JP2001503264A - Nucleic acid sequence encoding β-C-4-oxygenase required for astaxanthin biosynthesis obtained from Haematococcus pluvialis - Google Patents
Nucleic acid sequence encoding β-C-4-oxygenase required for astaxanthin biosynthesis obtained from Haematococcus pluvialisInfo
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Abstract
(57)【要約】 本発明は、一般的には、(3S,3'S)アスタキサンチンを製造するための生物工学的方法に関する。詳細には、本発明は、β-C-4-オキシゲナーゼ活性を有するペプチド;該ペプチドをコードするDNAセグメント;該ペプチドをコードするRNAセグメント;ベクターおよび該DNAセグメントを含む組換えDNA分子;前記組換えDNA分子またはDNAセグメントを含有する宿主細胞または生物;ならびに該宿主の使用による(3S,3'S)アスタキサンチンまたは(3S,3'S)アスタキサンチンを含有する食品添加物の生物工学的製造方法に関する。 (57) [Summary] The present invention relates generally to a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin. Specifically, the present invention relates to a peptide having β-C-4-oxygenase activity; a DNA segment encoding the peptide; an RNA segment encoding the peptide; a vector and a recombinant DNA molecule containing the DNA segment; A host cell or organism containing the recombinant DNA molecule or DNA segment; and a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin or a food additive containing (3S, 3'S) astaxanthin by using the host.
Description
【発明の詳細な説明】 Haematococcus pluvialisから得られるアスタキサンチン生合成に必要なβ−C-4 −オキシゲナーゼをコードする核酸配列発明の分野および背景 本発明は、一般的には、(3S,3'S)アスタキサンチンを製造するための生物工学 的方法に関する。詳細には、本発明は、β-C-4-オキシゲナーゼ活性を有するペ プチド;該ペプチドをコードするDNAセグメント;該ペプチドをコードするR NAセグメント;ベクターおよび該DNAセグメントを含む組換えDNA分子; 前記組換えDNA分子またはDNAセグメントを含有する宿主細胞または生物; ならびに該宿主の使用による(3S,3'S)アスタキサンチンまたは(3S,3'S)アスタキ サンチンを含有する食品添加物の生物工学的製造方法に関する。 アスタキサンチン等のカロテノイドは、生物に見られる多くの黄色、橙色およ び赤色のもとになっている天然色素である。カロテノイドは、自然界に広く分布 し、様々な生体系において2つの大きな生物学的機能を有している:カロテノイ ドは、光合成における集光色素として作用し、光酸化による損傷から保護する。 カロテノイドのこのような生物学的機能および更なる生物学的機能、それらの産 業上重要な役割、ならびにそれらの生合成については以下で説明する。 集光アンテナの一部として、カロテノイドは、光子を吸収してそのエネルギー をクロロフィルに伝えることができ、従って450 〜570nmの範囲の光を捕らえることに役立っている[Cogdell RJおよびFrank HA(1 987)カロテノイドは光合成細菌においてどのように機能するかBiochim Biophys Acta 895:63-79;Cogdell R(1988)葉緑体内の色素の機能 Goodwin TW編、Plant Pigments、183〜255頁、Academic Press、London;Frank HA、Violette CA、Tr autman JK、Slueve AP、Owens TGおよびAlbrecht AC(1991)光合成におけるカロ テノイド:構造と光化学Pure Appl Chem 63:109-114;Frank HA、Farhoosh R、D ecoster BおよびChristensen RL(1992)光合成におけるカロテノイドからクロロ フィルへのエネルギー伝達効率を制御する分子的特徴Murata N編、Research in Photosynthesis、第I巻、125〜128頁、Kluwer、Dordrecht;ならびにCogdell RJ およびGardiner AT(1993)光合成におけるカロテノイドの機能Meth Enzymol 214 :185-193を参照のこと]。カロテノイドは、光合成生物における集光アンテナの タンパク質一色素複合体の必要不可欠な構成成分ではあるが、光合成反応中心の 重要な成分でもある。 全カロテノイドの大部分は、集光性複合体II内に局在化している[Bassi R、Pi neaw B、Dainese PおよびMarquartt J(1993)光化学系IIのカロテノイド結合タン パク質Eur J Biochem 212:297-302]。光合成活性を有するカロテノタンパク質の 正体および集光系におけるその精確な位置は不明である。光化学的活性を有する 好熱性ラン藻Synechococcus sp.のクロロフィル−タンパク質複合体内のカロテ ノイドか、配向試料の直線二色性分光法によって調べられた[Breton JおよびKat o S(1987)光化学系II内の色素の配向:Synechococcus sp.から単離されたコア粒 子およびそのクロロフィル−タンパク質サブユニットの低温直線二色性研 究Biochim Biophys Acta 892:99-107を参照のこと]。これらの複合体は、約505 nmおよび470nmを吸収するβ−カロテンプール(β−カロテンプールは膜平面の 近くに配向する)を主に含有した。光化学的に不活性なクロロフィル−タンパク 質複合体では、β−カロテンは約495nmおよび465nmを吸収し、この分子は膜平面 に対して直角に配向している。 カロテノイドがラン藻の光化学系(PS)IIと結合しているという証拠が明らか にされた[Suzuki RおよびFujita Y(1977)光合成反応中心IIの作用により誘導さ れるカロテノイドの光脱色:DCMU感受性Plant Cell Physiol 18:625-631;ならび にNewman PJおよびSherman LA(1978)光化学系IおよびIIの膜粒子のラン藻Synec hococcus cedrorumからの単離および特徴Biochim Biophys Acta 503:343-361を 参照のこと]。PSIIの反応中心コアには2分子のβ−カロテンが存在する[Ohno T、Satoh KおよびKatoh S(1986)好熱性ラン藻Synechocococus sp.から精製され る酸素放出複合体の化学組成Biochim Biophys Acta 852:1-8;Gounaris K、Cha pman DJおよびBarber J(1989)D1/D2/チトクロムb-559複合体のSynechocystis P CC 6803からの単離および特徴Biochim Biophys Acta 973:296-301;ならびにNe well RW、van Amerongen H、Barber JおよびvanGrondelle R(1993)偏光を用いる 光化学系II反応中心の分光学的特徴:PSII反応中心におけるβ−カロテン励起体 の証拠Biochim Biophys Acta 1057:232-238を参照のこと]。しかし、それらの 正確な機能は依然として不明である[総説:Satoh K(1992)光化学系II反応中心の 構造と機能 Murata N編、Research in Photosynthesis、第II巻、3〜12頁、Klu wer、Dordrecht]。2 分子が結合したこのようなβ−カロテン分子により、クロロフィルP680の単離P SII反応中心における光損傷からの保護が明らかにされた[De Las Rivas J、Tel fer AおよびBarber J(1993)2分子が結合したβ−カロテン分子はP680を単離P SII反応中心における光損傷から保護するBiochim Biophys Acta 1142:155-164 を参照のこと]。このことは、PSIIのD1サブユニットの分解に対する保護に関 係していると考えられる[Sandmann G(1993)フィトエンのリコペンへの脱飽和化 反応に関与する遺伝子および酵素(要旨)、10th International Symposium on Ca rotenoids、Trondheim CLI-2を参照のこと]。好熱性ラン藻Synechococcussp.の 高度に精製された酸素放出PSII複合体の集光色素は、50個のクロロフィルaお よび7個のβ−カロテン分子から成り、キサントフィル分子を含まない[Ohno T 、Satoh KおよびKatoh S(1986)好熱性ラン藻Synechococcus sp.から精製された 酸素放出b複合体の化学組成Biochim Biophys Acta 852:1-8を参照のこと]。β− カロテンが緑藻類の活性PSIIの組み立てに役割を果たしていることが明らかに された[Humbeck K、Romer SおよびSenger H(1989)活性PSIIの組み立てにおけ るカロテノイドの本質的な役割の証拠Planta 179:242-250を参照のこと]。 1つのP700あたり40個のクロロフィルを含有するPhormidium luridumから単 離されたPSI複合体は、平均で1.3分子のβ−カロテンを含有していた[Thornbe r JP、Alberte RS、Hunter FA、Shiozawa JAおよびKan KS(1976)植物の光合成ユ ニットにおけるクロロフィルの組織化Brookhaven SympBiology 28:132-148を参 照のこと]。1つのP700あたり130±5分子のアンテナクロロフィルを含有するS ynechococcus sp. PCC 6301株からPSI粒子を調製するときに、16分子のカロテノイドが検出さ れた[Lundell DJ、Glazer AN、Melis AおよびMalkin R(1985)ラン藻の光化学系 I複合体の特徴J Biol Chem 260:646-654を参照のこと]。相当量のβ−カロテ ン、ならびにキサントフィル、クリプトキサンチンおよびイソクリプトキサンチ ンが、好熱性ラン藻Synechococcus elongatusのPSIの色素−タンパク質複合体 に検出された[Coufal J、Hladik JおよびSofrova D(1989)ラン藻Synechococcus elongatusの光化学系Iの色素−タンパク質複合体のカロテノイド含有量Photosy nthetica 23:603-616を参照のこと]。4つポリペプチド(62、60、14および10kD a)から成るラン藻Synechococcus sp.のサブユニットタンパク質−複合体の構造 は、1つのP700あたり約10個のβ−カロテン分子を含有した[Takahashi Y、Hiro ta KおよびKatoh S(1985)Synechococcus sp.のP700−クロロフィルa−タンパ ク質複合体の複数の形態:鉄、キノンおよびカロテノイド含有量Photosynth Res 6:183-192を参照のこと]。このカロテノイドは、機能的なアンテナクロロフィ ルaを有する大きなポリペプチドに専ら結合している。これらの複合体の蛍光励 起スペクトルによって、β−カロテンがPSIの効率的なアンテナとして作用す ることが示唆された。 上記のように、カロテノイドの更なる本質的な機能は、光合成装置において、 励起三重項状態のクロロフィルにより引き起こされる光酸化反応から保護するこ とである。9個以上の炭素−炭素二重結合のπ電子共役を有するカロテノイド分 子は、三重項状態のエネルギーをクロロフィルから吸収することができ、従って 有害な一重項状態の酸素ラジカルの生成を防止することができる。 Synechococcus sp.において、三重項状態のカロテノイドが、閉じたPSII中心 で監視され、そしてその約25ナノ秒の生成キネティクスは、アンテナ内のクロロ フィルの三重項からのエネルギー伝達による[Schlodder EおよびBrettel K(1988 )11ナノ秒の寿命を有する閉じた光化学系IIの初期電荷分離:Synechococcusの酸 素放出光化学系II複合体に関する閃光吸収分光分析Biochim Biophys Acta 933: 22-34を参照のこと]。ラジカル対の形成収率と比較して、収率が一層低いこの過 程は、過励起による損傷からクロロフィルを保護する役割を果たしていると考え られる。 インビボでのカロテノイドの保護的な役割が、酸素性光合成を行うすべての生 物におけるカロテノイド生合成を阻害するノルフルラゾン等の漂白性除草剤の使 用によって解明された[総説:Sandmann GおよびBoger P(1989)除草剤によるカロ テノイド生合成の阻害Boger PおよびSandmann G編、Target Sites of Herbicide Action、25-44頁、CRC Press、Boca Raton、Florida]。明所おけるノルフルラ ゾン処理によって、カロテノイドおよびクロロフィルのレベルが共に低下する一 方、暗所ではクロロフィルのレベルは影響を受けない。ピリジノン系除草剤(フ ルリドン)で処理したOscillatoria agardhii細胞における光合成効率の阻害は 、ミキソキサントフィル、ゼアキサンチンおよびβ−カロテンの相対的な存在量 の減少によるものであり、これによりクロロフィル分子は光酸化された[Canto d e Loure I、Dubacq JPおよびThomas JC(1987)ラン藻の色素および脂質に対する 窒素欠乏効果Plant Physiol 83:838-843を参照のこと]。 アンテナクロロフィルの過剰な励起エネルギーを非放射的様式で消散させるた めに、ゼアキサンチンが必要とされることが明ら かにされている[Demmig-Adams B(1990)植物におけるカロテノイドおよび光保護 :キサントフィルゼアキサンチンの役割Biochim Biophys Acta 1020:1-24;な らびにDemmig-Adams BおよびAdams WW III(1990)カロテノイドゼアキサンチン およびクロロフィルの蛍光を消光する高エネルギー状態Photosynth Res 25:187 -197を参照のこと]。藻類および植物では、ゼアキサンチンを生成するビオラキ サンチンの光誘導による脱エポキシ化反応が光保護過程に関連している[総説:D emmig-Adams BおよびAdams WW III(1992)強光ストレスに対する植物の光保護 および他の応答Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 43:599-626]。ビオラ キサンチンの光誘導による脱エポキシ化反応および暗所で起こるその逆反応は、「 キサントフィルサイクル」として知られている[Demmig-Adams BおよびAdams W W III(1992)強光ストレスに対する植物の光保護および他の応答Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 43:599-626を参照のこと]。ラン藻を主な共生藻とす る地衣類(cyanobacterial lichens)は、ゼアキサンチンを全く含有せず、そして おそらくは非放射性のエネルギー消散ができないために、高強度光に対して感受 性である;藻類を主な共生藻とする地衣類(algal lichens)は、ゼアキサンチン を含有し、強光ストレスに対してより大きな耐性である[Demmig-Adams B、Adams WW III、Green TGA、Czygan FCおよびLange OL(1990)藻類共生群(phycosymbiod eme)を形成する2つの地衣類(キサントフィルサイクルを有する地衣類パートナ ーおよびキサントフィルサイクルを有さない地衣類パートナー)の光ストレスに 対する感受性の違いOecologia 84:451-456;Demmig-Adams BおよびAdams WW II I(1993)日光に順 応した葉のキサントフィルサイクル、タンパク質の代謝回転および強光耐性Plan t Physiol 103:1413-1420;ならびにDemmig-Adams B(1990)植物におけるカロテ ノイドおよび光保護:キサントフィルゼアキサンチンの役割Biochim Biophys Ac ta 1020:1-24を参照のこと]。藻類および植物とは対照的に、ラン藻はキサント フィルサイクルを有さない。しかし、ラン藻は、クロロフィルの光保護を支援し 得る十分量のゼアキサンチンおよび他のキサントフィルを含有する。 いくつかの他の機能がカロテノイドに認めらる。カロテノイドが近紫外(UV) 線により生成する傷害性の化学種から保護することが、ラン藻Gloeocapsa alpic olaのUV耐性変異株におけるβ−カロテンの蓄積を示す結果によって示唆され ている[BuckleyCEおよびHoughton JA(1976)ラン藻Gloeocapsa alpicolaの色素沈 着に対する近紫外線の効果に関する研究Arch Microbiol 107:93-97を参照のこ と]。このことは、カロテノイドを産生するEscherichia coli細胞においてより 明快に明らかにされた[Tuveson RWおよびSandmann G(1993)近紫外光により活性 化される光毒性分子に対してEscherichia coliで発現するクローン化カロテノイ ド遺伝子による保護Meth Enzymol 214:323-330を参照のこと]。カロテノイドは 、酸素ラジカル種を消去できるために、効率的な抗酸化剤であり、従って細胞を 酸化的損傷から保護する。カロテノイドのこのような機能は、ほぼすべての生物 において重要である[Krinsky NI(1989)カロテノイドの抗酸化機能Free Radical Biol Med 7:617-635;ならびにPalozza PおよびKrinsky NI(1992)インビボお よびインビトロにおけるカロテノイドの抗酸化作用−概説Meth Enzymol 213:40 3-420を 参照のこと]。他の細胞機能は、間接的であるとしてもカロテノイドにより影響 され得る。ラン藻内のカロテノイドは走光性の主要な光受容体ではないが、Anab aena variabilisで観察されている走光性反応に対するカロテノイドの影響は、 この系のシグナル中間体として作用し得る一重項酸素ラジカルの除去によるもの であった[Nultsch WおよびSchuchart H(1985)ラン藻Anabaenavariabilisの走光 性反応鎖モデルArch Microbiol 142:180-184を参照のこと]。 花および実において、カロテノイドは、花粉媒介体の誘引および種の分散を容 易にする。この後者の局面は、農業と強く結びついている。実および花における 色素沈着のタイプおよび程度は、多くの作物の最も重要な特質の一つである。何 故なら、主として、これらの産物の色によって消費者へのアピールがしばしば決 定され、それによってそれらの市場価値が高められるからである。 カロテノイドは非毒性であるため、食品産業において着色剤としての重要な商 業的用途を有する[Bauernfeind JC(1981)Carotenoids as colorants and vitami n A precursors、Academic Press、Londonを参照のこと]。トマトの実の赤色は 、実が熟する期間中にクロモプラストに蓄積するリコペンによってもたらされる 。リコペンを(乾燥重量の80%を超える)高い割合で含有するトマト抽出物は、 食品着色剤として工業的に使用されるために世界中で商業的に生産されている。 更に、肉、羽または魚および鳥の卵は、与えられた食物カロテノイドの色を呈す る。このように、カロテノイドは、家禽用食物添加物および養殖において頻繁に 使用される。ある種のラン藻種(例えば、Spirulina sp.[Sommer TR、Potts WTお よびMorrissy NM(1990)養殖微細藻類の処理 における最近の進歩Hydrobiologia 204/205:435-443を参照のこと])が、動物お よびヒトの食物補助剤を製造するために養殖で培養されている。従って、カロテ ノイド(主として、β−カロテン)のこれらのラン藻における含有量は、商業的 な意味で生物工学に密接に関与する。 大部分のカロテノイドは、8個のC5イソプレノイドユニットから構築される C40の炭化水素骨格から成り、一連の共役二重結合を含有する。カロテンは、酸 素原子を含有せず、1個または2個の末端環を含有する線状または環状分子のい ずれかである。キサントフィルは、カロテンの酸素化された誘導体である。様々 なグルコシル化カロテノイドおよびカロテノイドエステルが同定されている。C40 骨格は更に、伸長してC45またはC50カロテノイドを生成し得るか、または短 縮してアポカロテノイドを生成し得る。いくつかの非光合成細菌もまた、C30カ ロテノイドを合成する。カロテノイドに関する一般的な背景が、Goodwin TW(198 0)The Biochemistry of the Carotenoids、第1巻(第2版)、ChapmanおよびHall 、New York;ならびにGoodwin TWおよびBritton G(1988)カロテノイドの分布 と分析Goodwin TW編、Plant Pigments、62〜132頁、Academic Press、New York に見出される。 これまでに、640を超える異なる天然のカロテノイドについて、性質が調べら れている。従って、カロテノイドは、微生物、菌類、藻類、植物および動物に見 出される様々な色調の黄色、橙色および赤色の大部分のもとになっている。カロ テノイドは、すべての光合成生物ならびにいくつかの非光合成の細菌および菌類 によって合成されるが、食物摂取により動物界全体にも広く分布してい る。 カロテノイドは、光合成生物およびいくつかの微生物においてのみイソプレノ イド前駆体からデノボ的に合成され、それらは典型的には光合成膜内、細胞膜内 および細胞璧内のタンパク質複合体に蓄積する。 図1に詳しく記載するように、β−カロテンの生合成経路において、4つの酵 素が、中心的なイソプレノイド経路のゲラニルゲラニルピロリン酸をβ−カロテ ンに変換する。カロテノイドは、一般的なイソプレノイド生合成経路から産生さ れる。この経路は数十年も前から知られているが、ごく最近、主に遺伝学および 分子生物学を使用して、カロテノイド生合成に関与するいくつかの分子機構が解 明された。これは、フィトエンのカロテンおよびキサントフィルへの変換に関係 している大部分の酵素が不安定で、膜結合型タンパク質の活性が可溶化の際に失 われるという事実のためである[Beyer P、Weiss GおよびKleinig H(1985)膜結合 型カロテン生成酵素のラッパスイセンのクロモプラストからの可溶化およびその 再構成Eur J Biochem 153:341-346;ならびにBramley PM(1985)カロテノイド のインビトロ生合成Adv Lipid Res21:243-279を参照のこと]。しかし、部分的 な活性を保持するSynechocystis sp.PCC 6714株由来のカロテン生成酵素の可溶 化が報告された[Bramley PMおよびSandmann G(1987)Aphanocapsaのカロテン生成 酵素の可溶化Phytochem 26:1935-1939を参照のこと]。酵素活性の直接的なアッ セイを可能にするカロテノイド生合成の真のインビトロ系は存在していない。 無細胞のカロテノイド生成系が開発され[Clarke IE、Sandmann G、Bramley PMお よびBoger P(1982)単離光合成膜によるカロ テン生合成FEBS Lett 140:203-206を参照のこと]、ラン藻に適応された[Sandma nn GおよびBramley PM(1985)Phycomyces blakesleeanusフィトエン生成系に連結 したAphanocapsaホモジネートによるカロテノイド生合成Planta 164:259-263; ならびにBramley PMおよびSandmann G(1985)ラン藻Aphanocapsaによるキサント フィルのインビトロおよびインビでのボ生合成Phytochem 24:2919-2922を参照 のこと]。Synechococcus sp.PCC 7942株のフィトエンデサチュラーゼのリポソー ム中での再構成が、Escherichia coliで発現させたポリペプチドの精製後に行わ れた[Fraser PD、Linden HおよびSandmann G(1993)組換えSynechococcusフィト エンデサチュラーゼのEscherichiacoli過剰発現株からの精製およびその再活性 化Biochem J 291:687-692を参照のこと]。 図1を参照すると、カロテノイドはイソプレノイド前駆体から合成される。イ ソプレノイド生合成の中心経路は、アセチル−CoAがメバロン酸に変換されるこ とにより開始されると見ることができる。C5分子のD3イソペンテニルピロリン 酸(IPP)がメバロン酸から形成され、IPPはすべての長鎖イソプレノイド の基本成分である。IPPがジメチルアリルピロリン酸(DMAPP)に異性化 した後に、3分子のIPPが更に結合してC20分子のケラニルゲラニルピロリン 酸(GGPP)が生成する。このような1'-4縮合反応は、プレニルトランスフェラ ーゼによって触媒される[Kleinig H(1989)イソプレノイド生合成におけるプラ スチドの役割Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 40:39-59を参照のこと] 。この同じ酵素(GGPPシンターゼ)によって、DMAPPからGGPPへの すべての反応か行われることが植物で明らかにされている [Dogbo OおよびCamara B(1987)イソペンテニルピロリン酸イソメラーゼおよび ゲラニルゲラニルピロリン酸シンターゼのCapsicumクロモプラストからのアフィ ニティークロマトグラフィーによる精製Biochim Biophys Acta 920:140-148; ならびにLaferriere AおよびBeyer P(1991)ゲラニルケラニルニリン酸シンタ ーゼのSinapis albaエチオプラストからの精製Biochim Biophys Acta 216:156- 163を参照のこと]。 カロテノイド生合成に特異的な第一段階は、2分子のGGPPの頭−頭縮合に よるプレフィトエンピロリン酸(PPPP)の産生である。GGPPは、ピロリ ン酸が除去された後に、15-シス-フィトエン(無色のC40炭化水素分子)に変換 される。この2段階反応は、ラン藻および植物の両方において、可溶性酵素のフ ィトエンシンターゼ(1個の遺伝子(crtB)によってコードされる酵素)によっ て触媒される[Chamovitz D、Misawa N、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)ラ ン藻のフィトエンシンターゼ(カロテノイド生合成酵素)をコードする遺伝子の 分子クローニングおよびEscherichia coliにおける発現FEBS Lett 296:305-310 ;Ray JA、Bird CR、Maunders M、Grierson DおよびSchuch W(1987)pTOM5(トマ トから得られる成熟化に関連するcDNA)の配列Nucl Acids Res 15:10587-10588 ;Camara B(1993)植物のフィトエンシンターゼ複合体−成分の3酵素、免疫学お よび生合成Meth Enzymol 214:352-365を参照のこと]。経路内のその後のすべて の段階は膜内で生じる。4つの脱飽和化(脱水素化)反応によって、フィトエン は、フィトフルエン、ζ−カロテンおよびノイロスポレンを経由してリコペンに 変換される。脱飽和化される毎に共役二重結合の数が2つずつ増加し、その結果 、共役 二重結合の数はフィトエンの3個からリコペンの11個に増加する。 フィトエンの酵素的脱水素化の分子機構は、他と比較してほとんど知られてい ない[Jones BLおよびPorter JW(1986)高等植物のカロテン生合成CRC Crit Rev P lant Sci 3:295-324;ならびにBeyer P、Mayer MおよびKleinig H(1989)分子状 酸素および中間体の幾何異性状態はラッパスイセンのクロモプラストにおけるカ ロテンの脱飽和化反応および環化反応に必須であるEur J Biochem 184:141-150 を参照のこと]。ラン藻、藻類および植物では、最初の2つの脱飽和化反応(15- シス-フィトエンからζ−カロテンへの脱飽和化反応)は、1つの膜結合型酵素 (フィトエンデサチュラーゼ)によって触媒される[Jones BLおよびPorter JW( 1986)高等植物のカロテン生合成CRC Crit Rev Plant Sci 3:295-324;ならびにB eyer P、Mayer MおよびKleinig H(1989)分子状酸素および中問体の幾何異性 状態はラッパスイセンのクロモプラストにおけるカロテンの脱飽和化反応および 環化反応に必須であるEur J Biochem 184:141-150を参照のこと]。 ζ−カロテン生成物は、主にall-trans配置であるため、シス−トランス異性化 がこの脱飽和化段階で考えられる。ラン藻のフィトエンデサチュラーゼポリペプ チドの一次構造は、藻類および植物のフィトエンデサチュラーゼポリペプチドの 一次構造に対して保存されている(65%を超える同一残基が認められる)[Pecker I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)フィトエン のζ−カロテンへの変換を触媒する1つのポリペプチドは、トマトの実が熟する 期間中は転写段階で調節されるProc Natl Acad Sci USA 89:4962-4966;Pecker I 、Chamovitz D、Mann V、Sandmann G、Boger PおよびHirschberg J(1993)植物のカロテノイド 生合成の分子的特徴:トマトのフィトエンデサチュラーゼ遺伝子Murata N編、Re search in Phytosynthesis、第III巻、11〜18頁、Kluwer、Dordrechtを参照のこ と]。更に、同じ阻害剤によって、この2つの系のフィトエンデサチュラーゼは 阻止される[Sandmann GおよびBoger P(1989)除草剤によるカロテノイド生合成 の阻害Boger PおよびSandmann G編、Target Sites of Herbicide Action、25〜4 4頁、CRC Press、Boca Raton、Florida]。従って、ラン藻および植物のフィトエ ンおよびフィトフルエンの脱飽和化を触媒する酵素は、おそらく類似の生化学的 および分子的特性を有し、他の微生物のフィトエンデサチュラーゼの特性とは異 なる。そのような違いの1つは、Rhodobacter capsulatus、Erwinia sp.または 菌類のフィトエンデサチュラーゼは、それぞれ、フィトエンをノイロスポレン、 リコペンまたは3,4-デヒドロリコペンに変換することである。 ラッパスイセンのクロモプラストにおけるフィトエンの脱飽和化[Beyer P、Ma yer MおよびKleinig H(1989)分子状酸素および中間体の幾何異性状態はラッパス イセンのクロモプラストにおけるカロテンの脱飽和化反応および環化反応に必須 であるEur J Biochem 184:141-150を参照のこと]は、Synechococcus sp.PCC 79 42株の無細胞系の場合[Sandmann GおよびKowalczyk S(1989)インビトロでのカ ロテン生成およびAnacystisにおけるフィトエンデサチュラーゼ反応の特徴Bioch em Biophys Res Com 163:916-921を参照のこと]と同様に、酸素はこの反応に直 接的には関与していないが、最終的な電子受容体として考えられる分子状酸素に 依存している。ラン藻では、デヒドロゲナーゼ −モノオキシゲナーゼの脱水素化反応機構よりも、デヒドロゲナーゼ−エレクト ロントランスフェラーゼの機構が支持された[Sandmann GおよびKowalczyk S(198 9)インビトロでのカロテン生成およびAnacystisにおけるフィトエンデサチュラ ーゼ反応の特徴Biochem Biophys Res Com 163:916-921を参照のこと]。保存さ れたFAD結合モチーフが、その一次構造が解析されているすべてのフィトエン デサチュラーゼに存在する[Pecker I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann Gおよ びHirschberg J(1992)フィトエンのζ−カロテンへの変換を触媒する1つのポ リペプチドは、トマトの実が熟する期間中は転写段階で調節されるProc Natl Ac ad Sci USA 89:4962-4966;Pecker I、Chamovitz D、Mann V、Sandmann G、Boger PおよびHirschberg J(1993)植物のカロテノイド生合成の分子的特徴:トマトの フィトエンデサチュラーゼ遺伝子Murata N編、Research in Phytosynthesis、第 III巻、11〜18頁、Kluwer、Dordrechtを参照のこと]。コショウのフィトエンデ サチュラーゼ酵素が、タンパク質結合型FADを含有することが示された[Hugue ney P、Romer S、Kuntz MおよびCamara B(1992)Capsicumクロモプラストにおけ るフィトフルエンおよびζ−カロテンの合成を触媒するフラボタンパク質の特徴 および分子クローニングEur J Biochem 209:399-407を参照のこと]。フィトエ ンデサチュラーゼは膜内に位置しているので、可溶性のレドックス成分が更に予 想される。この仮想的な成分は、NAD(P)+([Mayer MP、Nievelstein Vおよび Beyer P(1992)NADPH依存オキシドレダクターゼのNarcissus pseudonarcissus のクロモプラストからの精製および特徴−カロテンの脱飽和化に関与すると考え られるレドックスメディエータ ーPlant Physiol Biochem 30:389-398を参照のこと]に示唆されている)、また は別の電子および水素キャリア(キノン等)を利用し得る。Synechocystis sp. PCC 6714株およびAnabaenavariabilis ATCC 29413株におけるフィトエンデサチ ュラーゼの細胞位置が、特異抗体を用いて、主として(85%)光合成チラコイド 膜内であることが明らかにされた[Serrano A、Gimenez P、Scinnidt AおよびSan dmann G(1990)光独立栄養原核生物のフィトエンデサチユラーゼの免疫細胞化学 的局在化および機能決定J Gen Microbiol 136:2465-2469を参照のこと]。 ラン藻、藻類および植物では、ζ−カロテンは、ノイロスポレンを経由してリ コペンに変換される。その酵素的な機構はほとんど知られていないが、1つの酵 素によって行われると予想されている[Linden H、Vioque AおよびSandmann G(19 93)ζ−カロテンデサチュラーゼをコードするカロテノイド生合成遺伝子のAnaba ena PCC 7120からの異種相補性による単離FEMS Microbiol Lett 106:99-104を 参照のこと]。Anabaena sp.PCC 7120株のζ−カロテンデサチュラーゼの推定ア ミノ酸配列は、フィトエンデサチュラーゼに見出されたジヌクレオチド結合モチ ーフに類似するモチーフを含有する。 2つの環化反応によって、リコペンはβ−カロテンに変換される。Synechococ cus sp.PCC 7942株[Cunningham FX Jr、Chamovitz D、Misawa N、Gantt Eおよび Hirschberg J(1993)ラン藻のリコペンシクラーゼ(β−カロテン生合成を触媒す る酵素)遺伝子のクローニングおよびEscherichia coliにおけるその機能的発現F EBS Lett 328:130-138を参照のこと]および植物[Camara BおよびDogbo O(1986) リコペンシクラーゼの証明 およびCapsicumクロモプラスト膜からの可溶化Plant Physiol 80:172-184を参 照のこと]において、これらの2つの環化反応は1つの酵素(リコペンシクラー ゼ)により触媒されるという証拠が得られている。この膜結合型酵素は、トリエ チルアミン化合物のCPTAおよびMPTAによって阻害される[Sandmann GおよびBoger P(1989)除草剤によるカロテノイド生合成の阻害Boger PおよびSandmann G編 、Target Sites of Herbicide Action、25〜44頁、CRC Press、Boca Raton、Flo ridaを参照のこと]。ラン藻は、β環化反応のみを行い、従ってε−カロテン、 δ−カロテンおよびα−カロテンならびにそれらの酸素化誘導体を含有しない。 β環は、線状のリコペン分子の末端のC-1,2二重結合がC-5,6二重結合の位置に折 り畳まれ、その後水素がC-6から失われるときに、「カルボニウムイオン」中間体 を生成することによって形成される。7,8間の結合が二重結合でない非環状カロ テンが報告されている。従って、リコペンのような完全な脱飽和化、またはノイ ロスポレンのような少なくとも分子半分の脱飽和化が、該反応には必須である。 リコペンの環化反応には、酸素を要求しない脱水素化反応が関与する。この反応 に必要なコファクターは不明である。ジヌクレオチド結合ドメインが、リコペン シクラーゼに関する補酵素としてNAD(P)またはFADが示唆されるSynechococcus s p.PCC 7942株のリコペンシクラーゼポリペプチドに見出された。 ヒドロキシ、メトキシ、オキソ、エポキシ、アルデヒドまたはカルボン酸部分 等の様々な酸素含有側鎖基を加えると、様々なキサントフィル種が形成される。 キサントフィルの生成についてはほとんど知られていない。β−カロテンのヒド ロキシル化には、 混合型機能の酸化酵素反応において分子状酸素が要求される。 全経路の酵素をコードする遺伝子のクラスタが、紫光合成細菌のRhodobacter capsulatus[Armstrong GA、Alberti M、Leach FおよびHearst JE(1989)Rhodo bacter capsulatusカロテノイド生合成遺伝子クラスタのタンパク質生成物ヌク レオチド配列、構成、および性質Mol.Gen Gent 216:254-268を参照のこと]お よび非光合成細菌のErwinia herbicola[Sandmann G、Woods WSおよびTuveson R S(1990)Erwinia herbicolaおよびEscherichia coli形質転換株におけるカロテ ノイドの同定FEMS Micobiol Lett 71:77-82;Hundle BS、Beyer P、Kleining H 、Englert HおよびHearst JE(1991)Erwinia herbicolaおよびErwinia herbicola カロテノイド遺伝子クラスタを有するEscherichia coli HB101株のカロテノイド Photochem Photobiol 54:89-93;ならびにSchnurr G、Shmidt AおよびSandmann G(1991)Erwinia herbicola由来のカロテノイド生成遺伝子(carotenogenic g ene)クラスタのマッピングおよび6遺伝子の機能的同定FEMS Microbiol Lett 7 8:157-162を参照のこと]およびErwinia uredovora[Misawa N、Nakagawa M、K obayashi K、Yamano S、IzawaI、Nakamura KおよびHarashima K(1990)Escherich ia coliにおける遺伝子産物の機能的解析によるErwinia uredovoraカロテノイド 生合成経路の解明J Bacteriol 172:6704-6712を参照のこと]よりクローニング されている。2つの遺伝子、GGPPシンターゼのal-3[Nelson MA、Morelli G、Ca rattoli A、Romano NおよびMacino G(1989)青色光および白色頸領遺伝子の産物 によって調節されるNerospora crassaカロテノイド生合成遺伝子(albino-3)の 分子クローニングMol Cell Biol 9:1271-1276;ならびにCarattoli A、Romano N、Ballario P、Morelli G およびMacino G(1991)Neurospora crassaカロテノイド生合成遺伝子(alblno3) J Biol Chem 266:5854-5859を参照のこと]エンデサチュラーゼのal-1[Schmidh auser TJ、Lauter FR、Russo VEAおよびYanofsky C(1990)al-1(Neurospora cra ssaカロテノイド生合成遺伝子)のクローニング、配列決定および光調節Mol Cel l Biol 10:5064-5070を参照のこと]がNeurospora crassaよりクローニングされ ている。しかし、これらの遺伝子を異種分子プローブとして使用してラン藻また は植物から相当する遺伝子をクローニングする試みは成功しなかった。何故なら 、十分な配列類似性が認められなかったからである。 カロテノイド合成酵素の第1の「植物タイプ」遺伝子が、分子遺伝学的アプロ ーチを用いて、ラン藻よりクローニングされた。フィトエンデサチユラーゼの遺 伝子をクローニングするための第1の工程では、Synechococcussp.PCC 7942株に おいて、フィトエンデサチュラーゼ特異的阻害剤であるノルフルラゾンに耐性な 多くの変異体が単離された[Linden H、Sandmann G、Chamovitz D、Hirschberg JおよびBoger P(1990)漂白性除草剤ノルフルラゾンに対して選択されたSynech ococcus変異体の生化学的特徴Pestic Biochem Physiol 36:46-51を参照のこと] 。次いで、野生株を除草剤耐性に形質転換することによって、ノルフルラゾン耐 性を与える遺伝子がクローニングされた[Chamovitz D、Pecker IおよびHirschbe rg J(1991)除草剤ノルフルラゾン耐性の分子的基礎Plant Mol Biol 16:967-9 74;Chamovitz D、Pecker I、Sandmann G、Boger PおよびHirschberg J(1990)ラ ン藻におけ るノルフルラゾン耐性遺伝子のクローニングZ Naturforsch 45c:482-486を参照 のこと]。根拠となるいくつかの株が、クローニングされた遺伝子(以前はpdsと 呼ばれ、現在ではcrtPと呼ばれる)がフィトエンデサチュラーゼをコードするこ とを示した。最も決定的なものが形質転換されたEscherichia coli細胞における フィトエンデサチュラーゼ活性の機能的発現であった[Linden H、Misawa N、Cha movitz D、Pecker I、Hirschberg JおよびSandmann G(1991)異なるフィトエンデ サチュラーゼ遺伝子のEscherichia coliにおける機能的相補性および蓄積された カロテンの分析Z Naturforsch 46c:1045-1051;ならびにPecker I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)フィトエンのζ−カロテ ンへの変換を触媒する1つのポリペプチドは、トマトの実が熟する期間中は転写 段階で調節されるProc Natl Acad Sci USA 89:4962-4966を参照のこと]。crtP 遺伝子も同様の方法を用いてSynechocystis sp.PCC 6803株からクローニングさ れた[Martinez-Ferez IMおよびVioque A(1992)Synechocystis sp.PCC 6803由来 フィトエンデサチュラーゼ遺伝子のヌクレオチド配列および除草剤ノルフルラゾ ンに対する耐性を与える新規変異体の特徴Plant Mol Biol 18:981-983を参照の こと]。 