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JPH05504046A - 農業用化学物質スクリーニング法 - Google Patents

農業用化学物質スクリーニング法

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Publication number
JPH05504046A
JPH05504046A JP50681789A JP50681789A JPH05504046A JP H05504046 A JPH05504046 A JP H05504046A JP 50681789 A JP50681789 A JP 50681789A JP 50681789 A JP50681789 A JP 50681789A JP H05504046 A JPH05504046 A JP H05504046A
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JP
Japan
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gene
plant
promoter
expression
stress
Prior art date
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Pending
Application number
JP50681789A
Other languages
English (en)
Inventor
フィッツモーリス,レオナ・クレア
ラム,クリストファー・ジョン
Original Assignee
シビア・ニユーロサイエンシズ・インコーポレイテツド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by シビア・ニユーロサイエンシズ・インコーポレイテツド filed Critical シビア・ニユーロサイエンシズ・インコーポレイテツド
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 農業用化学物質スクリーニング法 発明の分野 本発明は、一般に農業用化学物質を分析するための方法および組成物に関する。
より詳細には、本発明は形質(trait)特異性植物遺伝子の転写を誘発する のに有用であると思われる農業用化合物を確認するための新規なスクリーニング 法に関する。
さらに本発明は、遺伝子転写を調節することにより農業用化学物質に応答する、 植物由来の形質特異性核酸配列を確認する方法に関する。最後に本発明は、植物 防御遺伝子の選択的誘発を制御する調節要素に関する。
発明の背景 農業用化学物質(agricultural chemicals、agric hemicaLs)は化学工業における何十億ドルもの製品部分の基礎をなす。
農業用化学物質は殺虫薬、除草薬および植物成長調節薬として用いられる。一般 に化学系企業は目的とする特性または活性をもつ1種類または数種類を確認する ために何+万もの化学物質をスクリーニングする。これらのスクリーニング法は 労力を要し、時間を費やし、かつ極めて経費がかかる。
現在用いられているスクリーニング法には、全植物アッセイ法から補乳動物細胞 におけるインビボ試験までのすべてが含まれる。たとえば全植物アッセイ法は除 草活性に関して化学物質を試験するために用いられる。実生植物の畑地に種々の 化合物を散布し、化学物質の作用を監視する。殺虫活性はたとえば特定の有害昆 虫に対して施される種々の化合物の作用を調べることにより確認される。既知の 酵素経路に対する殺虫活性が目的の作用を生じると仮定される場合、異種系にお けるインビトロアッセイ法が開発される。
植物成長調節薬に関するアッセイ法はよりいっそう時間を費やし、かつ複雑であ る。たとえばダイズにおける老衰を遅延させつる植物成長調節薬を確認するため には、現在利用しつる方法を用いると、ダイズ植物を成熟するまで成長させ(こ の過程で3−4力月を要する)、次いで各組の植物に種々の化学物質を作用させ る必要がある。これは時間を費やし、経費のかかる方法である。
化学工業は近年、植物の化学的な謎を解明するためにバイオテクノロジーに転向 した。このバイオテクノロジーは、植物が外的刺激に対して目的の応答を示すべ く誘発される過程への新たな洞察をもたらした。ここに述べるように植物は特定 の化合物で処理されると植物防御応答を示すべく誘発される可能性をもつ。同様 にここに述べるように、これらの応答を制御する遺伝子調節要素をクローン化し 、リポータ−遺伝子に融合させることができる。次いでこの構造体を全植物また は植物細胞に移入し、これを用いてこれらの遺伝子調節要素からの転写を誘発し うる農業用化学物質のアッセイ法を開発することができる。
目的の形質または応答を調節する遺伝子調節要素がいったん確認されると、上記 アッセイ法を容易に多種多様な形質および応答に拡大することができる。これら の要素を確認する方法をここに記載する。このような方法が可能な形質または応 答には、品質を改良し、収穫量を増大させ、または収穫を促進する植物生活過程 またはその構造の大部分が含まれる。このような生活過程の例には下記のものが 含まれる4発根および植物の繁殖、発芽および休眠、開花、生殖予形成、脱落、 結実および成長、植物および器官の大きさ、わき芽の形成、自己剪定、形の形成 、分けつ、昆虫および病害に対する抵抗および抑制、環境ストレスの克服、鉱物 の取り込み、植物の組成、成熟および収穫量増大を含めた代謝作用、性的表現の 修飾、老衰、乾燥、除草剤による損傷に対する防御、ならびに除草剤の吸収およ び移動の増大。遺伝子転写の変化により仲介されるこれらの過程はすべて、ここ に開示および記載する農業用化学物質スクリーニングアッセイ法における定義に 従い、利用しうるものである。
適切であれば、これらのスクリーニングアッセイ法は、農業用化学物質工業に著 しい時間および経費の節約をもたらす。その後標準的な実生スクリーニング法に より試験するための最初の有望な農業用化学物質の選択は数カ月から数日に短縮 されるであろう。実際の実生スクリーニング回数は大幅に減少すると思われる。
それに伴う労働および植物成育期間が標準アッセイ法より著しく少ないので、こ れらのアッセイ法によって可能性のある農業用化学物質工業種を新規化合物につ きごく短時間でスクリーンすることができるであろう。これと共に、新たな研究 所および温室のための資本的支出、ならびに付随する操作費の著しい節約が実現 されるであろう。
先に示唆したように、ある農業用化学物質が特定の形質、たとえば成長またはス トレス防御に伴う分子的事象に与える影響を分析するために重要なことは、その 形質に付随する遺伝物質(すなわち核酸)を確認および単離し、次いでこの単離 された遺伝物質をその農業用化学物質に対する応答が直接にかつ明確に測定され る厳密に制御された環境内に置くことである。本発明は目的の形質に付随する遺 伝物質を確認および単離するための手段を提供する。本発明はさらに、これらの 確認および単離された遺伝物質を用いてそれらの遺伝物質に対する農業用化学物 質の作用を、また推定により目的形質に対する作用を評価する方法を提供する。
本発明は、植物に形質特異的に作用する産生蛋白質をコードする遺伝子に付随す る植物調節要素に関する幾つかの知見に基づく。第1の知見は、形質特異性遺伝 子の転写に関与するDNA配列を生化学的方法および分子分析法の併用法により 確認しつるということである。確認されると、これらの調節要素を植物ゲノムか ら単離し、解明することができる。第2の知見は、単離された植物遺伝子調節要 素を用いて特定の農業用化学物質がこの単離された調節要素に与える作用を、ま た推定によりその農業用化学物質が形質特異性遺伝子および形質自身に与える作 用を評価しつるということである。
本発明はさらに植物防御遺伝子の活性化に関する最近の知見に基づ(。これらの 知見の第1は還元型グルタチオン(GSH)、すなわち小型の水溶性、無毒性の 細胞性代謝産物が、細胞壁のヒドロキシプロリンに冨む糖蛋白室ならびにフェニ ルプロパノイド生合成酵素であるフェニルアラニンアンモニア−リアーゼ(P  A L )およびカルコンシンターゼ(CH3)をコードするものを含めた特定 の防御遺伝子の転写を刺激するということである。これらの遺伝子の転写活性化 によって対応する転写体の顕著な一時的蓄積が起こり、これが蛋白質合成の全体 的パターンの実質的変化に関与することが見出された。これは菌類ニリンターに 対する応答として見られる変化に近似する。さらに、防御遺伝子コード領域のす ぐ上流にある特定のヌクレオチド配列がグルタチオンおよび菌類ニリンターなど の物質による調節を与えうることが見出された。菌類ニリンターおよびGSHな どの簡単な化学物質により//始動−Lうるこれらの特異的プロモーター領域は 、病原体および環境ストl/スに対する抵抗性が増強されたトランスンエニソク 植物を工業的に生産するのに極めて有用である。
図面の簡単な説明 以下は図面の簡単な説明である。より詳細な説明は本明細書の実験の部2箇所に 示される。図面は下記の11図からなる実験の部Iの図面 箪】図はGSHi:応答した植物防御遺伝子転写体の蓄積を表す写真である。
篤2図(AおよびB)はGSHに応答した(A)PALおよびCH5転写体なら びに(B)PAL酵素活性の誘発の動力学を表す2種のグラフを示す。
第3図はGSHによる植物防御遺伝子転写体の誘発についての用量応答を表す写 真である。
第4図は植物防御遺伝子の転写に対するGSHの作用を表す写真である。
蔦5区(A、B、CおよびD)は植物における蛋白質合成パターンに対するGS Hの作用を表す写真である。
第6図はG55GによるP A L活性の誘発を示すグラフである。
実験の部■の図面 第7図(AおよびB)は2種類の図からなる−(A)CH8−CA T −N  OS構造体および欠失突然変異体の構造を示ず。
(B)CH315プロモーターおよびCA T融合ジャンクシ3ンのヌクレオチ ド配列を示す。
第8図(、へ、B、CおよびI))はダイズの懸濁培養細胞から誘導されたプロ トプラスト中へエレクトロポレートされたキメラCH5−CAT−NO5遺伝子 の発現を表す写真である。
第9図はエレクトロポレートされたCH3−CAT−NO8遺伝子を含むプロト プラストにおけるC A T転写体の蓄積と04八T活性の相関関係を表す写真 である。
