッドHK/RRタンパク質をエンコードする、ユーカリとマツから入手可能な単離精製されたポリヌクレオチドを提供する。1の実施態様では、前記単離されたポリヌクレオチドは、(a)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列、(b)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の相補体、(c)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の逆相補体、(d)配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列の逆配列及び(e)(a)ないし(d)の配列と以下に定義されるところにより40%、60%、75%又は90%同一である配列を有する配列からなるグループから選択されたDNA配列を含む。
【0013】
さらなる局面では、本発明のDNA配列にエンコードされた単離されたポリペプチドが提供される。ある実施態様ではかかるポリペプチドは配列識別番号第68−130、482−832及び889−945番からなるグループから選択されたアミノ酸配列を含む。
【0014】
別の局面では本発明は、本発明のポリヌクレオチドを含むDNAコンストラクトを単独でか、ここで開示される1以上のポリヌクレオチドとの組合せあるいは1以上の既知のDNA配列との組合せで、かかるコンストラクトを含むトランスジェニック細胞とともに提供する。
【0015】
関連した局面では本発明は、5’から3’の方向に、遺伝子プロモーター配列、本発明のポリペプチドの少なくとも機能的な部分をコードするオープン・リーディング・フレーム及び遺伝子ターミネーション配列を含むDNAコンストラクトを提供する。前記オープン・リーディング・フレームはセンス方向又はアンチセンス方向に配列されてもよい。上記のポリヌクレオチドにエンコードされた酵素をコードする遺伝子の、ノンコーディング領域又はノンコーディング領域に相補的なヌクレオチド配列を、遺伝子プロモーター配列と遺伝子ターミネーター配列とともに含む遺伝子コンストラクトも提供される。遺伝子プロモーターとターミネーション配列は宿主植物で機能するものであることが好ましい。遺伝子プロモーターとターミネーション配列は本来の(original)遺伝子のものが最も好ましいが、その他のカリフラワーモザイクウィルス(CaMV)プロモーターのような本発明の技術分野で一般に用いられるものも、Kozak配列又はオメガエンハンサーのようなエンハンサー及びアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)菌のノパリンシンターゼ(nopalin synthase)遺伝子のターミネーターとともにあるいは単独で、本発明において有効に利用できる。組織特異的なプロモーターは1以上の所望の組織を標的として発現させるための用いられる。DNAコンストラクトはさらに形質転換細胞の同定のためのマーカーを含むこともある。
【0016】
さらなる局面では、本発明のDNAコンストラクトを含むトランスジェニック細胞、好ましくは植物細胞が、かかるトランスジェニック細胞を含む生物、好ましくは植物と、かかる植物の果実、種子その他の生産物、由来物あるいは子孫とともに提供される。かかるトランスジェニック植物の零余子(むかご、propagule)も本発明に含まれる。ここで用いられる「零余子」という語は挿し木を含む有性的あるいは無性的な繁殖又は増殖に利用される植物のいかなる部分をも意味する。
【0017】
さらに別の局面では、植物のような標的生物における細胞シグナル伝達を改変するための方法であって、本発明のDNAコンストラクトを該植物のゲノムに安定的に取り込むことを含む方法が提供される。好ましい実施態様においては標的植物は木本植物であり、ユーカリとマツの種からなるグループから選択されるものが好ましく、Eucalyptus grandis及びPinus radiataからなるグループから選択されるものが最も好ましい。関連した局面では、細胞シグナル伝達の改変された、植物のような標的生物を作出するための方法であって、トランスジェニック細胞を提供するために本発明のDNAコンストラクトで形質転換することと前記トランスジェニック細胞を再生及び成熟植物の成長に導く条件下で培養することとを含む方法が提供される。
【0018】
又更なる局面では本発明は、本発明のDNAコンストラクトを植物のゲノムに安定的に取り込むことを含む、植物のような標的生物におけるポリペプチドの活性を改変するための方法を提供する。好ましい実施態様においては、標的植物は木本植物であり、ユーカリとマツの種からなるグループから選択されるものが好ましく、Eucalyptus grandis及びPinus radiataからなるグループから選択されるものが最も好ましい。
【0019】
以下の詳細な説明を参照することにより、本発明の上記の及びさらなる特徴及びその入手法は明らかとなり、本発明は最も良く理解される。ここで開示された全ての引用文献は、引用によりそれらの全体があたかも各々が個別に取り込まれたかのごとくに取り込まれる。
【0020】
詳細な説明
本発明は植物細胞シグナル伝達に関与するポリペプチドをエンコードする単離精製されたポリヌクレオチドを提供する。上記の通り細胞シグナル伝達は、植物の成長と発生及び環境因子と病原体のような外界刺激に対する細胞の応答に重大な役割を果たすことが知られている。そこで、細胞シグナル伝達に関与するポリペプチドをエンコードするポリヌクレオチドで植物を形質転換することは、細胞の増殖、分化、伸長及び生存、疾病抵抗性及び栄養代謝のような性質を改変するために利用される。
【0021】
例えばハイブリッドHK/RRタンパク質ETR1は、エチレンシグナル伝達に関与することが知られている。したがってETR1の発現の改変は、果実の熟成のようなエチレンで調節される生理学的な性質及び葉と花の老化を改変することにつながる。そこでトランスジェニック植物におけるこのタンパク質の発現の改変は、老化の遅延により切り花の有効期間(useful life)を延長するために用いられる。さらにETR1の発現の改変は、生殖器官の老化を選択的に促進するために用いられ、工学的な不稔植物の作出をもたらす。
【0022】
ハイブリッドHK/RRタンパク質CKI1はサイトカイニンのシグナル伝達に関与するとされてきた。このタンパク質の過剰発現は突然変異植物でサイトカイニン様の効果をもたらすことが知られている。サイトカイニンは、生理学的現象の中でも側方分枝、発現の伸展(expansion)、細胞分裂、栄養の分配及び老化の遅延に重要な役割を果たすことが示されてきた。したがってCKI1の発現の改変は、例えば選択された細胞タイプ又は器官での老化の遅延をもたらす。これは収穫から消費までの果実と野菜の貯蔵期間を延長することにつながる。代替策としてCKI1の発現の改変は、林産木種での分枝頻度を減少させるのに用いられて、堅い木の家具と合板用の節のない無傷の(clear)長い材木を得ることにつながる。
【0023】
本発明の方法と材料を用いて、ポリペプチドをエンコードする遺伝子の追加のコピーを植物のような標的生物のゲノムに取り込むことにより、特定の植物細胞ポリペプチドの量を増加又は減少させることができる。同様に、かかる遺伝子のアンチセンスコピーで標的生物を形質転換することによりポリペプチドを増加又は減少させることもできる。
【0024】
1の実施態様では本発明は、細胞シグナル伝達に関与する植物ポリペプチドをエンコードし又は部分的にエンコードする単離されたポリヌクレオチドであって、ユーカリとマツ由来のポリヌクレオチドを提供する。具体的には、本発明はEucalyptus grandis由来(配列識別番号第2、8、9、11、15、18、19、21−25、33、34、38、131−301、448−463、848、858−874及び882−887番)及びPinus radiata由来(配列識別番号第1、3−7、10、12−14、16、17、20、26−32、35−37、39−41、302−447、833−847、875−881及び888番)のRLKをエンコードする単離ポリヌクレオチドと、Eucalyptus grandis由来(配列識別番号第42、48−52、55−58、67、464−471、474−478及び850−857番)及びPinus radiata由来(配列識別番号第43−47、53、54、59−66、472、473、479−481及び849番)の2要素シグナル伝達システムの少なくとも1つの構成要素(HK、RR又はハイブリッドHK/RRタンパク質)をエンコードする単離ポリヌクレオチドを提供する。かかる単離ポリヌクレオチドの相補体、かかる単離ポリヌクレオチドの逆相補体及びかかる単離ポリヌクレオチドの逆配列も以下に定義するかかる配列の変異体とともに提供される。
【0025】
別の実施態様では本発明は、本発明のポリヌクレオチドにエンコードされた単離されたポリペプチドを提供する。配列識別番号第1−59、63、64、66、67、131−481、833−848、851及び853−888番のDNA配列にエンコードされたアミノ酸配列は、それぞれ配列識別番号第68−130、482−832及び889−945番に提供される。そこで一定の実施態様では本発明のポリペプチドは、第68ないし130、482ないし832、889ないし945番からなるグループから選択されたアミノ酸配列とその変異体を含む。
【0026】
ここで開示されるポリペプチドは、林産植物資源、主にEucalyptus grandisとPinus radiataに由来した。本発明のポリヌクレオチドの一部は、完全長ポリペプチドをエンコードする完全長遺伝子を意味しないという点で、「部分的な(partial)」配列である。ここで用いられる「ポリヌクレオチドにエンコードされたポリペプチド」という用語は、本発明の部分的な単離されたDNA配列を含むヌクレオチド配列にエンコードされたポリペプチドを含む。かかる部分配列は、プライマー及び/又はプローブと周知の雑種形成技術及び/又はPCR技術とを用いて様々なDNAライブラリを分析し配列決定することにより拡張できる。部分配列は、ポリペプチドをエンコードするオープン・リーディング・フレーム、完全長ポリヌクレオチド及び/又はポリペプチドを発現可能な遺伝子あるいは別のゲノムの有用な部分が同定されるまで拡張できる。完全長ポリヌクレオチド及び遺伝子を含むかかる拡張配列は、前記拡張配列が同定された配列又はその変異体あるいはここで開示された配列の1つの連続した部分(x−マー)又はその変異体を含むとき、ここで開示された配列又はその変異体あるいはここで開示された配列の1つの部分又はその変異体に「対応する(corresponding to)」と記載される。同様に、本発明のポリヌクレオチドに対応するRNA配列、逆配列、相補配列、アンチセンス配列等は、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列として同定されたcDNA配列を用いて決まり切った手順で(routinely)確認し取得することができる。
【0027】
上記の通りここに開示されたポリヌクレオチドは、オープン・リーディング・フレーム(ORF)又はポリペプチドをエンコードする部分的なオープン・リーディング・フレームを含む。さらにポリペプチドをエンコードするオープン・リーディング・フレームは、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として提示された配列に対応する拡張配列又は完全長配列の中に同定できることもある。オープン・リーディング・フレームは当業者に周知の技術を用いて同定できる。これらの技術は、例えば既知の開始及び終了コドンの位置の解析、コドン頻度にもとづく最も可能性の高い読み枠の同定その他これらに類するものを含む。ORF解析のために適当なツールとソフトウェアは、例えばインターネット上http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.htmlで入手可能である。オープン・リーディング・フレーム及びオープン・リーディング・フレームの部分(portion)は本発明のポリヌクレオチドの中に同定できる。ひとたび部分的なオープン・リーディング・フレームが同定されると、ポリヌクレオチドは、完全なオープン・リーディング・フレームのポリヌクレオチドが同定できるまで、当業者に周知の技術を用いて部分オープン・リーディング・フレームの領域を拡張することができる。よって、ポリペプチドをエンコードするオープン・リーディング・フレームは本発明のポリヌクレオチドを用いて同定できる。
【0028】
ひとたびオープン・リーディング・フレームが本発明のポリヌクレオチドで同定されると、該オープン・リーディング・フレームは単離及び/又は合成できる。前記オープン・リーディング・フレームと、当業者に周知の適当なプロモーター、イニシエーター、ターミネーター等とを含む、発現可能なDNAコンストラクトが構築できる。かかる遺伝子コンストラクトは、前記オープン・リーディング・フレームにエンコードされたポリペプチドを発現するために宿主細胞に導入される。適当な宿主細胞は植物細胞、哺乳類細胞、細菌細胞、藻類等を含む様々な前核及び真核細胞を含む。
【0029】
本発明のポリヌクレオチドにエンコードされたポリペプチドは、その生物活性を決定するために発現され様々な分析法に使用される。かかるポリペプチドは抗体作成に、相互作用する相手の蛋白質又はその他の化合物の単離に及び相互作用する蛋白質又はその他の化合物のレベルの定量的な測定に用いることができる。
【0030】
ここで用いられる「ポリヌクレオチド」という用語はデオキシリボヌクレオチド又はリボヌクレオチドの塩基の1本鎖又は2本鎖のポリマーを意味し、DNA及び対応するセンス鎖とアンチセンス鎖の両方のRNA分子でHnRNAとmRNA分子を入れたRNA分子とを含み、全合成又は部分合成されたポリヌクレオチドとともにcDNA、ゲノムDNA及び組み換えDNAを含む。HnRNAはイントロンを含み、DNA分子と一般的に1対1に対応する。mRNAはイントロンが切り出されたHnRNA及びDNA分子に対応する。ポリヌクレオチドは遺伝子全体又はその部分を含む。操作可能なアンチセンスポリヌクレオチドは対応するポリヌクレオチドの断片を含み、「ポリヌクレオチド」の定義は全てのかかる操作可能なアンチセンス断片を含む。アンチセンスポリヌクレオチド及びアンチセンスポリヌクレオチドが関与する技術は当業者に周知で例えば、Robinson−Benionら、Methods in Enzymol. 254(23):363−375、1995及びKawasakiら、Artific.Organs 20(8):836−848、1996に記載される。