続いて、藻類[Pecker I、Chamovitz D、Mann V、Sandmann G、Boger Pおよび Hirschberg J(1993)植物におけるカロテノイド生合成の分子的特徴:トマトのフ ィトエンデサチュラーゼ遺伝子Murata N(編)Research in Photosynthesis、第 III巻、11〜18頁、Kluwer、Dordrechtを参照のこと]および高等植物[Bartley GE、Viitanen PV、Pecker I、Chamovitz D、Hirschberg Jおよ びScolinik PA(1991)フィトエンデサチュラーゼをコードするダイズcDNAの光合 成細菌における分子クローニングおよび発現、カロテノイド生合成経路の酵素Pr oc Natl Acad Sci USA 88:6532-6536;ならびにPecker I、Chamovitz D、Linde n H、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)フィトエンのζ−カロテンへの変換 を触媒する1つのポリペプチドは、トマトの実が熟する期間中は転写段階で調節 されるProc Natl Acad Sci USA 89:4962-4966を参照のこと]から異種遺伝子を クローニングするためにラン藻crtP遺伝子を分子プローブとして使用した。Syne chococcus sp.PCC 7942株およびSynechococcus sp.PCC 6803株のフィトエンデ サチュラーゼは、それぞれ474および467個のアミノ酸残基から成り、その配列は 高度に保存されている(74%の同一性および84%の類似性)。算出された分子量は 51kDaであるが、若干疎水性であり(ヒドロパシー指数 -0.2)、それは脂質二重 膜を貫通するのに十分に長い疎水性領域を含まない。ラン藻のフィトエンデサチ ュラーゼの1次構造は、緑藻Dunalliela barda wil由来の酵素と高度の保存性( 61%の同一性および81%の類似性;[Pecker I、Chamovitz D、Mann V、Sandmann G、Boger PおよびHirschberg J(1993)植物におけるカロテノイド生合成の分子 的特徴:トマトのフィトエンデサチュラーゼ遺伝子Murata N(編)Research in Photosynthesis、第III巻、11〜18貞、Kluwer、Dordrechtを参照のこと])があ り、トマト[Pecker I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann GおよびHirschberg J (1992)フィトエンのζ−カロテンへの変換を触媒する1つのポリペプチドは、ト マトの実が熟する期間中は転写段階で調節されるProc Natl Acad Sci USA 89:4 962-4966を参 照のこと]、コショウ[Hugueney P、Romer S、Kuntz MおよびCamara B(1992)Cap sicumクロモプラストにおけるフィトフルエンおよびζ−カロテンの合成を触媒 するフラボタンパク質の特徴および分子クローニングEur J Biochem 209:399-4 07を参照のこと]およびダイズ[Bartley GE、Viitanen PV、Pecker I、Chamovit z D、Hirschberg JおよびScolinik PA(1991)フィトエンデサチュラーゼをコード するダイズcDNAの光合成細菌における分子クローニングおよび発現、カロテノイ ド生合成経路の酵素Proc Natl Acad Sci USA 88:6532-6536を参照のこと](62 〜65%同一および約79%類似;Chamovitz D(1993)ラン藻におけるカロテノイド 生合成の初期段階の分子解析:フィトエンシンターゼおよびフィトエンデサチュ ラーゼPh.D.Thesis、The Hebrew University of Jerusalemを参照のこと])由来 の酵素と高度の保存性がある。真核生物のフィトエンデサチュラーゼはより大き い(64kDa)が;しかし、それらはプラスチドに輸送される間にプロセシングを 受け、ラン藻の酵素に匹敵するサイズの形態に成熟する。 crtI遺伝子産物においてフィトエンデサチュラーゼを含む、Rhodobacter caps ulatus、Erwinia sp.およびNeurospora crassaのカロテノイドには高い程度の構 造類似性が存在する[総説:Armstrong GA、Hundle BSおよびHearst JE(1993)光 合成および非光合成生物由来のカロテノイド生合成遺伝子産物の進化的保存およ び構造類似性Meth Enzymol 214:297-311]。上記のように、フィトエンデサチュ ラーゼの1次構造の高度の保存性は、酸素生成性光合成生物の間にも存在する。 しかし、アミノ末端のFAD結合配列を除き、「植物タイプ」crtP遺伝子産物と「 細菌タ イプ」フィトエンデサチュラーゼとの間には配列類似性はほとんどない(crtI遺 伝子産物;19〜23%の同一性および42〜47%類似性)。crtPおよびcrtIは同じ祖 先の遺伝子から誘導されたものではなく、収束進化を介して独立して生じたと仮 定されている[Pecker I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)フィトエンのζ−カロテンへの変換を触媒する1つのポリペプチドは、 トマトの実が熟する期間中は転写段階で調節されるProc Natl Acad Sci USA 89 :4962-4966を参照のこと]。この仮説は、2つのタイプの酵素によって触媒され る異なる脱水素配列および阻害剤に対するそれらの異なる感受性によって支持さ れる。 フィトエンデサチュラーゼの場合ほど明確ではないが、フィトエンシンターゼ の構造においても、一方のラン藻および植物と他方の微生物との間の同様の差異 が認められる。Synechococcus sp.PCC 7942株のcrtPに隣接しかつ同じオペロン 内に存在するケノムにおいて、フィトエンシンターゼをコードするcrtB遺伝子( 以前はpsy)が同定された[Bartley GE、Viitanen PV、Pecker I、Chamovitz D、 Hirschberg JおよびScolinik PA(1991)フィトエンデサチュラーゼをコードする ダイズcDNAの光合成細菌における分子クローニングおよび発現、カロテノイド生 合成経路の酵素Proc Natl Acad Sci USA 88:6532-6536を参照のこと]。この遺 伝子は、-0.4の疎水性指数を有する307個のアミノ酸の36kDaのポリペプチドをコ ードする。ラン藻のフィトエンシンターゼの推定アミノ酸配列は、トマトフィト エンシンターゼと高度の保存性かある(57%同一および70%類似;Ray JA、Bird CR、Maunders M、Grierson DおよびSchuch W(1987)pTOPの配列、トマトの 成熟関連cDNA Nucl Acids Res 15:10587-10588])が、他の細菌のcrtB配列とは それほど高度の保存性は認められない(整列中10個のギャップと29〜32%同一お よび48〜50%類似)。両タイプの酵素とも、多様な生物のプレニルトランスフェ ラーゼにおいても認められる2つの保存された配列モチーフを含有する[Bartley GE、Viitanen PV、Pecker I、Chamovitz D、Hirschberg JおよびScolinik PA(1 991)フィトエンデサチュラーゼをコードするダイズcDNAの光合成細菌における分 子クローニングおよび発現、カロテノイド生合成経路の酵素Proc Natl Acad Sci USA 88:6532-6536;Carattoli A、Romano N、Ballario P、Morelli GおよびMa cino G(1991)Neurospora crassaカロテノイド生合成遺伝子(albino 3)J Biol Ch em 266:5854-5859;Armstrong GA、Hundle BSおよびHearst JE(1993)光合成お よび非光合成生物由来のカロテノイド生合成遺伝子産物の進化的保存および構造 類似性Meth Enzymol 214:297-311;ならびにChamovitz D(1993)ラン藻における カロテノイド生合成の初期段階の分子解析:フィトエンシンターゼおよびフィト エンデサチュラーゼPh.D.Thesis、The Hebrew University of Jerusalemを参照 のこと]。ポリペプチドのこれらの領域は、2つのGGPP分子の縮合の間のピロリ ン酸の結合および/または脱離に関与すると考えられる。 Erwinia sp.crtBおよびcrtE遺伝子ならびにラン藻crtPを有するEcherichia c oliの細胞においてラン藻のゲノムDNAの発現ライブラリーをスクリーニング することによって、Anabaena sp.PCC 7120株からζ−カロテンデサチュラーゼを コードするcrtQ遺伝子(以前はzds)がクローニングされた[Linden H、Vioque A およびSandmann G(1993)異種相補性によるAnabaena PCC 7120由来のζ−カロテンデサチュラーゼをコードするカロテノイド生合成遺伝子 の単離FEMS Microbiol Lett 106:99-104を参照のこと]。これらのEcherichia c oli細胞はζ−カロテンを産生するため、ζ−カロテンを産生する細胞の黄色を 帯びた背景に対してリコペンを産生する赤茶色の色素を有するコロニーが同定さ れ得る。Anabaena PCC 7120株由来の推定ζ−カロテンデサチュラーゼは、499ア ミノ酸残基から成る56kDaのポリペプチドである。驚くべきことに、その1次構 造は「植物タイプ」(crtP遺伝子産物)のフィトエンデサチュラーゼと保存性が認 められないが、細菌タイプの酵素(crtI遺伝子産物)に対してかなりの配列類似 性を有する[Sandmann G(1993)フィトエンのリコペンへの脱飽和化反応に関与 する遺伝子および酵素(要旨)、10th International Symposium on Carotenoids 、Trondheim CL1-2を参照のこと]。ラン藻のcrtQ遺伝子および他の微生物のcrtI 遺伝子は、進化において共通の祖先から生じた可能性がある。 本質的にcrtPの場合と同じクローニングストラテジーを利用して、Synechococ cus sp.PCC 7942株よりリコペンシクラーゼの遺伝子(以前はlcy)がクローニン グされた。リコペンシクラーゼの阻害剤2-(4-メチルフェノキシ)-トリエチルア ミンヒドロクロリド(MPTA)を用いることによって、野生型の除草剤耐性への形 質転換によって遺伝子を単離した[Cunningham FX Jr、Chamovitz D、Misawa N、 Gantt EおよびHirschberg J(1993)ラン藻のリコペンシクラーゼ(β−カロテン生 合成を触媒する酵素)遺伝子のクローニングおよびEscherichia coliにおけるそ の機能的発現FEBS Lett328:130-138を参照のこと]。リコペンシクラーゼは1つ の遺伝子産物の生成物であり、リコペンのβ−カロ テンへの二重環化反応を触媒する。Synechococcus sp.PCC 7942株は、411個のア ミノ酸残基の46kDaのポリペプチドである。それは、Erwinia uredovoraまたはEr winia herbicola由来のcrtY遺伝子産物(リコペンシクラーゼ)に対する配列類 似性を有さない。 β−カロテンヒドロキシラーゼ(crtZ)およびゼアキサンチングリコシラーゼ (crtX)の遺伝子がErwinia herbicola[Hundle B、Alberti M、Nievelstein V、Be yer P、Kleinig H、Armstrong GA、Burke DHおよびHearst JE(1994)Escherichia coliにおいて発現されたErwinia herbicola Eho10カロテノイド遺伝子の機能的 課題Mol Gen Genet 254:406-416;Hundle BS、Obrien DA、Alberti M、Beyer P およびHearst JE(1992)Erwinia herbicola由来のゼアキサンチングルコシルトラ ンスフェラーゼの機能的発現および提案されたにリン酸結合部位Proc Natl Acad Sci USA 89:9321-9325を参照のこと]およびErwinia uredovora[Misawa N、Naka gawa M、Kobayashi K、Yamano S、Izawa I、Nakamura KおよびHarashima K(1990 )Escherichia coliにおける遺伝子産物の機能的解析によるErwinia uredovoraカ ロテノイド生合成経路の解明J Bacteriol 172:6704-6712を参照のこと]よりク ローニングされている。 β−カロテンの酸化型として、水生の甲殻類におけるケトカロテノイドアスタ キサンチン(3,3'-ジヒドロキシ-β,β-カロテン-4,4'-ジオン)が最初に記載さ れた。後に、アスタキサンチンは、多くの海洋動物および藻類において非常に多 く認められた。しかし、アスタキサンチンを他のカロテノイドからデノボで合成 することができる動物はごくわずかしかおらず、それらのほとんどは 食物から入手する。植物界において、アスタキサンチンは、ラン藻、藻類および 地衣類のいくつかの種において主に生じる。しかし、それは、高等植物の花弁か らもまれに認められる[Goodwin TW(1980)The Biochemistry of the Carotenoids 、第1巻(第2版)、ChapmanおよびHall、London and New Yorkを参照のこと]。 動物の強力な抗酸化剤としてのアスタキサンチンの機能が実証されている[Mik i W(1991)動物カロテノイドの生物学的機能および活性Pure Appl Chem 63:141 を参照のこと]。アスタキサンチンは脂質過酸化の強力な阻害剤であり、生体膜 を酸化的損傷から保護するのに積極的な役割を果たす[Palozza PおよびKrinsky NI(1992)カロテノイドのインビボおよびインビトロでの抗酸化効果‐総説Method s Enzymol 213:403-420;およびKurashige M、Okimasu E、Inove MおよびUtsum i K(1990)生体膜の酸化的損傷のアスタキサンチンによる阻害Physiol Chem Phys Med NMR 22:27を参照のこと]。アスタキサンチンの化学予防効果も調べられて おり、アスタキサンチンが、マウスにおいて誘発された膀胱癌の発症率を有意に 減少させることが明らかにされた[Tanaka T、Morishita Y、Suzui M、Kojima T 、Okumura AおよびMori H(1994)天然のカロテノイドアスタキサンチンによるマ ウス膀胱発癌の化学予防Carcinogenesis 15:15を参照のこと]。アスタキサンチ ンは、抗体の産生を増強することによって免疫調節効果を発揮することも実証さ れている[Jyonouchi H、Zhang LおよびTomita Y(1993)カロテノイドの免疫調節 作用の研究II アスタキサンチンは、ポリクローナルB細胞活性化を促進するこ となく、インビトロでT依存性抗原に対する抗体の産生 を増強するNutr Cancer 19:269;ならびにJyonouchi H、Hill JR、Yoshifumi Tお よびGood RA(1991)カロテノイドの免疫調節作用の研究Iマウスリンパ球の機能 および細胞表面マーカー発現インビトロ培養系に対するβ−カロテンおよびアス タキサンチンの効果Nutr Cancer 19:93を参照のこと]。アスタキサンチンの全 生物医学的特性については未だ解明されていないが、初期の結果は、アスタキサ ンチンが癌および腫瘍予防に重要な役割を果たし、免疫系からポジティブな応答 を誘発し得ることが示唆されている。 アスタキサンチンはサケおよび小エビの主なカロテノイド色素であり、卵、肉 および皮膚に魅力的な着色を与える[Torrisen OJ、Hardy RW、Shearer KD(1989) サケ−カロテノイド沈着物の着色およびサケにおける代謝Crit Rev Aquatic Sci 1:209を参照のこと]。1991年の全世界のサケの収穫量は約720,000MTであり、 このうち25〜30%は様々な養殖施設で生産された[Meyers SP(1994)世界の養殖、 飼料処方およびカロテノイドの役割の開発Pure Appl Chem 66:1069を参照のこ と]。収穫量は2000年までに460,000MTまで上昇することが見込まれている[Biorn dahl T(1990)サケ養殖の経済学Blackwell Scientific,Oxford1頁を参照のこと] 。サケ肉の赤色の着色は消費者へのアピールに寄与し、従って最終製品の価格に 影響する。動物はカロテノイドを合成することができず、1次生産者(海洋藻類 および植物プランクトン)からの食物連鎖を介して色素を獲得する。集約的な培 養で成長した動物は、通常、最適な色彩を伴わない。従って、養殖においてカロ テノイド含有栄養素が人工的に添加され、生産者にはかなりの費用がかかる。 アスタキサンチンは、商業上使用されている最も高価なカロテ ノイド化合物(1995年現在の市場価格は2,500〜3,500$/kg)である。アスタキサ ンチンは主に栄養補助剤として利用されており、広範な水生動物を着色する。極 東では、ニワトリを典型的に着色するための家禽飼料にも使用される。アスタキ サンチンは、食品産業では、望ましくかつ有効な着色剤であり、化粧品において も価値がある。最近、アスタキサンチンは、ヒトにおける有効な抗酸化剤であり 、従って、望ましい食晶添加物であることが報告された。 天然の(3S,3'S)アスタキサンチンのアベイラビリティには限界がある。これは 、いくつかの甲殻類種から商業的に抽出されている[Torrisen OJ、Hardy RW、Sh earer KD(1989)サケ−カロテノイド沈着物の着色およびサケにおける代謝Crit R ev Aquatic Sci 1:209を参照のこと]。アスタキサンチンの(3R,3'R)立体異性体 は、Phaffiaより産生される[酵母種、Andrewes AG、Phaff HJおよびStarr MP(1 976)Phaffiaのカロテノイド、赤色色素を有する発酵酵母Phytochemistry第5巻 、1003〜1007頁を参照のこと]。現在、(3S,3'S)-、(3S,3'R)-および(3R,3'R)-異 性体の1:2:1混合物を含む合成アスタキサンチンが、Hoffman-La Rocheによ り製造されており、「CAROPHYLLPink」の名称で高い価格(約$2,500/Kg)で販売さ れている[Mayer H(1994)カロテノイド合成に対する意見Pure & Appl Chem第6巻 、931〜938頁を参照のこと]。最近、crtWと命名されたケト化合物生合成に関す る新規の遺伝子が、アスタキサンチン等のケトカロテノイドを産生する海洋細菌 Agrobacterium auranticacumおよびAlcaligenes PC-1から単離された。crtW遺伝 子を、Erwiniaカロテノイド生成遺伝子によりβ−カロテノイドを蓄積する様に 操作された Eschrichia coliに誘導すると、Eschrichia coli形質転換体はカンタキサンチン (アスタキサンチンの合成経路における前駆体)を合成した[Misawa N、Kajiwar a S、Kondo K、Yokoyama A、Satomi Y、Saito T、Miki WおよびOhtani T(1995) 1つの遺伝子によるβ−カロテンにおけるメチレンのケト基への変換によるカン タキサンタン生合成Biochemical and biophysical research communications第2 09巻、867〜876頁を参照のこと]。従って、養殖における飼料補助剤および他の 様々な産業用途のための高価な化学薬品として使用される(3S,3'S)アスタキサン チンの比較的安価な供給源を見出すことが所望されている。 様々な細菌、真菌および藻類においてアスタキサンチンが合成されるが、その 産生のための生態系の使用に対して重要な制約となっているのは、化学合成と比 較して、これらの系の収率が低く、これらの系において抽出方法に費用がかかる ことである。これらの問題を解決するための1つの方法は、組換えDNA技術を用 いて生態系におけるアスタキサンチン産生の生産効率を増大させることである。 このことにより、遺伝子操作された宿主におけるアスタキサンチンの産生が可能 となり、高等植物の場合、この宿主は容易に成長し、抽出が簡単である。更に、 遺伝子操作された宿主におけるアスタキサンチンの産生は、適切に宿主を選択す ることによって、例えば抽出の必要が全くない養殖アプリケーションにおいて産 生されたアスタキサンチンを使用することが可能である。 従って、β-C-4-オキシゲナーゼ(β−カロテンをカンタキサンチンに変換す る酵素)をコードする核酸セグメント、および本発明の核酸を含む組換えベクタ ー分子、ならびにこれらのベクター 分子または(3S,3'S)アスタキサンチンの生物工学的生産のためのDNAセグメント で形質転換またはトランスフェクトした宿主細胞またはトランスジェニック生物 の必要性が広範に認識されており、これらを有することは大いに有利である。 本発明の他の特徴および利点については、以下の説明および請求の範囲から明 らかであろう。発明の概要 本発明の一般的な目的は、(3S,3'S)アスタキサンチンの生産のための生物工 学的方法を提供することである。 本発明の特定の目的は、β-C-4-オキシゲナーゼ活性ならびにこのペプチドを コードするDNAセグメントを提供して、アスタキサンチンおよびキサントフィル の生物工学的生産を可能にすることである。 本発明の更なる目的は、前記ペプチドに対応するアミノ酸配列を含むポリペプ チドをコードするRNAセグメントを提供することである。 本発明の更なる目的は、ベクターおよび前記のDNAセグメントを含む組換えDNA 分子を提供することである。 本発明の更なる目的は、前記組換えDNA分子を含有する宿主細胞を提供するこ とである。 本発明のもう1つの目的は、細胞中に前記組換えDNA分子または前記DNAセグメ ントを含有する宿主トランスジェニック生物を提供することである。 本発明のもう1つの目的は、クロロプラストおよび/またはクロモプラスト含 有組織においてβ-C-4-オキシゲナーゼ活性を発 現する宿主トランスジェニック生物を提供することである。 本発明のもう1つの目的は、前記宿主細胞またはトランスジェニック生物を含 む動物またはヒト消費物のための食品添加物を提供する。 本発明のもう1つの目的は、前記宿主細胞またはトランスジェニック生物を用 いてアスタキサンチンを製造する方法を提供する。 本発明の更なる目的は、前記宿主細胞またはトランスジェニック生物を用いて 、カンタキサンチン、エキネノン、クリプトキサンチン、イソクリプトキサンチ ン、ヒドロキシエキネノン、ゼアキサンチン、アドニルビン、および/またはア ドニキサンチンを製造する方法を提供する。 本発明の更なる目的および利点は、以下の説明から明らかになろう。 1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝子に 対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドをコードするDNAセグメントに関する 。 更なる実施態様において、本発明は、Haematococcus Pluvialis crtO遺伝子に 対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドをコードするRNAセグメントに関する 。 もう1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝 子に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドに関する。 更なる実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝子に 対応するポリペプチドをコードする組換えDNA分子に関する。 もう1つの実施態様において、本発明は、前記組換えDNA分子 またはDNAセグメントを含有する宿主細胞に関する。 更なる実施態様において、本発明は、細胞中に前記組換えDNA分子または前記D NAセグメントを含有する宿主トランスジェニック生物に関する。 もう1つの実施態様において、本発明は、前記宿主細胞または前記トランスジ ェニック生物を用いてアスタキサンチンを製造する方法に関する。 もう1つの実施態様において、本発明は、他のキサンとフィルを製造する方法 に関する。 もう1つの実施態様において、本発明は、植物、特にクロモプラスト含有細胞 における導入遺伝子の高発現を得る方法に関する。 1つの更なる実施態様において、本発明は、導入遺伝子によってコードされた カロテノイド生合成酵素をクロモプラストに輸送する方法に関する。図面の簡単な説明 本明細書において、添付の図面を参考にして実施例のみで本発明を説明する。 ここで: 図1は、β−カロテン生合成の一般的生物医学的経路であり、該経路における すべての分子を記載する(ここで、IPPはイソペンテニルピロリン酸、DMAPPはジ メチルアリルピロリン酸、GPPはゲラニルピロリン酸、FPPはファルネシルピロリ ン酸、GGPPはゲラニルゲラニルピロリン酸、PPPPはプレフィトエンピロリン酸で ある); 図2は、GCGソフトウェアを使用した本発明のcrtO cDNAのヌクレオチド配列(C RTOA.SEQ)とKaJiwaraらによりクローニ ングされたcDNA(CTROJ.SEQ)との間の同一性地図である[Kajiwara S、Kakizono T、Saito T、Kondo K、Ohtani T、Nishio N、Nagai SおよびMisawa N(1995)Haem atococcus pluvialis由来のアスタキサンチン生合成の新規cDNAの単離および機 能的同定ならびにEscherichia coliにおけるアスタキサンチン合成Plant Molec Biol 29:343-352を参照のこと](ここで、(:)は同一を示し、(−)はギャ ップを示し、ヌクレオチドの番号は、CRTOA.AMIについては配列番号4およびCRT OJ.AMIについてはKajiwaraらに従う); 図3は、GCGソフトウェアを使用した本発明のcrtO cDNAによってコードされる アミノ酸配列(CRTOA.AMI)とKajiwaraらによりクローニングされたcDNAによって コードされたアミノ酸配列(CRTOJ.AMI)との間の同一性地図である[Kajiwara S、Kakizono T、Saito T、Kondo K、Ohtani T、Nishio N、Nagai SおよびMisawa N(1995)Haematococcus pluvialis由来のアスタキサンチン生合成の新規cDNAの 単離および機能的同定ならびにEscherichia coliにおけるアスタキサンチン合成 Plant Molec Biol 29:343-352を参照のこと](ここで、(:)は同一を示し、 (−)はギャップを示し、アミノ酸の番号は、CRTOA.AMIについては配列番号4 およびCRTOJ.AMIについてはKajiwaraらに従う); 図4は、pBCARと命名されたpACYC184由来のプラスミドの概略図であり、Erwin ia herbicolaの遺伝子crtE、crtB、crtIおよびcrtYを含み、これらの遺伝子は、 Escherichia coli細胞におけるβ−カロテンの産生に必要である; 図5は、pZEAXと命名されたpACYC184由来のプラスミドの 概略図であり、Erwini aherbicolaのcrtE、crtB、crtI、crtYおよび遺伝子を含 み、これらの遺伝子は、Escherichia coli細胞におけるゼアキサンチンの産生に 必要である; 図6は、pHPKと命名されたpBluescriptSK-由来のプラスミドの概略図であり、 Haematococcus pluvialis由来のcrtOと命名されたβ−カロテンC-4-オキシゲナ ーゼ酵素をコードする全長cDNA挿入物を含有し、配列番号1に記載されている。 該cDNAはEscherichia coli細胞の補色性によって同定された; 図7は、pCANTHAと命名されたpACYC184由来のプラスミドの概略図でありる。 該プラスミドは、図6のプラスミドpHPKから単離され、図5のプラスミドpZEAX のcrtZ遺伝子のコーディング配列のPstI部位に挿入されたHaematococcus pluvia lis由来のβ-C-4-オキシゲナーゼをコードするcDNAを含有する1.2kbのPstI-PstI DNAフラグメントを挿入することによって誘導された;この組換えプラスミドは 、Erwinia herbicolaのcrtE、crtB、crtI、crtY遺伝子およびHaematococcus plu vialisのcrtO遺伝子を有し、これらのすべてがEscherichia coli細胞におけるカ ンタキサンチンの産生に必要である; 図8は、pASTAと命名されたpACYC184由来のプラスミドの概略図である。該プ ラスミドは、図6のプラスミドpHPKから単離され、図5のプラスミドpZEAXのcrt E遺伝子の600bp下流に存在するPstI部位に挿入されたHaematococcus pluvialis 由来のβ-C-4-オキシゲナーゼのcDNAを含有する1.2kbのPstI-PstI DNAフラグメ ントを挿入することによって誘導された;この組換えプラスミドは、Erwinia he rbicolaのcrtE、crtB、crtI、crtY、crtZ遺伝子およびHaematococcus pluvialis のcrtO遺伝子を有 し、これらのすべてがEscherichia coli細胞におけるアスタキサンチンの産生に 必要である; 図9は、PAN3.5-KETOと命名されたpBR328由来のプラスミドの概略図である。 該プラスミドは、図6のプラスミドpHPKから単離され、pPAN35D5と命名されたプ ラスミド[Hirschberg J、Ohad N、Pecker IおよびRahat A(1987)ラン藻Synecho coccus R2.Z.の除草剤耐性変異体の単離および特徴Naturforsch 42c:102-112に 記載]のβ−ラクタマーゼ遺伝子内に存在するPstI部位に挿入されたHaematococ cus pluvialis由来のβ-C-4-オキシゲナーゼのcDNAを含有する1.2kbのPstI-PstI DNAフラグメントを挿入することによって誘導された。これは、プラスミド ベクターpBR328内にラン藻Synechococcus PCC7942由来のpsbAI遺伝子を有する[H irschberg J、Ohad N、Pecker IおよびRahat A(1987)ラン藻Synechococcus R2.Z .の除草剤耐性変異体の単離および特徴Naturforsch 42c:102-112を参照のこと] ;この組換えプラスミドはHaematococcus pluvialisのcrtO遺伝子を有し、これ はSynechococcus PCC7942細胞におけるアスタキサンチンの産生に必要である; 図10は、pBIBと命名されたTiバイナリープラスミド(Escherichia coli NAgro bacterium)のT-DNA領域の概略図である[Becker D(1990)植物選択マーカーとレ ポーター遺伝子との交換を可能にするバイナリーベクターNucleic Acids Resear ch 18:230に記載]。これはベクターはTiプラスミドpBI101の誘導体である[Jeff esrson AR、Kavanagh TAおよびBevan WM(1987)GUS融合:高等植物における感 受性および多目的融合遺伝子マーカーとしてのβ−グルクロニダーゼThe EMCO J .6: 3901-3907に記載]。(ここで、BRおよびBLはそれぞれT-DNA領域の右および左の 境界であり、pAg7はAgrobacterium Tiプラスミドの遺伝子7のポリアデニル化部 位であり、pAnosはAgrobacteriumのノパリンシンターゼ遺伝子のポリアデニル化 部位を含有する250bp長のDNAフラグメントであり、NPTIIは、カナマイシン耐 性をコードする1,800bp長のDNAフラグメントであり、pnosはAgrobacteriumの ノパリンシンターゼ遺伝子のプロモーター配列を含有する300bp長のDNAフラ グメントである(ここで、pAnosはAgrobacteriumのノパリンシンターゼ遺伝子の ポリアデニル化部位を含有する300bp長のDNAフラグメントである)); 図11は、pPTBIBと命名されたTiバイナリープラスミド(Escherichia coli、Ag robacterium)のT-DNA領域の概略図である。これは、PTと表したトマト種Lycope rsicon esculentumのゲノムDNA配列(Pds遺伝子のヌクレオチド1〜1448で、M ann V、Pecker IおよびHirschberg J(1994)トマト(Lycopersicon esculentum )由来のフィトエンデサチュラーゼ(Pds)の遺伝子のクローニングおよび特徴P lant Molecular Biology 24:429-434)をクローニングすることによって調製され た。これは、Pds遺伝子のプロモーターならびにクロロプラストおよびクロモプ ラストへの輸送のための透過ペプチドとして作用するポリペプチドPDSのアミ ノ末端領域のコーディング領域を図10のバイナリープラスミドベクターpBIBのHi ndIII-SmaI部位に含有する(ここで、BRおよびBL、pAg7、pAnos、NPT II、pnos およびpAnosは上記のように定義される); 図12は、pPTCRTOBIBと命名されたTiバイナリープラスミド (E.coli、Agrobacterium)のT-DNA領域の概略図である。これは、H.pluvialis 由来のcrtOのcDNAの1,110ヌクレオチド長のEco47III-NcoIフラグメントを、図11 のプラスミドpPTBIBのSmaI部位にクローニングすることによって調製され、その 結果、PDSのアミノ末端のコーディングヌクレオチド配列はcrtOの同じリーデ ィングフレーム内に存在する(ここで、BRおよびBL、pAg7、pAnos、NPT II、pn osおよびpAnosは上記のように定義され、PTはプロモーターであり、トマトお よびCRTOの透過ペプチドコーディング配列はH.pluvialis由来のcrtOのヌク レオチド配列(配列番号1のヌクレオチド211〜1321)である); 図13は、野生型(WT)およびcrtOトマトトランスジェニック植物から抽出さ れたHindIII-消化ゲノムDNAのサザンDNAブロット分析を示す。トランスジ ェニック植物由来は、2、3、4、6、9および10と命名され、本発明に従い、 本質的にSambrookら、Molecular Cloning;A Laboratory Manual.Cold Spring H arbor Laboratory,Cold Spring Harbor,N.Y.1989に記載のように放射性プロー ブとしてcrtO cDNAを使用した(ここで、マーカー(M)DNAフラグメントのサ イズをキロベース対(kb)で左側に示し、内部T-DNA HindIIIフラグメントの予 想される位置(矢印)は、crtO cDNA配列を含有する図12に示されるpPTPDSBIBの 配列から推定した); 図14は、アスタキサンチンの生合成経路を示す; 図15は、野生型タバコ植物由来の花および本発明のトランスジェニックタバコ 植物由来の花を示す。好ましい実施態様の説明 本発明は、一般に、(3S,3'S)アスタキサンチンの製造方法に関する。詳細には 、本発明は、β-C-4-オキシゲナーゼ活性を有するペプチド;該ペプチドをコー ドするDNAセグメント;該ペプチドをコードするRNAセグメント;ベクター および該DNAセグメントを含む組換えDNA分子;前記組換えDNA分子また はDNAセグメントを含有する宿主細胞または生物;ならびに該宿主の使用によ る(3S,3'S)アスタキサンチンまたは(3S,3'S)アスタキサンチンを含有する食品添 加物の生物工学的製造方法に関する。 単細胞淡水性緑藻Haematococcus pluvialisは、好ましくない増殖条件に暴露 された場合、あるいはリン酸もしくは窒素飢餓、増殖培地中の高濃度の塩、また は高い強度の光等の異なる環境ストレスの後に、大量の(3S,3'S)アスタキサンチ ンを蓄積する[Yong YYRおよびLee YK(1991)Phycologia 30 257-261;Droop MR (1954)Arch Microbiol 20:391-397;ならびにAndrewes A.G、Borch G、Liaaen- Jensen SおよびSnatzke G.(1974)Acta Chem Scand B28:730-736を参照のこと] 。この過程の間、藻類の栄養細胞は包嚢を形成し、自身の色を緑色から赤色に変 える。本発明は、β-C-4-オキシゲナーゼ(β−カロテンをカンタキサンチンに 変換する酵素)をコードするHaematococcus pluvialis由来のcDNA(crtOと命名さ れる)のクローニング、およびβ−カロテンヒドロキシラーゼを発現する異種系 (例えば、Erwinia herbicola crtZ遺伝子産物)における発現について開示し、 これは、(3S,3'S)アスタキサンチンの産生をもたらす。 crtO cDNAおよびβ-C-4-オキシゲナーゼ活性を有するそのコードされるペプチ ドは、それぞれ、新規の核酸およびアミノ酸配列である。crtO cDNAのクローニ ング方法には、Escherichia coli の株を利用し、この株は遺伝子操作を受けてβ−カロテン産生し、Haematococcu s pluvialisのcDNAライブラリーがこの株にトランスフェクトされて、発現され た。赤茶色の色素を有するEscherichia coli細胞の視覚的スクリーニングにより 、カンタキサンチン産生形質転換体が同定されている。従って、クローニングさ れたcDNAは、2つの異種系(Escherichia coliおよびSynechococcus PCC7942細 胞)において発現されており、両方ともβ−カロテンを産生し得、更に、操作さ れた(Erwinia herbicola crtZ遺伝子産物)または内因性のβ−カロテンヒドロキ シラーゼ活性を含み得、これらの両系において(3S,3'S)アスタキサンチンの産生 し得ることが明らかにされた。 crtO cDNAまたはそのタンパク質生成物は、アスタキサンチン等のケトカロテ ノイドを産生するcrtWならびに海洋性細菌のAgrobacterium auranticacumおよび Alcaligenes PC-1から単離されるタンパク質生成物の核酸またはアミノ酸配列に 対して有意な核酸またはアミノ酸配列類似性を示さない[Misawa N、Kajiwara S 、Kondo K、Yokoyama A、Satomi Y、Saito T、Miki WおよびOhtani T(1995)1つ の遺伝子によるβ−カロテンにおけるメチレンのケト基への変換によるカンタキ サンタン生合成Biochemical and biophysical research communications第209巻 、867〜876頁を参照のこと]。 しかし、crtO cDNAおよびそのタンパク質生成物は、Haematococcus pluvialis から単離されたβ−カロテンオキシゲナーゼ活性を有する320個のアミノ酸のタ ンパク質生成物をコードする最近クローニングされたcDNAの核酸およびアミノ酸 配列と、実質的に核酸およびアミノ酸配列同一性を示す[Kajiwara S、 Kakizono T、Saito T、Kondo K、Ohtani T、Nishio N、Nagai SおよびMisawa N( 1995)Haematococcus pluvialis由来のアスタキサンチン生合成の新規cDNAの単離 および機能的同定ならびにEscherichia coliにおけるアスタキサンチン合成Plan t Molec Biol 29:343-352を参照のこと]。それにもかかわらず、図2に示すよ うに、crtO cDNA(図2のCRTOA.SEQ)とKajiwaraらによって記載のcDNA(図2のC RTOJ.SEQ)[上記の参考文献を参照のこと]との間の配列同一性の程度は、75.5% であり、図3に示すように、crtO cDNAタンパク質生成物(図3のCRTOA.AMI)とKa jiwaraらによって記載のタンパク質(図3のCRTOJ.AMI)との間の配列同一性の程 度は、78%である。これは、GCGソフトウェアを用いて決定された。 従って、以下に詳細に記載するが、増殖が容易で、魚用飼料の添加物として直 接使用できる系か、または単純かつ低費用のアスタキサンチンの抽出手順が可能 である系のいずれかにおいて、crtO cDNAを用いて、生物工学的に(3S,3'S)アス タキサンチンを産生し得る。 1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝子な らびに対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するおよび/または人為 的に誘導されたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドをコード するDNAセグメントに関する。本明細書および以下の請求の範囲において使用 する表現「対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するおよび/または 人為的に誘導されたその改変体」とは、DNA(または以下に記載のRNA)の 供給源またはそれを得るための当該分野において既知の手段をいう。しかし、用 語「変異体」および「改 変体」は、配列の相違(即ち、変異)の存在を示す。本明細書の発明および以下 の請求の範囲では、配列の変異は77〜80%であり、好ましくは80〜85%であり、 より好ましくは85〜90%であり、最も好ましくは90〜100%の同一ヌクレオチド である。好ましい実施態様において、DNAセグメントは、配列番号1に記載の 配列を含む。もう1つの実施態様において、DNAセグメントは、配列番号4に 記載のアミノ酸をコードする。 本発明はまた、高いストリンジェントな条件[例えば、例えば、Sambrookら、 Molecular Cloning;A Laboratory Manual.Cold Spring Harbor Laboratory,Col d Spring Harbor,N.Y.1989に記載]下で、配列番号1または配列番号2に記載の 少なくとも15個、好ましくは少なくとも50個、より好ましくは少なくとも100個 、更により好ましくは少なくとも200個、更により好ましくは少なくとも500個の 連続するヌクレオチドを含む核酸プローブにハイブリダイズする配列を含むこと を特徴とする純粋なDNAセグメントを含む。あるいは、本発明のDNAセグメ ントは、低いストリンジェントな条件下で、配列番号1または配列番号2に記載 のコーディング配列(ヌクレオチド166〜1152)を含む核酸プローブにハイブリ ダイズすることができることを特徴とし得る。そのような低いストリンジェント な条件の例については、Sambrookらに記載されており、例えば、上記の高いスト リンジェントな条件で用いる温度よりも低い20℃の等のより低いハイブリダイゼ ーション温度を用いる。 本発明のDNAセグメントはまた、高いストリンジェントな条件下で、配列番 号1または配列番号2に記載のコーディング配列(ヌクレオチド166〜1152)を含 む核酸プローブにハイブリダイズす ることができることを特徴とし得る。 本発明はまた、配列番号1または配列番号2に記載の少なくとも10個のヌクレ オチド配列とハイブリダイズすることができる合成的に生成したオリゴヌクレオ チド(例えば、オリゴデオキシリボヌクレオチドまたはオリゴリボヌクレオチド およびそのアナログ)を含む。 もう1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝 子ならびに対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するおよび/または 人為的に誘導されたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドをコ ードするRNAセグメントに関する。好ましい実施態様において、RNAセグメ ントは、配列番号2に記載の配列を含む。もう1つの好ましい実施態様において 、RNAセグメントは、配列番号4に記載のアミノ酸配列をコードする。 