蔦10図は発現の基礎水準に対するC HS −CA T −S OSのグルタ チオン誘発を、エレクトロポレートされたキメラ構造体の量の関数として表すグ ラフであるっ第11図はダイズプロトプラスト中へエレクトロポレートされたC  HS −CA T −N OS遺伝子のグルタチオン調節に対する5′欠失の 影響を表す薄層クロマトグラフィー分析およびグ本明細書および請求の範囲にお いてはここで特に下記のとおり定義された句および技術用語を用いるここで用い るギリシャ文字アルファ、ベータ、ガンマなどは時にそれぞれa、、bおよびg と書かれる。はとんどの場合ギリシャ文字はα、β、γなどと書かれる。
ここで用いるグルタチオンは、γ−L−グルタミル−し一7ステイニルーグリノ ンを意味する。
ここで用いるグルタチオンのペプチド同族体は、式γ−L−グルタミル−し一ン ステイニルーXをもつ物質であり、ここでXはグリシン以外のアミノ酸である。
ここで用いるホモグルタチオンは、γ−L−グルタミル−し−システイニル−β −アラニンを意味する。
ここで用いるCH3は、還元型グルタチオンを意味する。
ここで用いるG55Gは、酸化型グルタチオンを意味する。
ここで用いるP A Lは、フェニルアラニンアンモニア−リアーゼを意味する 。P A Lはアミノ酸であるし一フェニルアラニンをトランス−ケイ皮酸およ びNH4−に変換するのを触媒する。
これはリグニン、フラボノイド、イソフラボノイド、クマリン類およびヒドロキ シケイ皮酸エステルを含めた、フェニルプロパン骨格を基礎とする広範な植物天 然産物の合成の最初の反応である。
ここで用いるCH8は、カル=ンンンターゼを意味する。CH5は4−フマロイ ル−CoAとマコニルー〇OAからの3個の7セ=−−ト単位との縮合を触媒し てナリンゲニンカルコンを与える。この反応はマメ科植物中のイソフラボノイド 系ファイトアレキンン抗生物質、および高等植物に遍在するフラボノイド系色素 の合成に特異的なフェニルプロパノイド代謝の1支流の最初の工程である(ディ クソン(Dixon)ら、19831ハールブo ’7り(口ahlbrock )ら、1979)。
ここで用いる4CLは、4−フマレート CoAリガーゼを意味する。4CLは 高等植物における多くのフェニルプロパノイド化合物の合成に際して中枢の中間 体である千オールエステルを合成する(ダグラス(Doug、1as)ら、19 87)。
ここで用いるHRGPは、ヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質を意味する。
ここで用いる外的制御される植物1節要素は、外的刺激に応答して機能性結合型 構造遺伝子の転写に影響を与える核酸配列を意味する。外的制御される植物調節 配列の例には、植物防御遺伝子プロモーター、エリツタ−調節されるアクチベー タードメイン、上流サイレンサードメインなどが含まれる。
ここで用いるエリジター物質は、外的制御される植物調節要素を!・始動It1 誘発その他の形で活性化しつる化合物であり、たとえばフェニルプロパノイド生 合成酵素であるフェニルアラニンアンモニア−リアーゼ(PAL)、カル=ンン ンターゼ(CH3)および・4−クマレー1− : Co Aリガーゼ(4CL )をコードする植物遺伝子に対するストレス調節されるプロモーター、ならびに 細胞壁のヒドロキシプロリンに冨む糖蛋白質をコードする植物遺伝子に対するプ ロモーターである。本発明のエリジター物質には下記のものが含まれるが、これ らに限定されない、還元型グルタチオン、還元型ホモグルタチオンおよびグルタ チオンの池のペプチド同族体の還元型5グリカンエリジター、たとえばヘキサ( β−D−グルニビラノシル)−D−グルノトール(ンヤーブ(Sharp)ら、 1984) :脂質エリツタ−、タトエハアラキドン酸およびエイコサペンタエ ン酸、糖蛋白質エリジター、菌類エリジター、ならびに非生物エリジター、たと えば塩化第二水銀HgCl2゜ ここで用いる菌類エリジターは、マメ類の病原性菌類コレトトリクム・リンデム チアナム(Colletotrichum lindemuthianum)の 菌糸体細胞壁から熱により放出される高分子量物質を意味する(ロートン(La vton)ら、1983)。
ここで用いるマーカーまたはリポータ−遺伝子は、容易にアッセイしつる産生蛋 白質をコードする遺伝子を意味する。マーカーまたはリポータ−遺伝子の例はC A、TSGUS、β−ガラクトシダーゼ、およびホタルのルンフェラーゼ遺伝子 である。本発明方法においては、マーカーまたはリポータ−遺伝子を植物遺伝子 調節要素−一それらに機能性結合した遺伝子(たとえばCATSGUS、β−ガ ラクトシダーゼ、またはルンフェラーゼのリポータ−遺伝子)の転写を調節する ことにより外的刺激に応答するm−に機能性結合させる。
ここで用いるCATは、クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼを意 味する。
ここで用いるNOSは、ツバリンシンターゼを意味する。
ここで用いるGUSは、ベーターグルクロニダーゼを意味する。
ここで用いるIacZは、β−ガラクトシダーゼを意味する。
ここで用いる天然遺伝子は、自然界に存在する遺伝子を意味する。
ここで用いるキメラ遺伝子は、人間の努力により構成されまたは工学的に製造さ れた遺伝子を意味する。
ここで用いるCGCは、キメラ遺伝子カセットを意味する。
〃プロモーター/リポーター遺伝子/ターミネータ−メIS//キメラ防御遺伝 子プロモーター/リポータ−遺伝子/3′ターミネータ−〃、!・プロモーター /植物材料において発現可能な構造遺伝子/ターミネータ−〃などの句は本発明 のキメラ遺伝子カセットを意味し、〃キメラ遺伝子カセット/Iという句と互換 性をもって用いられる。
ここで用いる転写は、DNA鋳型からのRNAの合成を意味する。
ここで用いるプロモーターは、RNAポリメラーゼおよび転写を開始または調節 する他の因子の結合に関与するDNA領域を意味する。
ここで用いる転写開始部位は、RNAに取り込まれた最初の塩基に対応するDN Aの位置を意味する。各図に示したDNA配列においては、転写開始部位を+1 で表す。
ここで用いるTATAボックスは、各真核細胞RNAポリメラーゼ■転写ユニッ トの転写開始部位の約25塩基対上流に見られるコンサーブドA−Tリツチーセ プタマーを意味する。TATAボックスは適正な転写開始のためにRNAポリメ ラーゼ酵素を位置定めするのに関与すると考えられている。
ここで用いるターミネータ−または3′ターミネータ−は、遺伝子または転写体 の3′末端にあり、RNAポリメラーゼに転写を停止させるDNA配列を意味す る。ターミネータ−の例にはツバリンシンターゼ(NOS)遺伝子の3′フラン キング領域、およびオクトビンシンターゼ(OC3)遺伝子の3−フランキング 領域が含まれる。
ここで用いる” m h o ”は、導電率の標準単位を意味する。
ここで用いるIVTは、インビボ翻訳を意味する。
ここで用いる適切な植物材料は、特に植物プロトプラスト、植物細胞、植物カル ス、植物組織、成育中の若生植物、未成熟の全植物、および成熟した全植物を含 めたものを意味する。
ここで用いる植物プロトプラストは、植物細胞壁をもたない単一の植物細胞を意 味する。
ここで用いる植物カルスは、未分化の植物細胞塊を意味する。
本明細書および請求の範囲で用いる//実質的な配列相同Ilは、ここに開示お よび特許請求される実際の配列とわずかなかつ重要でない配列変異をもつDNA 、RNAまたはアミノ酸配列が本発明の配列と均等であり、従って請求の範囲に 含まれることを意味する。これに関してl−わずかなかつ重要でない配列変異− t(すなわちここに開示されるDNA、RNAまたは蛋白質と実質的な配列相同 をもつ配列)は本発明に開示および特許請求される配列と機能的に均等である。
機能的に均等な配列は、ここに開示および特許請求される核酸およびアミノ酸組 成と実質的に同じ組成のものを産生ずべく実質的に同じ様式で機能するであろう 。
本明細書および請求の範囲で用いる、DNA、RNA、ポリペプチドまたは蛋白 質の修飾語としてI〆実質的に純粋な・・は、このように表示されたDNA、R NA、ポリペプチドまたは蛋白質がそれらのインビボ細胞環境内から人間の努力 により分離され、この分離の結果これらの実質的に純粋なりNA、RNA。
ポリペプチドまたは蛋白質が、分離されていない不純なりNA。
RNA、ポリペプチドまたは蛋白質とは異なる様式で用いられることを意味する 。
ここで用いる作動性結合した、および機能性結合した、は互換性をもって用いら れる均等な用語である。両用語とも、結合したDNA配列(たとえばプロモータ ー、リポータ−遺伝子、およびターミネータ−配列)が作動性または機能性であ ること、すなわちそれらの意図する目的に有効であることを意味する。
言い換えると、作動性結合したまたは機能性結合したとは、個々のDNAセグメ ントが結合したのち、プロモーターにより適宜活性化されるとリポータ−遺伝子 が発現することを意味する。
ここで用いるターミネータ−配列は、RNAポリメラーゼ(すなわち転写として 知られる過程においてDNA鋳型からのRNAの合成を触媒する酵素)にDNA の転写を停止するように・・指令する一D N A配列を意味する。本発明方法 に有用なターミネータ−配列には、NOS遺伝子の3′フランキング領域および oC8遺伝子の3フランキング領域が含まれるが、これらに限定されない。
ここで用いる停止コドンは、RNA中へ転写された際にRNAから蛋白質への転 写を停止させるDNA配列を意味する。
ここで用いる人間の努力により工学的に生産された植物材料は、新規な系統を形 成するために伝統的な植物育種法ではな(近代的な遺伝子工学的方法を用いる科 学者により作り出された植物材料を意味する。工学的に生産された植物材料は/ I自然界には/I存在せず、従って天然物ではない。
ここで用いるLす〕・ター・調節されるアクチベーターFツインおよび上流ザイ Iノンイナードメインは、外的制御さねる植物プロモーター上の2箇所のヌクレ オチド配列領域を意味する。。
ここで用いるエリツタ−調節されるアクチベ・−タードメインは、外的制御され る植物ブロモ−・ター、たとえばストレス調節される植物遺伝子P 、A L、 CH8,4CI−5および細胞壁のヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質をコード する植物遺伝子からのプロモーター上の第1のヌクレオチド配列領域を意味する 。