【0031】
ここで使用されたところの「ポリペプチド」という用語は、アミノ酸残基が共有結合で連結された、完全長を含むいかなる長さのアミノ酸鎖をも含む。本発明のポリペプチドは、精製された天然物であっても、組み換え技術又は合成技術を用いて部分的にあるいは全面的に生産されてもよい。
【0032】
ここで記載されたポリヌクレオチドとポリペプチドの全ては当業者に慣用される条件で単離精製される。
【0033】
ここで使用されたところの「相補体」、「逆相補体」、及び「逆配列」という用語の定義は以下の例で最も良く示されている。5’AGGACC3’という配列に対して、相補体、逆相補体及び逆配列は以下の通りである。
相補体 3’TCCTGG5’
逆相補体 3’GGTCCT5’
逆配列 5’CCAGGA3’
【0034】
ここで使用されるところの「変異体」という用語は、約40%以上、より好ましくは約60%以上、さらにより好ましくは約75%以上、最も好ましくは約90%以上本発明の配列と同一性を示す(ヌクレオチド又はアミノ酸のいずれかの)残基をいう。同一性の百分率は、以下に記載の通り比較する2つの配列のアライメントをとり(align)、アライメントがとれた部分の同一残基の数を決定し、該同一残基の数を本発明の又はクエリーの配列中の全長で除算し、その結果を100倍したものをいう。
【0035】
公開で入手可能なコンピューターアルゴリズムを用いて、ポリヌクレオチド配列又はポリペプチド配列のアライメントをとることもでき、特定の領域の同一ヌクレオチドの百分率を別の配列に対して決定することもできる。ポリヌクレオチド配列のアライメントと類似性同定とのための2つの代表的なアルゴリズムは、BLASTN及びFASTAアルゴリズムである。ポリペプチド配列の同一性の百分率は、BLASTPアルゴリズムを用いて調べることができる。前記BLASTNとBLASTPの両方のソフトウェアとも、NCBIの匿名FTPサーバー(ftp://ncbi.nlm.nih.gov)上の/blast/executables/で入手可能である。説明書に記載され、前記アルゴリズムとともに配布された、デフォルトのパラメーター値に設定したBLASTNアルゴリズムバージョン2.0.6(1998年9月16日)を、本発明による変異体の決定に用いるのが好ましい。BLASTN及びBLASTPを含むBLASTファミリーのアルゴリズムの使用法は、NCBIのウェッブサイトのURL(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/newblast.html)と、AltschulらによるNucleic Acids Res.25:3389−3402、1997の刊行物とに記載されている。コンピューターアルゴリズムのFASTAは、インターネット上のftpサイトftp://ftp.virginia.edu/pub/fasta/で入手可能である。説明書に記載され、アルゴリズムとともに配布されたデフォルトのパラメーター値に設定された、1998年8月のバージョン3.1t11を、本発明による変異体の決定に用いるのが好ましい。FASTAアルゴリズムの使用法は、Pearson WRとLipman DJのProc.Natl.Acad.Sci.USA 85:2444−2448、1988と、Pearson WRのMethods in Enzymol.183:63−98、1990とに記載される。
【0036】
以下のランニングパラメーターを、ポリヌクレオチド配列の以下に説明するE値(E values)及び同一性百分率に寄与する、BLASTNを使うアライメント及び類似性の決定に用いるのが好ましい。Unix(登録商標)のランニングコマンドは、「blastall p blastn d embldb e 10 G 0 E 0 r 1 v 30b 30 i queryseq o results」、パラメーターは以下の通りである。
p プログラムの名称 [文字列]
d データベース [文字列]
e 期待値 (E) [実数]
G ギャップを空けるためのコスト (ゼロはデフォルトの行動を呼び起こす) [整数]
E ギャップを拡張するためのコスト (ゼロはデフォルトの行動を呼び起こす) [整数]
r ヌクレオチドのマッチの報酬 (blastnのみ) [整数]
v 1行説明(one−line descriptions)の数 (V) [整数]
b 表示するアライメントの数 (B) [整数]
i クェリーファイル [File In]
o BLASTレポートアウトプットファイル [File Out] 任意
BLASTPについては「blastall p blastp d swissprotdb e 10 G 0E 0 v 30 b 30 i queryseq o results」というランニングパラメータが好ましい。
p プログラムの名称 [文字列]
d データベース [文字列]
e 期待値 (E) [実数]
G ギャップを空けるためのコスト (ゼロはデフォルトの行動を呼び起こす) [整数]
E ギャップを拡張するためのコスト (ゼロはデフォルトの行動を呼び起こす) [整数]
r ヌクレオチドのマッチの報酬 (blastnのみ) [整数]
v 1行説明(one−line descriptions)の数 (V) [整数]
b 表示するアライメントの数 (B) [整数]
i クェリーファイル [File In]
o BLASTレポートアウトプットファイル [File Out] 任意
【0037】
BLASTN、BLASTP、FASTA又は同様のアルゴリズムにより作成された、クエリー配列による1以上のデータベース配列への「ヒット」は、配列の類似部分のアライメントをとって同定する。前記のヒットは類似性の程度と重複する配列の長さの順に並べられる。データベース配列へのヒットは、前記クエリー配列の配列長の一部としか重複しないことを意味するのが一般的である。
【0038】
BLASTN及びFASTAアルゴリズムは、アライメントの「期待」(E)値をも算出する。E値は、一定の規模のデータベースを検索したときに偶然一定数の隣接した配列にわたって発見が「期待」できるヒットの数を示す。E値は、好ましいEMBLデータベースのようなデータベースへのヒットが真の類似性を表すかどうかを決定するための、有意性の閾値として用いられる。例えば、あるポリヌクレオチドのヒットに付与されたE値0.1は、EMBLデータベースの規模のデータベースにおいて、同様のスコアの配列のアライメントをとった部分にわたって、偶然0.1回マッチすることが期待できると解釈される。この判定基準により、当該ポリヌクレオチド配列のアライメントがとれてマッチした部分は、90%が同一である確率を有することになる。アライメントがとれてマッチした部分にわたって0.01未満のE値を有する配列については、BLASTN又はFASTAアルゴリズムを用いてEMBLデータベースで偶然マッチするものを見つける確率は1%未満である。
【0039】
1の実施態様によると、本発明のポリヌクレオチドのそれぞれに関して「変異体」のポリヌクレオチドは、本発明のポリヌクレオチドのそれぞれよりも核酸の数が同じか少ない配列で、かつ本発明のポリヌクレオチドと比べて0.01以下のE値となる配列を含むのが好ましい。すなわち、変異体ポリヌクレオチドは、本発明のポリヌクレオチドと同一である確率が99%以上あり、上記のパラメーター設定でBLASTN又はFASTAアルゴリズムを用いてE値が0.01以下となる、いかなる配列をもいう。
【0040】
変異体ポリヌクレオチドは、前記の列挙されたポリヌクレオチド配列と、ストリンジェントな条件下で雑種形成するのが一般的である。ここで用いられるところの「ストリンジェントな条件」とは、6X SSC及び0.2% SDSの溶液で前洗浄し、6X SSC及び0.2% SDS中で65°C、終夜(overnight)雑種形成させ、その後1X SSC及び0.1% SDS中で65°C、各30分ずつ2回洗浄し、0.2X SSC及び0.1% SDS中で65°C、各30分ずつ2回洗浄することを指す。
【0041】
本発明は、開示された配列とは相違するが、ここに開示されるポリヌクレオチドによりエンコードされるポリペプチドと遺伝暗号の縮退の結果同一のポリペプチドをエンコードするポリヌクレオチドとともに前記の開示された配列の対立変異体遺伝子も含む。したがって、保存的置換の結果、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として列挙されたポリヌクレオチド配列又はこれらの配列の相補体、逆配列又は逆相補体と異なる配列を含むポリヌクレオチドは本発明により意図され本発明に含まれる。さらに、合計が前配列長の10%未満の欠失及び/又は挿入の結果として、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に列挙された配列、又はこれらの配列の相補体、逆配列又は逆相補体と異なる配列を含むポリヌクレオチドも本発明により意図され、かつ本発明に含まれる。同様に、合計が全配列長の10%未満のアミノ酸置換、挿入及び/又は欠失の結果として、配列識別番号第68−130、482−832及び889−945番に列挙された配列と異なる配列を含むポリペプチドは、当該変異体ポリペプチドがリグニン生合成経路で活性を有することを条件として、本発明により意図され、かつ本発明に含まれる。
【0042】
ここで用いられるところの「x−マー」という用語は、「x」の特定の値に関して、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として同定されたポリヌクレオチドいずれかの少なくとも特定された数(「x」)の連続した残基を含むポリヌクレオチドを指す。xの値は、特定の配列に依存して、約20から約600までである。
【0043】
本発明のポリヌクレオチドは、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として同定されたポリヌクレオチド又はそれらの変異体のいずれかの少なくとも特定された数の連続した残基(x−マー)を含むポリヌクレオチドを含む。好ましい実施態様によると、xの値は20以上が好ましく、40以上がより好ましく、60以上がさらに好ましく、80以上が最も好ましい。よって、本発明のポリヌクレオチドは配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として同定されたポリヌクレオチド及び配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番として同定されたポリヌクレオチドの中の1つの変異体の20マー、40マー、60マー、80マー、100マー、120マー、150マー、180マー、220マー、250マー又は300マー、400マー、500マー又は600マーを含むポリヌクレオチドを含む。
【0044】
本発明のポリヌクレオチドは、以下の実施例1及び2に記載される通り、Eucalyptus grandis及びPinus radiataから調製されたcDNAライブラリのハイスループットシーケンシングにより単離されたものでもよい。代替策として、配列識別番号第1−67、131−481及び833−888番に提供された配列にもとづくオリゴヌクレオチドプローブが合成され、雑種形成又はPCR技術を用いてEucalyptus grandis及びPinus radiataからのcDNA又はゲノムDNAライブラリのどちらかの中で陽性クローンを同定するのに用いられる。プローブはここに提供された配列より短くてもよいが、少なくとも10個、好ましくは少なくとも約15個、最も好ましくは少なくとも20個のヌクレオチド長である。かかるオリゴヌクレオチドプローブで用いるのに適する雑種形成及びPCR技術は本発明の技術分野で周知であり、Sambrookら、「分子クローニング:実験室マニュアル(Molecular cloning: a laboratory manual)」Cold Spring Harbor Laboratory Press社(ニューヨーク州、Cold Spring Harbor)刊、1989年に教示するものを含む。陽性クローンは制限酵素消化、DNA配列決定等により解析される。
【0045】
さらに、本発明のDNA配列は本発明の技術分野で周知の技術を用いる合成手段によって生成することができる。オリゴヌクレオチドの自動合成用の設備はPerkin Elmer/Applied Biosystems Division (カリフォルニア州、Foster City)のような供給者から商業的に入手可能であり、製造者の指示に従って運転するとよい。
【0046】
1の実施態様では本発明のDNAコンストラクトは、本発明のポリヌクレオチド又はその変異体にエンコードされるポリペプチドの少なくとも機能性のある部分をコードするオープン・リーディング・フレームを含む。ここで使用されるところのポリペプチドの「機能性のある部分」とは、該ポリペプチドの結合部位又は触媒的なシグナル伝達部位を含む部分をいう。ポリペプチドの機能性のある部分は、本発明の技術分野で周知のプロトコールを用いる標的突然変異解析と改変されたポリペプチド産物のスクリーニングとにより決定することができる。正常では機能性のある部分は10個ないし20個のアミノ酸長であるが、より長くても短くてもよい。活性部位は、1以上のポリペプチド鎖上に存在する離れた部分から構成されることもあり、一般的には高い結合親和性を示す。
【0047】
オープン・リーディング・フレームは、標的植物への該DNAコンストラクトの形質転換が野生型植物に比較したポリペプチド量の変化をもたらすように、DNAコンストラクトにセンス又はアンチセンス方向に挿入される。オープン・リーディング・フレームをセンス方向に含むDNAコンストラクトでの形質転換は、選択された遺伝子の発現の改変という結果をもたらすのが一般的であり、オープン・リーディング・フレームをアンチセンス方向に含む遺伝子コンストラクトでの形質転換は、選択された遺伝子の発現の減少をもたらすのが一般的である。本発明のオープン・リーディング・フレームをセンス又はアンチセンス方向のどちらかに含むDNAコンストラクトで形質転換された植物の集団は、当業者に周知の技術を用いて、問題の遺伝子の発現が増大又は減少していることについてスクリーニングされ、所望の表現型を有する植物が単離される。