本発明はまた、高いストリンジェントな条件下で、配列番号1または配列番号 2に記載の少なくとも15個、好ましくは少なくとも50個、より好ましくは少なく とも100個、更により好ましくは少なくとも200個、更により好ましくは少なくと も500個の連続するヌクレオチドを含む核酸プローブにハイブリダイズする配列 を含むことを特徴とする純粋なRNAセグメントを含む。あるいは、本発明のR NAセグメントは、低いストリンジェントな条件下で、配列番号1または配列番 号2に記載のコーディング配列(ヌクレオチド166〜1152)を含む核酸プローブ にハイブリダイズすることができることを特徴とし得る。更に、本発明のRNA セグメントはまた、高いストリンジェントな条件下で、配列番号1または配列番 号2に記載のコーディング配列(ヌクレオチド 166〜1152)を含む核酸プローブにハイブリダイズすることができることを特徴 とし得る。 もう1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝 子ならびに対立、種変異体ならびに機能的に天然に存在するおよび/または人為 的に誘導されたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドに関する 。好ましい実施態様において、ポリペプチドは、配列番号4に記載のアミノ酸配 列を含む。 本発明は、前記ポリペプチドに対して相同(即ち、80〜85%、好ましくは85〜 90%、より好ましくは90〜100%の同一アミノ酸)であるいずれのペプチドも含 む。本明細書および以下の請求の範囲において使用する用語「相同」とは、2つ のペプチド間の配列同一性をいう。2つの比較される配列のうちの両方の位置に 同一のアミノ酸の単量体サブユニットが占める場合、その位置で相同である。2 つの配列間の相同性は、2つの配列が共有する相同位置の数の関数である。例え ば、2つの配列の10の位置のうち8が同一のアミノ酸で占められる場合、2つ の配列は80%相同である。 本発明に含まれる他のポリペプチドは、対立変異体、他の種の相同物、天然の 変異株、誘導された変異株および高いまたは低いストリンジェントな条件(上記 を参照のこと)下で、配列番号1または配列番号2に記載のコーディング領域( ヌクレオチド166〜1152)にハイブリダイズするDNAによってコードされるペ プチドである。 もう1つの実施態様において、本発明は、ベクター(例えば、プラスミドまた はウイルスベクター)および上記のポリペプチド をコードするDNAセグメントを含む組換えDNA分子に関する。好ましい実施 態様において、DNAセグメントは、プロモーターに作動可能に連結されたベク ター中に存在する。 更なる実施態様において、本発明は、前記組換えDNA分子またはDNAセグ メントを含有する宿主細胞に関する。適切な宿主細胞としては、原核細胞(Esch erichia coliを含む細菌等)ならびに下等真核細胞(例えば、酵母)および高等 真核細胞(例えば、藻類、植物または動物細胞)の両方が挙げられる。組換え分 子の細胞への導入は、トランスフェクション、形質転換、マイクロインジェクシ ョン、遺伝子ボンバーメント等の当該分野において公知の方法を用いて実施する ことができるが、それらに限定されるわけではない。前記組換えDNA分子を含 有するように作製された細胞は、増殖してコロニーを形成し得るか、または分化 するように作製されて分化した生物を形成し得る。組換えDNA分子は、(例え ば、一過性トランスフェクションのような当該分野において公知の過程によって )一時的に細胞内に含有されてもよいが、それでも、組換えDNA分子は、(安 定トランスフェクションのような当該分野において公知の過程によって)安定的 に細胞内に含有されるのが好ましい。好ましい実施態様において、細胞は内因的 にβ−カロテンを産生しているか、または遺伝子工学的手段によってβ−カロテ ンを産生するように作製されており、細胞は、内因性または遺伝子操作されたβ −カロテンヒドロキシラーゼ活性を含有する。そのような細胞を、動物(例えば 、サケ)用およびヒト用消費物のための食品添加物として使用してもよい。更に 、そのような細胞を、以下に記載のように、アスタキサンチンおよび/または他 のキサントフィルを抽出するために使用してもよい。 更なる実施態様において、本発明は、細胞内に前記組換えDNA分子または前 記DNAセグメントを含有する宿主トランスジェニック生物(例えば、高等植物 または動物)に関する。組換え分子またはDNAセグメントの宿主トランスジェ ニック動物への導入は、当該分野において公知の方法を用いて実施することがで きる。好ましい実施態様において、宿主生物は内因的にβ−カロテンを産生して いるか、または遺伝子工学的手段によってβ−カロテンを産生するように作製さ れており、好ましくは、宿主生物は、内因性または遺伝子操作されたβ−カロテ ンヒドロキシラーゼ活性を含有する。そのような生物を、動物(例えば、サケ) 用およびヒト用消費物のための食品添加物として使用してもよい。更に、そのよ うな生物を、以下に記載のように、アスタキサンチンおよび/または他のキサン トフィルを抽出するために使用してもよい。 もう1つの実施態様において、本発明は、前記宿主細胞またはトランスジェニ ック生物を用いてアスタキサンチンを製造する方法に関する。もう1つの実施態 様において、本発明は、前記宿主細胞またはトランスジェニック生物を用いてカ ンタキサンチン、エキネノン、クリプトキサンチン、いそクリプトキサンチン、 ヒドロキシエキネノン、ゼアキサンチン、アドニルビン、3-ヒドロキシエキネノ ン、3'-ヒドロキシエキネノンおよび/またはアドニキサンチン等のキサントフ ィルを製造する方法に関する。これらの目的のために、上記の細胞またはトラン スジェニック生物が提供される。宿主細胞または生物は、アスタキサンチンおよ び上記の更なるキサントフィルを産生するのに好ましい条件下で増殖するように 作成され、次いで、これらは、当該分野において公知の方法により抽出される。 もう1つの実施態様において、本発明は、Haematococcus pluvialis crtO遺伝 子、対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するまたは人為的に誘導さ れたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドをコードする導入遺 伝子を発現するトランスジェニック植物に関する。好ましくは、発現は、クロモ プラスト含有組織において最も高い。 もう1つの実施態様において、本発明は、タンパク質を植物クロロプラストま たはクロモプラストに指示するためのポリペプチドをコードする第1のDNAセ グメント(例えば、トマトのPds遺伝子から誘導される)およびHaematococcus p luvialis crtO遺伝子、対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するお よび人為的に誘導されたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチド をコードするリーディングフレーム内の第2のDNAセグメントを含む組換えD NAベクターに関する。 もう1つの実施態様において、本発明は、植物クロロプラストまたはクロモプ ラスト含有組織において高度に発現可能なプロモーターを含む第1のDNAセグ メント(例えば、トマトのPds遺伝子から誘導される)およびHaematococcus plu vialis crtO遺伝子、対立および種変異体ならびに機能的に天然に存在するおよ び人為的に誘導されたその改変体に対応するアミノ酸配列を含むポリペプチドを コードする第2のDNAセグメントを含む組換えDNAベクターに関する。 上記の説明とともに以下の実施例を参考にして、本発明を説明する。 実施例 以下のプロトコルおよび実験についての詳細を、以下の実施例において述べる 。 藻類および増殖条件。Haematococcus pluvialis(CultureCollection of Alga e and Protozoa,Windermere,UK)は、Dr.Andrew YoungによりLiverpool John Moores Universityから贈与された。NicholsおよびBoldに記載のように[Nichols HW、Bold HC(1964)Trichsarcina polymorpha gen et sp nov J Phycol 1:34-3 9を参照のこと]、藻類の懸濁培養物を液体培地中で増殖させた。アスタキサンチ ン生合成細胞の導入のために、細胞を回収し、水で洗浄し、窒素涸渇培地に再懸 濁した。培養物を、連続光(75μE/m2/sの光子フラックス)下、25℃、80rpmの 回転式撹拌機上で250ml三角フラスコ中に維持した。 cDNAライブラリーの構築。Haematococcus pluvialisのcDNAライブラリーの構 築については、LotanおよびHirschberg(1995)FEBS letters 364:125-128により 詳細に記載された。簡単に説明すると、窒素涸渇条件(細胞の色は赤茶色)下で 5日間増殖させた藻類細胞から全RNAを抽出した。50ml培養物から細胞を回収 し、Ti試薬(Molecular Research Center,INC)を用いて、それらのRNA含有物を 抽出した。オリゴdT-セルロース(Boehinger)上の2サイクルの分画によつてPo ly-An RNAを単離した。最終収率は、全RNAの1.5%であった。Uni-ZAPTM XRベ クターにおいてZAP-cDNA合成キット(両者ともStratagene製)を用いて、cDNAラ イブラリーを構築した。cDNAライブラリーの増幅のために、XL1-Blue MRF'株(S tratagene)のEscherichia coli細胞を用いた。 プラスミドおよびEscherichia coli株。細菌Erwinia hrbicola におけるカロテノイド生合成に必要な遺伝子を含有するプラスミドpPL376は、Tu vesonより入手した[プラスミドpPL376の詳細については、Tuveson RW、Larson R AおよびKagan J(1988)近UV光および光毒性分子による不活化に対する保護にお いて、Escherichia coliにおいて発現されたクローニングされたカロテノイド遺 伝子の役割J Bacteriol 170:4675-4680を参照のこと]。プラスミドpPL376を有 するEscherichia coli JM109株の細胞は、明るい黄色のカロテノイド、ゼアキサ ンチングリコシドを蓄積する。第1の工程において、このプラスミドから1.1kb のSalI-SalIフラグメントを欠失させ、ゼアキサンチングルコシルトランスフェ ラーゼをコードするcrtX遺伝子を不活化した。第2の工程において、プラスミド DNAのBamHI部分切断、それに続く自己連結により、0.8kbのフラグメントを欠 失させ、β−カロテンヒドロキシラーゼをコードするcrtZを不活化した。BglII 部分切断により7.4kbのフラグメントを作製し、ベクターpACYC184のBamHI部位に クローニングした。図4に示すように、得られた組換えプラスミドは、crtE、cr tB、crtIおよびcrtY遺伝子を有し、pBCARと命名した[LotanおよびHirschberg(19 95)FEBS letters 364:125-128]。 プラスミドpBCARをEscherichia coliのSOLR株細胞にトランスフェクトし た(Stratagene)。クロラムフェニコール含有Luria Broth(LB)培地上で出現 したコロニー[Sambrookら、Molecular Cloning;A Laboratory Manual.Cold Sp ring Harbor Laboratory,Cold Spring Harbor,N.Y.1989に記載]は、このプラス ミドを有し、β−カロテンの蓄積のために暗黄橙色を呈した。 図5に見られるように、Escherichia coliにおいてゼアキサン チンの合成および蓄積を可能にするpZEAXと命名された更なるプラスミドを構築 した[このプラスミドについては、LotanおよびHirschberg(1995)FEBS letters 3 64:125-128に詳細に記載されている]。Escherichia coli細胞由来のSOLR株 をpZEAXプラスミドのための宿主として使用した。Escherichia coli細胞をLB 培地上で(上記のように)37℃、暗下、225rpmの回転式撹拌機上で増殖させた。 適切な形質転換細胞の選択のために、培地にアンピシリン(50μg/ml)および /またはクロラムフェニコール(30μg/ml)(両者ともSigma製)を添加した。 図6に見られるように、β−カロテンC-4-オキシゲナーゼ酵素の全長cDNAを含 有するプラスミドpHPKを、LotanおよびHirschberg(1995)FEBS letters 364:125 -128に記載のように補色性により同定した(以下の説明を参照のこと)。Haemat ococcus pluvialis由来のβ-C-4-オキシゲナーゼのcDNAを含有する1.2kbのPstI- PstI DNAフラグメントをプラスミドpHPKより単離し、プラスミドpZEAXのcrtZ遺 伝子のコーディング配列内のPstI部位に挿入した。この組換えプラスミドをpCAN THAと命名した。このプラスミドを図7に示す。 同じ1.2kbのPstI-PstI DNAフラグメントを、プラスミドpZEAXのcrtE遺伝子の6 00bp下流に存在するPstI部位にも挿入した。得られた組換えプラスミドをpASTA と命名した。このプラスミドを図8に示す。 同じ1.2kbのPstI-PstI DNAフラグメントを、プラスミドpPAN35D5のβ-ラクタ マーゼ遺伝子内に存在するPstI部位にも挿入した[Hirschberg J、Ohad N、Pecke r IおよびRahat A(1987)ラン藻Synechococcus R2.Z.の除草剤耐性変異体の単離 および特 徴Naturforsch 42c:102-112]。これは、プラスミドベクターpBR328内のラン藻S ynechococcus PCC7942由来のpsbAI遺伝子を有する[Hirschberg J、Ohad N、Peck er IおよびRahat A(1987)ラン藻Synechococcus R2.Z.の除草剤耐性変異体の単離 および特徴Naturforsch 42c:102-112]。このプラスミドをPAN3.5-KETOと命名し た。このプラスミドを図9に示す。Goldenに記載の手順[Golden SS(1988)古典 的および遺伝子導入に基づく方法によるラン藻の変異Methods Enzymol 167:714 -727]に従い、Synechococcus PCC7942細胞の形質転換において、このプラスミ ドを使用した。 ファージライブラリーの切り出しおよびβ−カロテンオキシゲナーゼ遺伝子の スクリーニング。上記のように調製されたcDNAライブラリーの大量切り出しを、 プラスミドpBCARを有するEscherichia coliのSOLR株の細胞においてExAssis tヘルパーファージ(Stratagene)を用いて実施した。ファージミド形態の切り 出されたライブラリーを、1mMイソプロピルチオ-β-D-ガラクトシダーゼ(IP TG)、50μg/mlアンピシリンおよび30μg/mlクロラムフェニコールを含有す るLBプレート上に、プレートあたり約100〜150コロニーを生じる密度で置いた 。プレートを37℃で、一夜インキュベートし、更に2日間室温でインキュベート した。次いで、コロニーの色の変化をスクリーニングするまで、プレートを4℃ に保持した。 クロモプラストにおけるcrtOの高発現のためのプラスミド。図10〜11に見られ るように、Pds遺伝子のプロモーターおよびクロロプラストおよびクロモプラス トへの輸送のための透過ペプチドとして作用するポリペプチドPDSのアミノ末 端領域のコーディ ング配列を含有するトマト種Lycopersicon esculentumのゲノムDNA配列(Pds 遺伝子のヌクレオチド1〜1448[Mann V、Pecker IおよびHirschberg J(1994)ト マト(Lycopersicon esculentum)由来のフィトエンデサチュラーゼ(Pds)の遺 伝子のクローニングおよび特徴Plant Molecular Biology 24:429-434に記載さ れている])を、バイナリーベクターpBIB[Becker D(1990)植物選択マーカーとレ ポーター遺伝子との交換を可能にするバイナリーベクターNucleic Acids Resear ch 18:230に記載]のHindIII-SmaI部位にクローニングした。これを図10に示す 。組換えプラスミドをpPTBIBと命名した。これを図11に示す。 図12に見られるように、H.pluvialis由来のcrtOのcDNAを含有する1,110ヌク レオチド長のEco47III-NcoIフラグメント(配列番号1のヌクレオチド211〜1321) をプラスミドpPTBIB(図11)のSmaI部位にサブクローニングした。その結果、Pd sのアミノ末端のコーディングヌクレオチド配列はcrtOと同じリーディングフレ ーム内にある。組換えプラスミドをpPTCRTOBIBと命名した。 トランスジェニック高等植物の形成。pPTCRTOBIBのDNAをE.coliから抽出し 、Agrobacterium tumefaciens EHA105株の細胞に形質転換した[Dower JW、Mille r FJおよびRagdsale WC(1988)高電圧エレクトロポレーションによるE.coliの高 効率形質転換Nuc.Acids Res.18:6127-6145]。Agrobacterium細胞を、選択剤と して50μg/mlストレプトマイシンおよび50μg/mlカナマイシンを補充したLB 培地において28℃で増殖させた。pPTCRTOBIBを有するAgrobacteriumの細胞を、 増殖の定常期で懸濁培養物から回収し、Horsch RB、Fry JE、Hoffmann NL、 Eicholtz D、Rogers SGおよびFraley RT、植物に遺伝子を伝達するための簡単お よび一般的方法Science(1985)227:1229-1231;およびJeffesrson AR、Kavanagh TAおよびBevan WM(1987)GUS融合:高等植物における感受性および多目的融合 遺伝子マーカーとしてのβ−グルクロニダーゼThe EMCO J.6:3901-3907に記載 のように形質転換に使用した。 Nicotiana tobaccum NN株の葉外植片を、形質転換したAgrobacterium細胞に感 染させ、カナマイシン耐性トランスジェニック植物を、上記のHorschら(1985)お よびJeffersonら(1987)に記載のプロトコルに従って再作製した。 図13を参考にすると、十分に成長した再作成された植物におけるcrtO遺伝子構 築物のDNA配列の存在を、DNAサザンブロット解析により決定した。この目 的のために、葉からDNAを抽出し[KanazawaおよびTsusumi(1992)Nelumbo属植 物由来の制限可能なDNAの抽出Plant Molecular Biology Reports 10:316-31 8に記載のプロトコルに従う]、エンドヌクレアーゼHindIIIで消化し、フラグメ ントをゲル電気泳動でサイズ分離し、放射性標識crtO配列(配列番号1)でハイ ブリダイズした。 試験したそれぞれのトランスジェニック植物は、少なくとも1コピーのcrt Oc DNA配列を含有し、pPTCRTOBIBのT-DNAの内部HindIII-HindIIIフラグメントから 生じる1.75kbのバンド(矢印)、部分消化から生じる更なるバンド、サイズが変化 している更なるバンド(複数)(植物ゲノムの挿入位置に依存した)およびタバコ植 物自身から生じる1.0kbのバンド(従って、ネガティブコントロールのWTレーン にも出現する)を生じた。 配列の解析。ジデオキシ法により、DNA配列の解析を行った [Sanger F、Nicklen SおよびCoulsen AR(1977)鎖成長末端阻害剤によるDNAの 配列決定Proc Natl Acad Sci USA 74:5463-5467を参照のこと]。 カロテノイド分析。LB液体培地中で増殖させたEscherichia coli細胞のアリ コートを13,000gで10分間、遠心分離し、一度水で洗浄し、再度遠心分離した。 水を除去した後、細胞を70μlのアセトンに再懸濁し、65℃で15分間インキュベ ートした。サンプルを再度13,000gで10分間、遠心分離し、カロテノイドを含有 する上清をきれいなチューブ内に置いた。カロテノイド抽出物を、窒素(N2) のスチーム下で風乾し、分析に必要となるまで-2℃で保存した。植物組織由来の カロテノイドを、0.5〜1.0grの組織を100μlのアセトンと混合し、続いて65℃ で15分間インキュベートし、次いで、上記のようにサンプルを処理することによ って、抽出した。 酸性化した逆相C18カラム、Spherisorb ODS-2(シリカ5μm 物の高速液体クロマトグラフィー(HPLC)を行った。3相Merck-Hitachi L- 6200A高圧ポンプにより1.5ml/分の速度で移動相を注入した。移動相は、ヘキサ ン/ジクロロメタン/イソプロピルアルコール/トリエチルアミン(88.5:10:1.5 :0.1、v/v)を含む配合溶媒系から成った。Waters 996フォトダイオード配列検出 器を用いて、470nmでピークを検出した。個々のカロテノイドを、それらの保持 時間およびそれらの典型的な吸収スペクトルにより、化学的に純粋なβ−カロテ ン、ゼアキサンチン、エキネノン、カンタキサンチン、アドニルビンおよびアス タキサンチンの標準サンプルと比較して、同定した(後者の4つはDr. Andrew YoungによりLiverpool John Moores Universityから贈与された)。 シリカゲル60 F254プレート(Merck)を用い、溶出液としてエチルアセテート /ベンゼン(7:3、v/v)を用いて、薄層クロマトグラフィー(TLC)を行 った。Shimazu UV-160A分光光度計で可視吸収スペクトルを記録した。すべての スペクトルをアセトン中で記録した。スペクトルの細かい構造を%III/IIで表現 した[Britton,G(1995)UV/可視分光法:Carotenoids;第IB巻、Spectroscopy Br itton G、Liaaen-Jensen SおよびPfander HBirkhauser Verlag,Basel、13〜62頁 ]。 E.coliの細胞から抽出されたカロテノイドの単離および同定を、シリカTLC 上で、吸収の高い(Rf値の低い)順に処理する。カロテノイドの構造およびア スタキサンチンの生合成経路を図14に示す。以後詳細については、図14の1〜9 の番号を付したカロテノイドをいう。 β−カロテン(1)。Rf0.92(認証(1)からの分離不能)。Rt.VISλmaxnm:( 428)、452、457、%III/II=0。 エキネノン(2)。Rf0.90(認証(2)からの分離不能)。Rt.VISλmaxnm:455 、%III/II=0。 カンタキサンチン(3)。Rf0.87(認証(3)からの分離不能)。Rt.VISλmaxn m:470、%III/II=0。 β−クリプトキサンチン(4)。Rf0.83。Rt.VISλmaxnm:(428)、451、479、 %III/II=0。 アドニルビン(5)。Rf0.82(認証(5)からの分離不能)。Rt.VISλmaxnm:4 76、%III/II=0。 アスタキサンチン(6)。Rf0.79(認証(6)からの分離不能)。 Rt.VISλmaxnm:477、%III/II=0。 アドニキサンチン(7)。Rf0.72。Rt.VISλmaxnm:464、%III/II=0。 ゼアキサンチン(8)。Rf0.65(認証(8)からの分離不能)。Rt.VISλmaxnm :(428)、451、483、%111/11=27。 ヒドロキシエキネノン(9)。Rf0.80。Rt.VISλmaxnm:464、%III/II=0 。 キラリティ配置。アスタキサンチンのキラリティ配置を、アスタキサンチンの 誘導されたジアステレオ異性体カンファネートのHPLCにより決定した[Renst rom B、Borch G、Skulberg MおよびLiaaen-Jensen S(1981)Haematococcus plu vialis由来の(3S,3S')アスタキサンチンの光学的純度Phytochem 20:256l-2565] 。分析により、Escherichia coli細胞は純粋な(3S,3S')アスタキサンチンを合成 することが証明された。 実施例1 β-C-4-オキシゲナーゼ遺伝子のクローニング cDNAライブラリーを、上記のように窒素涸渇によりアスタキサンチンを合成す るように誘導されているHaematococcus pluvialis細胞のポリ-An RNAよりλZAP IIベクターにおいて構築した。全ライブラリーを、プラスミドpBCAR(図4に示す )を有するEscherichia coli SOLR株のβ−カロテン蓄積細胞に切り出した。β− カロテンオキシゲナーゼ遺伝子のスクリーニングは、直径3mmサイズのコロニー の色の視覚化に基づいた。アスタキサンチンおよび他の酸化型形態のβ−カロテ ン(即ち、キサントフィル)は、異なる濃さの色を有し、従って、黄色のβ−カ ロテ ンの背景から検出することができる。スクリーニングは約100,000個のコロニー を含み、これらは、プラスミドの増殖形態でのλZAP IIベクターおよびpBCARプ ラスミドの両方について選択するアンピシリンおよびクロラムフェニコールを含 有するLB培地プレート上で増殖した。いくつかのコロニーは異なる色調を示し たが、1つは、顕著な赤茶色の色素を示した。このコロニーは、キサントフィル 生合成遺伝子を含有すると推定され、以下の実施例において、以下に記載の更な る分析のために選択した。 実施例2 Escherichia coliにおけるβ-C-4-オキシゲナーゼ活性の分析 キサントフィル生合成遺伝子を含有すると推定される赤茶色のコロニー(上記 の実施例1を参照のこと)を画線し、更に分析した。最初に、Escherichia coli においてキサントフィル合成のもとになるcDNAを有する組換えZAP IIプラスミド を、赤茶色のコロニーからプラスミドDNAを調製し、それをXLI-Blue株のEsch erichia coliにトランスフェクトし、アンピシリン含有培地上で選択することに よって単離した。このプラスミドをpHPK(pHPKは、赤茶色のコロニーから単離さ れた挿入物を含有するλZAP IIベクターである)と命名し、これを用いてβ−カ ロテン産生Escherichia coli細胞(図4に示すプラスミドpBCARを有するEscheri chia coli SOLR株)を形質添加したところ、赤茶色のコロニーの形成が認められ た。この形質転換体および宿主細胞(コントロールとして)から、アセトンによ りカロテノイドを抽出し、HPLCにより分析した。 β−カロテンを合成した宿主細菌(図4に示すプラスミド pBCARを有するEscherichia coli SOLR株)のカロテノイドのHPLC分析は、赤 茶色のコロニーと比較して、形質転換細胞中に微量のβ−カロテンしか認められ なかったが、カンタキサンチンの新しい主要なピークおよびエキネノンのもう1 つの小さなピークが出現した[LotanおよびHirschberg(1995)FEBS letters 364 :125-128により詳細に記載された]。これらの結果は、プラスミド内のcrtOと命 名されたcDNAが、エキネノンを経てβ−カロテンをカンタキサンチンに変換する β-C-4-オキシゲナーゼ活性を有する酵素をコードすることを示す(図14を参照の こと)。従って、1つの酵素が、それぞれβおよびβ’環の4および4'炭素上で 対称的に作用することによって、この2段階のケト化変換を触媒すると結論され る。 実施例3 Escherichia coli細胞におけるアスタキサンチンの産生 β−カロテンヒドロキシラーゼ(例えば、Erwinia herbicolaのcrtZ遺伝子の産 物)が、このようにして産生されたカンタキサンチンをアスタキサンチンに変化 し得るかどうか、および/またはβ−カロテンヒドロキシラーゼによってβ−カ ロテンから変換されたゼアキサンチンがβ-C-4-オキシゲナーゼによってアスタ キサンチンに変換され得るかどうかを決定するために、単離されたHaematococcu s pluvialisのcrtO cDNAを、Erwinia herbicolaのcrtZ遺伝子とともにEscherich ia coli細胞において発現させた。この目的のために、SOLR株のEscherichia coli細胞を、図8に示すようにcrtZおよびcrtOの両方を含有するプラスミドpAS TAのみか、または図6に示すようにcrtOを含有するpHPKと図5 に示すようにcrtZを含有するpZEAXとのいずれかでトランスフェクトした。得ら れたトランスフェクト細胞のカロテノイドを抽出し、上記のようにHPLCで分 析した。結果(表1に示す)は、プラスミドpASTAを含有する細胞から抽出され たカロテノイドの組成を示す。pHPKおよびpZEAXを有するEscherichia coli細胞 においても同様のカロテノイド組成が認められた。 表1に示された結果は、β末端基または4-ケト-末端基のいずれかを処理して いるカロテノイドはC-3およびC-3'炭素で、crtZ遺伝子産物によって触媒される ヒドロキシル化反応に対する基質として作用することを証明する。β−カロテン およびカンタキサンチンをヒドロキシル化すると、それぞれゼアキサンチンおよ びアスタキサンチンが生成する。これらのヒドロキシル化はアスタキサンチン、 中間体のケトカロテノイド、3-ヒドロキシエキネノン、アドニキサンチンおよび アドニルビンの生成を生じる。これ らの結果は、更に、アスタキサンチンが、β−カロテンヒドロキシラーゼをコー ドする遺伝子とともにcrtO遺伝子を発現することによって、異種細胞において産 生され得ることを示す。 実施例4 β−カロテンC-4-オキシケナーゼ遺伝子の配列解析 ポリAテイルの存在下で決定された、プラスミドpHPK(1771塩基対)中のcDNA 挿入物の全長をヌクレオチド配列解析に供した。配列表1に記載の配列および配 列表3に記載のそのアミノ酸配列への翻訳を、1995年5月1日にEMBLデータ ベースに寄託し、それそれEMBL受託番号X86782およびX86783を得た。 825個のヌクレオチドのオープンリーディングフレーム(ORF)(配列番号 3のヌクレオチド166〜1152)をこの配列内で同定した。ORFは、配列番号4 に記載の329個のアミノ酸を有する酵素β−カロテンC-4-オキシゲナーゼをコー ドし、このことは、Escherichia coli細胞でのその機能的発現によって証明され ている(上記の実施例3を参照のこと)。この酵素の遺伝子をcrtOと命名した。 実施例5 crtOによるラン藻の形質転換 図9に示されるpPAN3.5-KATOのプラスミドDNAを、Goldenによって記載され た方法に従って、ラン藻Synechococcus PCC7942の細胞にトランスフェクトした[ Golden SS(1988)古典的および遺伝子導入に基づく方法によるラン藻の変異Metho ds Enzymol 167:714-727]。ラン藻細胞を、クロラムフェニコール を含有するBG11含有ペトリ皿上に置いた。10日後に出現したクロラムフェニコー ル耐性Synechococcus PCC7942のコロニーを、カロテノイド含有量について分析 した。以下の表2に詳細に説明するように、これらの細胞のHPLC分析は、細 胞の主なカロテノイド成分がβ−カロテン、エキネノン、カンタキサンチン、ア ドニルビンおよびアスタキサンチンであることを示した。野生型株およびcrtO遺 伝子の配向が逆である(示さず)プラスミドでトランスフェクトした(従って、 活性なタンパク質を産生し得ない)Synechococcus PCC7942の同様の分析は、エ キネノン、カンタキサンチン、アドニルビンおよびアスタキサンチンの産生を示 さなかった。 これらの結果は、Haematococcus pluvialisのcrtOがラン藻において発現され 得ること、およびその発現が、β−カロテンのカンタキサンチンへの変換に必要 なβ-C-4-オキシゲナーゼ酵素活性を提供したことを証明する。この結果は、Syn echococcus PCC7942の内因性β−カロテンヒドロキシラーゼは、産生されたカン タキサンチンをアスタキサンチンへ変換し得ることを示す。カロテノイド生合成 経路がすべての緑色光合成生物において同様である[図1および10ならびにPeck er I、Chamovitz D、Linden H、Sandmann GおよびHirschberg J(1992)フィトエ ンのζ−カロテンへの変換を触媒する1つのポリペプチドは、トマトの実が熟す る期間中は転写段階で調節されるProc Natl Acad Sci USA 89:4962-4966を参照 のこと]ことから、内因性β−カロテンヒドロキシラーゼも発現する任意の組織 ではcrtOを発現することによって、アスタキサンチンが藻類、および高等植物に おいて産生され得ることが推測される。更に、内因性または操作されたβ −カロテン生合成経路のいずれかを含有する任意の生物によって、内因性または 遺伝子操作されたβ−カロテンヒドロキシラーゼのいずれかを発現する任意の組 織においてcrtOを発現することによって、アスタキサンチンが産生され得ること が推測される。 実施例6 異種系において産生されたアスタキサンチンのキラリティ配置の決定 上記の実施例3に記載のEscherichia coli細胞により、および上記の実施例5 に記載のラン藻Synchococcus PCC7942細胞により産生されるアスタキサンチンの キラリティ配置を、アスタキサンチンの誘導されたジアステレオ異性体カンファ ネートのHPLCにより決定した[Renstrom B、Borch G、Skulberg MおよびLiaa en-Jensen S(1981)Haematococcus pluvialis由来の(3S,3S')アスタキサンチン の光学的純度Phytochem 20:2561-2565]。分析により、上記のEscherichia coli およびSynchococcus PCC7942細胞は純粋な(3S,3S')アスタキサンチンを合成する こと が証明された。 実施例7 crtOによる高等植物の形質転換 高等植物において天然のアスタキサンチンを産生することは、2つの予想され る利益を有する。第1に、純粋な化学物質として、アスタキサンチンは魚用の飼 料添加物として広範に使用される。それは、ヒト消費物に適切な食品着色剤の可 能性があり、化粧品産業においてもアプリケーションを有する可能性がある。第 2に、花および実においてインビボでアスタキサンチンを含むことは、それらの 外観および/または栄養的価値を増加する魅力的なピンク/赤色を提供する。 花および実で、カロテノイドは通常合成され、高濃度でクロモプラスト(典型 的な色素含有プラスチド)に蓄積され、従って、それらの器官に典型的な濃さの 色を提供する。クロモプラストにアスタキサンチンの合成を誘導すると、高濃度 のこのケトカロテノイドの蓄積が可能となる。カロテノイド生合成遺伝子の過剰 発現は、クロロプラストにおけるカロテノイド濃度の上昇をもたらすか、または クロロプラストにおけるカロテノイド組成の他の変更は、チラコイド膜を損傷し 、光合成を損ない、従って、植物に対して有害である。対照的に、カロテノイド 濃度の上昇またはクロモプラストにおけるカロテノイド組成の変更は、植物の生 存能にも実および花の週量にも影響を与えない。 このように、上記のように、遺伝子導入技術を使用して、遺伝子の発現が特に クロモプラスト含有細胞において正に調節される ような方法で、藻類Haematococcus pluvialisから単離されるcrtO遺伝子を高等 植物に移植した。 この目的のために、図12に示されるようなT-DNA含有バイナリープラスミドベ クターを、E.coliにおいて、プロモーターおよびトマト種Lycopersicon esculen tum由来のPdsによってコードされる透過ペプチドのコーディングDNA配列(H.p luvialis由来のcrtOのコーディング配列に連結される)から組み立てた。上記の 方法に記載のように、トランスジェニック植物を形成するためにこのDNA構築 物を、Agrobacterium媒介性形質転換を介してタバコ(Nicotiana tabacum NN) 植物に導入した場合、植物は、特に花組織(クロモプラスト含有細胞)において ケトカロテノイドを酸性する能力を獲得した。Pds遺伝子プロモーターは転写を 指示し得、従って特に植物のクロロプラストおよび/またはクロモプラスト含有 組織において発現し得ることは注目するべきである。Pdsコーディング配列の一 部によってコードされる透過ペプチドが結合タンパク質(即ち、フレーム内)を 植物クロモプラストおよび/またはクロロプラストへ指示し得ることは更に注目 するべきである。 図15に示すように、タバコの花の密腺組織等のクロモプラスト含有細胞におい て、このDNA構築物は、通常の黄色から赤色に色が変化するようなより高濃度 でのアスタキサンチンおよび他のケトカロテノイドの蓄積を誘導する。 葉等のクロロプラスト含有組織および花等のクロモプラスト含有組織における カロテノイドの濃度および組成を、トランスジェニック植物において決定し、正 常な非形質転換植物と比較した。 野生型およびトランスジェニックタバコ植物の葉(クロロプラ スト含有組織)および花の密腺組織(クロモプラスト含有組織)におけるカロテ ノイド組成を、上記のように薄層クロマトグラフィー(TLC)および高速液体 クロマトグラフィー(HPLC)により決定した。 野生型およびトランスジェニックタバコ植物の葉(クロロプラスト含有組織) および花の密腺組織(クロモプラスト含有組織)における全カロテノイド濃度を 以下の表3にまとめて示す。 野生型およびトランスジェニックタバコ植物の葉におけるカロテノイド組成の パーセントを以下の表4にまとめて示す。 野生型およびトランスジェニックタバコ植物の密腺におけるカロテノイド組成 のパーセントを以下の表5にまとめて示す。 特に、トランスジェニックタバコ植物のクロモプラスト含有組織におけるヒド ロキシエキネノン、3'ヒドロキシエキネノン、アドニルビン、アドニキサンチン およびアスタキサンチンの含有量の上昇に注目していただきたい。 このように、本発明は、β-C-4-オキシゲナーゼ活性を有するペプチド;該ペ プチドをコードするDNAセグメント;該ペプチドをコードするRNAセグメン ト;ベクターおよび該DNAセグメントを含む組換えDNA分子;前記組換えD NA分子またはDNAセグメントを含有する宿主;ならびに該宿主の使用による (3S,3’S)アスタキサンチンまたは(3S,3'S)アスタキサンチンを含有する食品添 加物の生物工学的製造方法を提供することにより、(3S,3'S)アスタキサンチンの 比較的安価な生物工学的製造を可能にすることによって、現在公知の形状構成の 欠点を克服している。 限られた数の実施態様をもって本発明を説明してきたが、本発明に係わる多く の改変、変更および他の適用もなされ得ることは明瞭である。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Nucleic acid sequence encoding β-C-4-oxygenase required for astaxanthin biosynthesis from Haematococcus pluvialis Field and background of the invention The present invention relates generally to a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin. Specifically, the present invention relates to a peptide having β-C-4-oxygenase activity; a DNA segment encoding the peptide; an RNA segment encoding the peptide; a vector and a recombinant DNA molecule containing the DNA segment; A host cell or organism containing a recombinant DNA molecule or DNA segment; and a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin or a food additive containing (3S, 3'S) astaxanthin by using the host. Carotenoids, such as astaxanthin, are natural pigments that underlie many of the yellow, orange, and red colors found in living organisms. Carotenoids are widely distributed in nature and have two major biological functions in various biological systems: carotenoids act as light-harvesting pigments in photosynthesis and protect against damage from photo-oxidation. Such and further biological functions of carotenoids, their industrially important role, and their biosynthesis are described below. As part of a concentrating antenna, carotenoids can absorb photons and transfer their energy to chlorophyll, thus helping to capture light in the 450-570 nm range [Cogdell RJ and Frank HA (187 ) How carotenoids function in photosynthetic bacteria Biochim Biophys Acta 895: 63-79; Cogdell R (1988) Function of pigments in chloroplasts Goodwin TW, Ed., Plant Pigments, 183-255, Academic Press, London Frank HA, Violette CA, Trautman JK, Slueve AP, Owens TG and Albrecht AC (1991) Carotenoids in photosynthesis: Structure and photochemistry Pure Appl Chem 63: 109-114; Frank HA, Farhoosh R, D ecoster B and Christensen RL ( 1992) Molecular features controlling the efficiency of energy transfer from carotenoids to chlorophyll in photosynthesis Murata N, Ed., Research in Photosynthesis, Vol. I, pp. 125-128, Kluwer, Dordrecht; and Cogdell RJ and Gardiner AT (1992). 