機能により定義すると、これらのニリンター調節されるアクチベータードメイン または領域は、プロモーターを保有するプロトプラスト、植物細胞、または植物 を転写に影響を与える外的ニリンター、たとえば還元型グルタチオン、還元型ホ モグルタチオン、グルタチオンのペプチド同族体の還元型、菌類ニリンター調製 物などで処理した際に活性化される性質をプロモーターに付与する。CHSプロ モーターの場合、アクチベーター領域はヌクレオチド−29から−173に及び 、この領域は同調調節される遺伝子、たとえばP A Lおよび4CLのプロモ ーター中の類似アクチベーター領域と実質的な配列相同性をもつ。
ここで用いる上流サイレンサードメインは、外的制御される植物プロモーター、 たとえばストレス調節される植物遺伝子PAL、CH3,4CL、および細胞壁 のヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質をコードする植物遺伝子からのプロモータ ー上の第2のヌクレオチド配列領域を意味する。機能により定義すると、これら のサイレンサードメインは、このドメインを除去して機能アッセイにより活性を 分析した場合。エリ、・ター誘発された発現(プロモーター・の残りの部分1; より仲介される)が数倍増強されるはど:れらブ1コモ−クーの活性を一抑制御 ゾ’i)→づ一イレン@、I−−−ドメインはりブレンづ一囚子の結合部位を含 むことが知らt+ている。CHS−jロモー ター・の場合、サイ1/ンサー叫 ・メインまたは領域はヌクl/ A−fドー17H(から−326に及び、この 領域は同調調節されろ遺伝子、たとえばP ALおよび4CLのプロモーター中 の煩似→プ”イ1ノンザー領域と実質的な配列相同性をもつ。
ここに示される各種アミノ酸配列を構成するアミノ酸は下記の3文字または1文 字略号に従って識別される。
L−アスパラギン ^sn N L−アスパラギン酸 Asp D L−ノステイン −Cys C L−グルタミン Gin Q L−グルタミン酸 Glu E L−ヒスチノン His H L−メチオニン11etM L−フェニルアラニン Phe F L−バリン Val V ここに示される各種ヌクレオチド配列を構成するヌクレオチドは、当技術分野で ルーティンに用いられるそれらの通常の1文字表示(A、G、T、CまたはU) をもつ。
発明の要約 本発明は、刺激に応答し、それに作動性結合している構造遺伝子の転写に影響を 与える植物遺伝子調節要素を確認する方法を開示する。本発明はさらに、植物形 質特異性遺伝子調節要素(たとえばプロモーター)を外的に活性化または不活化 し、これによりそれらに作動性結合した天然またはキメラ構造遺伝子の発現また は抑制をそれぞれ増大または低下させるために使用しうる物質の確認に有用なス クリーニングアッセイ法を開示する。さらにまた本発明は、外的ニリンターによ りノ・始動/L1誘発その他の形で活性化され、または・・停止!・その他の形 で不活化されうる植物遺伝子調節配列(たとえば植物防御遺伝子プロモーター、 エリツタ−調節されるアクチベータードメイン、上流サイレンサードメインなど )を開示する。
本発明方法においては、植物遺伝子調節要素をまず確認および単離し、発現を監 視しつるリポータ−またはマーカー遺伝子少なくとも1種類に機能性結合させる 。これらの調節要素/リポータ−遺伝子構造体またはカセットを細胞内へ形質転 換し、この細胞を特定の農業用化学物質に!露した場合、リポータ−遺伝子の発 現を監視することによりその農業用化学物質が目的の植物調節要素に対して及ぼ す作用を判定することができる。
発明の説明 一観点においては本発明は、特定の形質に付随する産生蛋白質をコードする構造 遺伝子に機能性結合した植物遺伝子調節要素を確認および単離する方法よりなる 。本方法は目的とする特定の形質に付随するcDNAの確認を可能にする生化学 および分子技術の併用である。次いでこれらのcDNAが、対応する遺伝子調節 要素をケノムDNAから単離するためのプローブとして用いられる。
要約すると本発明方法は本質的に下記の工程からなる。まず2タイプの植物組織 からRN Aを採取する: (1)目的の形質を示すことが知られている?・タ イプ1 //植物組織および(2)その形質を示さないIlタイプ2/ノ植物組 織。次いで各RNAプールをインヒポで翻訳し、翻訳産物を一次元および二次元 電気泳動ゲルにおいて検査する。これらの比較分析により得たデータを用いて、 目的とする形質特異的様式で制御される構造遺伝子により転写がコードされる産 生蛋白質を確認する。目的とする形質特異的な条件下で発現−(または抑制)さ れる候補遺伝子産物が確認されると、適宜な組織より単離されたRNAからCD NAライブラリーが構成される。次いでこのc D N 、Aライブラリーを別 個に、遺伝子発現が/lオンN(//プラス・/)である時点および遺伝子発現 がl/オフttcttマイナス//)である時点からのRNAを用いて〃プラス ーマイナス〃方式でスクリーンする。目的とする形質特異的条件下で発現される cDNAを確認するためには、//プラスlRN Aにはハイブリダイズするが l・マイナス/lRNAにはハイブリダイズしないクローンを選択する。次いで これらの//プラス//またはlメマイナス〃クローンを解析して、1−Dおよ び2−D電気泳動ゲル分析により確認された候補蛋白質の特性をもつ蛋白質をコ ードするものを確認する。次いで、選ばれたcDNAを植物DNAのゲノムライ ブラリーをスクリーンするためのプローブとして用いて、そのCDNAに対応す る遺伝子に付随する遺伝子調節要素(たとえばプロモーター、エリジター制御さ れるアクチベータードメイン、上流サイレンサードメインなど)を確認する。こ れらの遺伝子調節要素が確認および単離されると、制限分析および配列決定によ りさらに解析しつる。これらの調節要素をここでは形質特異性植物遺伝子調節要 素と呼ぶ。
本発明の他の観点においては、形質特異性プロモーターおよび他の植物遺伝子調 節要素を少なくとも1種類のリポータ−またはマーカー遺伝子および少なくとも 1種類の転写ターミネータ−に作動性結合させる。こうして調製されたキメラ調 節要素/リポータ−遺伝子構造体、すなわちカセットを細胞内へ形質転換し、農 業用化学物質を形質特異性植物遺伝子調節要素に与える転写効果につきスクリー ンするために用いる。形質転換される細胞は好ましくは細胞培養によりまたは全 植物として繁殖させつる植物細胞である。形質転換された細胞調製物を農業用化 学物質と接触させ、そしてリポータ−またはマーカー遺伝子産物を直接的(たと えばルシフェラーゼ)または間接的(CAT)にアッセイする。リポータ−遺伝 子の発現は、その農業用化学物質が形質特異性植物遺伝子調節要素の転写を誘発 し、従って天然の植物に施した場合にも同じ調節要素の転写を誘発する可能性が あることを示す。従ってその農業用化学物質は目的の形質に影響を与える好適な 候補であると考えられる。
他の観点においては本発明は、キメラ遺伝子融合体が植物細胞に導入された場合 ターゲット遺伝子のストレス調節による発現を指令する、実質的に純粋な植物防 御遺伝子プロモーターからなる。これらのプロモーターには下記のものが含まれ るが、これらに限定されない:フェニルプロパノイド生合成酵素であるフェニル アラニンアンモニア−リアーゼ(PAL) 、カルコンシンターゼ(CH3)お よび4−フマレート・CoAリガーゼ(4CL)をコードする植物遺伝子のプロ モーター、ならびに細胞!のヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質をコードする植 物遺伝子のプロモーター。
他の観点においては、本発明はストレス調節される植物プロモーターの実質的に 純粋な機能性ドメインからなる。これらのドメインには下記のものが含まれるが 、これらに限定されない、フェニルプロパノイド生合成酵素であるフェニルアラ ニンアンモニア−リアーゼ(PAL)、カルコンシンターゼ(CH3)および4 −フマレート: CoAリガーゼ(4CL)をコードする植物遺伝子のプロモー ター、ならびに細胞壁のヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質をコードする植物遺 伝子のプロモーターからの機能性ドメイン。これらの実質的に純粋な機能性ドメ インには下記のものが含まれるが、これらに限定されない= (1)CHSプロ モーター中のTATAボックスとヌクレオチド−173位の間に位!するエリツ タ−調節されるアクチベーター;および(2)CHSプロモーター中の一173 位と一326位のヌクレオチド間に位置する上流サイレンサー。(ヌクレオチド の位置は第7図に示すものを意味する。)CHSプロモーターと同調調節される 遺伝子PALおよび4CLのプロモーターとの間にはこれら機能性ドメイン内の 要素間に実質的な配列相同性があり、さらにPALおよび4CLプロモーター中 の実質的に相同なドメインはCHSプロモーターの場合と同様な相対位置に配置 されている。たとえばPALおよびCHSプロモーターはサイレンサー領域に約 70%の相同性をもち、一方CH8および4CLプロモーターはTATAボック スのすぐ上流の68塩基対(アクチベータードメイン)上に70%の相同性をも ち、P A Lおよび4CLはこの同じ領域に60%以上の相同性をもつ。エド ワーズ(Edvards)ら(1985)およびクレイマー(Cra、mer) ら(1989)参照。
他の観点においては、本発明は第7図にCHSプロモーターの5−フランキング 領域中のヌクレオチド配列(242から−194)および(−74から−52) として示す2種類の実質的に純粋な配列からなる。これら2種類の配列要素は下 記のものである: (−242) ACCAATT ATTGGTTACTAAATTTA ACA GTGA ATGAATGAATGAGTTATA (−(−74)CACGT GATACTCACCTACCCTAC(−52)他の観点においては、本発明 はpCHClおよびpCHC2よりなる群から選ばれるキメラプラスミドからな る。