【0048】
代替策として植物細胞のシグナル伝達に関与する遺伝子の発現は、本発明のオープン・リーディング・フレームの部分をセンス又はアンチセンスのいずれかの方向に挿入することにより阻害できる。かかる部分は完全長である必要はないが、本発明のポリヌクレオチドの25個の残基以上を含むことが好ましく、50個以上を含むことがより好ましい。しかし、より長い部分又は完全なオープン・リーディング・フレームに対応する完全長ポリヌクレオチドも用いることができる。前記のオープン・リーディング・フレームの部分は、標的遺伝子の阻害を達成するのに十分な配列類似性があることを条件として、内在配列と正確に同一である必要はない。したがって、1つの種由来の配列が異なる種の遺伝子の発現を阻害するのに用いられてもよい。
【0049】
別の実施態様では本発明のDNAコンストラクトは、本発明のポリヌクレオチドにエンコードされたポリペプチドをコードする遺伝子のノンコーディング領域を含むDNA配列又はかかるノンコーディング領域に相補的なDNA配列を含む。かかるコンストラクトに有効に用いることができるノンコーディング領域の例は、イントロン及び5’ノンコーディングリーダー配列を含む。かかるDNAコンストラクトによる標的植物の形質転換は、例えばNapoliら、Plant Cell 2:279−290、1990及びde Carvalho Niebelら、Plant Cell 7:347−358、1995によって論じられたのと同様の手法の、コサプレッションのプロセスによる植物の合成するイソプレノイド化合物の量の減少をもたらす。
【0050】
代替策としてポリペプチド発現の調節は、適当な配列又はサブ配列(例えばDNA又はRNA)をリボザイムコンストラクトに挿入することにより達成できる(McIntyre CLとManners JM、Transgenic Res. 5(4):257−262、1996)。リボザイムは2つの領域に相補的な雑種形成領域を含む合成RNA分子である。各々の領域は、本発明のポリヌクレオチドの1つにエンコードされるmRNA分子の少なくとも5個以上の連続したヌクレオチドを含むのが好ましい。リボザイムは非常に特異性の高いエンドヌクレアーゼ活性を有し、自己触媒的に前記mRNAを切断する。
【0051】
本発明の遺伝子コンストラクトは、さらに、転写されるべきDNA配列に操作可能に結合させた遺伝子プロモーター配列及び遺伝子ターミネーション配列を含み、遺伝子発現を制御する。遺伝子プロモーター配列は一般的には転写されるDNA配列の5’末端に位置して、該DNA配列の転写の開始に用いられる。遺伝子プロモーター配列は一般的には遺伝子の5’ノンコーディング領域に見いだされるが、オープン・リーディング・フレームの下流又はイントロン内に存在することもあり(Luehrsen KR、Mol.Gen.Genet.225:81−93、1991)、例えば植物防御遺伝子のようにコーディング領域内に存在することもある(Douglasら、EMBO J. 10:1767−1775、1991)。
【0052】
本発明のDNAコンストラクトに有効に利用できる様々な遺伝子プロモーター配列は本発明の技術分野で周知である。遺伝子プロモーター配列及び遺伝子ターミネーション配列は、標的植物宿主に内在するものでもよく、該標的宿主内で機能性を有するときは、外来のものでもよい。例えば、プロモーター及びターミネーション配列は他の植物種、植物ウィルス、細菌プラスミドその他これらに類するもの由来のものでもよい。遺伝子プロモーター及びターミネーション配列は本発明の配列自体由来であることが好ましい。
【0053】
プロモーターの選択に影響を与える要因には、コンストラクトの所望の組織特異性及び転写と翻訳のタイミングが含まれる。例えば、35Sカリフラワーモザイクウィルス(CaMV35S)プロモーターのような構成的なプロモーターは、植物の全ての部分における酵素活性に影響を及ぼす。組織特異的なプロモーターを使うことは、関心のある組織においてのみ所望のセンス又はアンチセンスRNAを産生することになる。誘導可能な遺伝子プロモーター配列を用いる遺伝子コンストラクトでは、RNAポリメラーゼ結合及び転写開始の速度は、光、熱、嫌気性ストレス、栄養条件の変化等のような外界の刺激により変動させることができる。時間的に調節されたプロモーターは、形質転換細胞の発生の間の特定の時にRNAポリメラーゼ結合及び転写開始の速度の変動に影響を与えるために用いられる。問題の酵素遺伝子由来の本来のプロモーターか、ユーカリ又はマツのような形質転換される生物の特定の組織にだけ発現する遺伝子由来のプロモーターかを使うのが好ましい。本発明に有効に利用できる遺伝子プロモーターの他の例には、マンノピンシンターゼ(mannopine synthase、mas)、オクトピンシンターゼ(octopine synthase、ocs)及びChuaら、Science 244:174181、1989により総説されたものが含まれる。
【0054】
転写されるDNA配列の3’側に位置する遺伝子ターミネーション配列は、遺伝子プロモーター配列と同じ遺伝子由来のものでもよく、異なる遺伝子由来のものでもよい。アグロバクテリウム・ツメファシエンスのノパリンシンターゼ遺伝子の3’末端のように当業者に周知の多くの遺伝子ターミネーション配列が本発明に有効に利用できる。1の実施態様では遺伝子ターミネーター配列は、本来の酵素遺伝子又は形質転換される標的の種に由来するものである。
【0055】
本発明のDNAコンストラクトは、本発明のコンストラクトを含む形質転換細胞の検出ができるように、植物細胞で有効な選択マーカーを含むこともある。本発明の技術分野で周知のかかるマーカーは、1以上の毒素の耐性を有するのが典型的である。かかるマーカーの1つの例は、その発現により中程度の濃度で植物細胞に通常は毒性のあるカナマイシン又はハイグロマイシンの耐性をもたらすNPTII遺伝子である(Rogersら、Weissbach AとWeissbach H編集、「植物分子生物学の方法(Methods for Plant Molecular Biology)」Academic Press Inc.社(カリフォルニア州 San Diego)刊、1988年)。形質転換細胞は問題の抗生物質を含む培地中で増殖する能力により同定できる。代替策として、形質転換細胞中に所望のコンストラクトが存在することは、サザン及びウェスタンブロット法のような本発明の技術分野に周知の他の技術によって決定することができる。
【0056】
本発明のDNAコンストラクトの構成要素を操作可能に結合させるための技術は本発明の技術分野で周知であり、例えば、Sambrookら、「分子クローニング:実験室マニュアル(Molecular cloning: a laboratory manual)」Cold Spring Harbor Laboratory Press社(ニューヨーク州、Cold Spring Harbor)刊、1989年)に記載された、1以上の制限エンドヌクレアーゼ部位を含む合成リンカーの利用を含む。本発明のDNAコンストラクトは、各操作毎の後に出来上がったコンストラクトがクローン化され配列決定されて操作の正確さを決定することが可能な、例えば、大腸菌のような1以上の複製システムを有するベクターと連結されてもよい。
【0057】
本発明の遺伝子コンストラクトは、単子葉類被子植物(例、牧草、トウモロコシ、穀類、カラスムギ、コムギ、オオムギ)と双子葉類被子植物(例、シロイヌナズナ、タバコ、マメ科植物、アルファルファ、オーク、ユーカリ、カエデ)及び裸子植物(例、オウシュウアカマツ(Aronen、Finnish Forest Res. Papers、第595巻、1996)、ホワイトスプルース(Ellisら、Biotechnology 11:84−89、1993)、及びカラマツ(Huangら、In vitro Cell 27:201−207、1991)の両方を含むさまざまな植物の形質転換に使われる。好ましい実施態様においては、本発明のDNAコンストラクトは、その茎が複数年生存して木質組織の追加により毎年直径が増大するような樹木又は潅木とここでは定義される、木本植物の形質転換に用いられる。標的植物は、好ましくはユーカリ及びマツの種を含むグループから選択され、最も好ましくはEucalyptus grandisとPinus radiataからなるグループから選択される。本発明のDNAコンストラクトで有用に形質転換される他の種には、Pinus banksiana、Pinus brutia、Pinus caribaea、Pinus clausa、Pinus contorta、Pinus coulteri、Pinus echinata、Pinus eldarica、Pinus ellioti、Pinus jeffreyi、Pinus lambertiana、Pinus monticola、Pinus nigra、Pinus palustrus、Pinus pinaster、Pinus ponderosa、Pinus resinosa、Pinus rigida、Pinus serotina、Pinus strobus、Pinus sylvestris、Pinus taeda、Pinus virginianaのようなマツと、Abies amabilis、Abies balsamea、Abies concolor、Abies grandis、Abies lasiocarpa、Abies magnifica、Abies procera、Chamaecyparis lawsoniona、Chamaecyparis nootkatensis、Chamaecyparis thyoides、Huniperus virginiana、Larix decidua、Larix laricina、Larix leptolepis、Larix occidentalis、Larix siberica、Libocedrus decurrens、Picea abies、Picea engelmanni、Picea glauca、Picea mariana、Picea pungens、Picea rubens、Picea sitchensis、Pseudotsuga menziesii、Sequoia gigantea、Sequoia sempervirens、Taxodium distichum、Tsuga canadensis、Tsuga heterophylla、Tsuga mertensiana、Thuja occidentalis、Thuja plicataのような他の裸子植物と、Eucalyptus alba、Eucalyptus bancroftii、Eucalyptus botyroides、Eucalyptus bridgesiana、Eucalyptus calophylla、Eucalyptus camaldulensis、Eucalyptus citriodora、Eucalyptus cladocalyx、Eucalyptus coccifera、Eucalyptus curtisii、Eucalyptus dalrympleana、Eucalyptus deglupta、Eucalyptus delagatensis、Eucalyptus diversicolor、Eucalyptus dunnii、Eucalyptus ficifolia、Eucalyptus globulus、Eucalyptus gomphocephala、Eucalyptus gunnii、Eucalyptus henryi、Eucalyptus laevopinea、Eucalyptus macarthurii、Eucalyptus macrorhyncha、Eucalyptus maculata、Eucalyptus marginata、Eucalyptus megacarpa、Eucalyptus melliodora、Eucalyptus nicholii、Eucalyptus nitens、Eucalyptus nova−anglica、Eucalyptus obliqua、Eucalyptus obtusiflora、Eucalyptus oreades、Eucalyptus pauciflora、Eucalyptus polybractea、Eucalyptus regnans、Eucalyptus resinifera、Eucalyptus robusta、Eucalyptus rudis、Eucalyptus saligna、Eucalyptus sideroxylon、Eucalyptus stuartiana、Eucalyptus tereticornis、Eucalyptus torelliana、Eucalyptus urnigera、Eucalyptus urophylla、Eucalyptus viminalis、Eucalyptus viridis、Eucalyptus wandoo、Eucalyptus youmanniのようなユーカリと、上記の種のいずれかのハイブリッドとを含むが、これらに限定されない。
【0058】
DNAコンストラクトを標的植物のゲノムに安定的に取り込むための技術は本発明の技術分野で周知であり、アグロバクテリウム・ツメファシエンス菌を介した導入法、エレクトロポレーション法、プロトプラスト融合法、生殖器官注入法、未熟胚注入法、高速発射体導入法(high velocity projectile introduction)、その他これらに類するものが含まれる。技術の選択は、形質転換される標的植物に依存する。例えば、双子葉類植物及びある種の単子葉類及び裸子植物は、例えばBevan(Nucleic Acids Res.12:8711−8721、1984)により記載されたように、アグロバクテリウムTiプラスミド技術によって形質転換できる。本発明の遺伝子コンストラクトの導入の標的には、葉組織のような組織、散布された細胞、プロトプラスト、種子、胚、分裂組織領域、子葉、胚軸およびこれらに類するものが含まれる。ユーカリ及びマツを形質転換する1つの方法は、花粉(例えば、Aronen、Finnish Forest Res. Papers、Vol. 595:53、1996を参照)又は容易に再生可能な胚組織を用いるバイオリスティック(biolistic)な方法である。