3) Function of carotenoids in photosynthesis. See Meth Enzymol 214: 185-193]. Carotenoids are an essential component of the protein-dye complex of the light-harvesting antenna in photosynthetic organisms, but are also important components of the photosynthetic reaction center. Most of the total carotenoids are localized within the light-harvesting complex II [Bassi R, Pinaw B, Dainese P and Marquartt J (1993) Photosystem II carotenoid binding protein Eur J Biochem 212: 297- 302]. The identity of the carotenoprotein with photosynthetic activity and its precise position in the light-harvesting system is unknown. Carotenoids in the chlorophyll-protein complex of the photochemically active thermophilic cyanobacterium Synechococcus sp. Were examined by linear dichroism spectroscopy of oriented samples [Breton J and Katos (1987) in photosystem II. Dye Orientation: Low Temperature Linear Dichroism Study of Core Particles Isolated from Synechococcus sp. And Its Chlorophyll-Protein Subunits See Biochim Biophys Acta 892: 99-107]. These complexes mainly contained a β-carotene pool that absorbs about 505 nm and 470 nm, where the β-carotene pool is oriented near the membrane plane. In the photochemically inactive chlorophyll-protein complex, β-carotene absorbs about 495 and 465 nm, and the molecule is oriented perpendicular to the plane of the membrane. Evidence has revealed that carotenoids bind to photosystem (PS) II in cyanobacteria [Suzuki R and Fujita Y (1977) Photobleaching of carotenoids induced by the action of photosynthetic reaction center II: DCMU-sensitive Plant Cell Physiol 18: 625-631; and isolation and characterization of Newman PJ and Sherman LA (1978) photosystem I and II membrane particles from the cyanobacterium Synechococcus cedrorum. Biochim Biophys Acta 503: 343-361] . Two molecules of β-carotene are present in the reaction center core of PSII [Ohno T, Satoh K and Katoh S (1986) Chemical composition of the oxygen releasing complex purified from the thermophilic cyanobacterium Synechocococus sp. Biochim Biophys Acta 852 : 1-8; Gounaris K, Chapman DJ and Barber J (1989) Isolation and characterization of the D1 / D2 / cytochrome b-559 complex from Synechocystis PCC 6803 Biochim Biophys Acta 973: 296-301; and Ne well RW, van Amerongen H, Barber J and van Grondelle R (1993) Spectroscopic characterization of photosystem II reaction centers using polarized light: Evidence for β-carotene excitons in PSII reaction centers. See Biochim Biophys Acta 1057: 232-238. thing]. However, their exact functions remain unknown. [Review: Satoh K (1992) Structure and Function of Photosystem II Reaction Center Murata N, Ed., Research in Photosynthesis, Volume II, pp. 3-12, Kluwer, Dordrechht ]. Such β-carotene molecules with two attached molecules have demonstrated protection from photodamage in the isolated PSII reaction center of chlorophyll P680 [De Las Rivas J, Tel fer A and Barber J (1993) 2 The attached β-carotene molecule protects P680 from photodamage in the isolated PSII reaction center, see Biochim Biophys Acta 1142: 155-164]. This is thought to be related to the protection of PSII against degradation of the D1 subunit [Sandmann G (1993) Genes and enzymes involved in phytoene desaturation to lycopene (Summary), 10th International Symposium on See Ca rotenoids, Trondheim CLI-2]. The light-harvesting pigment of the highly purified oxygen-releasing PSII complex of the thermophilic cyanobacterium Synechococcus sp. Consists of 50 chlorophyll a and 7 β-carotene molecules and does not contain xanthophyll molecules [Ohno T, Satoh K. And Katoh S (1986) Chemical composition of the oxygen releasing b-complex purified from the thermophilic cyanobacterium Synechococcus sp. Biochim Biophys Acta 852: 1-8]. β-carotene has been shown to play a role in the assembly of green algal active PSII [Humbeck K, Romer S and Senger H (1989) Evidence for an essential role of carotenoids in the assembly of active PSII. Planta 179: 242 -250]. The PSI complex isolated from Phormidium luridum containing 40 chlorophylls per P700 contained on average 1.3 molecules of β-carotene [Thornber JP, Alberte RS, Hunter FA, Shiozawa JA and Kan KS (1976) Organizing Chlorophyll in Photosynthetic Units of Plants See Brookhaven SympBiology 28: 132-148]. When preparing PSI particles from Synechococcus sp. Strain PCC 6301 containing 130 ± 5 antenna chlorophylls per P700, 16 carotenoids were detected [Lundell DJ, Glazer AN, Melis A and Malkin R]. (1985) Cyanobacterial photosystem I complex features J Biol Chem 260: 646-654]. Significant amounts of β-carotene and xanthophylls, cryptoxanthin and isocryptoxanthin were detected in the dye-protein complex of the PSI of the thermophilic cyanobacterium Synechococcus elongatus (Coufal J, Hladik J and Sofrova D (1989) cyanobacteria Carotenoid Content of the Dye-Protein Complex of Synechococcus elongatus Photosystem I See Photosynthetica 23: 603-616]. The structure of the subunit protein-complex of the cyanobacterium Synechococcus sp. Consisting of four polypeptides (62, 60, 14 and 10 kDa) contained approximately 10 β-carotene molecules per P700 [Takahashi Y. Multiple forms of the P700-chlorophyll a-protein complex of Hirota K and Katoh S (1985) Synechococcus sp .: iron, quinone and carotenoid content. See Photosynth Res 6: 183-192]. This carotenoid is exclusively bound to large polypeptides with functional antenna chlorophyll a. The fluorescence excitation spectra of these complexes suggested that β-carotene acts as an efficient antenna for PSI. As mentioned above, a further essential function of carotenoids is to protect the photosynthetic apparatus from photo-oxidation reactions caused by chlorophyll in the excited triplet state. Carotenoid molecules having π-electron conjugation of nine or more carbon-carbon double bonds can absorb triplet energy from chlorophyll, thus preventing the formation of harmful singlet oxygen radicals. it can. In Synechococcus sp., Triplet-state carotenoids are monitored at the closed PSII center, and its kinetics of about 25 nanoseconds production is due to energy transfer from chlorophyll triplets in the antenna [Schlodder E and Brettel K ( 1988) Initial charge separation of closed photosystem II with 11 nanosecond lifetime: see flash absorption spectroscopy on the oxygen-evolving photosystem II complex of Synechococcus. Biochim Biophys Acta 933: 22-34]. This process, which has a lower yield compared to the yield of radical pair formation, is believed to play a role in protecting chlorophyll from damage due to overexcitation. The protective role of carotenoids in vivo has been elucidated by the use of bleaching herbicides such as norflurazon, which inhibits carotenoid biosynthesis in all organisms that undergo oxygenic photosynthesis [review: Sandmann G and Boger P (1989)]. Inhibition of carotenoid biosynthesis by herbicides Boger P and Sandmann G, eds., Target Sites of Herbicide Action, pages 25-44, CRC Press, Boca Raton, Florida]. Norflurazon treatment in the light reduces both carotenoid and chlorophyll levels, while chlorophyll levels are unaffected in the dark. Inhibition of photosynthetic efficiency in Oscillatoria agardhii cells treated with a pyridinone herbicide (fluridone) is due to the relative abundance of mixoxanthophyll, zeaxanthin and β-carotene, which results in the photo-oxidation of chlorophyll molecules. [See Canto de Loure I, Dubacq JP and Thomas JC (1987) Nitrogen deficiency effects on cyanobacterial pigments and lipids Plant Physiol 83: 838-843]. Zeaxanthin has been shown to be required to dissipate the excess excitation energy of antenna chlorophyll in a non-radiative manner [Demmig-Adams B (1990) Carotenoids and photoprotection in plants: the role of xanthophyll zeaxanthin Biochim Biophys Acta 1020: 1-24; and Demmig-Adams B and Adams WW III (1990) High energy states that quench the fluorescence of carotenoids zeaxanthin and chlorophyll] Photosynth Res 25: 187-197]. In algae and plants, photoinduced deepoxidation of violaxanthin, which produces zeaxanthin, is involved in the photoprotection process [Review: Demmig-Adams B and Adams WW III (1992). Protection and other responses Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 43: 599-626]. The photoinduced deepoxidation of violaxanthin and its reverse reaction in the dark are known as the "xanthophyll cycle" [Demmig-Adams B and Adams WWIII (1992) Photoprotection of plants against high light stress And other responses Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 43: 599-626]. Cyanobacterial lichens, with cyanobacteria as the main symbiotic algae, are susceptible to high-intensity light, possibly because they do not contain any zeaxanthin and, possibly, are unable to dissipate non-radiative energy; Lichens (algal lichens), which are symbiotic algae, contain zeaxanthin and are more resistant to high light stress (Demmig-Adams B, Adams WW III, Green TGA, Czygan FC and Lange OL (1990) algae Differences in sensitivity to light stress of two lichens forming a symbiotic group (lichen partner with xanthophyll cycle and lichen partner without xanthophyll cycle) Oecologia 84: 451-456; Demmig-Adams B And Adams WWII I (1993) Sunto-adapted leaf xanthophyll cycle, protein turnover and high light resistance Plant Physiol 103: 1413-1420; and Demmig-Adams B (1 990) Carotenoids and photoprotection in plants: the role of xanthophyllzeaxanthin. See Biochim Biophys Acta 1020: 1-24]. In contrast to algae and plants, cyanobacteria do not have a xanthophyll cycle. However, cyanobacteria do contain sufficient amounts of zeaxanthin and other xanthophylls to support photoprotection of chlorophyll. Several other functions are found in carotenoids. The results showing the accumulation of β-carotene in UV-resistant mutants of the cyanobacterium Gloeocapsa alpicola suggest that carotenoids protect against damaging species generated by near ultraviolet (UV) radiation [Buckley CE and Houghton JA (1976) Study on the effect of near-ultraviolet radiation on pigmentation of the cyanobacterium Gloeocapsa alpicola. See Arch Microbiol 107: 93-97]. This was more clearly demonstrated in Escherichia coli cells producing carotenoids (Tuveson RW and Sandmann G (1993) Cloned carotenoids expressed in Escherichia coli against phototoxic molecules activated by near ultraviolet light) See Genetic Protection Meth Enzymol 214: 323-330]. Carotenoids are efficient antioxidants because they can scavenge oxygen radical species, thus protecting cells from oxidative damage. Such functions of carotenoids are important in almost all organisms [Krinsky NI (1989) Antioxidant function of carotenoids Free Radical Biol Med 7: 617-635; and Palozza P and Krinsky NI (1992) in vivo and in vitro Antioxidant Action of Carotenoids-Review Meth Enzymol 213: 403-420]. Other cellular functions can be affected by carotenoids, albeit indirectly. Although carotenoids in cyanobacteria are not major phototactic photoreceptors, the effects of carotenoids on the phototactic response observed in Anab aena variabilis are due to singlet oxygen radicals, which can act as signal intermediates in this system. [Nultsch W and Schuchart H (1985) Phototactic reaction chain model Arch Microbiol 142: 180-184 of the cyanobacterium Anabaenavariabilis]. In flowers and fruits, carotenoids facilitate pollinator attraction and seed dispersion. This latter aspect is strongly linked to agriculture. The type and extent of pigmentation in fruits and flowers is one of the most important attributes of many crops. This is primarily because the color of these products often determines their appeal to consumers, thereby increasing their market value. Because carotenoids are non-toxic, they have important commercial uses as colorants in the food industry [see Bauernfeind JC (1981) Carotenoids as colorants and vitamin A precursors, Academic Press, London]. The red color of the tomato fruit is provided by lycopene which accumulates in chromoplasts during the fruit ripening period. Tomato extracts containing a high percentage of lycopene (greater than 80% of dry weight) are commercially produced worldwide for industrial use as a food colorant. Furthermore, meat, feathers or fish and bird eggs exhibit the color of a given food carotenoid. Thus, carotenoids are frequently used in poultry food additives and aquaculture. Certain cyanobacterial species (eg, Spirulina sp. [See Recent Advances in the Treatment of Microalgae Sommer TR, Potts WT and Morrissy NM (1990) Cultured Hydrobiologia 204/205: 435-443]) And cultured in aquaculture to produce human food supplements. Thus, the content of carotenoids (mainly β-carotene) in these cyanobacteria is closely related to biotechnology in a commercial sense. Most carotenoids contain 8 C Five C constructed from isoprenoid units 40 And contains a series of conjugated double bonds. Carotene is either a linear or cyclic molecule containing no oxygen atoms and containing one or two terminal rings. Xanthophylls are oxygenated derivatives of carotenes. Various glucosylated carotenoids and carotenoid esters have been identified. C 40 The skeleton further elongates to C 45 Or C 50 It can produce carotenoids or can be shortened to produce apocarotenoids. Some non-photosynthetic bacteria also have C 30 Synthesize carotenoids. General background on carotenoids can be found in Goodwin TW (1980) The Biochemistry of the Carotenoids, Volume 1 (2nd Edition), Chapman and Hall, New York; and Goodwin TW and Britton G (1988) Carotenoid distribution and analysis. Goodwin TW, Plant Pigments, pp. 62-132, Academic Press, New York. To date, over 640 different natural carotenoids have been characterized. Thus, carotenoids are responsible for most of the various shades of yellow, orange and red found in microorganisms, fungi, algae, plants and animals. Carotenoids are synthesized by all photosynthetic organisms and some non-photosynthetic bacteria and fungi, but are also widely distributed throughout the animal kingdom through food intake. Carotenoids are synthesized de novo from isoprenoid precursors only in photosynthetic organisms and some microorganisms, and they typically accumulate in protein complexes in the photosynthetic membrane, in the cell membrane and in the cell wall. As detailed in FIG. 1, in the β-carotene biosynthetic pathway, four enzymes convert the central isoprenoid pathway geranylgeranyl pyrophosphate to β-carotene. Carotenoids are produced from the general isoprenoid biosynthetic pathway. Although this pathway has been known for decades, very recently, mainly using genetics and molecular biology, several molecular mechanisms involved in carotenoid biosynthesis have been elucidated. This is due to the fact that most enzymes involved in the conversion of phytoene to carotene and xanthophylls are unstable and the activity of membrane-bound proteins is lost upon solubilization [Beyer P, Weiss G and Kleinig H (1985) Solubilization of the membrane-bound carotene synthase from daffodil chromoplasts and its reconstitution Eur J Biochem 153: 341-346; and Bramley PM (1985) In vitro biosynthesis of carotenoids Adv Lipid Res21 : 243-279]. However, solubilization of a carotene synthase from Synechocystis sp. PCC 6714 strain that retains partial activity was reported [Bramley PM and Sandmann G (1987) Solubilization of carotene synthase of Aphanocapsa Phytochem 26: 1935-1939 checking]. There is no true in vitro system of carotenoid biosynthesis that allows a direct assay of enzymatic activity. A cell-free carotenoid producing system has been developed [see Clarke IE, Sandmann G, Bramley PM and Boger P (1982) carotene biosynthesis with isolated photosynthetic membranes FEBS Lett 140: 203-206] and adapted to cyanobacteria [Cartotenoid biosynthesis by Aphanocapsa homogenate linked to Sandmann G and Bramley PM (1985) Phycomyces blakesleeanus phytoene production system Planta 164: 259-263; and in vitro and in vivo xanthophylls by Bramley PM and Sandmann G (1985) cyanobacterium Aphanocapsa Biosynthesis at Phytochem 24: 2919-2922]. Reconstitution of phytoene desaturase of Synechococcus sp. Strain PCC 7942 in liposomes was performed after purification of the polypeptide expressed in Escherichia coli [Fraser PD, Linden H and Sandmann G (1993) of recombinant Synechococcus phytoendesaturase. Purification from Escherichiacoli overexpressing strain and its reactivation See Biochem J 291: 687-692]. Referring to FIG. 1, carotenoids are synthesized from isoprenoid precursors. The central pathway of isoprenoid biosynthesis can be seen to be initiated by the conversion of acetyl-CoA to mevalonic acid. C Five Molecular D Three Isopentenyl pyrophosphate (IPP) is formed from mevalonic acid, which is the basic component of all long-chain isoprenoids. After IPP isomerizes to dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP), three molecules of IPP are further bonded to form C 20 The molecule keranylgeranyl pyrophosphate (GGPP) is produced. Such 1'-4 condensation reactions are catalyzed by prenyltransferases [Kleinig H (1989) Role of plastids in isoprenoid biosynthesis See Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 40: 39-59]. It has been shown in plants that all reactions from DMAPP to GGPP are carried out by this same enzyme (GGPP synthase) [Dogbo O and Camara B (1987) Isopentenyl pyrophosphate isomerase and Capsicum of geranylgeranyl pyrophosphate synthase. Purification by affinity chromatography from chromoplasts Biochim Biophys Acta 920: 140-148; and Laferriere A and Beyer P (1991) Purification of geranylkeranyl diphosphate synthase from Sinapis alba Ethioplast Biochim Biophys Acta 216: 156-163 See]. The first step specific to carotenoid biosynthesis is the production of prephytoene pyrophosphate (PPPP) by head-to-head condensation of two molecules of GGPP. GGPP is able to remove 15-cis-phytoene (colorless C 40 (Hydrocarbon molecules). This two-step reaction is catalyzed by the soluble enzyme phytoene synthase, an enzyme encoded by a single gene (crtB), in both cyanobacteria and plants [Chamovitz D, Misawa N, Sandmann G and Hirschberg J ( 1992) Molecular cloning of a gene encoding cyanobacterial phytoene synthase (carotenoid biosynthetic enzyme) and expression in Escherichia coli FEBS Lett 296: 305-310; Ray JA, Bird CR, Maunders M, Grierson D and Schuch W (1987) Sequence of pTOM5 (cDNA associated with maturation obtained from tomato) Nucl Acids Res 15: 10587-10588; phytoene synthase complex of Camara B (1993) plant-three enzymes of components, immunology and biosynthesis Meth Enzymol 214: 352-365]. All subsequent steps in the pathway occur within the membrane. Phytoene is converted to lycopene via phytofluene, zeta-carotene and neurosporene by four desaturation (dehydrogenation) reactions. Each time it is desaturated, the number of conjugated double bonds increases by two, resulting in an increase in the number of conjugated double bonds from three in phytoene to eleven in lycopene. Little is known about the molecular mechanism of enzymatic dehydrogenation of phytoene compared to others [Jones BL and Porter JW (1986) Carotene biosynthesis in higher plants CRC Crit Rev Plant Sci 3: 295-324; Beyer P, Mayer M and Kleinig H (1989) Molecular oxygen and geometric isomerism of intermediates are essential for carotene desaturation and cyclization in daffodil chromoplasts Eur J Biochem 184: 141-150 checking]. In cyanobacteria, algae and plants, the first two desaturation reactions (15-cis-phytoene to ζ-carotene) are catalyzed by one membrane-bound enzyme (phytoene desaturase) [ Jones BL and Porter JW (1986) Carotene biosynthesis in higher plants CRC Crit Rev Plant Sci 3: 295-324; and Beyer P, Mayer M and Kleinig H (1989) See Eur J Biochem 184: 141-150, which is essential for carotene desaturation and cyclization in daffodil chromoplasts]. Since the ζ-carotene product is mainly in the all-trans configuration, cis-trans isomerization is considered at this desaturation step. The primary structure of the cyanobacterial phytoene desaturase polypeptide is conserved relative to the primary structure of the algal and plant phytoene desaturase polypeptides (greater than 65% identical residues are found) [Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) One polypeptide that catalyzes the conversion of phytoene to ζ-carotene is regulated at the transcriptional stage during tomato ripening Proc Natl Acad Sci USA 89: 4962. -4966; Pecker I, Chamovitz D, Mann V, Sandmann G, Boger P and Hirschberg J (1993) Molecular characterization of carotenoid biosynthesis in plants: Tomato phytoene desaturase gene Murata N, Ed., Research in Phytosynthesis, Volume III , Pages 11-18, Kluwer, Dordrecht]. In