他の観点においては、本発明は下記よりなるキメラ遺伝子カセット(CGC)か らなる (a)フェニルプロノくノイド生合成酵素であるフェニルアラニンアン モニア−リアーゼ(PAL)、カルコンシンターゼ(CH3)および4−フマレ ート・C0Aリガーゼ(4CL)をコードする植物遺伝子のプロモーター、なら びに細胞壁のヒドロキシプロリンに富む糖蛋白質をコードする植物遺伝子のプロ モーターよりなる群から選ばれるプロモーター、ここでプロモーターは下記のも のに作動性結合している (b)少なくとも1種類のリポータ−遺伝子、および (C)少なくとも1種類のターミネーンヨン配列。本発明のこの観点において有 用なリポータ−遺伝子にはC,AT、GUS、l a C2、およびホタルのル シフェラーゼが含まれるが、これらに限定されない、有用なターミネータ−配列 にはNO3遺伝子の3−フランキング領域およびOC8遺伝子の3′フランキン グ領域が含まれるが、これらに限定されない。
新規な遺伝材料を植物に挿入するための幾つかの直接的方法がこうして得られる 。その結果本発明のキメラ遺伝子カセットは、防御能の向上したトランスジェニ ック植物系統を得たい者にとって極めて有用となろう。たとえばアグロバクテリ ウム・チュメファンエンス(Agrobacterium tumefaci、 ens)の天然遺伝子ベクター系の変形を用いて、タバコ、バレイ/ヨ、ニンジ ン、アマ、ナス、トマト、トウガラン、ヒマワリおよびアブラナ類(キャベツ) を含めた多数の工学処理による双子葉植物が効果的に作り出された。植物遺伝子 工学の技術分野の専門家は過度の経験なしにこれらの方法を用いて、遺伝子構成 の一部として本発明のキメラ遺伝子カセットを含む新規な植物系統を作り出すこ とができる。あるいは当業者はトランスジェニック植物を作り出すためのホーン ユ(Horsch)ら(1985)に記載のリーフディスク形質転換法などの方 法、または単子葉植物、トウモロコンを形質転換するために近年用いられている ロデスらの方法(Rh。
desら(1988))を用いることができる。(リーフディスク形質転換法は 本発明のキメラ遺伝子カセットを含むダイズプロトブラストおよびトランスジェ ニックタバコ植物を工学的に形成するために効果的に用いられた。) 他の観点においては、本発明は外的ニリンター物質を用いて植物防御遺伝子を活 性化することよりなる。この目的に有用な外的ニリンター物質には下記のものが 含まれるが、これらに限定されない、還元型グルタチオン;還元型ホモグルタチ オン、およびグルタチオンの他のペプチド同族体の還元型ニゲリカンエリジター 、たとえばヘキサ(β−D−グルコピラノシル)−D−グルノトール、脂質エリ ジター、たとえばアラキドン酸、糖蛋白質ニリンター、菌類ニリンター、および 非生物ニリンター、たとえば塩化第二水銀HgCl2゜外的物質により誘発され つる植物防御遺伝子には下記のものが含まれるが、これらに限定されない フェ ニルプロパノイド生合成酵素であるフェニルアラニンアンモニア−リアーゼ(P AL)、カルコンシンターゼ(CH3)および4−フマレート CoAリガーゼ (4CL)をコードする植物防御遺伝子、ならびに細胞壁のヒドロキシプロリン に富む糖蛋白質をコードする植物遺伝子。
さらに他の観点においては、本発明はストレス調節される植物防御遺伝子の転写 を誘発しつる物質を確認するためのスクリーニングアッセイ法からなる。この方 法によれば・キメラ遺伝子カセット(CGC)を適切な植物(P)から得た植物 材料中へ導入する。またこの方法によればCGCは下記のものからなる。(a) アラトリーセット1種類のストレス調節される防御遺伝子プロモーター(フェニ ルプロパノイド生合成酵素であるフェニルアラニンアンモニア−リアーゼ(PA L) 、カルコンシンターゼ(CH3)および4−フマレート: Co 、Aリ ガーゼ(4CL)をコードする遺伝子のプロモーター、ならびに細胞壁のヒドロ キシプロリンに富む糖蛋白質をコードする植物遺伝子のプロモーターよりなる群 から選ばれる)、これは下記のものに作動性結合している。(b)少なくとも1 種類のリポータ−遺伝子、たとえばCAT、IacZ、ホタルのルシフェラーゼ 、またはGUS 、および(C)少なくとも1種類の転写ターミネーション配列 、たとえばNO3またはOC8遺伝子の3′フランキング領域。CGCを含む植 物材料を次いで、ストレス調節される植物防御遺伝子の転写を誘発しまたは他の 形で活性化しつる物質の存在下に培養する。培養された植物材料をリポータ−遺 伝子配列の誘発(すなわち存在)につき監視する。リポータ−遺伝子配列の発現 を誘発しつる物質は植物防御遺伝子の発現を外的に誘発する候補であると考えら れる。これらの物質は応答性プロモーターに作動性結合した植物防御遺伝子およ びキメラトランスジエンを外的に誘発し、また植物自身の防御機構を予備活性化 するのに有用である。
本発明方法の好ましい形態においては植物材料はトランスジェニック植物全形か らなり、プロモーターはCH3および/またはPALであり、リポータ−遺伝子 はCAT、] a cZ、GUSlまたはホタルのルシフェラーゼであり、ター ミネータ−配列はNO5または○C8遺伝子の3゛フランキング領域である。
本発明の他の種々の観点は後記3種類の実験の部にさらに説明および例示される 。実験の部Iは下記の所見に関連する 還元型グルタチオン(GSH)をマメ( Phaseolus vulgaris L、 )の懸濁培養細胞に0.01− 1.0mMの濃度で施すと、フェニルプロパノイド生合成酵素であるフェニルア ラニンアンモニア−リアーゼ(PAL) 、カルコンシンターゼ(CHS)−− リグニン産生(PAL)およびファイトアレキンン産生(P AL、CH3)に 関与−一をコードするもの、ならびに細胞壁のヒドロキシプロリンに冨む糖蛋白 質をコードするものを含めた防御遺伝子の転写を刺激する。これらの遺伝子の転 写が活性化されると対応する転写体が顕著に蓄積し、これによって蛋白質合成の 全般的パターンが実質的に変化する。この変化は菌類ニリンターに応答する先の 所見に近似する。GSHは抽出性PAL活性を顕著に増大させるのに対し、酸化 型グルタチオン、グルタチオンの個々のアミノ酸成分(グルタメート、ノステイ ンおよびグリシン)、ならびに強いSH還元剤、たとえばシスティン、アスコル ビン酸およびメルカプトエタノールは不活性である。
外的GSHが防御遺伝子の活性化および対応する転写体の蓄積に与える影響は先 に菌類ニリンターによる処理後に観察されたものと質的に類似するが、本発明の 特に予想外の特色はGSHの実質的な量的効果である。たとえばP A Lおよ びCH5転写体の誘発は最適濃度の菌類ニリンターの場合より数倍増大し、かつ より持続的である。さらにGSH処理後に得られた約200μkat/kg(蛋 白質)というPAL酵素活性は、細胞懸濁培養物または池の誘発系において観察 されたもののうち最高である(ロートン(Lawton)ら、1983)。
実験の部Iに示されるように、GSHの効果は遺伝子活性化に対する選択的効果 、転写体の蓄積および蛋白質合成のいずれの点においても特異的である。さらに 酸化型グルタチオン、混合物グルタメート、エリツタおよびンステイン(グルタ チオンを構成する成分アミノ酸七ツマ−)、または他のSH試薬(たとえばアス コルベート、システィンまたはジチオトレイトール)が効果をもたないことは注 目すべきである。インビボでGSHは0.05−1.5mMの濃度において見出 される(ビーロースキー(Bielawski)ら、1986 :レネンバーグ (Rennenberg)、1982ニスミス(Smith)、1975 ;お よびスミスら、1985)。従って防御遺伝子に対する作用はGSHの生理的濃 度において起こる。
実験の部■は、微生物の攻撃に対する植物防御の活性化の基礎となる機構を解明 する試みに関する。その試みの一部として細菌のクロラムフェニコールアセチル トランスフェラーゼ遺伝子に融合したファイトアレキシン生合成酵素力ルコンン ンターゼをコードする防御遺伝子の5′フランキング領域を含むキメラ遺伝子の エリツタ−調節について研究を行った。グルタチオクトロポレートされたこのキ メラ遺伝子の迅速かつ著しい、ただし一過性の発現を引き起こした。この応答は 懸濁培養細胞における内在力ルコンノンターゼ遺伝子のものと近似していた。
さらに実験の部■に提示したデータは、CHSコード領域のすぐ上流の429b pヌクレオチド配列がエリジター物質、たとえばグルタチオンまたは菌類ニリン ターによる調節を与えるのに十分であることを示す。さらに5−欠失の機能分析 によれば、プロモーター活性は下記により決定されることが示唆された (1) 丁ATAボックスとヌクレオチド−173位との間に位置するエリジター調節さ れるアクチベーター、および(2)−173と−326の間の上流サイレンサー 。これらのcis−作動性要素は、エリノテーションノグナルの形質導入に際し て誘発性防御応答の形成を開始下べく機能する。
プロトプラスト中へエレクトロポレートされたキメラCH3−CA T −N  OS遺伝子の応答は、ニリンター処理細胞の懸濁培養物における内在染色体CH 3遺伝子のものと、誘発の動力学ならびにインデューサーとしてのグルタチオン および菌類ニリンターの相対力価に関して近似する。従ってここに記載する全植 物系は、植物防御遺伝子の発現を誘発しまたは植物自身の防御機構を予備活性化 するために使用しつる外的物質を確認するための簡便な機能アッセイ法を提供す る。さらにこの系は防御遺伝子のエリ/ター調節に関与するcis−作動性ヌク レオチド配列を分析するために有用である。
実験の部mは本発明方法を説明するものであり、(1)遺伝子転写を調節するこ とにより農業用化学物質に応答すると思われる形質特異性核酸配列を確認するた めの、次いて(2)これら形質特異性核酸配列の転写を誘発するのに有用である と思われる農業用化合物を確認するためのプロトコールを示す。示された例にお いては、被験植物はトマトであり、被験形質は果実の成熟または成育の増強また は遅延である。
当業者は以上の記載および以下の実験の部により、これ以上の詳述なしに本発明 を最大限に利用しつると思われる。実験の部に示した材料は特に指示しない限り 説明のために示したものであり、従って請求の範囲による本発明の範囲を限定す るものと解すべきでない。
レオチド配列を分析するために有用である。
実験の部■は本発明方法を説明するものセあり、(1)遺伝子転写を調節するこ とにより農業用化学物質に応答すると思われる形質特異性核酸配9)を確認する ための、次いで(2)これら形質特異性7核酸配列の転写を誘発するのに有用で あると思われ+M業用化合物を確認するためのプロトコールを示す。示された例 においては、被験植物はトマトであり、被験形質は果実の成熟または成育の増強 または遅延である。