【0059】
ひとたび細胞が形質転換されると、ゲノムに取り込まれた本発明のDNAコンストラクトを有する細胞は、上記のカナマイシン耐性マーカーのようなマーカーにより選択できる。トランスジェニックな細胞は、本発明の技術分野で周知の技術を用いて、植物全体を再生するための適当な培地中で培養される。プロトプラストの場合は細胞壁は適当な浸透圧条件下で再生させられる。種子又は胚の場合には、適当な発芽又はカルス誘導培地が用いられる。外植体については適当な再生培地が用いられる。植物の再生は、多くの種について十分に確立している。林木の再生の総説としては、Dunstanら、「木本植物における体細胞的胚形成(Somatic embryogenesis in woody plants)」、(Thorpe TA編集、植物の試験管内胚形成(In vitro embryogenesis of plants)、Current Plant Science and Biotechnology in Agriculture 20(12):471−540、1995)を参照のこと。スプルースの再生についての具体的なプロトコールはRobertsの「トウヒ(spruce)の体細胞的胚形成(Somatic embryogenesis of spruce)」(Redenbaugh K編集、「シンシード:人工的な種子の収穫の改善への応用(Synseed: applications of synthetic seed to crop improvement)」、CRC Press社刊:第23章、427−449頁,1993年)に説明されている。得られた形質転換植物は、本発明の分野で周知の技術を用いて、次世代以降のトランスジェニック植物を得るために、有性的又は無性的な生殖で増やされることもある。
【0060】
前記の説明の通り、標的細胞中のRNA産生は、プロモーター配列の選択により制御できる。標的植物は、2以上の本発明のコンストラクトで形質転換され、2以上のポリペプチド活性を改変し、2以上の組織でのポリペプチド活性に影響を与え、又は2以上の発現時でのポリペプチド活性に影響を与えることもある。同様に遺伝子コンストラクトは、本発明のポリペプチドをコードする2以上のオープン・リーディング・フレームを含むように、又はかかるポリペプチドをコードする遺伝子の2以上のノンコーディング領域を含むように構築されてもよい。本発明のポリヌクレオチドは、また、植物細胞シグナル伝達に関与するポリペプチドをエンコードする他の既知配列との組み合わせで用いてもよい。
【0061】
本発明の単離されたポリヌクレオチドは、DNA雑種形成及びPCR技術で決まり切って用いられるような本発明の技術分野で周知の技術を用いて、他の植物種由来の細胞シグナル伝達に関与するポリペプチドをエンコードするDNA配列を単離するためのプローブとして用いることもできる。
【0062】
本発明のポリヌクレオチド、ポリペプチド及びかかるポリペプチドに対する抗体はかかるポリヌクレオチド及び/又はポリペプチドと相互作用し、それにより細胞シグナル伝達を改変する分子をスクリーニングするために用いられる。かかる検定法を実施するための技術は本発明の技術分野で周知である。同様に、本発明のポリヌクレオチドとポリペプチドは細胞シグナル伝達経路を解明するためにデザインされた研究に用いられることもある。
【0063】
以下の実施例は例示として与えられ、限定として与えられるのではない。
【0064】
実施例1
Eucalyptus grandis由来のcDNAクローンの単離とキャラクタリゼーション
Eucalyptus grandiscDNA発現ライブラリは、以下の通り構築されスクリーニングされた。
【0065】
mRNAは、Changら(Plant Molecular Biology Reporter 11:113−116、1993)のプロトコールに少し修正を加えたものを用いて、幹の木部のような特定の植物組織から抽出された。具体的にはサンプルは、CPC−RNAXB(100mM Tris−Cl、pH8.0、25mM EDTA、2.0M NaCl、2% CTAB、2% PVP及び0.05% スペルミジン3塩酸塩)に溶解し、クロロフォルム:イソアミルアルコールが24:1の混合液で抽出された。mRNAはエタノールで沈殿され、全RNA調製物はポリ(A)クイックmRNAアイソレーションキット(Stratagene社、カリフォルニア州La Jolla)を用いて精製された。cDNA発現ライブラリは、前記精製mRNAから製造者のプロトコールに従ってZAPエキスプレスcDNA合成キット(Stratagene)を用いて逆転写酵素合成した後、cDNAクローンをラムダZAPへ挿入して構築された。得られたcDNAは、5μlのライゲーションミックスに1μlのサンプルDNAを用いて、ギガパックIIパッケージングエキストラクト(Stratagene)でパッケージングをした。ライブラリの大量切り出し(mass excision)は、XL1−Blue MRF’細胞及びXLOLR細胞(Stratagene)をExAssistヘルパーファージ(Stratagene)とともに用いて行われた。切り出されたファージミドは、NZYブロス(Gibco BRL社、メリーランド州Gaithersburg)で希釈され、X−gal及びイソプロピルチオ−ベータ−ガラクトシド(IPTG)を含むLB−カナマイシン寒天プレート上に播かれた。
【0066】
DNAミニプレップ用にプレートされ釣り上げられたコロニーのうち、99%は配列決定に適したインサートを含んでいた。陽性クローンはカナマイシン入りのNZYブロス中で培養され、cDNAはアルカリ溶菌法とポリエチレングリコール(PEG)沈殿法により精製された。1%のアガロースゲルがシーケンシング用鋳型に染色体の混入があるかどうかをスクリーニングするために用いられた。ダイプライマー配列はターボカタリスト800マシン(Perkin Elmer/Applied Biosystems Division、カリフォルニア州 Foster City)を製造者のプロトコールに従って用いて調製された。
【0067】
陽性クローンのDNA配列は、Perkin Elmer/Applied Biosystems DivisionのPrism377シーケンサーを用いて得られた。cDNAクローンは、まず5’末端側から、そして場合によっては3’末端側からも配列決定された。いくつかのクローンについては、既知配列の末端と雑種形成するプライマーを設計し、これらを配列情報量を拡張するための配列決定用プライマーとして用いることにより、内部の配列が得られた。代替策として内部配列は、公開された方法(Henikoff、Gene 28:351−359、1984)を用いて、関心のある遺伝子の「入れ子になった(nested)」欠失クローンを生成することにより得られた。
【0068】
配列決定されたcDNA配列は、コンピュータアルゴリズムFASTA及び/又はBLASTNを用いて、EMBLデータベース(リリース58,1999年3月)の既知配列と比較された。冗長な配列のマルチプルアライメントが、信頼できるコンセンサス配列を組み立てるために用いられた。他の植物種由来の既知配列との類似性にもとづき、単離されたDNAは、RLK(配列識別番号第2、8、9、11、15、18、19、21−25、33、34、38、131−301、448−463、848、858−874及び882−887番)又は2要素シグナル伝達システムの少なくとも1の構成要素(HK、RR又はハイブリッドHK/RRタンパク質、配列識別番号第42、48−52、55−58、67、464−471、474−478及び850−857番)をエンコードするものとして同定された。配列識別番号第2、8、9、11、15、18、19、21−25、33、34及び38番は(上記の通りの決定法により)既知配列と同一の残基が10%未満しか見つからなかった。配列識別番号第848、854、855、856、859、860、862、863、864、865、866、867、868、869、871、872、873、874、882、883及び885番は、それぞれ配列識別番号第232、467、468、48、282、288、488、453、289、268、297、278、290、449、299、301、270、269、276、454及び300番の拡張配列を表し、配列識別番号第848、854−856、859、860、862−865、868、869及び871−874番は完全長配列である。
【0069】
実施例2
Pinus radiata由来のcDNAクローンの単離とキャラクタリゼーション
Pinus radiataのcDNA発現ライブラリが実施例1に記載の通り木部のような特定の組織から構築され、スクリーニングされた。陽性クローンのDNA配列はPerkin Elmer/Applied Biosystems DivisionのPrism377シーケンサーで順方向及び逆方向プライマーを用いて得られ、決定された配列は上記の通りデータベース中の既知配列と比較された。
【0070】
他の植物種由来の既知配列との類似性にもとづき単離されたDNA配列は、RLK(配列識別番号第1、3−7、10、12−14、16、17、20、26−32、35−37、39−41、302−447、833−847、875−881及び888番)又は2要素シグナル伝達システムの少なくとも1の構成要素(HK、RR又はハイブリッドHK/RRタンパク質、配列識別番号第43−47、53、54、59−66、472、473、479−481及び849番)をエンコードするものとして同定された。配列識別番号第3−7、10、12−14、16、17、20、26、28−32、35−37及び39−41番の配列は(上記の通り決定された)既知配列と同一の残基が10%未満であることがわかった。配列識別番号第480番の配列はスプライシングされなかったイントロンと予測されるものを含むことがみつかり、翻訳は2つのオープン・リーディング・フレームに切り離される。これらの2つのオープン・リーディング・フレームにエンコードされたアミノ酸配列は配列識別番号第830及び831番に提供される。配列識別番号第411、413、317、421、415、434及び416番はそれぞれ配列識別番号第26、17、28、39、16、30及び41番の拡張配列を表す。配列識別番号第833、834、835、836、837、838、839、840、841、842、843、844、875、876、877、878、879、880及び888番はそれぞれ配列識別番号第411、413、317、29、421、415、434、416、35、37、36、40、438、426、445、418、435、411及び427番の拡張配列を表し、第833−837、839−841、844及び878−881番は完全長配列である。
【0071】
実施例3
植物の成長を改変するためのエチレン受容体遺伝子の利用
タバコ植物体のPinus radiataエチレン受容体遺伝子ホモログによる形質転換は以下の通りに行われる。Pinus radiata由来のエチレン受容体ホモログ(配列識別番号第43番)のコーディング領域を含むDNA配列を含むセンス及びアンチセンスコンストラクトを含むDNAコンストラクトが構築され、公開された方法(An、バイナリーベクター(Binary Vectors.)、Gelvin SBとSchilperoort RA編集、植物分子生物学マニュアル(Plant Molecular Biology Manual)、Kluwer Academic Publishers社刊、Dordrecht、1988年)を用いて直接形質転換法によりアグロバクテリウム・ツメファシエンス菌に挿入する。センスDNAのコンストラクトはPBK−CMVプラスミドのcDNA挿入配列をpART7プラスミドにクローン化し、次に該pART7ベクターからNotIで消化した35S−インサート−OCS3’UTR断片をpART27植物発現ベクターにクローン化することにより作製される(Gleave、Plant Mol. Biol. 20: 1203−1207、1992)。トランスジェニックコンストラクトの存在と完全性(integrity)は、制限酵素消化とDNA配列決定により確認される。
【0072】
タバコ(Nicotiana tabacum cv. Samsun)の葉の切片はHorschら、Science 227:1229−1231、1985の方法にもとづく方法を用いて前記のセンス及びアンチセンスのエチレン受容体コンストラクトで形質転換される。適当なコンストラクトを含む形質転換植物はサザンブロット実験を用いて確認される。前記Pinus属のエチレン受容体ホモログの形質転換植物での発現はセンス及びアンチセンスコンストラクトを用いて作出された独立の形質転換植物株のそれぞれから全RNAを単離することにより確認される。該RNAサンプルはノザンブロット実験で分析されそれぞれの形質転換株での外来遺伝子の発現レベルを決定する。センス及びアンチセンスコンストラクトで作出されたそれぞれの形質転換植物株について、Pinus属のエチレン受容体遺伝子と内在性のタバコのエチレン受容体遺伝子とによりエンコードされたエチレン受容体ポリペプチドの発現レベルが、野生型対照実験の植物の発現レベルと比較される。
【0073】
本発明は明解にするため例示の目的である程度の詳細が説明されているが、請求の範囲のみにより制限されることが意図されている本発明の範囲から逸脱することなく、変更及び改変はなされうる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0001]
Technical Field of the Invention
The present invention relates to modifying the response of plant cells to external signals such as environmental changes and cues during development. More specifically, the present invention provides isolated polynucleotides that encode polypeptides that are integral to the plant cell membrane and mediate cell signaling processes.