addition, the same inhibitors block the phytoene desaturases of the two systems [Sandmann G and Boger P (1989) Inhibition of carotenoid biosynthesis by herbicides, edited by Boger P and Sandmann G, Target Sites of Herbicide Action, 25- 44 p., CRC Press, Boca Raton, Florida]. Thus, enzymes that catalyze the desaturation of phytoene and phytofluene in cyanobacteria and plants probably have similar biochemical and molecular properties and differ from those of phytoene desaturases of other microorganisms. One such difference is that Rhodobacter capsulatus, Erwinia sp. Or fungal phytoene desaturase converts phytoene to neurosporene, lycopene or 3,4-dehydrolycopene, respectively. Desaturation of phytoene in daffodil chromoplasts [Beyer P, Mayer M and Kleinig H (1989) Geometrical isomeric states of molecular oxygen and intermediates indicate carotene desaturation and cyclization in daffodil chromoplasts See Eur J Biochem 184: 141-150, which is essential for the reaction], for the cell-free system of Synechococcus sp. Strain PCC 7942 [Sandmann G and Kowalczyk S (1989) in vitro carotene production and in Anacystis. Characteristics of the Phytoene Desaturase Reaction See Biochem Biophys Res Com 163: 916-921], although oxygen is not directly involved in this reaction, but is a molecular entity that is considered as the ultimate electron acceptor. Relies on oxygen. In cyanobacteria, the mechanism of dehydrogenase-electron transferase was favored over that of dehydrogenase-monooxygenase (Sandmann G and Kowalczyk S (198 9) Characterization of carotene production in vitro and phytoene desaturase reaction in Anacystis. Biochem Biophys Res Com 163: 916-921]. A conserved FAD binding motif is present in all phytoene desaturases whose primary structure has been analyzed [Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) Conversion of phytoene to カ ロ -carotene. One polypeptide that catalyzes is regulated at the transcriptional stage during tomato fruit ripening Proc Natl Ac Sci USA 89: 4962-4966; Pecker I, Chamovitz D, Mann V, Sandmann G, Boger P and Hirschberg J (1993) Molecular characterization of carotenoid biosynthesis in plants: see Tomato phytoene desaturase gene Murata N, Research in Phytosynthesis, Vol. III, pp. 11-18, Kluwer, Dordrecht]. The pepper phytoene desaturase enzyme has been shown to contain protein-bound FAD [Huguney P, Romer S, Kuntz M and Camara B (1992) catalyzes the synthesis of phytofluene and ζ-carotene in Capsicum chromoplasts Characterization and Molecular Cloning of Flavo Proteins See Eur J Biochem 209: 399-407]. Since phytoene desaturase is located in the membrane, soluble redox components are further expected. This virtual component is NAD (P) + ([Mayer MP, Nievelstein V and Beyer P (1992) Purification and characterization of NADPH-dependent oxidoreductase from chromoplasts of Narcissus pseudonarcissus-Plant Physiol Biochem 30: 389-398, a redox mediator thought to be involved in carotene desaturation. ), Or another electron and hydrogen carrier (such as quinone). Synechocystis sp. The cell position of phytoene desaturase in PCC 6714 and Anabaenavariabilis ATCC 29413 was determined to be primarily within (85%) photosynthetic thylakoid membranes using specific antibodies [Serrano A, Gimenez P, Scinnidt A and San. dmann G (1990) Immunocytochemical localization and function determination of photoautotrophic prokaryotic phytoene desaturylase J Gen Microbiol 136: 2465-2469]. In cyanobacteria, algae and plants, ζ-carotene is converted to lycopene via neurosporene. Little is known about its enzymatic mechanism, but it is predicted to be performed by one enzyme [Linden H, Vioque A and Sandmann G (1993)], a carotenoid biosynthesis gene encoding the caroten desaturase Anaba. ena PCC 7120, isolated by heterologous complementation See FEMS Microbiol Lett 106: 99-104]. Anabaena sp. The deduced amino acid sequence of PCC 7120 strain ζ-carotene desaturase contains a motif similar to the dinucleotide binding motif found in phytoene desaturase. Lycopene is converted to β-carotene by two cyclization reactions. Synechococcus sp.PCC strain 7942 (Cunningham FX Jr, Chamovitz D, Misawa N, Gantt E and Hirschberg J (1993) Cloning of cyanobacterial lycopene cyclase (enzyme catalyzing β-carotene biosynthesis) gene and its expression in Escherichia coli See functionally expressed F EBS Lett 328: 130-138] and plants [Camara B and Dogbo O (1986) Demonstration of lycopene cyclase and solubilized Plant Physiol 80: 172-184 from Capsicum chromoplast membranes. ], There is evidence that these two cyclization reactions are catalyzed by one enzyme (lycopene cyclase). This membrane-bound enzyme is inhibited by the triethylamine compounds CPTA and MPTA [Sandmann G and Boger P (1989) Inhibition of carotenoid biosynthesis by herbicides Boger P and Sandmann G eds., Target Sites of Herbicide Action, 25-44 , CRC Press, Boca Raton, Florida]. Cyanobacteria perform only a β-cyclization reaction and therefore do not contain ε-carotene, δ-carotene and α-carotene and their oxygenated derivatives. The β-ring forms a `` carbonium '' when the terminal C-1,2 double bond of a linear lycopene molecule is folded at the C-5,6 double bond and hydrogen is subsequently lost from C-6. Formed by producing an "ion" intermediate. Acyclic carotene in which the bond between 7, 8 is not a double bond has been reported. Thus, complete desaturation, such as lycopene, or at least half the molecule, such as neurosporene, is essential for the reaction. Lycopene cyclization involves a dehydrogenation reaction that does not require oxygen. The cofactors required for this reaction are unknown. The dinucleotide binding domain may be Synechococcus sp. Which suggests NAD (P) or FAD as a coenzyme for lycopene cyclase. It was found in the lycopene cyclase polypeptide of PCC 7942 strain. The addition of various oxygen-containing side groups, such as hydroxy, methoxy, oxo, epoxy, aldehyde or carboxylic acid moieties, results in the formation of various xanthophyll species. Little is known about the formation of xanthophylls. The hydroxylation of β-carotene requires molecular oxygen in the mixed-function oxidase reaction. A cluster of genes encoding enzymes of all pathways is identified by the purple photosynthetic bacterium Rhodobacter capsulatus [Armstrong GA, Alberti M, Leach F and Hearst JE (1989) protein product nucleotide sequence, composition, And properties Mol. Gen Gent 216: 254-268] and non-photosynthetic bacteria Erwinia herbicola [Sandmann G, Woods WS and Tuveson RS (1990) Identification of carotenoids in Erwinia herbicola and Escherichia coli transformants FEMS Micobiol Lett 71: 77- 82; Hundle BS, Beyer P, Kleining H, Englert H and Hearst JE (1991) Carotenoids of the Escherichia coli HB101 strain having the Erwinia herbicola and Erwinia herbicola carotenoid gene cluster Photochem Photobiol 54: 89-93; and Schnurr G, Shmidt A and Sandmann G (1991) Mapping of a carotenogenic gene cluster from Erwinia herbicola and functional identification of six genes. See FEMS Microbiol Lett 78: 157-162] and Erwinia uredovora [Misawa N, Nakagawa M , Kobayashi K, Yamano S, IzawaI, Nakamura K and Harashima K (1990) Erwinia uredovora mosquito by functional analysis of gene products in Escherichia coli Elucidation J Bacteriol of Tenoido biosynthetic pathway 172: 6704-6712 see] have been cloned from. Two genes, GGPP synthase al-3 [Nelson MA, Morelli G, Caratoli A, Romano N and Macino G (1989) Nerospora crassa carotenoid biosynthesis gene (albino -3) Molecular cloning Mol Cell Biol 9: 1271-1276; and Carattoli A, Romano N, Ballario P, Morelli G and Macino G (1991) Neurospora crassa carotenoid biosynthesis gene (alblno3) J Biol Chem 266: 5854-5859 See Endocaturase al-1 [Schmidhauser TJ, Lauter FR, Russo VEA and Yanofsky C (1990) cloning, sequencing and light regulation of light-regulated Molcel l (Neurospora cra ssa carotenoid biosynthesis gene). Biol 10: 5064-5070] has been cloned from Neurospora crassa. However, attempts to clone these genes from cyanobacteria or plants using these genes as heterologous molecular probes were unsuccessful. This is because sufficient sequence similarity was not found. The first "plant-type" gene for carotenoid synthase has been cloned from cyanobacteria using a molecular genetic approach. In the first step for cloning the gene for phytoene desaturase, a number of mutants resistant to norflurazon, a phytoene desaturase-specific inhibitor, were isolated in Synechococcus sp. Strain PCC 7942 [Linden H, Sandmann G, Chamovitz D, Hirschberg J and Boger P (1990) Biochemical characteristics of Synechococcus mutants selected for the bleaching herbicide norflurazon. See Pestic Biochem Physiol 36: 46-51]. The gene conferring norflurazon resistance was then cloned by transforming the wild strain to herbicide resistance [Chamovitz D, Pecker I and Hirschberg J (1991) Molecular basis for herbicide norflurazon resistance Plant Mol Biol 16: 967-9 74; Chamovitz D, Pecker I, Sandmann G, Boger P and Hirschberg J (1990) Cloning the norflurazon resistance gene in cyanobacteria Z Naturforsch 45c: 482-486]. Several supporting strains have shown that the cloned gene (formerly called pds and now crtP) encodes phytoene desaturase. The most crucial was the functional expression of phytoene desaturase activity in transformed Escherichia coli cells (Linden H, Misawa N, Cha movitz D, Pecker I, Hirschberg J and Sandmann G (1991) different phytoene desaturase genes. Of functional complementation and accumulated carotene in Escherichia coli of Z Naturforsch 46c: 1045-1051; and Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) Conversion of phytoene to ζ-carotene. One polypeptide that catalyzes is regulated at the transcriptional stage during tomato ripening, see Proc Natl Acad Sci USA 89: 4962-4966]. The crtP gene was also cloned from Synechocystis sp. strain PCC 6803 using a similar method [Martinez-Ferez IM and Vioque A (1992) Nucleotide sequence of the phytoene desaturase gene from Synechocystis sp. PCC 6803 and resistance to the herbicide norflurazon Features of the novel mutant Plant Mol Biol 18: 981-983]. Subsequently, algae [Pecker I, Chamovitz D, Mann V, Sandmann G, Boger P and Hirschberg J (1993) Molecular characteristics of carotenoid biosynthesis in plants: Tomato phytoene desaturase gene Murata N (ed.) Research in Photosynthesis, III, pp. 11-18, Kluwer, Dordrecht] and higher plants [Bartley GE, Viitanen PV, Pecker I, Chamovitz D, Hirschberg J and Scolinik PA (1991) Photosynthetic bacteria of soybean cDNA encoding phytoene desaturase. Cloning and expression in E. coli, Enzyme of the carotenoid biosynthetic pathway Proc Natl Acad Sci USA 88: 6532-6536; and Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) Phytoene to ζ-carotene One polypeptide that catalyzes the conversion is a heterologous gene from Proc Natl Acad Sci USA 89: 4962-4966, which is regulated at the transcriptional stage during tomato ripening] The cyanobacterial crtP gene was used as a molecular probe for cloning. Syne chococcus sp. PCC 7942 strain and Synechococcus sp. The phytoene desaturase of PCC 6803 strain consists of 474 and 467 amino acid residues, respectively, and its sequence is highly conserved (74% identity and 84% similarity). The calculated molecular weight is 51 kDa, but is slightly hydrophobic (hydropathic index -0.2), which does not include a hydrophobic region long enough to penetrate lipid bilayers. The primary structure of the cyanobacterial phytoene desaturase has a high degree of conservation (61% identity and 81% similarity) to the enzyme from the green alga Dunalliela barda wil; [Pecker I, Chamovitz D, Mann V, Sandmann G, Boger P and Hirschberg J (1993) Molecular characterization of carotenoid biosynthesis in plants: see the tomato phytoene desaturase gene Murata N (ed.) Research in Photosynthesis, Vol. III, 11-18 Sada, Kluwer, Dordrecht]). There is one polypeptide that catalyzes the conversion of tomato [Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) phytoene to ζ-carotene, at the transcriptional stage during tomato ripening. Regulated Proc Natl Acad Sci USA 89: 4 962-4966], pepper [Hugueney P, Romer S, Kuntz M and Camara B (1992) Cap sicum Chromoplast synthesis of phytofluene and ζ-carotene. Catalyze Lab protein characteristics and molecular cloning See Eur J Biochem 209: 399-407] and soybean [encoding phytoene desaturase, Bartley GE, Viitanen PV, Pecker I, Chamovit z D, Hirschberg J and Scolinik PA (1991) Molecular cloning and expression of soybean cDNA in photosynthetic bacteria, see Carotenoid Biosynthetic Pathway Enzyme Proc Natl Acad Sci USA 88: 6532-6536] (62-65% identical and about 79% similar; Chamovitz D (1993) Run Molecular analysis of the early stages of carotenoid biosynthesis in algae: phytoene synthase and phytoene desaturase Ph.D. Thesis, see The Hebrew University of Jerusalem]) and have a high degree of conservation. Eukaryotic phytoene desaturases are larger (64 kDa); however, they are processed during transport to plastids and mature to a size comparable to that of cyanobacterial enzymes. There is a high degree of structural similarity in the carotenoids of Rhodobacter caps ulatus, Erwinia sp. and Neurospora crassa, including phytoene desaturase in the crtI gene product [Review: Armstrong GA, Hundle BS and Hearst JE (1993) Photosynthesis and non-photosynthesis] Meth Enzymol 214: 297-311] Evolutionary conservation and structural similarity of carotenoid biosynthetic gene products from organisms. As noted above, a high degree of conservation of the primary structure of phytoene desaturase also exists among oxygen-producing photosynthetic organisms. However, except for the amino-terminal FAD binding sequence, there is little sequence similarity between the "plant-type" crtP gene product and the "bacterial-type" phytoene desaturase (crtI gene product; 19-23% identity and 42 ~ 47% similarity). crtP and crtl are not derived from the same ancestral gene and are postulated to have arisen independently via convergent evolution (Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992) One polypeptide that catalyzes the conversion to ζ-carotene is regulated at the transcriptional stage during tomato ripening, see Proc Natl Acad Sci USA 89: 4962-4966]. This hypothesis is supported by the different dehydrogenation sequences catalyzed by the two types of enzymes and their different sensitivities to inhibitors. Although not as evident as in the case of phytoene desaturases, similar differences are observed in the structure of phytoene synthase between one cyanobacterium and a plant and another microorganism. The crtB gene (formerly psy) encoding phytoene synthase was identified in a chemom adjacent to crtP and in the same operon of Synechococcus sp. Strain PCC 7942 [Bartley GE, Viitanen PV, Pecker I, Chamovitz D, Molecular cloning and expression in photosynthetic bacteria of soybean cDNA encoding Hirschberg J and Scolinik PA (1991) phytoene desaturase, see Proc Natl Acad Sci USA 88: 6532-6536, an enzyme of the carotenoid biosynthetic pathway]. This gene encodes a 307 amino acid 36 kDa polypeptide with a hydrophobicity index of -0.4. The deduced amino acid sequence of the cyanobacterial phytoene synthase is highly conserved with tomato phytoene synthase (57% identical and 70% similar; the sequence of Ray JA, Bird CR, Maunders M, Grierson D and Schuch W (1987) pTOP Tomato maturation-associated cDNA Nucl Acids Res 15: 10587-10588]) is not as highly conserved with the crtB sequences of other bacteria (29-32% identical to 10 gaps in alignment and 48 ~ 50% similar). Both types of enzymes contain two conserved sequence motifs that are also found in prenyltransferases of various organisms [Bartley GE, Viitanen PV, Pecker I, Chamovitz D, Hirschberg J and Scolinik PA (1991) phytoene desaturase Cloning and expression of soybean cDNA encoding photosynthesis in photosynthetic bacteria, carotenoid biosynthetic pathway enzyme Proc Natl Acad Sci USA 88: 6532-6536; Carattoli A, Romano N, Ballario P, Morelli G and Macino G (1991) Neurospora crassa carotenoid biosynthesis gene (albino 3) J Biol Chem 266: 5854-5859; Armstrong GA, Hundle BS and Hearst JE (1993) Evolutionary conservation and structural similarity of carotenoid biosynthesis gene products from photosynthetic and non-photosynthetic organisms Meth Enzymol 214: 297-311; and Chamovitz D (1993) Molecular analysis of the early stages of carotenoid biosynthesis in cyanobacteria: phytoene synthase And phytoene desaturase Ph.D.Thesis, see The Hebrew University of Jerusalem]. These regions of the polypeptide are thought to be involved in the binding and / or elimination of pyrophosphate during the condensation of two GGPP molecules. Erwinia sp. By screening an expression library of cyanobacterial genomic DNA in cells of Echerichia coli having the crtB and crtE genes and the cyanobacterium crtP, the crtQ gene encoding ζ-carotene desaturase from Anabaena sp. zds) [Linden H, Vioque A and Sandmann G (1993) Isolation of a carotenoid biosynthesis gene encoding 遺 伝 子 -carotene desaturase from Anabaena PCC 7120 by heterologous complementation FEMS Microbiol Lett 106: 99-104 See]. Since these Echerichia coli cells produce ζ-carotene, colonies with a red-brown pigment that produces lycopene against the yellowish background of cells that produce ζ-carotene can be identified. The putative ζ-carotene desaturase from Anabaena strain PCC 7120 is a 56 kDa polypeptide consisting of 499 amino acid residues. Surprisingly, its primary structure is not conserved with phytoene desaturases of the "plant type" (crtP gene product), but has considerable sequence similarity to bacterial type enzymes (crtI gene product). [See Sandmann G (1993) Genes and enzymes involved in the desaturation of phytoene to lycopene (summary), 10th International Symposium on Carotenoids, Trondheim CL1-2]. The cyanobacterial crtQ gene and the crtI gene of other microorganisms may have evolved from a common ancestor in evolution. Using essentially the same cloning strategy as for crtP, the lycopene cyclase gene (formerly lcy) was cloned from Synechococcus sp. Strain PCC 7942. The gene was isolated by transformation of wild-type herbicide resistance by using the lycopene cyclase inhibitor 2- (4-methylphenoxy) -triethylamine hydrochloride (MPTA) [Cunningham FX Jr, Chamovitz D, Misawa N, Gantt E and Hirschberg J (1993) Cloning of cyanobacterial lycopene cyclase (enzyme catalyzing β-carotene biosynthesis) gene and its functional expression in Escherichia coli FEBS Lett 328: 130-138]. Lycopene cyclase is the product of one gene product, which catalyzes the double cyclization of lycopene to β-carotene. Synechococcus sp. Strain PCC 7942 is a 46 kDa polypeptide of 411 amino acid residues. It has no sequence similarity to the crtY gene product (Lycopene cyclase) from Erwinia uredovora or Erwinia herbicola. The genes for β-carotene hydroxylase (crtZ) and zeaxanthin glycosylase (crtX) were expressed in Erwinia herbicola [Hundle B, Alberti M, Nievelstein V, Beyer P, Kleinig H, Armstrong GA, Burke DH and Hearst JE (1994) Escherichia coli. Functional issues of expressed Erwinia herbicola Eho10 carotenoid gene Mol Gen Genet 254: 406-416; Hundle BS, Obrien DA, Alberti M, Beyer P and Hearst JE (1992) Functional expression of zeaxanthin glucosyltransferase from Erwinia herbicola and See the proposed phosphate binding site Proc Natl Acad Sci USA 89: 9321-9325] and Erwinia uredovora [Misawa N, Nakagawa M, Kobayashi K, Yamano S, Izawa I, Nakamura K and Harashima K (1990 ) Elucidation of Erwinia uredovora carotenoid biosynthetic pathway by functional analysis of gene products in Escherichia coli. See J Bacteriol 172: 6704-6712] I have. As the oxidized form of β-carotene, the ketocarotenoid astaxanthin (3,3′-dihydroxy-β, β-carotene-4,4′-dione) in aquatic crustaceans was first described. Later, astaxanthin was found very frequently in many marine animals and algae. However, very few animals can synthesize astaxanthin de novo from other carotenoids, and most of them are obtained from food. In the plant kingdom, astaxanthin mainly occurs in several species of