当業者は以上、の記載および以下の実験の部により、これ以上の詳述・なしに本 発明を最大限に利用しうると思われる。実益の部に示した材料は特に指示しない 限り説明のために示したものであり、従って請求の範囲による本発明の範囲を限 定するものと解すべきでない。
実j区IW上 グルタチオンは植物防御遺伝子(plant defenseene に ・に  る はじめに グルタチオン(r−L−グルタミル−し−ノスティニルーグリシン)は広範囲な 代謝プロセスに関与する低分子量チオールである〔マイスター(Meister )等、1983年〕。
高級植物中のグルタチオンについて提案されている機能には、還元された硫黄の 貯蔵と輸送;蛋白質還元剤:葉緑体中のIt、Q□の破壊およびある一定の除草 剤と有害生物撲滅剤とを含めた生体異物の解毒がある〔エドワーズ(Edwar ds)等、1986年;およびレン享ンヘルグ(Rennenberg) 、1 982年]。
この例はビーン(bean) (フェイズオラス ブルガリス(Phaseol us vulgaris) L )の浮遊培養細胞のGSH(グルタチオンの還 元形)による処理がフィトアレキシンとリグニン生合成の防御遺伝子コード化系 の転写ならびに遺伝子コード化細胞壁HRG Pの刺激を大規模に、選択的に誘 導することを示す。
遺伝子表現パターンと蛋白質合成とに対するGSHの効果は菌エリ/ターに対す る反応と密接に類似する。
1堰、、l!U−」0七と寡夫 1立 とニリン −f′l コレトドリチウム リンデムチアニウム(ColletoLrichum1ir +dethianuw)の培養菌の供給源、維持および増殖は以前に述べられた 通りであった〔ベイレイ(Bailey)等、1971年)。
60agグルコース当I’dの菌濃度でのエリツタ−は単離された菌糸細胞壁の 熱処理によって放出される高分子量両分であった〔ラウトン(La@ton)等 、1956年〕。
権隻林料 フレンチ・ビーン(french bean) (フエイズオラス ブルガリス  L、CV カナディアン ワンダー(Canadian Wonder) ] 細胞培養物を、完全な暗所に維持した以外は、前述の通りに増殖させた。実験は 7〜10日間経過した細胞培養物で実施し、増殖培地は2.5〜2.8mhoの 導電度を示した。これは細胞培養サイクル中のエリジターに対する最大反応期間 を表す〔エドワーズ等、1985年]。
■皇皿土上立捉 PALの抽出と分析を前述の通りに実施した〔ラウトン(lawton)等、1 983年]。酵素活性の1単位(l kat)は分析条件下で1秒間に生成ll l11モルを形成するために必要な酵素量として定義される。
旦Σ人皇頂上 全細胞RNAを均質化サンプルからフェノール/ 0 、 I M T r i  5−HIJIマルジョン(pH9,0)中に単離し、既述されたように精製し た(ラウトン等、1983年)。RNAを260nmにおいて分光側光法によっ て分析した。RNAの収量は150〜250μg/新鮮組織重量gであり、A2 6゜/ A z s−比は1.8〜2.1の範囲内であった。
インビトロ 苦と二′ −〇″ 全RN Aをメツセージ依存性ウサギ網状赤血球溶解吻を用いてCl55)メチ オニン(アマーンヤム(Amershan+) j の存在下でインビトロにお いて翻訳した(ラウトン等、1983年)。#I訳主生成物第一次元でpH範囲 3]5〜10の等電点電気泳動を行い、次に10%ゲル5DS−PAGE電気床 電気行動二次元電気泳動によって分画した〔ガレルス(Garrels)、19 79年]。放射性標識したポリペプチドをフルオログラフィー(fluorog rapt+y)によって可視化した〔ボンナー(Bonner)等、1974年 ]。
RNAプロ ト バイブ1 トノ 。
全RNAをグリオキサルによって変性し、10mMリン酸塩緩衝液(pH7,0 )中の1.2%アガロースゲルにおける電気泳動によって分画した〔マノクマス ター(McMas ter )等、1977年〕。ニトロセルロースブo 7ト 〔〔トーツス(Thomas) 、1980年〕をpPAL5 (エドワーズ等 、1985年)、pCH35(ライダー(Ryder)等、1984年)、pH yp2.13とpHyp4.1 (コルビン(Cobin)等、1987年]の インサートのニック翻訳によって、ハイプリント化した。オートラジオグラフィ ー後に、特定の転写体(transcript)を走査デンシトメトリーによっ て定量した。
各プロントについて種々な期間暴露させた幾つかのオートラジオダラムを得て、 フィルム反応の直線範囲において各サンプルの定量を可能にした。
抜止ヱニiヱ紋亙 [α−”PIUTPの存在下のインビトロで完成させた核の単離と転写体分析は 既述された通りに実施した(ラウトン等、1987年)。固定化塩基配列はPA L、cDNA pPAL5(エドワーズ等、1985年);CH5,cDNA  CH3I (ライダー等、1984年)、HRGP、当量のcDNAs Hyp 2.13とHyP4.l [コルビン(Corbin)等、1987年〕であっ た。
Hlはエリツリー処理によって影響されない、構成的に転写された遺伝子からの 塩基配列を含むcDNAクローンである。
PAL、CH5およびHRGP遺伝子の転写速度の変化をH1転写速度を基準と して測定した。
鞄−一一見 五互生1■ PALはリグニンおよびフィトアレキンンを含むフェニルプロパノイド天然生成 物のL−フェニルアラニンからの生合成の第1反応を触媒する。CH3はフラボ ノイド顔料とイソフラボノイドフィトアレキソンとの形成に特異的なフェニルプ ロパノイト生合成の分枝系路の第1反応を触媒する。GSHは浮遊培養したビー ン細胞における低い基底レヘルからPALとCH5との写しの広範囲であるが一 時的な同調的蓄積を惹起した(第1図および第2図)。これらの写しの最大の蓄 積はGSHの添加の約6時間後に観察され、その後に比較的低レヘルに減少する 。GSHはHRGP転写体Hyp4.1とHyp2.13の蓄積も惹起した、こ の蓄積は菌エリジターによって誘導されることがすでに判明している(第1図) 。エリジター処理細胞におけるように、これらのHRGP転写体の蓄積はあまり 迅速ではないが、PALとCHSに関するよりは持続した。lO〜100μM範 囲のGSH濃度はPAL、CH3,Hyp2.13およびHyp4.1転写体の 蓄積を菌エリジターの最適濃度によって観察されるレヘルに匹敵する以上にまで 惹起した(第3図)。
藍亙五立止 低い基底レヘルからの防御遺伝子転写体の明白な蓄積は、GSHがこれらの遺伝 子の転写を刺激することを示唆した。PAL、CH5およびHRGP遺伝子転写 に対するGSHの効果を、GSH処理後の種々な時間において細胞から単離した 核によってインビトロで実施した転写体分析によってモニターした。核の単離お よびラン−オフ転写分析の特性化は既述されている(ラウトン、1987年)。
cDNAクローンH1はエリジター処理によって影響されない豊富な転写体に相 補的な塩基配列を含む。内部対照としてのH1遺伝子の構成転写と比べて、GS HはPAL、CH5およびHPGP遺伝子の転写を明白に刺激した(第4図)。
人 のバ −ン 全細胞RNAの翻訳によってインビトロで合成されたポリペプチド生成物の二次 元遺伝子電気泳動分析によって、蛋白質合成の総合パターンに対する影響を調べ た(第5図)。この判断基準によると、GSHは非処理対照細胞に比べて蛋白質 合成のパターンに大きな変化を惹起した。このように、GSHはPALとCH3 のイソポリペプチド(isopolypeptide)のセントを含めた多数の ポリペプチドの合成を明白に刺激した(第5図)。
蛋白質合成のパターンに対するGSHの効果は菌エリジターによる同等細胞の処 理後に観察された効果に近似した。しかし、この他に、GSHはその表現レヘル が菌エリジターによって殆んと影響されない4種類のポリペプチドの合成を顕著 に刺激した(第5図)。GSHと菌エリジターとを同時に添加すると、蛋白質合 成パターンはGSH単独と同様に変化した。
と GSH処理は抽出可能なPAL活性レヘしを顕著にかつ持続的に増加させた(第 2図)。活性が最も迅速に増加する相はC3H添加の3〜8時間後に生じ、PA L転写体の最大蓄積のタイミングと密接に相関した。同様に、8時間後のPAL 酵素活性の誘導に関する用量−反応はPAL転写体の蓄積に関する用量−反応と mイ以し、10μM程度の低いGSHI度においても明白な効果を示した(第1 表)。PAL酵素活性のGSH刺激はこの糸路を通るフランクス(flux)を 増加させ、フィトアレキシン最終生成物のフエイズオリンを知覚されうるほとに 蓄積させた(データ示さず)。GSHはフェノール系物質の蓄積の特徴である細 胞の存意な褐変(browning)を惹起した。
旦Σ且皇詩異性 抽出可能なPAL酵素活性の誘導をパラメーターとして誘導して、C3H効果の 特異性をモニターした。csscは1mMの濃度ではPAL活性をごく弱(刺激 したにすぎず、O,in M以下の濃度では、グルタチオンの酸化形は有意な効 果を示さなかった(第6図)。さらに、アスコルベート、ンステインまたはグル タメート/グリシン/ノステインの混合物による細胞の処理は抽出可能なPAL 活性を増加させなかった(第2表)。ジチオスレイトールも同様にPAL活性を 誘導しなかった(データこの例で示されたデータは、外因性GSHが防御遺伝子 の特異的活性化と対応転写体の蓄積とを含めて、浮遊培養ビーン細胞での遺伝子 表現と蛋白質合成パターンとを最大に変化させることを実証する。これらの効果 は菌エリジターによる処理後に既に観察された効果を質的に類似しているが、特 に印象的な特徴はGSHの大規模に量的な効果である。従って、PALおよびC H3の転写体の誘導は菌エリジターの最適濃度によるよりも数倍大きくかつ持続 的になる。さらに、GSH処理後に得られた約200μkat/蛋白tbのPA L酵素活性は細胞浮遊培養またはその他の誘導系で我々が観察した最高の活性で ある(ラウトン等、1983年)。
GSHの効果は遺伝子活性化、転写体蓄積および蛋白質合成に対する選択的効果 と、他の還元剤、構成アミノ酸またはグルタチオン酸化形の効果の欠損との両方 に関して特異的である。