[0002]
Background of the invention
Plants grow through a given developmental program over their lifetime. This point is particularly remarkable in embryo development and flower development. There are a variety of signal molecules that are produced by certain cells of the plant and are ready for other cells to respond, especially in meristem areas. These signal molecules trigger a development program at a specific time that leads to the formation of a completely different, for example flower or cotyledon. In addition to the programmed pathways described above, plants are exposed to a variety of environmental stimuli, such as temperature changes, sunshine, hydration potential, mechanical damage wounds and pathogen attack. I have. Environmental factors, such as exposure to light, heat, cold, dryness, etc., regulate the expression of genes and the synthesis of proteins and other compounds essential for the proper response to environmental signals and the healthy development of plants through them. Activate. These responses are mediated by signal molecules as well as developmental pathways.
[0003]
To respond to these signal molecules, plant cells produce surface receptor proteins that serve as detectors, modulators and / or transducers of cellular signals. Intracellular transmission of signals is often transmitted via a phosphorylation cascade of molecules that culminates in the transcription of genes that trigger appropriate cellular responses for normal development or to counter challenges from the environment.
[0004]
One large class of receptor proteins is the single transmembrane family, which has several subclasses. These proteins are characterized by three domains: a recognition / binding domain for extracellular signals (or ligands), a domain that penetrates once through the cell membrane, and an intracellular signaling domain, usually a protein kinase. Single, but not all, transmembrane proteins in many plants belong to a subclass known as receptor-like kinases (RLKs). The intracellular kinase domains of plant RLK are all serine / threonine protein kinases, whereas the extracellular domain of RLK is of a different type. One type of RLK is characterized by the presence of an extracellular S domain first described in self-incompatibility-locus glycoproteins that inhibits self-pollination. The S domain is recognized by an array of 10 cysteine residues combined with other conserved residues. Another class of RLK has an extracellular domain identified by a leucine rich repeat (LRR) that is involved in protein-protein interactions. Binding of the ligand to the extracellular domain is followed by receptor dimerization, autophosphorylation, and activation of a series of intracellular proteins that serve to transmit signals to the nucleus. The structure of plant RLK is very similar to the receptors found in animal cell signaling pathways.
[0005]
One example of a plant PLK is the plant pathogen Xanthomonas oryzae pv. Xa21 gene that confers resistance to oryzae race 6. This gene has been cloned using genetic means to compare Xanthomonas susceptible and resistant rice lines (Song et al., Science 270: 1804-1806, 1995), and subsequently confers resistance to Xanthomonas in Arabidopsis as well. It was shown that. This 1025 amino acid protein exhibits a number of features similar to known protein domains including a signal peptide of the amino terminal 23 amino acid residues, indicating that this protein is localized at the plasma membrane. Amino acids 81 to 634 contain 23 incomplete repeats of the 24 amino acid LRR. Amino acids 651 to 676 encode a hydrophobic segment of 26 amino acids that may form a transmembrane domain. The C-terminal amino acids include those predicted to be intracellular serine threonine kinase domains that include 11 subdomains of 15 invariant amino acids typical of protein kinases. Subdomains VI and VIII display the specificity of serine threonine phosphorylation. Xa21 is highly similar to other RLKs, such as the Arabidopsis receptor-like kinase proteins RLK5 and TMK1, showing conservation of both LRR and protein kinase domains. It is unknown what protein Xa21 transmits its pathogen recognition signal to.
[0006]
Another family of membrane receptor molecules expressed on plant cells is histidine kinase (HK). HK has been known for some time in bacterial signaling systems, one of the two-component signaling systems. Bacterial HK serves as a detector molecule for extracellular signals such as changes in osmoticum, nutrients and toxicants. HK autophosphorylates to histidine residues in response to ligand binding. This phosphohistidine contributes its own phosphate group to the aspartate group of the second component of the two-component system known as the response regulator (RR). The phosphorylated RR binds to DNA in a sequence-specific manner and plays a role in directly activating a specific gene encoding a protein that mediates the response to the extracellular stimulus. In certain cases, HK has a complex structure. Specifically, these proteins contain an RR domain at the carboxyl terminus. The phosphohistidine of HK transfers its phosphate group to an aspartic acid residue in the active site of this RR domain. In these cases, since the RR domain is membrane-bound, the signal cannot be transmitted directly by the RR binding to DNA. Instead, the histidine phosphotransfer (HPt) protein plays a role in further signaling. The phosphoaspartic acid of the complex HK / RR protein contributes a phosphate group to the active site histidine of the HPt protein. The phosphohistidine of this HPt in turn donates a phosphate group to the true RR, which then activates gene expression in response to external signals.
[0007]
Like bacteria, plant cells have a two-element signaling system consisting of HK and RR with detector elements. Furthermore, complex HK proteins having an RR domain at the carboxyl terminus (hereinafter referred to as hybrid HK / RR proteins) are found in both bacteria and plants. HK proteins are distinguished by well-conserved amino acid motifs that occur in a specific order. The conserved regions from the amino terminus are identified as H, N, G1, F and G2 boxes. These motifs are usually found in the range of 200 to 250 amino acids of the protein. As in bacteria, upon receiving extracellular signals, HK autophosphorylates histidine residues contained in the H box. This phosphate group is then transferred to the RR. As an alternative, some HKs constitutively autophosphorylate their histidine residues and this activity is suppressed by binding of extracellular signals. It is believed that all HK phosphorylates RR as an obligate part of signal transduction. RR is characterized by the absolute conservation of aspartic acid and lysine residues phosphorylated by phosphohistidine of HK. Unlike bacteria, it has been shown that plant RRs do not bind DNA directly. Rather, the RRs of all plants examined to date appear to transmit signals at first glance to the protein kinase cascade, which eventually phosphorylates transcription factors to activate gene expression or not. Activate either. Like bacteria, plants also contain complex HKs containing an RR domain at the carboxyl terminus of the protein. As predicted based on this observation, the plant genome has also been found to also carry the HPt gene. However, it has not yet been directly shown that any plant HPt protein interacts with complex HK or soluble RR.
[0008]
The ethylene receptor (ETR1, Chang et al., Science 262: 539-544, 1993) is the most well known plant two-component signaling system. Ethylene is a well-known signaling molecule involved in regulating fertilization, senescence, dark / photomorphogenesis, and response to pathogens and mechanical damage, as well as regulating plant development. The ethylene receptor is a hybrid HK / RR protein. The signal is transmitted via the CTR1 protein, a Raf-like protein kinase. CTR1 is a negative regulator of downstream steps in the signaling pathway. Although the details of this pathway are not yet clear, HK is constitutively active in the absence of ethylene and always phosphorylates CTR1, which represses other genes in the ethylene response pathway. Binding of ethylene to ETR1 inhibits the HK function of the receptor, allowing activation of proteins downstream of the ethylene signaling cascade. This culminates in the activation of ethylene-responsive genes.
[0009]
Two RR genes, IBC6 and IBC7, which are induced in response to the plant growth regulator cytokinin, have recently been cloned and analyzed from Arabidopsis thaliana (Brandstatter and Kieber, Plant Cell 10: 1009-1019, 1998). IBC6 and IBC7 appear to be involved in the signaling of cytokinin signals in plants. This is particularly interesting in light of the fact that the gene encoding the hybrid HK / RR protein CKI1 (Kakimoto, Science 274: 982-985, 1996) produces a cytokinin-like effect when ectopically expressed in transgenic plants. . Thus, it appears that the two-element HK / RR system may be involved in cytokinin signaling. Cytokinins are known to regulate plant growth and development, including physiological events such as nutrient metabolism, leaf elongation and senescence, and lateral branching.
[0010]
Although polynucleotides encoding proteins involved in plant cell signaling have been isolated for certain plant species, genes encoding many such proteins have not yet been identified in a wide range of plant species. Thus, there is still a need in the art for materials that can be used effectively to alter cell signaling.
[0011]
Summary of the Invention
Briefly, the present invention provides polynucleotides isolated from Eucalyptus and pine and encoding a polypeptide involved in cell signaling, along with methods of using such oligonucleotides and polypeptides. Such polypeptides function as detector-modulators or receptor kinases. The isolated polynucleotides and polypeptides described above are effectively used to modify plant cell responses either in plant growth and development or under stress conditions caused by pathogens or environmental factors.
[0012]
In a first aspect, the present invention provides an isolated and purified polynucleotide available from Eucalyptus and pine, encoding an RLK, HK, RR, HPt or hybrid HK / RR protein. In one embodiment, the isolated polynucleotide comprises: (a) the sequence recited in SEQ ID NOs: 1-67, 131-481, and 833-888; (b) the sequences identified by SEQ ID NOs: 1-67. , 131-481 and 833-888, (c) the reverse complement of the sequences listed in SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888, (d) 40%, 60% as defined below with the reverse sequence of the sequences listed under SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888 and the sequences (e) (a) to (d) , A DNA sequence selected from the group consisting of sequences having sequences that are 75% or 90% identical.
[0013]
In a further aspect, there is provided an isolated polypeptide encoded by the DNA sequence of the present invention. In one embodiment, such a polypeptide comprises an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 68-130, 482-832, and 889-945.
[0014]
In another aspect, the present invention provides a DNA construct comprising a polynucleotide of the present invention, alone or in combination with one or more of the polynucleotides disclosed herein or in combination with one or more known DNA sequences. Provided with a transgenic cell containing
[0015]
In a related aspect, the invention provides a DNA construct comprising, in the 5 'to 3' direction, a gene promoter sequence, an open reading frame encoding at least a functional portion of a polypeptide of the invention, and a gene termination sequence. I do. The open reading frames may be arranged in a sense direction or an antisense direction. There is also provided a gene construct comprising a non-coding region or a nucleotide sequence complementary to the non-coding region of a gene encoding an enzyme encoded by the polynucleotide, together with a gene promoter sequence and a gene terminator sequence. It is preferred that the gene promoter and termination sequence function in the host plant. The gene promoter and termination sequence are most preferably those of the original gene, but also those commonly used in the technical field of the present invention, such as other cauliflower mosaic virus (CaMV) promoters, such as the Kozak sequence or the omega enhancer. It can be effectively used in the present invention together with a simple enhancer and a terminator of the nopaline synthase gene of Agrobacterium tumefaciens bacterium. Tissue-specific promoters are used to target and express one or more desired tissues. The DNA construct may further include a marker for identification of the transformed cell.
[0016]
In a further aspect, a transgenic cell, preferably a plant cell, comprising the DNA construct of the present invention comprises an organism, preferably a plant, comprising such a transgenic cell, together with the fruit, seed or other product, derivative or progeny of such a plant. Provided. Such transgenic plants are also included in the present invention. As used herein, the term "zero remnant" means any part of a plant used for sexual or asexual reproduction or propagation, including cuttings.
[0017]
In yet another aspect, there is provided a method for modifying cell signaling in a target organism, such as a plant, comprising stably incorporating a DNA construct of the present invention into the genome of the plant. In a preferred embodiment, the target plant is a woody plant, preferably one selected from the group consisting of eucalyptus and pine species, most preferably one selected from the group consisting of Eucalyptus grandis and Pinus radiata. In a related aspect, a method for producing a target organism, such as a plant, having altered cell signaling, comprising transforming with a DNA construct of the present invention to provide a transgenic cell, wherein said transgene comprises Culturing the transgenic cells under conditions that lead to regeneration and growth of the mature plant.
[0018]
In yet a further aspect, the present invention provides a method for modifying the activity of a polypeptide in a target organism, such as a plant, comprising stably incorporating the DNA construct of the present invention into the genome of the plant. In a preferred embodiment, the target plant is a woody plant, preferably selected from the group consisting of Eucalyptus and pine species, and most preferably selected from the group consisting of Eucalyptus grandis and Pinus radiata.
[0019]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and further features of the invention and the manner in which it is obtained will become apparent and the invention is best understood by referring to the following detailed description. All cited references disclosed herein are incorporated by reference as if each were individually incorporated.
[0020]
Detailed description
The present invention provides isolated and purified polynucleotides encoding polypeptides involved in plant cell signaling. As noted above, cell signaling is known to play a critical role in plant growth and development and in the response of cells to external stimuli such as environmental factors and pathogens. Thus, transforming a plant with a polynucleotide encoding a polypeptide involved in cell signaling can be used to modify properties such as cell growth, differentiation, elongation and survival, disease resistance and nutrient metabolism. Is done.
[0021]
For example, the hybrid HK / RR protein ETR1 is known to be involved in ethylene signaling. Thus, altering the expression of ETR1 leads to alteration of ethylene-regulated physiological properties such as fruit ripening and leaf and flower senescence. Modification of the expression of this protein in transgenic plants is then used to extend the useful life of cut flowers by delaying senescence. In addition, alterations in ETR1 expression can be used to selectively promote reproductive senescence, resulting in the production of engineered sterile plants.