cyanobacteria, algae and lichens. However, it is rarely found in petals of higher plants [see Goodwin TW (1980) The Biochemistry of the Carotenoids, Volume 1 (2nd ed.), Chapman and Hall, London and New York]. The function of astaxanthin as a potent animal antioxidant has been demonstrated [see Mik i W (1991) Biological function and activity of animal carotenoids Pure Appl Chem 63: 141]. Astaxanthin is a potent inhibitor of lipid peroxidation and plays an active role in protecting biological membranes from oxidative damage [In vivo and in vitro antioxidant effects of Palozza P and Krinsky NI (1992) carotenoids- And review of Method s Enzymol 213: 403-420; and Kurashige M, Okimasu E, Inove M and Utsumi K (1990) Inhibition of oxidative damage of biological membranes by astaxanthin Physiol Chem Phys Med NMR 22:27]. The chemopreventive effects of astaxanthin have also been investigated, and it has been shown that astaxanthin significantly reduces the incidence of induced bladder cancer in mice [Tanaka T, Morishita Y, Suzui M, Kojima T, Okumura A And Mori H (1994) Chemoprevention of mouse bladder carcinogenesis by the natural carotenoid astaxanthin Carcinogenesis 15:15]. Astaxanthin has also been demonstrated to exert immunomodulatory effects by enhancing antibody production [Jyonouchi H, Zhang L and Tomita Y (1993) Study of immunomodulatory effects of carotenoids II. Nutr Cancer 19: 269 that enhances the production of antibodies to T-dependent antigens in vitro without promoting carcinogenesis; and Jyonouchi H, Hill JR, Yoshifumi T and Good RA (1991) Studies on the immunomodulatory effects of carotenoids I mice Effect of β-carotene and astaxanthin on lymphocyte function and cell surface marker expression in vitro culture system. See Nutr Cancer 19:93]. Although the full biomedical properties of astaxanthin have not yet been elucidated, early results suggest that astaxanthin may play a key role in cancer and tumor prevention and elicit a positive response from the immune system . Astaxanthin is the major carotenoid pigment in salmon and shrimp and imparts attractive coloring to eggs, meat and skin [Torrisen OJ, Hardy RW, Shearer KD (1989) Coloring of salmon-carotenoid deposits and metabolism in salmon Crit Rev Aquatic Sci 1: 209]. Global salmon yields in 1991 were approximately 720,000 MT, of which 25-30% were produced in various aquaculture facilities [Meyers SP (1994) Global aquaculture, feed formulation and the development of the role of carotenoids Pure Appl Chem 66: 1069]. Yield is expected to rise to 460,000 MT by 2000 [See Biorn dahl T (1990) Economics of salmon farming, Blackwell Scientific, Oxford, page 1]. The red coloration of the salmon meat contributes to the appeal to consumers and thus affects the price of the final product. Animals are unable to synthesize carotenoids and acquire pigment via the food chain from primary producers (marine algae and phytoplankton). Animals grown in intensive cultures usually do not have optimal color. Therefore, carotenoid-containing nutrients are artificially added in aquaculture, which adds considerable cost to the producer. Astaxanthin is the most expensive carotenoid compound used commercially (market price as of 2,500-3,500 $ / kg as of 1995). Astaxanthin is mainly used as a nutritional supplement and colors a wide range of aquatic animals. In the Far East, it is also used in poultry feed to typically color chickens. Astaxanthin is a desirable and effective colorant in the food industry and is also valuable in cosmetics. Recently, astaxanthin was reported to be an effective antioxidant in humans, and therefore a desirable edible additive. The availability of natural (3S, 3'S) astaxanthin is limited. It has been commercially extracted from several crustacean species [Torrisen OJ, Hardy RW, Sheerer KD (1989) Coloring of salmon-carotenoid deposits and metabolism in salmon Crit Rev Aquatic Sci 1: 209. See]. The (3R, 3'R) stereoisomer of astaxanthin is produced by Phaffia [Yeast Species, Andrews AG, Phaff HJ and Starr MP (1976) Carotenoids of Phaffia, fermenting yeast Phytochemistry with red pigment, Vol. 5, See pages 1003-1007]. Currently, a synthetic astaxanthin comprising a 1: 2: 1 mixture of (3S, 3'S)-, (3S, 3'R)-and (3R, 3'R) -isomers is being manufactured by Hoffman-La Roche. And sold at a high price (approximately $ 2,500 / Kg) under the name "CAROPHYLLPink" [Mayer H (1994) Opinion on Carotenoid Synthesis Pure & Appl Chem 6, Vol. 931-938]. Recently, a novel gene for keto compound biosynthesis, named crtW, was isolated from marine bacteria Agrobacterium auranticacum and Alcaligenes PC-1 that produce ketocarotenoids such as astaxanthin. When the crtW gene was induced into Eschrichia coli engineered to accumulate β-carotenoids by the Erwinia carotenoid-generating gene, Eschrichia coli transformants synthesized canthaxanthin (a precursor in the astaxanthin synthesis pathway) [Misawa N, Kajiwar a S, Kondo K, Yokoyama A, Satomi Y, Saito T, Miki W and Ohtani T (1995) Canthaxanthan biosynthesis by conversion of methylene to a keto group in β-carotene by one gene Biochemical and biophysical research communications 210, 867-876]. Therefore, it is desirable to find a relatively inexpensive source of (3S, 3'S) astaxanthin used as a feed supplement in aquaculture and as an expensive chemical for various other industrial applications. Although astaxanthin is synthesized in various bacteria, fungi and algae, an important constraint on the use of ecosystems for its production is the yield of these systems compared to chemical synthesis. And the extraction method is expensive in these systems. One way to solve these problems is to increase the production efficiency of astaxanthin production in ecosystems using recombinant DNA technology. This allows the production of astaxanthin in genetically engineered hosts, which, in higher plants, grow easily and are easy to extract. Furthermore, the production of astaxanthin in genetically engineered hosts makes it possible, for example, to use astaxanthin produced in aquaculture applications where there is no need for extraction by selecting the appropriate host. Accordingly, a nucleic acid segment encoding β-C-4-oxygenase (enzyme that converts β-carotene to canthaxanthin), and a recombinant vector molecule containing the nucleic acid of the present invention, and these vector molecules or (3S, 3 ′S) The need for a host cell or transgenic organism transformed or transfected with a DNA segment for the biotechnological production of astaxanthin is widely recognized and it is of great advantage to have one. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description and from the claims. Summary of the Invention A general object of the present invention is to provide a biotechnological method for the production of (3S, 3'S) astaxanthin. It is a particular object of the present invention to provide β-C-4-oxygenase activity and a DNA segment encoding this peptide to enable biotechnological production of astaxanthin and xanthophyll. It is a further object of the present invention to provide an RNA segment encoding a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to said peptide. It is a further object of the present invention to provide a vector and a recombinant DNA molecule comprising said DNA segment. It is a further object of the present invention to provide a host cell containing said recombinant DNA molecule. Another object of the present invention is to provide a host transgenic organism containing said recombinant DNA molecule or said DNA segment in a cell. Another object of the present invention is to provide a host transgenic organism that expresses β-C-4-oxygenase activity in chloroplast and / or chromoplast-containing tissues. Another object of the present invention provides a food additive for animal or human consumption, including said host cells or transgenic organisms. Another object of the present invention provides a method for producing astaxanthin using said host cell or transgenic organism. A further object of the present invention is a method for producing canthaxanthin, echinenone, cryptoxanthin, isocryptoxanthin, hydroxyechinenone, zeaxanthin, adonirubin and / or adnixanthin using said host cells or transgenic organisms. I will provide a. Further objects and advantages of the present invention will become clear from the description hereinafter. In one embodiment, the present invention relates to a DNA segment encoding a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to the Haematococcus pluvialis crtO gene. In a further embodiment, the present invention relates to an RNA segment encoding a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to the Haematococcus Pluvialis crtO gene. In another embodiment, the present invention relates to a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to the Haematococcus pluvialis crtO gene. In a further embodiment, the present invention relates to a recombinant DNA molecule encoding a polypeptide corresponding to the Haematococcus pluvialis crtO gene. In another embodiment, the present invention relates to a host cell containing said recombinant DNA molecule or DNA segment. In a further embodiment, the invention relates to a host transgenic organism containing said recombinant DNA molecule or said DNA segment in a cell. In another embodiment, the present invention relates to a method for producing astaxanthin using said host cell or said transgenic organism. In another embodiment, the present invention relates to a method for producing other xane and fill. In another embodiment, the invention relates to a method for obtaining high expression of a transgene in a plant, especially a chromoplast-containing cell. In one further embodiment, the present invention relates to a method for transporting a carotenoid biosynthetic enzyme encoded by a transgene to chromoplasts. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES In the present specification, the present invention will be described only by way of example with reference to the accompanying drawings. Here: FIG. 1 is a general biomedical pathway of β-carotene biosynthesis, describing all molecules in the pathway (where IPP is isopentenyl pyrophosphate, DMAPP is dimethylallyl pyrophosphate, GPP Is geranyl pyrophosphate, FPP is farnesyl pyrophosphate, GGPP is geranylgeranyl pyrophosphate, PPPP is prephytoene pyrophosphate); FIG. 2 shows the nucleotide sequence of the crtO cDNA of the present invention using GCG software (CRTOA.SEQ). And a cDNA clone cloned by KaJiwara et al. (CTROJ.SEQ) [Kajiwara S, Kakizono T, Saito T, Kondo K, Ohtani T, Nishio N, Nagai S and Misawa N (1995) Haem Isolation and functional identification of a novel cDNA for astaxanthin biosynthesis from atococcus pluvialis and astaxanthin synthesis in Escherichia coli See Plant Molec Biol 29: 343-352] (where (: ) Indicates the same, (-) indicates a gap, and nucleotide numbers are according to SEQ ID NO: 4 for CRTOA.AMI and Kajiwara et al. For CRT OJ.AMI); FIG. 3 shows the present invention using GCG software. FIG. 3 is an identity map between the amino acid sequence encoded by the crtO cDNA (CRTOA.AMI) and the amino acid sequence encoded by the cDNA cloned by Kajiwara et al. (CRTOJ.AMI) [Kajiwara S, Kakizono T, Saito T, Kondo K, Ohtani T, Nishio N, Nagai S and Misawa N (1995) Isolation and functional identification of a novel cDNA for astaxanthin biosynthesis from Haematococcus pluvialis and astaxanthin synthesis in Escherichia coli Plant Molec Biol 29: 343-352 (Where (:) indicates the same, (-) indicates a gap, and the amino acid number is as shown in SEQ ID NO: 4 for CRTOA.AMI and Kajiwara et al. For CRTOJ.AMI. FIG. 4 is a schematic diagram of a pACYC184-derived plasmid designated pBCAR, which contains the genes crtE, crtB, crtI and crtY of Erwinia herbicola, which are genes for β-carotene in Escherichia coli cells. FIG. 5 is a schematic diagram of a plasmid derived from pACYC184, designated pZEAX, which contains the crtE, crtB, crtI, crtY and genes of Erwini aherbicola and these genes are zeaxanthin in Escherichia coli cells. FIG. 6 shows that pBluescriptSK named pHPK - FIG. 1 is a schematic diagram of a plasmid derived from Haematococcus pluvialis, containing a full-length cDNA insert encoding a β-carotene C-4-oxygenase enzyme designated crtO from SEQ ID NO: 1. The cDNA was identified by the complementary color of Escherichia coli cells; FIG. 7 is a schematic representation of the pACYC184-derived plasmid designated pCANTHA. The plasmid contained the cDNA encoding β-C-4-oxygenase from Haematococcus pluvia lis which was isolated from the plasmid pHPK of FIG. 6 and inserted into the PstI site of the coding sequence of the crtZ gene of the plasmid pZEAX of FIG. This recombinant plasmid had the crtE, crtB, crtI, crtY genes of Erwinia herbicola and the crtO gene of Haematococcus plu vialis, all of which were derived by inserting a 1.2 kb PstI-PstI DNA fragment Required for the production of canthaxanthin in Escherichia coli cells; FIG. 8 is a schematic diagram of the pACYC184-derived plasmid designated pASTA. The plasmid contained the cDNA of β-C-4-oxygenase from Haematococcus pluvialis inserted into the PstI site 600 bp downstream of the crt E gene of plasmid pZEAX, isolated from plasmid pHPK in FIG. This recombinant plasmid had the crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ genes of Erwinia herbicola and the crtO gene of Haematococcus pluvialis, which were derived by inserting a 1.2 kb PstI-PstI DNA fragment of All are required for the production of astaxanthin in Escherichia coli cells; FIG. 9 is a schematic representation of the plasmid derived from pBR328, designated PAN3.5-KETO. The plasmid was isolated from the plasmid pHPK of FIG. 6 and designated as pPAN35D5 [Hirschberg J, Ohad N, Pecker I and Rahat A (1987) of a herbicide resistant mutant of the cyanobacterium Synechococcus R2.Z. Isolation and characteristics described in Naturforsch 42c: 102-112]. 1.2 kb PstI- containing the cDNA of β-C-4-oxygenase from Haematococcus cus pluvialis inserted into the PstI site present in the β-lactamase gene of It was induced by inserting a PstI DNA fragment. This has the psbAI gene from the cyanobacterium Synechococcus PCC7942 in the plasmid vector pBR328 (Hirschberg J, Ohad N, Pecker I and Rahat A (1987) Isolation of a herbicide-resistant mutant of the cyanobacterium Synechococcus R2.Z. And the feature Naturforsch 42c: 102-112]; this recombinant plasmid has the crtO gene of Haematococcus pluvialis, which is required for the production of astaxanthin in Synechococcus PCC7942 cells; FIG. 10 is named pBIB Is a schematic diagram of a T-DNA region of a Ti binary plasmid (Escherichia coli NAgro bacterium) described in Becker D (1990) Binary vector Nucleic Acids Research 18: 230 which enables exchange of a plant selectable marker with a reporter gene. ]. This vector is a derivative of the Ti plasmid pBI101 [Jeff esrson AR, Kavanagh TA and Bevan WM (1987) GUS fusion: β-glucuronidase as a sensitive and versatile fusion gene marker in higher plants The EMCO J.6: 3901-3907 Described in]. (Where B R And B L Are the right and left boundaries of the T-DNA region, respectively, pAg7 is the polyadenylation site of gene 7 of the Agrobacterium Ti plasmid, and pAnos is the 250 bp DNA fragment containing the polyadenylation site of the nopaline synthase gene of Agrobacterium. NPTII is a 1,800 bp long DNA fragment encoding kanamycin resistance, and pnos is a 300 bp long DNA fragment containing the promoter sequence of the nopaline synthase gene of Agrobacterium (where pAnos is the DNA fragment of Agrobacterium). FIG. 11 is a schematic diagram of a T-DNA region of a Ti binary plasmid (Escherichia coli, Agrobacterium) named pPTBIB, which contains a polyadenylation site of the palin synthase gene). This is the genomic DNA sequence of the tomato species Lycope rsicon esculentum designated PT (nucleotides 1-1448 of the Pds gene, Mann V, Pecker I and Hirschberg J (1994) Phytoendesaturase (Pds) from tomato (Lycopersicon esculentum). Cloning and characterization of the gene for Pant Molecular Biology 24: 429-434). It contains in the HindIII-SmaI site of the binary plasmid vector pBIB of FIG. 10 the promoter region of the Pds gene and the coding region of the amino-terminal region of the polypeptide PDS which acts as a penetrating peptide for transport to chloroplasts and chromoplasts. (Where B R And B L , PAg7, pAnos, NPT II, pnos and pAnos are defined as above); FIG. 12 is a schematic representation of the T-DNA region of a Ti binary plasmid (E. coli, Agrobacterium) designated pPTCRTOBIB. . This was prepared by cloning a 1,110 nucleotide long Eco47III-NcoI fragment of the cDNA of crtO from H. pluvialis into the SmaI site of plasmid pPTBIB in FIG. 11, so that the coding nucleotide sequence at the amino terminus of PDS was exist in the same reading frame of crtO (where B R And B L , PAg7, pAnos, NPT II, pnos and pAnos are defined as above, PT is the promoter, and the tomato and CRTO penetrating peptide coding sequence is H. FIG. 13 is the nucleotide sequence of crtO from pluvialis (nucleotides 211 to 1321 of SEQ ID NO: 1); FIG. 13 shows Southern DNA blot analysis of HindIII-digested genomic DNA extracted from wild-type (WT) and crtO tomato transgenic plants. Is shown. Transgenic plant origins are named 2, 3, 4, 6, 9 and 10 and, according to the present invention, are essentially the same as described in Sambrook et al., Molecular Cloning; A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY. The crtO cDNA was used as a radioactive probe as described in 1989 (where the size of the marker (M) DNA fragment is indicated on the left in kilobase pairs (kb) and the expected position of the internal T-DNA HindIII fragment ( Arrows) deduced from the sequence of pPTPDSBIB shown in FIG. 12 containing the crtO cDNA sequence); FIG. 14 shows the biosynthetic pathway of astaxanthin; FIG. 15 shows flowers from wild-type tobacco plants and the present invention. 