インビボでは、GSHは0.05〜1.5mMの範囲内の濃度で検出される〔ビ ラウスキイ(Bielawski)等、1986年;レンネンベルグ(Renn enberg) 1982年;スミス(Smith)、1975年;およびスミ ス等、1985年]、それ故、防御遺伝子に対する効果はGSHの生理的濃度に おいて生ずる。しかし、ビーンおよび大豆を含めた、ある種のマメ科植物では主 要な遊離低分子量チオールはT−L −クルタミルーL−システイニル−β−ア ラニン(ホモグルタチオン)であり、グルタチオンはごく痕跡量である〔プライ ス、1957年]。
2皿夏脱所 裏狂夏皿上 第1図、GSH(1mM)に反応した防御遺伝子の蓄積。
第2図、 GSH(IIIM)に反応した、(A)PALおよびCH3の転写体 と(B)PAL酵素活性との誘発の動力学。無地印:対照;充実印:C;SH処 理;PAL(無地用と充実用);CH5(無地方形と充実方形)、パネル(B) では、点線はPALmPNAレヘルの変化を表す。
第3図 GSHによる防御遺伝子転写体の誘発に関する用量−反応。E−C0H gグルコース当量/ldの最終濃度におけるニリンター。
第4図、防1n遺伝子の転写に対するGSHの効果、GSH処理の1.75時間 後の細胞からまたは同等の非処理対照細胞から核を単離した。
第5図、蛋白質合成パターンに対するGSHの効果。
(A)対照の非処理細胞または(B)GSH(1mM); (C)菌エリジター (60t!g/グルコース当量戚);および(D)GSHフ゛ラス菌エリツタ− による処理から4時間後の細胞。パネルBでの無地矢印はC3Hと菌エリジター との両方によって誘発された種を意味する;充実矢印は菌エリジターではなくG SHによって誘発された種を意味する; “P”はPALサブユニットを意味す る: “C″はCHSサブユニットを意味する。”IEF’“は第1次元におけ る等電点電気泳動を意味する; “SDS PAGE″ ;第2次元における5 DS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動を意味する。
第6図・G55G:1mM(充実三角形、先端上向き);0.1澤M(充実三角 形、先端下向き) ;0.01mM (充実用);対照(無地方形)によるPA L活性の誘発、csscによる誘発を0.1mMGSH(無地用)による誘導と 比較した。
−Jし− 1肩m−上 策土表 抽出可能なPAL活性レベルに対するGSI(の効果に関する用量反応 エリジターは60ugグルコース当量/dの濃度で供給した。
総ての化合物はO,1mMの濃度でテストした。
実1μ針囮−」− エレクトロポレートされた(electroporated )原形質体にお6 る パ −10モー −の工tンター富はしめに 植物の微生物の作用に対して、抗生物質の合成、溶解酵素の刺激、および細胞壁 の強化によって反応する〔ダルヴイル〔[]awvi11)等、1984年;ノ キソン(1)ixon)等、1983年:ジキソン(Dixon)等、1986 年;エヘル(Ebel) 、1986年]。これらの防御は菌細胞壁からのグリ カンおよび糖蛋白質エリツタ−ならびに培養液または例えばアラキドン酸および グルタチオンのような代謝産物によっても誘発されうる〔ダルヴイル等、198 4年;ジキソン等、1983年:ジキソン等、1986年;エベル等、1986 年;実験の項Iおよびヴインゲート(Wingate)等、1988年〕。
エリジター、創傷または感染はこれらの防御の励起に関係する遺伝子の転写を迅 速に刺激する実験の項■およびヴインゲート等、1988年;チャペル(Cha ppell )等、1984年;クレイマー(Craser)等、1985年a ;ソムジノヒ(SomIls ich )等、1986年;ラウトン等、198 7年;およびヘトリック(Hedrick)等、1988年〕。
抵抗機構(resistance mechanism)の活性化におけるこの 初期の事象を研究するために、細菌クロラムフェニコールアセチルトランスフェ ラーゼ(CAT)遺伝子に融合した防御遺伝子コード化カルソンシンターゼ(C H3)の5′−フランキング領域(flanking region)と、ノバ リンンンターゼ(NO5)遺伝子の3′−フランキング領域とを含むキメラ遺伝 子のエレクトロボレートされた大豆原形質体における表現を研究した。
CH5は4−フマロイルCoAと、マロニルCoAからの3アセテ一ト単位との 縮合を触媒し、ナリンゲニンカルコンを形成する。これはマメ科植物におけるイ ソフラボノイドフィトアレキノン抗生物質および高級植物に偏在するフラボノイ ド顔料の合成に特異的なフェニルプロパノイト代謝の分枝(branch)にお ける第1段階である〔ジキソン等、1983年、ホールブロック(Hah 1b rock)等、1979年〕。エリジターは5分間以内にビーン細胞中のCH3 転写を刺激し、CH3mRNAの一時的蓄積を生しさせ、これはフィトアレキシ ン合成の開始と相関して、3〜4時間後に最大レヘルに達した(クレイマー等、 1985年a;ラウトン等、1987年:およびライダー等、1984年)。
この例は、ビーン病原菌コレ 1チウム !ンー゛ムチアニ旦(@ニリンター) の菌糸細胞壁から熱放出される高分子量物質のグルタチオンまたは菌エリジター 調製が大豆原形質体にエレクトロポレートされるキメラCHS −CA T − N OS遺J云子を迅速に顕著に、但し一時的に表現させることを示す。CH3 −CAT−NO5遺伝子の反応はエリジター処理細胞浮遊培養物中の内因性CH 5遺伝子の反応に密接に類似する。データは、CHSコード領域の直接上流にお ける429bpヌクレオチド配列が例えばグルタチオンまたは菌エリジターのよ うなニリンター11ff譬による調節を受けるために充分であることを示す。5 ′欠損の機能分析によると、誘導可能な防御の形成を開始させるだめの導出シグ ナルの導入(transducion)はTATAボ、クスと−173との間に 存在するエリジター調節活性剤および−173と−326の間にある上流サイレ ンサーに関係する。
の ・ と ゛ プラノJL口l衣 pDO400は既述されたカリフラワーモザイクウィルス(CaMV)35Sプ ロモーター構成PD○432と同しである[オウ(0−)等、1986年]、但 し大腸菌(Escherichia coli)クロラムフェニコールアセチル トランスフェラーゼ(CAT)遺伝子Cアルドン(A l ton)等、■97 9年〕がpDO432のルンフェラーゼレポーター遺伝子に替る。pcH515 はりポプローブヘクターpSP64にサブローン化された全長CH315遺伝子 とフランキング塩基配列とを含む2.1kb Hind[[lヱ五ヱ1土立スブ ルガリス ゲノム フラグメントから成る(ライダー等、1987年)、pcH c+では、CH315の5′−非翻訳配列を含む429bp I(inf Iフ ラグメントがpDO400の35S転写体プロモーターに替る。
pCH(JはPDO400の旧ndlI[/Xba f Ca M V35Sプ ロモーターフラグメントをpUcffi9の旧ndl[[/Xba Iポリリン カーフラグメントに替えて、pcNlooを形成することによって構成された。
pcNlooをS a / Iによって消化し、フレノウ(l[Ienow)  D N AポリメラーゼとdNTPとによって充てんし、その末端がフレノウ充 てんによって同様にプラントになったpCH315の425bp Hinf I フラグメントのプラント末端結合に用いた。この構成を変性2重鎖プラスミドの M13逆プライマー〔チェノ(Chen)等、1985年)によるジデオキシ連 鎖停止反応〔サンガー(Sanger)等、1977年)によって塩基配列した 。
pCH(Jを旧nd[[により消化させ、その後にエキソヌクレアーゼ■と緑豆 (sung bean)ヌクレアーゼ処理を行うことによって、欠失変異体を構 成した〔ヘニコノフ(Henkoff)、1984年]。
Xba I消化後に、欠失プロモーターフラグメントを低融点アガロース上で精 製し、Pstl(Tnポリメラーゼ充てん)/XbaIカントpcN100に結 合させた。上述のように配列を形成することによって正確な終点を決定した。ネ ズミ ヒストンH4遺伝子のプロモーター領域からの235bp EcoRJ  /Pvu IIフラグメント[セイラーーツインズ(Seiler−Tuyns )等、1981年]をEcoR[/SmQ1カットplB+24(pCU誘発フ ァージミイドヘクター)にクローン化することによって、p HCN +を構成 した。この構成体をさらにEcoRI /Xba Iによって開裂し、旧ndl [[/Xba I消化pcN100にplB+24からの全EcoRl /旧n dl[lポリリンカーと共にサブクローン化した。
厘遭]し11版 ビーン(フェイズオラス ブルガリス L)、大豆〔グリシン マックス(Gl ycine wax) L )およびタバコ〔ニュチアナタハクム(Nicot iana tabacum) L ]細胞の浮遊培養物の起源と維持は上述の通 りであったが、この場合には細胞をふるい分け(250ミクロンメンシュ)によ って回収し、新鮮な維持培地に7日間隔で移した〔クレイマー等、1985年b ;年上;ノルマン100−中で暗所の27°Cにおいて4時間振とう(90rp m)することによってインキュベートした〔フロム(Frosn)等、1985 年]。
原形質体をふるい分けと室温での70Xgにおける5分間の遠心とによって細胞 デブリから分離した。エバンスブルー(Evansb’1ue)による染色によ って生存度(viability)を測定し、原形質体を5 XIO”/dに調 節した。原形質体をエレクトロポレーシジン培地(フロム(Fro■)等、19 85年]中で2回洗浄してかみ用いた。
原形質体単離の3時間後にエレクトロポレーションを既述すれた通りに(フロム 等、1985年)、250Vの最適パルスによってl(1wsec間実施した。