[0022]
The hybrid HK / RR protein CKI1 has been implicated in cytokinin signaling. Overexpression of this protein is known to produce cytokinin-like effects in mutant plants. Cytokinins have been shown to play important roles in lateral branching, expansion of expression, cell division, nutrient distribution and senescence delay among physiological phenomena. Thus, altered expression of CKI1 results in, for example, delayed senescence in a selected cell type or organ. This extends the shelf life of fruits and vegetables from harvest to consumption. As an alternative, altering CKI1 expression can be used to reduce branching frequency in forest tree species, resulting in intact, clear timber for hardwood furniture and plywood .
[0023]
The methods and materials of the present invention can be used to increase or decrease the amount of a particular plant cell polypeptide by incorporating additional copies of the gene encoding the polypeptide into the genome of a target organism, such as a plant. . Similarly, polypeptides can be increased or decreased by transforming a target organism with an antisense copy of such a gene.
[0024]
In one embodiment, the invention provides an isolated polynucleotide that encodes or partially encodes a plant polypeptide involved in cell signaling, wherein the polynucleotide is from Eucalyptus and pine. Specifically, the present invention is derived from Eucalyptus grandis (SEQ ID NO: 2, 8, 9, 11, 15, 18, 19, 21-25, 33, 34, 38, 131-301, 448-463, 848, 858-874 and 882-887) and derived from Pinus radiata (SEQ ID NOS: 1, 3-7, 10, 12-14, 16, 17, 20, 26-32, 35-37, 39-41, 302-). 447, 833-847, 875-881 and 888), and an isolated polynucleotide encoding RLK and derived from Eucalyptus grandis (SEQ ID NOS: 42, 48-52, 55-58, 67, 464-471, 474). 478 and 850-857) and from Pinus radiata (SEQ ID NOs: 43-47, 53; 54, 59-66, 472, 473, 479-481, and 849) of the two-component signaling system (HK, RR or hybrid HK / RR protein). . The complement of such an isolated polynucleotide, the reverse complement of such an isolated polynucleotide, and the reverse sequence of such an isolated polynucleotide are also provided, along with variants of such a sequence as defined below.
[0025]
In another embodiment, the invention provides an isolated polypeptide encoded by a polynucleotide of the invention. The amino acid sequences encoded by the DNA sequences of SEQ ID Nos. 1-59, 63, 64, 66, 67, 131-481, 833-848, 851 and 853-888 are sequence ID Nos. 68-130, respectively. 482-832 and 889-945. Thus, in certain embodiments, a polypeptide of the invention comprises an amino acid sequence selected from the group consisting of Nos. 68-130, 482-832, 889-945, and variants thereof.
[0026]
The polypeptides disclosed herein were derived from forest plant resources, mainly Eucalyptus grandis and Pinus radiata. Some polynucleotides of the present invention are "partial" sequences in that they do not refer to full-length genes encoding full-length polypeptides. The term "polynucleotide-encoded polypeptide" as used herein includes polypeptides encoded by nucleotide sequences, including partially isolated DNA sequences of the present invention. Such partial sequences can be extended by analyzing and sequencing various DNA libraries using primers and / or probes and well-known hybridization and / or PCR techniques. The subsequence can be extended until an open reading frame encoding the polypeptide, a full-length polynucleotide and / or a gene capable of expressing the polypeptide or another useful portion of the genome is identified. Such extended sequences, including full-length polynucleotides and genes, are those sequences in which the extended sequence comprises the identified sequence or a variant thereof or one contiguous portion (x-mer) of the sequences disclosed herein or a variant thereof. The sequences disclosed herein or variants thereof or one portion of the sequences disclosed herein or variants thereof are described as "corresponding to". Similarly, RNA sequences, reverse sequences, complementary sequences, antisense sequences and the like corresponding to the polynucleotides of the present invention have been identified as the sequences listed under SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888. Can be confirmed and obtained by routine procedures using the obtained cDNA sequence.
[0027]
As described above, the polynucleotides disclosed herein include an open reading frame (ORF) or a partial open reading frame encoding a polypeptide. In addition, open reading frames encoding the polypeptides may be identifiable in extended or full-length sequences corresponding to the sequences presented as SEQ ID NOs: 1-67, 131-481 and 833-888. . Open reading frames can be identified using techniques well known to those skilled in the art. These techniques include, for example, analysis of the location of known start and end codons, identification of the most likely reading frame based on codon frequency, and the like. Suitable tools and software for ORF analysis are available, for example, on the Internet at http: // www. ncbi. nlm. nih. gov / gorf / gorf. available at html. The open reading frame and portions of the open reading frame can be identified in the polynucleotides of the present invention. Once the partial open reading frame has been identified, the polynucleotide can be modified using techniques well known to those of skill in the art until a complete open reading frame polynucleotide can be identified. The area can be expanded. Thus, an open reading frame encoding a polypeptide can be identified using a polynucleotide of the present invention.
[0028]
Once an open reading frame has been identified in a polynucleotide of the invention, the open reading frame can be isolated and / or synthesized. An expressible DNA construct comprising the open reading frame and an appropriate promoter, initiator, terminator and the like well known to those skilled in the art can be constructed. Such a genetic construct is introduced into a host cell to express the polypeptide encoded in the open reading frame. Suitable host cells include various prokaryotic and eukaryotic cells, including plant cells, mammalian cells, bacterial cells, algae and the like.
[0029]
The polypeptide encoded by the polynucleotide of the present invention can be expressed and used in various assays to determine its biological activity. Such polypeptides can be used to generate antibodies, to isolate proteins or other compounds with which they interact, and to quantitatively determine the level of interacting proteins or other compounds.
[0030]
The term "polynucleotide" as used herein refers to a single-stranded or double-stranded polymer of deoxyribonucleotides or ribonucleotide bases, and is defined as DNA and corresponding RNA molecules on both the sense and antisense strands and HnRNA. and cDNA, genomic DNA and recombinant DNA, as well as fully or partially synthesized polynucleotides. HnRNA contains introns and generally corresponds one-to-one with DNA molecules. mRNA corresponds to HnRNA and DNA molecules from which introns have been excised. A polynucleotide comprises the entire gene or a portion thereof. An operable antisense polynucleotide includes fragments of the corresponding polynucleotide, and the definition of "polynucleotide" includes all such operable antisense fragments. Antisense polynucleotides and techniques involving antisense polynucleotides are well known to those of skill in the art and are described, for example, in Robinson-Benion et al., Methods in Enzymol. 254 (23): 363-375, 1995 and Kawasaki et al., Artific. Organs 20 (8): 834-848, 1996.
[0031]
As used herein, the term "polypeptide" includes amino acid chains of any length, including full length, with amino acid residues covalently linked. The polypeptides of the present invention may be purified natural products or may be partially or wholly produced using recombinant or synthetic techniques.
[0032]
All of the polynucleotides and polypeptides described herein are isolated and purified under conditions commonly used by those skilled in the art.
[0033]
The definitions of the terms "complement", "reverse complement", and "reverse sequence" as used herein are best illustrated in the following examples. For the sequence 5'AGGACC3 ', the complement, reverse complement and reverse sequence are as follows.
Complement 3'TCCTGG5 '
Reverse complement 3'GGTCCT5 '
Reverse sequence 5'CCAGGA3 '
[0034]
As used herein, the term “variant” is at least about 40%, more preferably at least about 60%, even more preferably at least about 75%, and most preferably at least about 90% identical to a sequence of the present invention. Refers to residues (either nucleotides or amino acids) that exhibit sex. The percent identity is determined by aligning the two sequences to be compared as described below, determining the number of identical residues in the aligned portion, and determining the number of identical residues according to the invention or It is obtained by dividing by the total length in the query sequence and multiplying the result by 100.
[0035]
Publicly available computer algorithms can be used to align polynucleotide or polypeptide sequences, and the percentage of identical nucleotides in a particular region can be determined relative to another. Two representative algorithms for polynucleotide sequence alignment and similarity identification are the BLASTN and FASTA algorithms. The percentage of polypeptide sequence identity can be determined using the BLASTP algorithm. Both BLASTN and BLASTP software are available at / blast / executables / on NCBI's anonymous FTP server (ftp:https://ncbi.nlm.nih.gov). The BLASTN algorithm version 2.0.6 (September 16, 1998), set in default instructions and described in the instructions and distributed with the algorithm, is preferably used for the determination of variants according to the invention. . The use of the BLAST family of algorithms, including BLASTN and BLASTP, is described at the NCBI website URL (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/newblast.html) and Nucleic Res. By Altschul et al. 25: 3389-3402, 1997. The computer algorithm FASTA is available on the Internet at the ftp site ftp: // ftp. virginia. Available at edu / pub / fasta /. Version 3.1t11 of August 1998, set to the default parameter values described in the instructions and distributed with the algorithm, is preferably used for the determination of variants according to the invention. The use of the FASTA algorithm is described in Pearson WR and Lipman DJ Proc. Natl. Acad. Sci. ScL USA 85: 2444-2448, 1988, and Pearson WR Methods in Enzymol. 183: 63-98, 1990.
[0036]
The following running parameters are preferably used for alignment and similarity determination using BLASTN, which contribute to the E values and percent identity described below for polynucleotide sequences. The Unix (registered trademark) running command is “blastall p blastn deembldbe 10G0E0r1v30b30iqeriesqresults”, and parameters are as follows.
p Program name [Character string]
d database [character string]
e Expected value (E) [real number]
G The cost of opening the gap (zero invokes default action) [integer]
E Cost of expanding the gap (zero invokes default behavior) [integer]
r nucleotide match reward (blastn only) [integer]
v Number of one-line descriptions (V) [integer]
b Number of alignments to be displayed (B) [integer]
i Query File [File In]
o BLAST report output file [File Out] Optional
For BLASTP, a running parameter of "blastall blastp d swissprotdbe 10G0E0v30b30i queryseq results" is preferable.
p Program name [Character string]
d database [character string]
e Expected value (E) [real number]
G The cost of opening the gap (zero invokes default action) [integer]
E Cost of expanding the gap (zero invokes default behavior) [integer]
r nucleotide match reward (blastn only) [integer]
v Number of one-line descriptions (V) [integer]
b Number of alignments to be displayed (B) [integer]
i Query File [File In]
o BLAST report output file [File Out] Optional
[0037]
A "hit" to one or more database sequences by a query sequence, generated by BLASTN, BLASTP, FASTA or a similar algorithm, is identified by alignment of similar parts of the sequence. The hits are ordered by the degree of similarity and the length of the overlapping sequence. A hit to the database sequence generally means that it only overlaps part of the sequence length of the query sequence.
[0038]
The BLASTN and FASTA algorithms also calculate the "expected" (E) value of the alignment. The E-value indicates the number of hits that can be "expected" to be discovered over a certain number of adjacent sequences by chance when searching a certain size database. The E value is used as a threshold of significance to determine whether a hit to a database, such as the preferred EMBL database, represents true similarity. For example, an E value of 0.1 assigned to a certain polynucleotide hit can be expected to match by chance 0.1 times over aligned parts of sequences with similar scores in a database of the size of the EMBL database. Is interpreted as According to this criterion, a portion where the polynucleotide sequence is aligned and matched has a probability of being 90% identical. For sequences that have an E value of less than 0.01 across aligned matches, the probability of finding a match by chance in the EMBL database using the BLASTN or FASTA algorithm is less than 1%.
[0039]
According to one embodiment, a "variant" polynucleotide for each of the polynucleotides of the invention is a sequence having the same or less number of nucleic acids than each of the polynucleotides of the invention, and It is preferable to include an array having an E value of 0.01 or less in comparison. That is, the mutant polynucleotide has any probability that the probability of being the same as the polynucleotide of the present invention is 99% or more and the E value becomes 0.01 or less using the BLASTN or FASTA algorithm with the above parameter setting. Say.