1 shows flowers from transgenic tobacco plants. Description of the preferred embodiment The present invention generally relates to a method for producing (3S, 3'S) astaxanthin. Specifically, the present invention relates to a peptide having β-C-4-oxygenase activity; a DNA segment encoding the peptide; an RNA segment encoding the peptide; a vector and a recombinant DNA molecule containing the DNA segment; A host cell or organism containing the recombinant DNA molecule or DNA segment; and a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin or a food additive containing (3S, 3'S) astaxanthin by using the host. The unicellular freshwater green alga Haematococcus pluvialis can produce large amounts of () when exposed to unfavorable growth conditions or after different environmental stresses such as phosphate or nitrogen starvation, high concentrations of salts in the growth medium, or high intensity of light. Accumulates 3S, 3'S) astaxanthin [Yong YYR and Lee YK (1991) Phycologia 30 257-261; Droop MR (1954) Arch Microbiol 20: 391-397; and Andrews AG, Borch G, Liaaen-Jensen S and Snatzke G (1974) Acta Chem Scand B28: 730-736]. During this process, the algal vegetative cells form cysts and change their color from green to red. The present invention provides cloning of a cDNA (designated crtO) from Haematococcus pluvialis encoding β-C-4-oxygenase (enzyme that converts β-carotene to canthaxanthin), and expresses β-carotene hydroxylase Disclosed is expression in a heterologous system (eg, the Erwinia herbicola crtZ gene product), which results in the production of (3S, 3'S) astaxanthin. The crtO cDNA and its encoded peptide with β-C-4-oxygenase activity are novel nucleic acid and amino acid sequences, respectively. The cloning method of crtO cDNA used a strain of Escherichia coli, which was subjected to genetic manipulation to produce β-carotene, and a cDNA library of Haematococcu s pluvialis was transfected into this strain and expressed. Visual screening of Escherichia coli cells with reddish brown pigment has identified canthaxanthin-producing transformants. Thus, the cloned cDNA has been expressed in two heterologous systems (Escherichia coli and Synechococcus PCC7942 cells), both capable of producing β-carotene, and further engineered (Erwinia herbicola crtZ gene product) or endogenous. It has been shown that both of these systems can produce (3S, 3'S) astaxanthin, which may include sex β-carotene hydroxylase activity. The crtO cDNA or its protein product is a nucleic acid or amino acid that is significant relative to the nucleic acid or amino acid sequence of crtW, which produces ketocarotenoids such as astaxanthin, and protein products isolated from the marine bacteria Agrobacterium auranticacum and Alcaligenes PC-1. Does not show sequence similarity [Misawa N, Kajiwara S, Kondo K, Yokoyama A, Satomi Y, Saito T, Miki W and Ohtani T (1995) Canta by conversion of methylene to a keto group in β-carotene by one gene. See Xanthan Biosynthesis Biochemical and biophysical research communications, volume 209, pp. 867-876]. However, the crtO cDNA and its protein product are substantially identical to the nucleic acid and amino acid sequence of a recently cloned cDNA encoding a 320 amino acid protein product with β-carotene oxygenase activity isolated from Haematococcus pluvialis. Showing nucleic acid and amino acid sequence identity to (Kajiwara S, Kakizono T, Saito T, Kondo K, Ohtani T, Nishio N, Nagai S and Misawa N (1995) Isolation of a novel cDNA for astaxanthin biosynthesis from Haematococcus pluvialis and Functional Identification and Astaxanthin Synthesis in Escherichia coli See Plant Molec Biol 29: 343-352]. Nevertheless, as shown in FIG. 2, the crtO cDNA (CRTOA.SEQ in FIG. 2) and the cDNA described by Kajiwara et al. (CRTOJ.SEQ in FIG. 2) [see references above]. The degree of sequence identity between the two was 75.5%, and as shown in FIG. 3, the crtO cDNA protein product (CRTOA.AMI in FIG. 3) and the protein described by Ka jiwara et al. (CRTOJ.AMI in FIG. 3). The degree of sequence identity between is 78%. This was determined using GCG software. Therefore, as described in detail below, the crtO cDNA in either a system that is easy to grow and can be used directly as an additive in fish feed or a system that allows for a simple and inexpensive astaxanthin extraction procedure is possible. Can be used to biotechnically produce (3S, 3'S) astaxanthin. In one embodiment, the present invention provides a polypeptide comprising the Haematococcus pluvialis crtO gene and amino acid sequences corresponding to allelic and species variants and functionally naturally occurring and / or artificially induced variants thereof. Related to the DNA segment to be encoded As used herein and in the claims that follow, the expression “allelic and species variants and functionally naturally occurring and / or artificially induced variants thereof” refers to DNA (or to any of the following). RNA) or means known in the art for obtaining it. However, the terms “variant” and “variant” indicate the presence of sequence differences (ie, mutations). In the invention herein and in the following claims, the sequence variation is 77-80%, preferably 80-85%, more preferably 85-90%, most preferably 90-100%. Are the same nucleotides. In a preferred embodiment, the DNA segment comprises the sequence set forth in SEQ ID NO: 1. In another embodiment, the DNA segment encodes the amino acid set forth in SEQ ID NO: 4. The present invention also relates to SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 under highly stringent conditions [eg, as described in Sambrook et al., Molecular Cloning; A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY 1989]. Comprising a sequence that hybridizes to a nucleic acid probe comprising at least 15, preferably at least 50, more preferably at least 100, even more preferably at least 200, even more preferably at least 500 contiguous nucleotides as described. And a pure DNA segment characterized by: Alternatively, a DNA segment of the present invention may be characterized in that it can hybridize under low stringent conditions to a nucleic acid probe comprising the coding sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 (nucleotides 166 to 1152). . Examples of such low stringency conditions are described in Sambrook et al., And use lower hybridization temperatures, such as, for example, 20 ° C., lower than those used for the above high stringency conditions. The DNA segments of the present invention may also be characterized as being capable of hybridizing under high stringency conditions to a nucleic acid probe comprising the coding sequence set forth in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 (nucleotides 166 to 1152). The present invention also provides synthetically generated oligonucleotides (eg, oligodeoxyribonucleotides or oligoribonucleotides and analogs thereof) that can hybridize to at least 10 nucleotide sequences set forth in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2. Including. In another embodiment, the present invention provides a polypeptide comprising the Haematococcus pluvialis crtO gene and amino acid sequences corresponding to allelic and species variants and functionally naturally occurring and / or artificially derived variants thereof. For the RNA segment encoding In a preferred embodiment, the RNA segment comprises the sequence set forth in SEQ ID NO: 2. In another preferred embodiment, the RNA segment encodes the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4. The present invention also provides under high stringency conditions at least 15, preferably at least 50, more preferably at least 100, even more preferably at least 200, even more, SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 It comprises a pure RNA segment, characterized in that it comprises a sequence that hybridizes to a nucleic acid probe preferably comprising at least 500 contiguous nucleotides. Alternatively, the RNA segment of the present invention is characterized in that it can hybridize under low stringent conditions to a nucleic acid probe containing the coding sequence shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 (nucleotides 166 to 1152). obtain. Further, the RNA segment of the present invention is also characterized in that it can hybridize under high stringent conditions to a nucleic acid probe containing the coding sequence shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2 (nucleotides 166 to 1152). obtain. In another embodiment, the present invention provides polypeptides comprising the Haematococcus pluvialis crtO gene and amino acid sequences corresponding to allelic, species variants and functionally naturally occurring and / or artificially derived variants thereof. About. In a preferred embodiment, the polypeptide comprises the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 4. The present invention includes any peptide that is homologous to the polypeptide (ie, 80-85%, preferably 85-90%, more preferably 90-100% of the same amino acids). As used herein and in the claims that follow, the term "homologous" refers to sequence identity between two peptides. When a monomeric subunit of the same amino acid is occupied at both positions in two compared sequences, they are homologous at that position. Homology between two sequences is a function of the number of homologous positions shared by the two sequences. For example, if eight out of ten positions in two sequences are occupied by the same amino acid, the two sequences are 80% homologous. Other polypeptides included in the invention include allelic variants, homologs of other species, naturally occurring variants, derived variants and under high or low stringency conditions (see above) It is a peptide encoded by DNA that hybridizes to the coding region (nucleotides 166 to 1152) shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 2. In another embodiment, the present invention relates to a recombinant DNA molecule comprising a vector (eg, a plasmid or viral vector) and a DNA segment encoding a polypeptide described above. In a preferred embodiment, the DNA segment is in a vector operably linked to a promoter. In a further embodiment, the present invention relates to a host cell containing said recombinant DNA molecule or DNA segment. Suitable host cells include both prokaryotic cells (such as bacteria, including Escherichia coli) and lower eukaryotic cells (eg, yeast) and higher eukaryotic cells (eg, algae, plant or animal cells). Introduction of the recombinant molecule into cells can be performed using methods known in the art such as, but not limited to, transfection, transformation, microinjection, and gene bombardment. Cells made to contain the recombinant DNA molecule can proliferate to form colonies, or can be made to differentiate to form differentiated organisms. Recombinant DNA molecules may be transiently contained within cells (e.g., by processes known in the art, such as transient transfection); It is preferably stably contained in the cell (by a process known in the art such as described above). In a preferred embodiment, the cells are producing β-carotene endogenously, or have been engineered to produce β-carotene by genetic engineering means, wherein the cells are endogenous or engineered β-carotene. Contains carotene hydroxylase activity. Such cells may be used as food additives for animal (eg, salmon) and human consumption. Further, such cells may be used to extract astaxanthin and / or other xanthophylls, as described below. In a further embodiment, the invention relates to a host transgenic organism (eg, a higher plant or animal) containing the recombinant DNA molecule or the DNA segment in a cell. Introduction of a recombinant molecule or DNA segment into a host transgenic animal can be performed using methods known in the art. In a preferred embodiment, the host organism is producing β-carotene endogenously, or has been engineered to produce β-carotene by genetic engineering means, preferably the host organism is endogenous or genetically engineered. Contains engineered β-carotene hydroxylase activity. Such organisms may be used as food additives for animal (eg, salmon) and human consumption. Further, such organisms may be used to extract astaxanthin and / or other xanthophylls, as described below. In another embodiment, the present invention relates to a method for producing astaxanthin using said host cell or transgenic organism. In another embodiment, the present invention relates to the use of the above-described host cell or transgenic organism in the use of canthaxanthin, echinenone, cryptoxanthin, isocryptoxanthin, hydroxyechinenone, zeaxanthin, adonirubin, 3-hydroxyechinenone, 3 The present invention relates to a method for producing xanthophylls such as' -hydroxyechinenone and / or adonixanthin. For these purposes, provided are cells or transgenic organisms as described above. Host cells or organisms are made to grow under conditions favorable to produce astaxanthin and the additional xanthophylls described above, which are then extracted by methods known in the art. In another embodiment, the invention encodes a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to the Haematococcus pluvialis crtO gene, allelic and species variants and functionally naturally occurring or artificially derived variants thereof. Transgenic plants that express a transgene. Preferably, expression is highest in chromoplast-containing tissues. In another embodiment, the invention relates to a first DNA segment encoding a polypeptide for directing a protein to a plant chloroplast or chromoplast (eg, derived from the tomato Pds gene) and Haematococcus pluvialis. A set comprising a second DNA segment in the reading frame encoding a polypeptide comprising an amino acid sequence corresponding to the crtO gene, allelic and species variants and functionally naturally occurring and artificially derived variants thereof Pertaining to a recombinant DNA vector. In another embodiment, the invention relates to a first DNA segment comprising a promoter that is highly expressible in plant chloroplasts or chromoplast-containing tissues (eg, derived from the Pds gene of tomato) and Haematococcus plu vialis crtO. The present invention relates to a recombinant DNA vector comprising a second DNA segment encoding a polypeptide comprising the amino acid sequence corresponding to the gene, allelic and species variants and functionally naturally occurring and artificially derived variants thereof. The present invention will be described with reference to the following examples together with the above description. Examples Details of the following protocols and experiments are set forth in the following examples. Algae and growth conditions. Haematococcus pluvialis (Culture Collection of Algae and Protozoa, Windermere, UK) was a gift from Liverpool John Moores University by Dr. Andrew Young. Algae suspension cultures are grown in liquid medium as described by Nichols and Bold [see Nichols HW, Bold HC (1964) Trichsarcina polymorpha gen et sp nov J Phycol 1: 34-39]. Was. For the introduction of astaxanthin biosynthetic cells, cells were harvested, washed with water and resuspended in nitrogen-depleted medium. Cultures were exposed to continuous light (75 μE / m Two / s photon flux) in a 250 ml Erlenmeyer flask on a rotary stirrer at 25 ° C and 80 rpm. Construction of cDNA library. The construction of a Haematococcus pluvialis cDNA library was described in more detail in Lotan and Hirschberg (1995) FEBS letters 364: 125-128. Briefly, total RNA was extracted from algal cells grown under nitrogen depletion conditions (cell color was reddish brown) for 5 days. Cells were harvested from 50 ml cultures and their RNA content was extracted using Ti reagent (Molecular Research Center, INC). Poly-An RNA was isolated by two cycles of fractionation on oligo dT-cellulose (Boehinger). Final yield was 1.5% of total RNA. Uni-ZAP TM A cDNA library was constructed on the XR vector using a ZAP-cDNA synthesis kit (both from Stratagene). For amplification of the cDNA library, Escherichia coli cells of the XL1-Blue MRF ′ strain (Stratagene) were used. Plasmids and Escherichia coli strains. Plasmid pPL376, containing the gene required for carotenoid biosynthesis in the bacterium Erwinia hrbicola, was obtained from Tubesson (for details on plasmid pPL376, see Tubesson RW, Larson RA and Kagan J (1988) near-UV light and phototoxic molecules. Role of cloned carotenoid genes expressed in Escherichia coli in protection against inactivation, see J Bacteriol 170: 4675-4680]. Cells of the Escherichia coli JM109 strain harboring plasmid pPL376 accumulate a bright yellow carotenoid, zeaxanthin glycoside. In the first step, a 1.1 kb SalI-SalI fragment was deleted from this plasmid to inactivate the crtX gene encoding zeaxanthin glucosyltransferase. In the second step, the 0.8 kb fragment was deleted by BamHI partial digestion of the plasmid DNA followed by self-ligation to inactivate crtZ encoding β-carotene hydroxylase. A 7.4 kb fragment was prepared by BglII partial digestion and cloned into the BamHI site of the vector pACYC184. As shown in FIG. 4, the resulting recombinant plasmid had the crtE, crtB, crtI and crtY genes and was named pBCAR [Lotan and Hirschberg (1995) FEBS letters 364: 125-128]. Plasmid pBCAR was transfected into Escherichia coli SOLR strain cells (Stratagene). Colonies that appeared on Luria Broth (LB) medium containing chloramphenicol [described in Sambrook et al., Molecular Cloning; A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY 1989] have this plasmid, A dark yellow-orange color due to the accumulation of carotene. As can be seen in FIG. 5, a further plasmid was constructed, named pZEAX, which allows for the synthesis and accumulation of zeaxanthin in Escherichia coli [for this plasmid, Lotan and Hirschberg (1995) FEBS letters 3 64: 125- 128 in detail]. The SOLR strain from Escherichia coli cells was used as a host for the pZEAX plasmid. Escherichia coli cells were grown on LB medium (as described above) at 37 ° C. in the dark on a 225 rpm rotary shaker. Ampicillin (50 μg / ml) and / or chloramphenicol (30 μg / ml) (both from Sigma) were added to the medium for selection of appropriate transformed cells. As seen in FIG. 6, plasmid pHPK containing the full-length cDNA of the β-carotene C-4-oxygenase enzyme was identified by complementarity as described in Lotan and Hirschberg (1995) FEBS letters 364: 125-128. (See description below). A 1.2 kb PstI-PstI DNA fragment containing the cDNA of β-C-4-oxygenase from Haemat ococcus pluvialis was isolated from plasmid pHPK and inserted into the PstI site in the coding sequence of the crtZ gene of plasmid pZEAX. This recombinant plasmid was named pCAN THA. This plasmid is shown in FIG. The same 1.2 kb PstI-PstI DNA fragment was also inserted into the PstI site 600 bp downstream of the crtE gene of plasmid pZEAX. The obtained recombinant plasmid was named pASTA. This plasmid is shown in FIG. The same 1.2 kb PstI-PstI DNA fragment was also inserted into the PstI site present in the β-lactamase gene of plasmid pPAN35D5 (Hirschberg J, Ohad N, Pecker I and Rahat A (1987) Synechococcus R2.Z Isolation and characterization of herbicide-resistant mutants of Naturforsch 42c: 102-112]. This has the psbAI gene from the cyanobacterium Synechococcus PCC7942 in the plasmid vector pBR328 [Hirschberg J, Ohad N, Pecker I and Rahat A (1987) A single herbicide resistant mutant of the cyanobacterium Synechococcus R2.Z. Separation and characteristics Naturforsch 42c: 102-112]. This plasmid was designated as PAN3.5-KETO. This plasmid is shown in FIG. This plasmid was used in transformation of Synechococcus PCC7942 cells according to the procedure described by Golden [Golden SS (1988) Classical and Gene Transfer-Based Methods for Cyanobacterial Mutations Methods Enzymol 167: 714-727]. Excision of phage library and screening of β-carotene oxygenase gene. Mass excision of the cDNA library prepared as described above was performed using ExAssis helper phage (Stratagene) in cells of the SOLR strain of Escherichia coli harboring plasmid pBCAR. The excised library in phagemid form was placed on LB plates containing 1 mM isopropylthio-β-D-galactosidase (IPTG), 50 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol at about 100-150 per plate. Placed at a density that gives rise to colonies. Plates were incubated overnight at 37 ° C. and for another 2 days at room temperature. The plates were then kept at 4 ° C until colonies were screened for color change. Plasmid for high expression of crtO in chromoplasts. As seen in FIGS. 10-11, the genome of the tomato species Lycopersicon esculentum containing the coding sequence of the amino-terminal region of the polypeptide PDS, which acts as a promoter for the Pds gene and a penetrating peptide for transport to chloroplasts and chromoplasts. DNA sequence (nucleotides 1-1448 of the Pds gene [Mann V, Pecker I and Hirschberg J (1994) Cloning and characterization of the gene for phytoene desaturase (Pds) from tomato (Lycopersicon esculentum) described in Plant Molecular Biology 24: 429-434. Has been cloned into the HindIII-SmaI site of the binary vector pBIB [described in the binary vector Nucleic Acids Research 18: 230, which allows the exchange of a Becker D (1990) plant selectable marker for a reporter gene]. This is shown in FIG. The recombinant plasmid was named pPTBIB. This is shown in FIG. As seen in FIG. A 1,110 nucleotide long Eco47III-NcoI fragment (nucleotides 211-1321 of SEQ ID NO: 1) containing the cDNA of crtO from pluvialis was subcloned into the SmaI site of plasmid pPTBIB (FIG. 11). As a result, the coding nucleotide sequence at the amino terminus of Pds is in the same reading frame as crtO. The recombinant plasmid was named pPTCRTOBIB. Transgenic higher plant formation. pPTCRTOBIB DNA was extracted from E. coli and transformed into cells of Agrobacterium tumefaciens strain EHA105 [Dower JW, Miller FJ and Raggsale WC (1988) E. coli by high voltage electroporation. High efficiency transformation of Nuc. Acids Res. 18: 6127-6145]. Agrobacterium