他に述べないかぎり、試験梼成体DNA30pgをキャリヤーとしてのウシ胸腺 DNA50.gと共にエレクトロポレートした。原形質体を0,3Mマンニトー ル含有維持培地6社中で攪拌せずに27°Cにおいて暗所に維持した。第8図パ ネル(A)に示した実験では、原形質体をエレクトロポレーションの8時間後に 分析のために回収した。他のすべての実験では、原形質体をエレクトロポレーシ ョン後21時間インキュベートしてから、−1彰二り上」二りり罠、−」」こデ ヌ、+7三り久脇工の菌糸細胞壁から熱放出された菌エリジター調製物(菌エリ ジター、クレイマー等、1985年b)またはグルタチオン(実験の項Iおよび ヴインゲート等、1988年参照)を0.3Mマンニトール含有維持培地に加え て、それぞれ60μgグルコース当it/dおよび/ m Mの最終Ifを得た 。対照原形質体には等量の0.3Mマンニトール含有維持培地を加えた。原形質 体を遠心分離によって回収し、抽出物を既述されたように(フロム等、1985 年)基質〔l4C)クロラムフェニコールの転化のラジオメトリー測定によって CAT活性に関して分析した。反応生成物を1Nクロマトグラフイーによって分 離し、オートラジオグラフィーによって可視化し、ジンチレーンコン計数によっ て定量した。蛋白質をブラッドフォード処理(ブランドフォード、1976年) によって分析した。典型的なCAT分析は基質の1,000〜5.000cpm のアセチル化生成物への転化を生した、蛋白質5μg含をサンプルの37°Cに おける3時間のインキュベーションを含んだ。
且五へ公捉 原形質体(3XIO’)を0.01%SDS含有0.IM Tris−HCl( p)19.0) 100uf中に再懸濁した。フェノールとクロロホルムとによ る抽出後に、0.3M酢酸ナトリウム存在下で2倍量の95%エタノールによっ て、上清を沈殿させた。RNAをさらに処理し、既述されたように〔クレイマー 等、1985年b]ノりン プロット ハイブリッド化方法によって分析した。
ハイブリッド化プローブは二ツク翻訳によって標識した大腸菌CAT遺伝子配列 (アルドン等、1979年)を含む0.8kb Bamt(IフラッグメンCH 37’ロモーター機能を分析するために、クロラムフェニコールアセチルトラン スフェラーゼ(CAT)のコード塩基配列と融合したCH3I5遺伝子の5′− フランキング領域と、ツバリン ジンダーゼ(NO3)の3′−フランキング配 列とを含むキメラ遺伝子の表11J(第7図)を、浮遊培養細胞がら誘導された 原形質体へのエレクトロポレーション後に検査した。CH315はビーンゲノム 中の6CI(S遺伝子であり、主要なニリンター誘発CH3転写体をコード化す る(ライダー等、1987年)。
キl ラCH5−CAT−NO5遺伝子構成体pcHclは転写開始部位から上 流の326bpと転写リーダー配列の103bpがら成るCH3I5の5′非翻 訳ヌクレオチド′配列の429bpを含む〔第7図〕。
パセリに関する最近の報告(ダングル等、1987年)と同様に、ビーンおよび 大豆の原形質体は内因性防御遺伝子によってコード化される転写体の蓄積とフェ ニルプロパノイド生成物の出現とに関して、それらが誘発された浮遊培養細胞と 同様にニリンターに反応する(データ示さず)、シかし、エレクトロポレートさ れたビーン原形質体はタバコ原形質体と大豆原形質体とに比べて、CH3−CA T−NO3遺伝子の低い生存度と弱い表現とを示したにすぎない(第8図)。ビ ーンに密接に相関する後者は、エリジター調節研究の主要な焦点であった。
内因性エリジターと、原形質体調製中に放出される他のストレス要素による誘発 を最少にするために(ダングル等、1987年;およびミース(Mieth)等 、1986年)、新たに単離した原形質体をエレクトロポレーションの前3時間 と励起(elicitation)の前にさらに21時間インキュベートした。
グルタチオンを添加した後、3時間以内にCAT活性レベルの明白な増加が観察 されたが、非処理対照では、この期間にCAT活性の有意な変化は無かった(第 8B図)。プローブとして二ツク翻訳したCAT遺伝子配列を用いたノザン プ ロット ハイブリッド形成は、CAT活性のグルタチオン刺激がCAT転写体の 誘発を生じたことを寞証した(第9図)、これによって、CAT活性の誘発をC H3−CAT−NO3遺伝子の転写と相関づけることができた。対照的にグルタ チオンはCAT−NOSレポーター 力セントと融合したネズミ ヒストーンH 1遺伝子のプロモーターを含むキメラ遺伝子によってエレクトロポレートされた 原形質体におけるCAT活性を調節しなかった(第8B図)。
原形質体調製の種々なサンプルを独立的にエレクトロポレートし、誘発した場合 に、CH3−CAT−NO3It伝子の反応は非常に再現可能であった(第8B 図)、キメラ遺伝子30〜50μgによって最適エリジター調節が観察された( 第10図)。多量の構成体のエレクトロポレーションは対照原形質体中に高レベ ルの表現と、グルタチオンによる対応して弱い調節とを生した。
菌エリジターはキメラ遺伝子の表現をも誘発したが(第8C図)、浮遊培養細胞 中の内因性CH3遺伝子によると同様に、反応はグルタチオンによるよりも幾ら か弱かった(実験の項【とヴインゲート等、1988年参照)。
CH3−CAT−NO5遺伝子はグルタチオン添加の3時間後に最大レベルで一 時的に表現されたが、6時間後には比較的低レベルにまで衰退した(第8D図) 。グルタチオンが存在しない場合には、この期間にCAT活性の誘発は見られな かった。
キメラ遺伝子もタバコ細胞に由来する原形質体中にエレクトロポレートされる場 合に、グルタチオンによって調節されたが、この反応は緩慢であり、最大CAT 活性は6時間後であった。
これらの自動力力学は原形質体が由来する各浮遊培養細胞中の内因性防御遺伝子 の表現の動力学に密接に類似した(ライ゛ダー等、1984年;グラブ(Gra b)等、1985年;バーン(Hahn)とラム(Lamb)未公開観察]。
これらのデータは、CH315の−326までの塩基配列がグルタチオンまたは 菌ニリンターによる調節を受けるために充分であることを示した。−′326か ら−173までの欠損は外部刺激を与える前の大豆原形質体におけるCAT活性 の基底レベルを増加させ、さらにグルタチオンに対する反応を明白に増強させた (第11図)。これに反して、−130までの欠損は基底表現と誘発表環レベル の両方を全プロモーターによって観察されたとほぼ同し各レベルにまで低下させ た。−72までの欠損はグルタチオン処理原形質体における表現を非刺激対照原 形質体に観察される基底レベルにまで低下させた。グルタチオン調節を無効にす るこの欠損はこの過渡分析における誘発の特異性に関する付加的な内部対照を形 成する、これはこの構成体においてCHSプロモーター配列の代りにm能的TA TAボックスに隣接したヘクター配列が用いられるからである。TATAボック ス(−29〜−21)を除去する−19までの欠損は対照とグルタチオン処理の 両原形譬体におけるキメラ遺伝子の表現を完全に破壊した。
5′欠損は、菌エリジター調製による誘発に対して同様な相対的効果を示した( データ示さず)。従って、−173までの欠損は同様に菌ニリンターに対する反 応を増強させたが、この強化誘発はグルタチオンに反応して同し構成体によって 得られた誘発よりも幾らか弱かった。グルタチオンに関すると同様に、−136 および−72までにさらに欠損すると、菌エリジターに反応も徐々に低下した。
考−一一察 本発明のデータは、CHSプロモーターかエレクトロボレートされた原形質体に おける例えばグルタチオンおよび菌エリジターのようなニリンターSXによって 明らかに調節されることを示す。他の過渡表現系におけると同様にCH3−CA T−NO3遺伝子が染色体DNA中に挿入されないこと、および我々の実験がプ ラスミド由来遺伝子の表現をモニターすることが考えられる。しかし、原形質体 中にエレクトロボレートされたキメラCH3−CAT−NO3遺伝子の反応は、 誘発の動力学と誘発剤としてのグルタチオンおよび菌ニリンターの相対効力とに 関して、エリツタ−処理細胞浮遊培養物中の内因性染色体CH5遺伝子の反応に 密接に類似する。従って、ここに述べる原形質体系は防御遺伝子のエリジター調 節に関与するcis−作用性ヌクレオチド配列を分析するための便利な機能的ア ッセイを提供する。さらに、キメラプロモーター/遺伝子融合を含む植物細胞遺 伝工学的に処理することが現在可能であるので、例えば本発明の外因的に誘発可 能な植物防御遺伝子プロモーター/構造遺伝子ターミスイター力セント(CGC )のようなキメラ「カセット」は今や多様なを用植物中に導入可能である。一般 的に、キャブラン(Caplan)等、1984年;ホーシs (Horsch )等、1985年;およびローデス(Rhodes)等、1988年参照。
複合した5’ CHS欠t、!(nested s’ CHS deletio n)のセットによる初期研究によると、−173より下流にニリンター調節アク ティベーター要素が存在する。 −130までおよび−72までの5′欠損は基 底表現の上昇によるのではな(誘導の抑制によってエリツタ−調節に影響するの で、このアクティヘーターはポジティブなcis作用性要素であるように思われ る。この機能分析はCH3遺伝子におけるDNアーゼI消化に対して過怒受性の 座位パターンと一致する〔エム、エイ、ラウトン(門、^几awton)とシー 、ジヱイ、ラム(C,J、La+sb) 、非公開]。調節蛋白質の結合に関連 したクロマチン構造の局部開口を意味するこのような3座位は、対照細胞からで はないニリンター処理細胞からの核のプロモーターの近位領域(proxima l region)において検出される。対照的に、上fL’pH域の座位は非 誘発細胞および励起細胞からの核における顕著なりNアーゼI過感受性を示す。
TATAボ、クスと−130との間の塩基配列は例えばグルタチオンまたは菌ニ リンターのようなエリジター物質による調節のために必要かつ充分であるので、 上流配列は表現を調節するように思われ、−173までの配列が存在する場合に は最大の誘発が得られる。このことは同しtrans作用性因子または、下流要 素とは異なる−173〜−130の独立的調節要素と相互作用する多重cis作 用性配列の存在を表すと考えられる。この代りに、−173〜−130のヌクレ オチド配列の欠損はこの領域に存在するtrans作用性因子とcis作用性因 子との結合の破壊によるのではなく、−130より下流での活性剤要素への転写 因子の結合を調節するクロマチン構造に対する間接的効果によって遺伝子表現に 影響を与えると考えられる。
クロマチン構造の同様な間接的再配列も同様に、−326〜=173の欠損によ って観察された表現強化の原因になると考えられる。しかし、この表現強化は− 326〜−173の間に存在する不連続なcis−作用性サイレンサー要素(s ilencer eles+ent)の除去を表すと考えられる。この領域への 核因子の特異的結合が最近検出され、さらにtransの推定サイレンサー要素 と完全なCH5−CAT−NO5遺伝子(pcHcl)との同時エレクトロポレ ーシヨンは、おそらく対応trans−作用性リプレノサすの結合との競合によ って、表現を顕著に刺激すると考えられる(ラウトン等、1988年)、?3[ 合した5′欠損の機能分析は推定サイレンサーがエリジター調節されるか否かを 示唆しないが、ポジティブなエリジター調節要素とネガティブなエリツタ−調節 要素との間の相乗的相互作用が迅速で顕著な一過性遺伝子活性化のもっともらし い、「ゲイン(gain) 」機構を提供すると考えられる。