[0040]
Variant polynucleotides will typically hybridize to the recited polynucleotide sequences under stringent conditions. As used herein, “stringent conditions” refers to pre-washing with a solution of 6 × SSC and 0.2% SDS and over night hybridization in 6 × SSC and 0.2% SDS at 65 ° C. And then washed twice in 1 × SSC and 0.1% SDS at 65 ° C. for 30 minutes each, and twice in 0.2 × SSC and 0.1% SDS at 65 ° C. for 30 minutes each. Refers to
[0041]
The present invention relates to polynucleotides that differ from the disclosed sequences, but also to polynucleotides that encode the same polypeptide as a result of the degeneracy of the genetic code with the polypeptide encoded by the polynucleotides disclosed herein. Allelic variants of the gene. Accordingly, as a result of conservative substitutions, include the polynucleotide sequences listed as SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888 or the complement, reverse sequence or a sequence different from the reverse complement of these sequences. Polynucleotides are contemplated and encompassed by the present invention. In addition, the sequences listed under SEQ ID NOs: 1-67, 131-481 and 833-888, or the complements of these sequences, as a result of deletions and / or insertions that total less than 10% of the previous sequence length Polynucleotides containing sequences that differ from the complement, reverse sequence or reverse complement are also contemplated by the present invention and are included in the present invention. Similarly, sequences that differ from the sequences listed in SEQ ID NOs: 68-130, 482-832 and 889-945 as a result of amino acid substitutions, insertions and / or deletions that total less than 10% of the total sequence length. Are contemplated by and encompassed by the present invention provided that the mutant polypeptide has activity in the lignin biosynthetic pathway.
[0042]
As used herein, the term “x-mer” refers to at least any of the polynucleotides identified as SEQ ID NOs: 1-67, 131-481, and 833-888, for a particular value of “x”. A polynucleotide comprising a specified number ("x") of contiguous residues. The value of x is from about 20 to about 600, depending on the particular sequence.
[0043]
The polynucleotide of the invention comprises at least the specified number of contiguous residues (x) of any of the polynucleotides identified as SEQ ID NOs: 1-67, 131-481, and 833-888, or variants thereof. -Mer). According to a preferred embodiment, the value of x is preferably 20 or more, more preferably 40 or more, still more preferably 60 or more, and most preferably 80 or more. Thus, the polynucleotides of the present invention were identified as polynucleotides identified as SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888 and as SEQ ID Nos. 1-67, 131-481 and 833-888. A 20-mer, 40-mer, 60-mer, 80-mer, 100-mer, 120-mer, 150-mer, 180-mer, 220-mer, 250-mer or 300-mer, 400-mer, 500-mer or Includes polynucleotides containing the 600 mer.
[0044]
The polynucleotides of the present invention may have been isolated by high-throughput sequencing of a cDNA library prepared from Eucalyptus grandis and Pinus radiata, as described in Examples 1 and 2 below. Alternatively, oligonucleotide probes based on the sequences provided in SEQ ID NOs: 1-67, 131-481 and 833-888 are synthesized and cDNA from Eucalyptus grandis and Pinus radiata using hybridization or PCR techniques. Alternatively, it is used to identify positive clones in either genomic DNA libraries. Probes may be shorter than the sequences provided herein, but are at least 10, preferably at least about 15, most preferably at least 20 nucleotides in length. Hybridization and PCR techniques suitable for use with such oligonucleotide probes are well known in the art of the present invention and are described in Sambrook et al., "Molecular cloning: a laboratory manual", Cold Spring Harbor Laboratory. (Cold Spring Harbor, NY), including those taught in 1989. Positive clones are analyzed by restriction enzyme digestion, DNA sequencing and the like.
[0045]
Further, the DNA sequences of the present invention can be generated by synthetic means using techniques well known in the art of the present invention. Equipment for automated oligonucleotide synthesis is commercially available from suppliers such as Perkin Elmer / Applied Biosystems Division (Foster City, CA) and may be operated according to the manufacturer's instructions.
[0046]
In one embodiment, a DNA construct of the invention comprises an open reading frame encoding at least a functional portion of a polypeptide encoded by a polynucleotide of the invention or a variant thereof. As used herein, a “functional portion” of a polypeptide refers to a portion of the polypeptide that contains a binding site or a catalytic signaling site. Functional portions of a polypeptide can be determined by targeted mutational analysis using protocols well known in the art of the invention and by screening for the modified polypeptide product. Normally the functional portion is 10 to 20 amino acids long, but may be longer or shorter. The active site may be composed of distant portions present on one or more polypeptide chains and generally exhibits high binding affinity.
[0047]
An open reading frame is inserted in the DNA construct in a sense or antisense orientation such that transformation of the DNA construct into a target plant results in a change in the amount of polypeptide as compared to a wild-type plant. Transformation with a DNA construct that includes an open reading frame in the sense direction generally results in altered expression of the selected gene, and the gene construct that includes the open reading frame in the antisense direction. Transformation generally results in reduced expression of the selected gene. A population of plants transformed with a DNA construct that contains an open reading frame of the invention in either the sense or antisense orientation can be prepared using techniques well known to those of skill in the art to increase or decrease the expression of the gene in question. Are screened for, and plants having the desired phenotype are isolated.
[0048]
Alternatively, expression of genes involved in plant cell signaling can be inhibited by inserting a portion of the open reading frame of the invention in either sense or antisense orientation. Such portions need not be full length, but preferably comprise at least 25 residues, more preferably at least 50, of the polynucleotides of the present invention. However, full-length polynucleotides corresponding to longer or full open reading frames can also be used. The portion of the open reading frame need not be exactly the same as the endogenous sequence, provided that there is sufficient sequence similarity to achieve inhibition of the target gene. Thus, sequences from one species may be used to inhibit the expression of genes of a different species.
[0049]
In another embodiment, a DNA construct of the present invention comprises a DNA sequence that comprises or is complementary to a non-coding region of a gene encoding a polypeptide encoded by a polynucleotide of the present invention. Examples of non-coding regions that can be used effectively for such constructs include introns and 5 'non-coding leader sequences. Transformation of target plants with such DNA constructs can be performed, for example, in a manner similar to that discussed by Napoli et al., Plant Cell 2: 279-290, 1990 and de Carvalho Niebel et al., Plant Cell 7: 347-358, 1995. The process of cosuppression results in a reduction in the amount of isoprenoid compounds synthesized by the plant.
[0050]
Alternatively, regulation of polypeptide expression can be achieved by inserting an appropriate sequence or subsequence (eg, DNA or RNA) into the ribozyme construct (McIntyre CL and Manners JM, Transgenic Res. 5 (4): 257-262). , 1996). Ribozymes are synthetic RNA molecules that contain a hybridizing region complementary to two regions. Each region preferably comprises at least 5 or more contiguous nucleotides of an mRNA molecule encoded by one of the polynucleotides of the present invention. Ribozymes have very specific endonuclease activity and cleave the mRNA autocatalytically.
[0051]
The gene construct of the present invention further comprises a gene promoter sequence and a gene termination sequence operably linked to the DNA sequence to be transcribed, and controls gene expression. The gene promoter sequence is generally located at the 5 'end of the transcribed DNA sequence and is used to initiate transcription of the DNA sequence. The gene promoter sequence is generally found in the 5 'non-coding region of the gene, but may be located downstream of the open reading frame or in an intron (Luehrsen KR, Mol. Gen. Genet. 225: 81-). 93, 1991), for example, as in plant defense genes (Douglas et al., EMBO J. 10: 1767-1775, 1991).
[0052]
Various gene promoter sequences that can be effectively used in the DNA construct of the present invention are well known in the technical field of the present invention. The gene promoter sequence and the gene termination sequence may be endogenous in the target plant host, or may be exogenous when functional in the target host. For example, the promoter and termination sequences may be from other plant species, plant viruses, bacterial plasmids, and the like. Preferably, the gene promoter and termination sequence are derived from the sequences of the invention themselves.
[0053]
Factors affecting promoter selection include the desired tissue specificity of the construct and the timing of transcription and translation. For example, a constitutive promoter, such as the 35S cauliflower mosaic virus (CaMV35S) promoter, affects enzyme activity in all parts of the plant. Using a tissue specific promoter will produce the desired sense or antisense RNA only in the tissue of interest. In gene constructs using an inducible gene promoter sequence, the rate of RNA polymerase binding and transcription initiation can be varied by external stimuli such as light, heat, anaerobic stress, altered nutritional conditions, and the like. Temporally regulated promoters are used to influence variations in the rate of RNA polymerase binding and transcription initiation at specific times during the development of transformed cells. It is preferred to use the native promoter from the enzyme gene in question or a promoter from a gene which is expressed only in a particular tissue of the transformed organism, such as eucalyptus or pine. Other examples of gene promoters that can be usefully employed in the present invention are reviewed by mannopine synthase (mas), octopine synthase (ocs) and Chua et al., Science 244: 174181, 1989. Things included.
[0054]
The gene termination sequence located 3 'to the DNA sequence to be transcribed may be derived from the same gene as the gene promoter sequence or may be derived from a different gene. Many gene termination sequences well known to those skilled in the art, such as the 3 'end of the nopaline synthase gene of Agrobacterium tumefaciens, can be effectively used in the present invention. In one embodiment, the gene terminator sequence is from the native enzyme gene or the target species to be transformed.
[0055]
The DNA construct of the present invention may also include a selectable marker effective on plant cells so that a transformed cell containing the construct of the present invention can be detected. Such markers, well known in the art of the present invention, typically have resistance to one or more toxins. One example of such a marker is the NPTII gene, whose expression confers resistance to kanamycin or hygromycin, which is normally toxic to plant cells at moderate concentrations (Rogers et al., Weissbach A and Weissbach H, "Plant Molecules" Methods for Plant Molecular Biology, Academic Press Inc. (San Diego, CA), 1988. Transformed cells can be identified by their ability to grow in media containing the antibiotic in question. Alternatively, the presence of the desired construct in the transformed cells can be determined by other techniques well known in the art of the invention, such as Southern and Western blotting.
[0056]
Techniques for operatively linking the components of the DNA constructs of the present invention are well known in the art of the present invention and are described, for example, in Sambrook et al., "Molecular cloning: a laboratory manual" Cold. Spring Harbor Laboratory Press (Cold Spring Harbor, NY, 1989), which includes the use of synthetic linkers containing one or more restriction endonuclease sites. The DNA constructs of the present invention comprise a vector having one or more replication systems, such as E. coli, for example, which allows the resulting construct to be cloned and sequenced after each operation to determine the accuracy of the operation. They may be connected.
[0057]
The genetic construct of the present invention includes monocotyledonous angiosperms (eg, grass, corn, cereals, oats, wheat, barley) and dicotyledonous angiosperms (eg, Arabidopsis, tobacco, legumes, alfalfa, oak, eucalyptus, Maple) and gymnosperms (eg, Scots pine (Aronen, Finnish Forest Res. Papers, Vol. 595, 1996), white spruce (Ellis et al., Biotechnology 11: 84-89, 1993), and larch (Huang et al., Ind.) (vitro Cell 27: 201-207, 1991) .In a preferred embodiment, the DNA constructs of the present invention can be used for their stems to survive multiple years and to add woody tissue. Every year It is used for the transformation of woody plants, herein defined as trees or shrubs of increasing diameter, wherein the target plant is preferably selected from the group comprising eucalyptus and pine species, most preferably Eucalyptus grandis. Other species usefully transformed with the DNA constructs of the present invention include Pinus banksia, Pinus brutia, Pinus caribaea, Pinus clausa, Pinus controla, Pinus coulta, Pinus coulta, Pinus radiata. eldarica, Pinus ellioti, Pinus jeffreyi, Pinus lambertiana, Pinus monticol , Pinus nigra, Pinus palustrus, Pinus pinaster, Pinus ponderosa, Pinus resinosa, Pinus rigida, Pinus serotina, Pinus strobus, Pinus sylvestris, Pinus taeda, and pine such as Pinus virginiana, Abies amabilis, Abies balsamea, Abies concolor, Abies grandis , Abies lasiocarpa, Abies magnifica, Abies procera, Chamacecyparis lawsoniona, Chamacecyparis nototkatensis, Champaeciperis typhois des, Huniperus virginiana, Larix decidua, Larix laricina, Larix leptolepis, Larix occidentalis, Larix siberica, Libocedrus decurrens, Picea abies, Picea engelmanni, Picea glauca, Picea mariana, Picea pungens, Picea rubens, Picea sitchensis, Pseudotsuga menziesii, Sequoia gigantea, Sequoia sempervirens, Taxodium distichum, Tsuga canadensis, Tsuga heterophylla, Tsuga ertensiana, Thuja occidentalis, and other gymnosperms such as Thuja plicata, Eucalyptus alba, Eucalyptus bancroftii, Eucalyptus botyroides, Eucalyptus bridgesiana, Eucalyptus calophylla, Eucalyptus camaldulensis, Eucalyptus citriodora, Eucalyptus cladocalyx, Eucalyptus coccifera, Eucalyptus curtisii, Eucalyptus dalrympleana, Eucalyptus degupta, Eucalyptus delagensis, Euca yptus diversicolor, Eucalyptus dunnii, Eucalyptus ficifolia, Eucalyptus globulus, Eucalyptus gomphocephala, Eucalyptus gunnii, Eucalyptus henryi, Eucalyptus laevopinea, Eucalyptus macarthurii, Eucalyptus macrorhyncha, Eucalyptus maculata, Eucalyptus marginata, Eucalyptus megacarpa, Eucalyptus melliodora, Eucalyptus nicholii, Eucalyptus nitens, Eucalyptus nov -anglica, Eucalyptus obliqua, Eucalyptus obtusiflora, Eucalyptus oreades, Eucalyptus pauciflora, Eucalyptus polybractea, Eucalyptus regnans, Eucalyptus resinifera, Eucalyptus robusta, Eucalyptus rudis, Eucalyptus saligna, Eucalyptus sideroxylon, Eucalyptus stuartiana, Eucalyptus tereticornis, Eucalyptus torelliana, Eucalyptus urnigera, Eucalyptus urophylla , ucalyptus viminalis, Eucalyptus viridis, Eucalyptus wandoo, and eucalyptus such as Eucalyptus Youmanni, including any one of the hybrid of the seed, but not limited to.