cells were grown at 28 ° C. in LB medium supplemented with 50 μg / ml streptomycin and 50 μg / ml kanamycin as selection agents. Agrobacterium cells harboring pPTCRTOBIB can be harvested from suspension cultures during the stationary phase of growth, Horsch RB, Fry JE, Hoffmann NL, Eicholtz D, Rogers SG and Fraley RT, a simple and general method for transferring genes to plants Science (1985) 227: 1229-1231; and Jeffesrson AR, Kavanagh TA and Bevan WM (1987) GUS fusion: β-glucuronidase as a sensitive and versatile fusion gene marker in higher plants The EMCO J. 6: 3901-3907 Was used for transformation as described in Leaf explants of the Nicotiana tobaccum NN strain were infected with transformed Agrobacterium cells and kanamycin-resistant transgenic plants were recreated according to the protocols described in Horsch et al. (1985) and Jefferson et al. (1987), supra. Referring to FIG. 13, the presence of the DNA sequence of the crtO gene construct in fully grown regenerated plants was determined by DNA Southern blot analysis. For this purpose, DNA is extracted from the leaves [extraction of restrictable DNA from plants of the genus Kanazawa and Tsusumi (1992) Nelumbo Plant Plant Biology Reports 10: 316-318], and the endonuclease HindIII And the fragments were size separated by gel electrophoresis and hybridized with a radiolabeled crtO sequence (SEQ ID NO: 1). Each transgenic plant tested contained at least one copy of the crt Oc DNA sequence, a 1.75 kb band (arrow) resulting from an internal HindIII-HindIII fragment of pPTCRTOBIB T-DNA, an additional band resulting from partial digestion, Additional bands of varying size (depending on the insertion position of the plant genome) and a 1.0 kb band originating from the tobacco plant itself (and thus also appearing in the negative control WT lane) were generated. Sequence analysis. DNA sequence analysis was performed by the dideoxy method [DNA sequencing with Sanger F, Nicklen S and Coulsen AR (1977) chain growth end inhibitors. See Proc Natl Acad Sci USA 74: 5463-5467]. Carotenoid analysis. Aliquots of Escherichia coli cells grown in LB liquid medium were centrifuged at 13,000 g for 10 minutes, washed once with water and centrifuged again. After removing the water, the cells were resuspended in 70 μl of acetone and incubated at 65 ° C. for 15 minutes. The sample was centrifuged again at 13,000 g for 10 minutes and the supernatant containing the carotenoids was placed in a clean tube. The carotenoid extract was converted to nitrogen (N Two ) Air-dried under steam and stored at -2 ° C until needed for analysis. Carotenoids from plant tissues were extracted by mixing 0.5-1.0 gr of tissue with 100 μl of acetone, followed by incubation at 65 ° C. for 15 minutes, and then processing the samples as described above. Acidified reverse phase C18 column, Spherisorb ODS-2 (silica 5 μm The product was subjected to high performance liquid chromatography (HPLC). The mobile phase was injected at a rate of 1.5 ml / min with a three-phase Merck-Hitachi L-6200A high pressure pump. The mobile phase consisted of a formulated solvent system containing hexane / dichloromethane / isopropyl alcohol / triethylamine (88.5: 10: 1.5: 0.1, v / v). A peak was detected at 470 nm using a Waters 996 photodiode array detector. Individual carotenoids were identified by their retention times and their typical absorption spectra in comparison to chemically pure β-carotene, zeaxanthin, echinenone, canthaxanthin, adnirubin and astaxanthin standard samples (the latter). Were donated by Liverpool John Moores University by Dr. Andrew Young). Thin layer chromatography (TLC) was performed on silica gel 60 F254 plates (Merck) using ethyl acetate / benzene (7: 3, v / v) as eluent. Visible absorption spectra were recorded on a Shimazu UV-160A spectrophotometer. All spectra were recorded in acetone. The fine structure of the spectrum was expressed as% III / II [Britton, G (1995) UV / visible spectroscopy: Carotenoids; Volume IB, Spectroscopy Briton G, Liaaen-Jensen S and Pfander HBirkhauser Verlag, Basel, 13-62. page]. Isolation and identification of carotenoids extracted from E. coli cells was performed on silica TLC with high absorption (R f (Lowest value). FIG. 14 shows the structure of the carotenoid and the biosynthetic pathway of astaxanthin. Hereinafter, the details refer to carotenoids numbered 1 to 9 in FIG. β-carotene (1). R f 0.92 (inseparable from certification (1)). R t .VISλ max nm: (428), 452, 457,% III / II = 0. Echinenone (2). R f 0.90 (inseparable from certification (2)). R t .VISλ max nm: 455,% III / II = 0. Canthaxanthin (3). R f 0.87 (inseparable from certification (3)). R t .VISλ max nm: 470,% III / II = 0. β-cryptoxanthin (4). R f 0.83. R t .VISλ max nm: (428), 451, 479,% III / II = 0. Adonirubin (5). R f 0.82 (inseparable from certification (5)). R t .VISλ max nm: 476,% III / II = 0. Astaxanthin (6). R f 0.79 (inseparable from certification (6)). R t .VISλ max nm: 477,% III / II = 0. Adonixanthin (7). R f 0.72. R t .VISλ max nm: 464,% III / II = 0. Zeaxanthin (8). R f 0.65 (inseparable from certification (8)). R t .VISλ max nm: (428), 451, 483,% 111/11 = 27. Hydroxyechinenone (9). R f 0.80. R t .VISλ max nm: 464,% III / II = 0. Chirality arrangement. The chirality configuration of astaxanthin was determined by HPLC of the derived diastereoisomeric camphanate of astaxanthin [Renstrom B, Borch G, Skulberg M and Liaaen-Jensen S (1981) from (3S, 3S 'from Haematococcus plu vialis). ) Optical purity of astaxanthin Phytochem 20: 256l-2565]. The analysis demonstrated that Escherichia coli cells synthesized pure (3S, 3S ') astaxanthin. Example 1 Cloning of β-C-4-Oxygenase Gene A cDNA library was constructed in a λZAP II vector from poly-An RNA of Haematococcus pluvialis cells which had been induced to synthesize astaxanthin by nitrogen depletion as described above. . The entire library was excised into β-carotene accumulating cells of the Escherichia coli SOLR strain carrying the plasmid pBCAR (shown in FIG. 4). Screening for the β-carotene oxygenase gene was based on color visualization of colonies 3 mm in diameter in size. Astaxanthin and other oxidized forms of β-carotene (ie, xanthophyll) have different shades of color and can therefore be detected from the yellow β-carotene background. The screen contained approximately 100,000 colonies, which grew on LB media plates containing ampicillin and chloramphenicol, selecting for both the λZAP II vector and the pBCAR plasmid in a plasmid-grown form. Some colonies showed different shades, but one showed a pronounced red-brown pigment. This colony was presumed to contain the xanthophyll biosynthesis gene and was selected in the following examples for further analysis as described below. Example 2 Analysis of β-C-4-oxygenase activity in Escherichia coli Red-brown colonies presumed to contain xanthophyll biosynthesis genes (see Example 1 above) were streaked and analyzed further. First, a plasmid DNA was prepared from a red-brown colony of a recombinant ZAPII plasmid having a cDNA that causes xanthophyll synthesis in Escherichia coli, and the plasmid DNA was transfected into Escherichia coli of XLI-Blue strain, and ampicillin was transfected. Isolated by selection on containing media. This plasmid was named pHPK (pHPK is a λZAP II vector containing an insert isolated from a red-brown colony) and used to express β-carotene-producing Escherichia coli cells (plasmid pBCAR shown in FIG. 4). , The formation of red-brown colonies was observed. Carotenoids were extracted from the transformants and host cells (as a control) with acetone, and analyzed by HPLC. HPLC analysis of carotenoids of β-carotene-synthesizing host bacteria (Escherichia coli SOLR strain having the plasmid pBCAR shown in FIG. 4) revealed only a trace amount of β-carotene in the transformed cells as compared with the red-brown colonies. Although not found, a new major peak for canthaxanthin and another small peak for echinenone appeared [Lotan and Hirschberg (1995) FEBS letters 364: 125-128]. These results indicate that the cDNA designated crtO in the plasmid encodes an enzyme with β-C-4-oxygenase activity that converts β-carotene to canthaxanthin via echinenone (see FIG. 14). That). Thus, it is concluded that one enzyme catalyzes this two-step ketotransformation by acting symmetrically on the 4 and 4 'carbons of the β and β' rings, respectively. Example 3 Production of Astaxanthin in Escherichia coli Cells Whether β-carotene hydroxylase (eg, the product of the crtZ gene of Erwinia herbicola) can convert canthaxanthin thus produced to astaxanthin, and / or -To determine whether zeaxanthin converted from β-carotene by carotene hydroxylase can be converted to astaxanthin by β-C-4-oxygenase, the crto cDNA of Haematococcu s pluvialis was isolated from Erwinia herbicola. It was expressed in Escherich ia coli cells together with the crtZ gene. For this purpose, Escherichia coli cells of the SOLR strain were transformed with either plasmid pASTA containing both crtZ and crtO, as shown in FIG. 8, or pHPK containing crtO, as shown in FIG. Transfected with either pZEAX containing crtZ as indicated. The carotenoids of the resulting transfected cells were extracted and analyzed by HPLC as described above. The results (shown in Table 1) show the composition of carotenoids extracted from cells containing plasmid pASTA. Similar carotenoid composition was observed in Escherichia coli cells having pHPK and pZEAX. The results shown in Table 1 show that the carotenoids treating either the β-terminal group or the 4-keto-terminal group at the C-3 and C-3 'carbons are hydroxylation reactions catalyzed by the crtZ gene product. Demonstrates that it acts as a substrate for Hydroxylation of β-carotene and canthaxanthin produces zeaxanthin and astaxanthin, respectively. These hydroxylations result in the formation of astaxanthin, an intermediate ketocarotenoid, 3-hydroxyechinenone, adonixanthin and adnirubin. These results further indicate that astaxanthin can be produced in heterologous cells by expressing the crtO gene along with the gene encoding β-carotene hydroxylase. Example 4 Sequence analysis of the β-carotene C-4-oxykenase gene The full length of the cDNA insert in plasmid pHPK (1771 base pairs), determined in the presence of a poly A tail, was subjected to nucleotide sequence analysis. The sequence set forth in Sequence Listing 1 and its translation into the amino acid sequence set forth in Sequence Listing 3 were deposited with the EMBL database on May 1, 1995, resulting in EMBL accession numbers X86782 and X86783, respectively. An open reading frame (ORF) of 825 nucleotides (nucleotides 166 to 1152 of SEQ ID NO: 3) was identified within this sequence. The ORF encodes an enzyme β-carotene C-4-oxygenase having 329 amino acids as set forth in SEQ ID NO: 4, which has been demonstrated by its functional expression in Escherichia coli cells (see above example). See Example 3). The gene for this enzyme was named crtO. Example 5 Transformation of Cyanobacteria with crtO The plasmid DNA of pPAN3.5-KATO shown in FIG. 9 was transfected into cells of the cyanobacterium Synechococcus PCC7942 according to the method described by Golden [Golden SS (1988) classical Mutation of Cyanobacteria Methods Enzymol 167: 714-727] by a method based on genetic and gene transfer. Cyanobacterial cells were placed on Petri dishes containing BG11 containing chloramphenicol. Chloramphenicol-resistant Synechococcus PCC7942 colonies that appeared 10 days later were analyzed for carotenoid content. As described in detail in Table 2 below, HPLC analysis of these cells indicated that the major carotenoid components of the cells were β-carotene, echinenone, canthaxanthin, adnirubin and astaxanthin. A similar analysis of the wild-type strain and Synechococcus PCC7942 transfected (and thus unable to produce active protein) with a plasmid in which the orientation of the crtO gene was reversed (not shown), showed that echinenone, canthaxanthin, adnirubin and astaxanthin were No production was shown. These results demonstrate that crtO of Haematococcus pluvialis can be expressed in cyanobacteria, and that its expression provided the β-C-4-oxygenase enzyme activity required for the conversion of β-carotene to canthaxanthin. I do. This result indicates that the endogenous β-carotene hydroxylase of Syn echococcus PCC7942 can convert the produced canthaxanthin to astaxanthin. The carotenoid biosynthetic pathway is similar in all green photosynthetic organisms [FIGS. 1 and 10 and Pecker I, Chamovitz D, Linden H, Sandmann G and Hirschberg J (1992), which catalyzes the conversion of phytoene to ζ-carotene. Two polypeptides are regulated at the transcriptional stage during tomato fruit ripening, see Proc Natl Acad Sci USA 89: 4962-4966], so any polypeptide that also expresses endogenous β-carotene hydroxylase It is speculated that by expressing crtO in tissues, astaxanthin can be produced in algae and higher plants. In addition, crtO expression in any tissue that expresses either endogenous or engineered β-carotene hydroxylase by any organism that contains either the endogenous or engineered β-carotene biosynthetic pathway By doing so, it is speculated that astaxanthin can be produced. Example 6 Determination of the Chirality Configuration of Astaxanthin Produced in a Heterogeneous System The chirality configuration of astaxanthin produced by the Escherichia coli cells described in Example 3 above and by the cyanobacterium Synchococcus PCC7942 cells described in Example 5 above Was determined by HPLC of the derived diastereoisomeric camphanate of astaxanthin [Renstrom B, Borch G, Skulberg M and Liaa en-Jensen S (1981) Optical characterization of (3S, 3S ') astaxanthin from Haematococcus pluvialis. Purity Phytochem 20: 2561-2565]. Analysis demonstrated that the Escherichia coli and Synchococcus PCC7942 cells described above synthesized pure (3S, 3S ′) astaxanthin. Example 7 Transformation of higher plants with crtO Producing native astaxanthin in higher plants has two expected benefits. First, as a pure chemical, astaxanthin is widely used as a feed additive for fish. It may be a suitable food colorant for human consumption and may have applications in the cosmetics industry as well. Second, the inclusion of astaxanthin in vivo in flowers and fruits provides an attractive pink / red color that increases their appearance and / or nutritional value. In flowers and fruits, carotenoids are usually synthesized and accumulate at high concentrations in chromoplasts (typical pigmented plastids), thus providing their organs with a typical dark color. Inducing the synthesis of astaxanthin in chromoplasts allows the accumulation of high concentrations of this ketocarotenoid. Overexpression of the carotenoid biosynthesis gene results in increased carotenoid levels in chloroplasts, or other changes in carotenoid composition in chloroplasts damage thylakoid membranes, impair photosynthesis, and are therefore harmful to plants. is there. In contrast, increasing carotenoid levels or altering carotenoid composition in chromoplasts does not affect plant viability or the weekly amount of fruit and flowers. Thus, as described above, the crtO gene isolated from the alga Haematococcus pluvialis is used in higher plants using gene transfer techniques in such a way that the expression of the gene is positively regulated, especially in chromoplast-containing cells. Transplanted. For this purpose, a T-DNA containing binary plasmid vector as shown in FIG. 12 was used in E. coli to encode the promoter and the coding DNA sequence of the penetrating peptide encoded by Pds from the tomato species Lycopersicon esculen tum (Hluvialis (Ligated to the coding sequence of crtO from E. coli). If this DNA construct is introduced into tobacco (Nicotiana tabacum NN) plants via Agrobacterium-mediated transformation to form transgenic plants, as described in the methods above, the plants will in particular have floral tissue (chromosome). (Plast-containing cells) to gain the ability to acidify ketocarotenoids. It should be noted that the Pds gene promoter may direct transcription and thus may be expressed especially in chloroplast and / or chromoplast-containing tissues of plants. It should further be noted that the penetrating peptide encoded by a portion of the Pds coding sequence may direct the binding protein (ie, in frame) to plant chromoplasts and / or chloroplasts. As shown in FIG. 15, in chromoplast-containing cells, such as dense gland tissue of tobacco flowers, this DNA construct is present at higher concentrations of astaxanthin and other ketocarotenoids that change color from normal yellow to red. Induces the accumulation of The concentration and composition of carotenoids in chloroplast-containing tissues such as leaves and chromoplast-containing tissues such as flowers were determined in transgenic plants and compared to normal non-transformed plants. The carotenoid composition in the leaves (chloroplast-containing tissues) and flower dense gland tissues (chromoplast-containing tissues) of wild-type and transgenic tobacco plants was determined by thin-layer chromatography (TLC) and high-performance liquid chromatography (HPLC) as described above. ). Table 3 below summarizes the total carotenoid concentrations in leaves (chloroplast-containing tissue) and dense glandular tissues (chromoplast-containing tissue) of wild-type and transgenic tobacco plants. The percentages of carotenoid composition in leaves of wild-type and transgenic tobacco plants are summarized in Table 4 below. The percentages of carotenoid composition in the dense glands of wild-type and transgenic tobacco plants are summarized in Table 5 below. In particular, note the increased content of hydroxyechinenone, 3'hydroxyechinenone, adonirbin, adonixanthin and astaxanthin in the chromoplast-containing tissue of transgenic tobacco plants. Thus, the present invention provides a peptide having β-C-4-oxygenase activity; a DNA segment encoding the peptide; an RNA segment encoding the peptide; a vector and a recombinant DNA molecule containing the DNA segment; By providing a host containing a recombinant DNA molecule or DNA segment; and a biotechnological method for producing (3S, 3'S) astaxanthin or a food additive containing (3S, 3'S) astaxanthin by using the host, It overcomes the disadvantages of the currently known features by enabling relatively inexpensive biotechnological production of 3S, 3'S) astaxanthin. While the invention has been described with a limited number of embodiments, it will be apparent that many modifications, changes and other applications of the invention may be made.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C12N 5/10 C12N 9/02 9/02 C12P 7/38 C12P 7/38 C12Q 1/68 A C12Q 1/68 C12N 5/00 A //(C12N 15/09 ZNA C12R 1:89) (C12P 7/38 C12R 1:19) (C12P 7/38 C12R 1:89) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG ,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT ,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA, CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,F I,GB,GE,GH,HU,IL,IS,JP,KE ,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS, LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,M X,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE ,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT, UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 ロータン ターマー イスラエル国、キネレット 15105 (72)発明者 ハーカー マーク イスラエル国、エルサレム 92461、ナル キス 9──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C12N 5/10 C12N 9/02 9/02 C12P 7/38 C12P 7/38 C12Q 1/68 A C12Q 1 / 68 C12N 5/00 A // (C12N 15/09 ZNA C12R 1:89) (C12P 7/38 C12R 1:19) (C12P 7/38 C12R 1:89) (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, KE, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, HU, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL , PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor Rotan Termer Israel, Kinneret 15105 (72) Inventor Harker Mark 92461 Jerusalem, Israel, Nal Kiss 9
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