[0058]
Techniques for stably incorporating a DNA construct into the genome of a target plant are well known in the art of the present invention, and include Agrobacterium tumefaciens-mediated transduction, electroporation, protoplast fusion, and reproductive organ injection. Methods, immature embryo injection, high velocity projectile introduction, and the like. The choice of technique will depend on the target plant to be transformed. For example, dicotyledonous plants and certain monocotyledonous and gymnosperm plants can be transformed by Agrobacterium Ti plasmid technology, for example, as described by Bevan (Nucleic Acids Res. 12: 8711-8721, 1984). . Targets for the introduction of the gene constructs of the present invention include tissues such as leaf tissue, sprayed cells, protoplasts, seeds, embryos, meristem regions, cotyledons, hypocotyls and the like. One method of transforming eucalyptus and pine is pollen (see, for example, Aronen, Finnish Forest Res. Papers, Vol. 595: 53, 1996) or biolistic using readily reproducible embryonic tissue. Is the way.
[0059]
Once the cells have been transformed, cells having the DNA construct of the present invention integrated into the genome can be selected with a marker such as the kanamycin resistance marker described above. The transgenic cells are cultured in a suitable medium for regenerating the whole plant using techniques well known in the art of the present invention. In the case of protoplasts, the cell wall is regenerated under appropriate osmotic conditions. In the case of seeds or embryos, a suitable germination or callus induction medium is used. For explants, an appropriate regeneration medium is used. Plant regeneration is well established for many species. For a review of forest tree regeneration, see Dunstan et al., "Somatic Embryogenesis in Woody Plants," (Thorpe TA Editing, In Vitro Embryogenesis of Plants in Plants). See Plant Science and Biotechnology in Agriculture 20 (12): 471-540, 1995). A specific protocol for spruce regeneration is described in Roberts'"Somatic Embryogenesis of Spruce" (Regenbaugh K, edited by Shensee: Improving Artificial Seed Harvest (Spruce). Synthetic: applications of synthetic seed to crop improvement), published by CRC Press, Chapter 23, pages 427-449, 1993). The resulting transformed plants may be propagated sexually or asexually to obtain transgenic plants of the next generation or later using techniques well known in the art.
[0060]
As described above, RNA production in target cells can be controlled by selecting a promoter sequence. A target plant is transformed with two or more constructs of the invention, modifies two or more polypeptide activities, affects polypeptide activity in two or more tissues, or expresses two or more polypeptides upon expression. May affect activity. Similarly, a gene construct may be constructed to include two or more open reading frames encoding a polypeptide of the invention, or to include two or more non-coding regions of a gene encoding such a polypeptide. Good. The polynucleotides of the present invention may also be used in combination with other known sequences that encode a polypeptide involved in plant cell signaling.
[0061]
The isolated polynucleotides of the invention are involved in cell signaling from other plant species using techniques well known in the art of the invention as routinely used in DNA hybridization and PCR techniques. It can also be used as a probe to isolate a DNA sequence encoding a polypeptide.
[0062]
The polynucleotides, polypeptides and antibodies against such polypeptides of the invention can be used to screen for molecules that interact with such polynucleotides and / or polypeptides and thereby alter cell signaling. Techniques for performing such assays are well known in the art. Similarly, the polynucleotides and polypeptides of the present invention may be used in studies designed to elucidate cell signaling pathways.
[0063]
The following examples are given by way of illustration and not by way of limitation.
[0064]
Example 1
Isolation and characterization of a cDNA clone from Eucalyptus grandis
A Eucalyptus grandis cDNA expression library was constructed and screened as follows.
[0065]
mRNA was extracted from specific plant tissues, such as stem xylem, using the protocol of Chang et al. (Plant Molecular Biology Reporter 11: 113-116, 1993) with minor modifications. Specifically, the sample was dissolved in CPC-RNAXB (100 mM Tris-Cl, pH 8.0, 25 mM EDTA, 2.0 M NaCl, 2% CTAB, 2% PVP, and 0.05% spermidine trihydrochloride), and chloroform was dissolved. : Isoamyl alcohol was extracted with a mixture of 24: 1. The mRNA was precipitated with ethanol and the total RNA preparation was purified using a poly (A) quick mRNA isolation kit (Stratagene, La Jolla, CA). The cDNA expression library was constructed by synthesizing reverse transcriptase from the purified mRNA using a ZAP Express cDNA synthesis kit (Stratagene) according to the manufacturer's protocol, and then inserting the cDNA clone into lambda ZAP. The obtained cDNA was packaged with Gigapack II packaging extract (Stratagene) using 1 μl of sample DNA in 5 μl of ligation mix. Mass excision of the library was performed using XL1-Blue MRF 'cells and XLOLR cells (Stratagene) with ExAssist helper phage (Stratagene). The excised phagemid was diluted in NZY broth (Gibco BRL, Gaithersburg, MD) and plated on LB-kanamycin agar plates containing X-gal and isopropylthio-beta-galactoside (IPTG).
[0066]
Of the colonies plated and picked for DNA minipreps, 99% contained inserts suitable for sequencing. Positive clones were cultured in NZY broth containing kanamycin, and cDNA was purified by alkaline lysis and polyethylene glycol (PEG) precipitation. 1% agarose gel was used to screen for chromosomal contamination in the sequencing template. Dye primer sequences were prepared using a Turbo Catalyst 800 machine (Perkin Elmer / Applied Biosystems Division, Foster City, CA) according to the manufacturer's protocol.
[0067]
The DNA sequence of the positive clones was obtained using a Perkin Elmer / Applied Biosystems Division Prism 377 sequencer. cDNA clones were first sequenced from the 5 'end and, optionally, also from the 3' end. For some clones, internal sequences were obtained by designing primers that hybridize to the termini of known sequences and using them as sequencing primers to extend the amount of sequence information. As an alternative, the internal sequence may be obtained by generating a "nested" deletion clone of the gene of interest using published methods (Henikoff, Gene 28: 351-359, 1984). Was done.
[0068]
Sequenced cDNA sequences were compared to known sequences in the EMBL database (Release 58, March 1999) using the computer algorithms FASTA and / or BLASTN. Multiple alignments of redundant sequences were used to assemble reliable consensus sequences. Based on similarities to known sequences from other plant species, the isolated DNA was identified as RLK (SEQ ID NOs: 2, 8, 9, 11, 15, 18, 19, 21-25, 33, 34, 38, 131-301, 448-463, 848, 858-874 and 882-887) or at least one component of a two-component signaling system (HK, RR or hybrid HK / RR protein, SEQ ID NO: 42; 48-52, 55-58, 67, 464-471, 474-478, and 850-857). Sequence ID Nos. 2, 8, 9, 11, 15, 18, 19, 21-25, 33, 34 and 38 have less than 10% of residues identical to the known sequence (by the determination method described above). Could not be found. The sequence identification numbers 848, 854, 855, 856, 859, 860, 862, 863, 864, 865, 866, 867, 868, 869, 871, 872, 873, 874, 882, 883 and 885 are the sequences, respectively. ID Nos. 232, 467, 468, 48, 282, 288, 488, 453, 289, 268, 297, 278, 290, 449, 299, 301, 270, 269, 276, 454, and 300 The sequence identification numbers 848, 854-856, 859, 860, 862-865, 868, 869 and 871-874 are full-length sequences.
[0069]
Example 2
Isolation and characterization of cDNA clone from Pinus radiata
A Pinus radiata cDNA expression library was constructed from specific tissues such as xylem as described in Example 1 and screened. The DNA sequence of the positive clone was obtained using the Perkin Elmer / Applied Biosystems Division Prism 377 sequencer using forward and reverse primers, and the determined sequence was compared to known sequences in the database as described above.
[0070]
The isolated DNA sequence based on similarity to known sequences from other plant species was RLK (SEQ ID NOs: 1, 3-7, 10, 12-14, 16, 17, 20, 26-32, 35-37, 39-41, 302-447, 833-847, 875-881 and 888) or at least one component of a two-component signaling system (HK, RR or hybrid HK / RR protein, SEQ ID NO: 43-47, 53, 54, 59-66, 472, 473, 479-481, and 849). The sequences of SEQ ID NOs: 3-7, 10, 12-14, 16, 17, 20, 26, 28-32, 35-37 and 39-41 are identical to the known sequences (as determined above). The residue was found to be less than 10%. The sequence with SEQ ID NO: 480 was found to contain a predicted unspliced intron, and translation was spliced into two open reading frames. The amino acid sequences encoded in these two open reading frames are provided in SEQ ID NOs: 830 and 831. SEQ ID Nos. 411, 413, 317, 421, 415, 434 and 416 represent extended sequences of SEQ ID Nos. 26, 17, 28, 39, 16, 30 and 41, respectively. The sequence identification numbers 833, 834, 835, 836, 837, 838, 839, 840, 841, 842, 843, 844, 875, 876, 877, 878, 879, 880 and 888 are the sequence identification numbers 411, 413, 317, 29, 421, 415, 434, 416, 35, 37, 36, 40, 438, 426, 445, 418, 435, 411, and 427. , 844 and 878-881 are full length sequences.
[0071]
Example 3
Use of the ethylene receptor gene to modify plant growth
Transformation of tobacco plants with the Pinus radiata ethylene receptor gene homolog is performed as follows. DNA constructs including the sense and antisense constructs containing the DNA sequence containing the coding region of the ethylene receptor homolog (SEQ ID NO: 43) derived from Pinus radiata were constructed and published methods (An, Binary Vectors (Binary Vectors)). .), Edited by Gelvin SB and Schilperort RA, plant molecular biology manual (Plant Molecular Biology Manual), published by Kluer Academic Publishers, Dordrecht, 1988), and directly transformed into Agrobacterium agobacterium by Escherichia coli using the Agrobacterium bacterium. . Sense DNA constructs were made by cloning the cDNA insert of the PBK-CMV plasmid into the pART7 plasmid, and then cloning the NotS digested 35S-insert-OCS3'UTR fragment from the pART7 vector into the pART27 plant expression vector. (Gleave, Plant Mol. Biol. 20: 1203-1207, 1992). The presence and integrity of the transgenic construct is confirmed by restriction enzyme digestion and DNA sequencing.
[0072]
Sections of tobacco (Nicotiana tabacum cv. Samsun) leaves are transformed with the sense and antisense ethylene receptor constructs described above using a method based on the method of Horsch et al., Science 227: 1229-1231, 1985. Transformed plants containing the appropriate constructs are identified using Southern blot experiments. Expression of the Pinus ethylene receptor homolog in the transformed plant is confirmed by isolating total RNA from each of the independent transformed plant strains created using the sense and antisense constructs. The RNA sample is analyzed in a Northern blot experiment to determine the level of foreign gene expression in each transformant. For each of the transformed plant strains produced with the sense and antisense constructs, the expression level of the ethylene receptor polypeptide encoded by the Pinus ethylene receptor gene and the endogenous tobacco ethylene receptor gene was determined to be wild. The expression level of the plant in the type control experiment is compared.
[0073]
Although the present invention has been described in some detail for purposes of illustration for purposes of clarity, changes and modifications may be made without departing from the scope of the invention, which is intended to be limited solely by the appended claims. sell.

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