CH3の5′フランキング領域における2個の配列要素−242〜−194と− 74〜−52(第7図)は同調的に調節される遺伝子コード化フェニルアラニン アンモニア−リアーゼ(PAL)すなわちフェニルプロパノイド生合成の第1酵 素のプロモーター中に強度に維持される(クレイマー等、非公開観察)。PAL プロモーター中に同し様に配列されるこれらのモチーフはサイレンサー機能およ びアクティヘーター機能にそれぞれ関係すると考えられる。点突然変異とキメラ プロモーターとの分析はサイレンサーとアクティヘーターの塩基配列要素をより 正確に定義し、エリジター調節におけるサイレンサーの機能を明確にすると考え られる。実験の項Iに開示した研究は、グルタチオンと菌エリジターとが遺伝子 表現パターンと蛋白質合成とに対して殆んど同じ質的効果を及ぼすことを示した (ゲインゲート等、1988年も参照のこと)、ここで実験した5′欠損はグル タチオンおよび菌ニリンターによるffl!fJに対して同様な効果を有するが 、CHSプロモーターをさらに分析して、これらの2種類のエリジターから生ず るソゲナルの変換に同しcis作用性要素が関与するのかどうかを知ることはか なり重要であると考えられる。
原形質体中に導入された遺伝子の表現が幾つかの場合に実証されているが、外部 原因に反応した適当な調節についての今までの唯一の報告は酸素欠乏によって誘 発される、エレクトロボレートされたトウモロコシ原形質体におけるキメラアル コールデヒドロゲナーゼI (ADHI)−CAT−NO3遺伝子の刺激である (ヴアルカー(Walker)等、1987年)。例えばADHIとCHSのよ うなストレス誘発遺伝子活性化のシグナル変換機構は原形質体の単離および培養 中も機能的であると考えられる。ニリンターに対する反応は非常に迅速であるの で、微生物認識と防御遺伝子活性化との間のシグナル変換系路はごく少ない段階 を含むにすぎないと考えられる。従って、ここで確認された、cis作用性要素 と相互作用するtrans作用性核作用性分因子、植物防御の誘発の基礎をなす 反応−結合機構の解明に手がかりを与えると思われる。
区皿立設所 1辰少里−■ 第7図、(A)CH3−CAT−NO3構成体の構造および欠失変異体。(B) CHS15プロモーターのヌクレオチド配列およびCAT融合接続。図示した制 限部位は次の通りである二B=BamHI ; H3=tlindI[[; H f =Hinfl ; K=Kpn l ;R−EcoRI ; X=Xba  l ; X2=Xho U。欠失変異体は矢印によって示す。TATAボックス はアンダーラインを施す。エリツタ−誘導ビーンPAL遺伝子のプロモーター中 に維持された塩基配列はオーバーラインを施す。
第8図、浮遊培養細胞に由来する原形質体にエレクトロボレートされたキメラC H5−CAT−NO5遺伝子の表現。
(A)ビーン、大豆およびタバコ原形質体中の表現の比較;(B)大豆原形質体 中のCH5−CAT−NO3とH,−CAT−NOSキメラ遺伝子の表現に対す るグルタチオンの効果;(C)菌細胞壁エリジターとグルタチオンとによる誘発 の比較:(D)大豆およびタバコ原形質体におけるグルタチオン誘発表現の時間 経過。
CAT−確実な細菌CAT酵素、T=タバコ;B−ビーン;S−大豆;SC−エ レクトロボレートされた遺伝子を含まない大豆原形質体、G=グルタチオン処理 から3時間後の原形質体;E=菌エリジターによる処理から3時間後の原形質体 ;C=同等の非処理対照原形質体。充実矢じりは主要なCAT生成物3−アセチ ルクロラムフェニコールを意味する。
第9図、CH5−CAT−NO3遺伝子を含む、エレクトロボレートされた原形 質体におけるCAT転写体の蓄積とCAT活性との相関関係。上部バ名ル: C AT配列とハイブリッド形成した、(C)対照原形質体からまたは(G)グルタ チオン処理から3時間後の等両の全細胞RNAのノザンブロント。下部パネル: 等しい原形質体の抽出物からのCAT活性。
第10図、エレクトロボレートされたキメラ構成体の量の関数としての基底レベ ル表現に比べた、CH5−CAT−NO3のグルタチオン誘発。
第11図、大豆原形質体にエレクトロボレートされたCH3−CAT−NO5遺 伝子のグルタチオン調節に対する5′−欠失の効果。プラス(+):グルタチオ ン添加から3時間後;マイナス(−):同等の非処理対照。5′−欠失の構造は 第7A図に示す。エラー バー(error bar)は独立レプリケート間の 標準偏差を示す。
1眉f 本発明の詳細な説明するために、この例は、(1)遺伝子転写を調節することに よって農業用化学物質に反応すると思われる特徴−特異的な核酸配列を確認する ためのプロトコール;および(2)これらの特徴−特異的な核酸配列の転写を誘 発するためにを用な農芸化学用化合物を確認するためのプロトコールを開示する 。説明において、試験植物はトマトであり、試験特徴は果実杭底または発生の強 化または遅延である。
1、発育UR1Ii剤(developmental regulatou)に 反応するトマトcDNA 切し るル 上述したように、下記プロトコールを用いて、果実の成熟または発育を強化また は遅延させるための農業用化学物質の特異性の試験に有用な組換え構成体を開発 する。
A、 口 と RNAi 11 1、 標的トマト種から根、葉、幹および果実組織を幾つかの発育段階中に回収 した6回収&ll織を、ドライアイス中で輸送し、−70°Cで貯蔵する前に液 体窒素中で迅速凍結した。
ドライアイスによる初期冷凍はRNAの分解を阻止しない(skin)と種子を 除き、まだ凍結状態のトマト組織を液体窒素の存在下で微粉状に粉砕した。
3、組織粉末からブロティナーゼに処理と、フェノール/クロロホルム抽出とを 用いて全RNAを抽出した。塩化セシウム勾配とミニゲルとをランして、RNA の完全性を評価した。ポリA゛画分を全RNAから塩化リチウム沈殿と次にオリ ゴd (T)カラム(Oligo d(T) column) ヘの通過を実施 することによって単離した。
B、L れた の 切 4、トマト組織の種々な発育段階からポリA″RNAを単離しく上述のように) 、これに対してインビトロ翻訳処置(IVT)を実施した。翻訳混合物はウサギ 網状赤血球熔解物、塩、アミノ酸混合物、タレアチンホスフェートおよび” 5 −setから成った。処1はプロメガ バイオチック(Prosega Bio tec) 、ウィスコンシン州マジソンから提供されたプロトコールに述べられ た通りに実施した。
5、次にIVT翻訳生成物を柵!1!電気泳動法によって、12.5%1次元( 1)ゲル上でランした。このゲルをオートラジオグラフィーフィルムに暴露させ 、適当な時間(約20時間)後に、フィルムを現像した。
6、 種々な翻訳生成物のゲルバンド形成パターンを比較し、相異を記録した。
mRNAに対応する次のような翻訳生成@!I : (1)ある組織には非常に 多く含まれるが、他の&[l織には存在しない(&lI織特異性)翻訳生成物; (2)ある発育段階には多く存在するが、他の発育段階には少ないかまたは存在 しない(発育的に1J41!Ilされる)および/または(3)全ての発育段階 に存在する翻訳生成物を確認することが可能である。
約38.5KDの蛋白質に相当する翻訳生成物は果実の発育が進行するにつれて 、豊富に存在することが判明した。従って、これは発育化学物質用のアグリケミ カルスクリーンの開発に用いるための可能なマーカー蛋白質とみなされた。
幾つかの蛋白質ハンドはあらゆる組織中に、かつあらゆる発育段階に認められた 。このような蛋白質は対照として有用である、すなわちこれらのマーカーは発育 のための農薬の投与によって影響されない。
7、 種々なトマト組織と発育段階との間の蛋白質パターンに認められる相異を さらに充分に分析するために、TVT翻訳生成物の一部を二次元(2D)ゲル上 でランした。この処置はIDI白譬帯をそれらの固有の、個々の蛋白質成分に分 離した。IDゲルによると同様に、2Dゲルパターンを相互に比較し、類似性と 差異とを記録した。2Dゲルパターンのコンピューター補助分析を用いて、正確 で適切な比較を促進した。2Dゲル分析は約38.5KDの蛋白質が果実の発育 の後期に現われることを実証し、アグリカルチャー試験スクリーンにおけるマー カーとしてのその可能な使用を支持した。それ故、全組織中に残留した約44K D蛋白質の蛋白質を構成対照マーカーとして標識した。
C,cDNAとして テマーカーを るためのトマトcDNA−イブ−] 8、 発育の中間段階にあるトマト果実からポリA″RNAを調製し、(上記の ように)評価した。第−鎖cDNA反応(the first 5trand  cDNA reaction)はSlヌクレアーゼを用いて完成させた。第二鎖 合成はDNAポリメラーゼと逆トランスクリプターゼとを用いて完成させた。
9、 二重鎖cDNAがC−末端を有するようにし、G−末端pBR322に挿 入して、トマト果実c DNAライブラリーを形成した。
D、″マーカー”c DNAクローンのスクリーニング iおよグ車蓋 10、このcDNAライブラリーを果実の早期および後期発育段階からのRNA によってスクリーニングした。
この示差スクリーニングは、発育の後期に表現されるが早期には表現されない蛋 白質を表示するようなりローンを検出するために実施した(これらは“後期″R NAプローブとハイブリッド形成するが、“早期”RNAプローブとはハイブリ ッド形成しない)。
a、早期(ビグリーン)組織と後期(3#中間)組織がら、スクロース勾配分画 のためのポリ(A)RNAをiJ製するために充分な量で全RNAを調製した。
b、ポリ(A)RNAを選択した。
C,スクロース勾配上で早期および後期RNAを分画した。
d、RNA画分を勾配を通して翻訳しくIVT)どの百分が約38.5蛋白質お よび約44KD蛋白質をコード化するmDNAに多く含まれるかを決定した。
e3選択された勾配画分からのRNAを”p−ATpとのポリヌクレオチドキナ ーゼ反応によって標識した。
f、果実発育の早期または後期段階から分画した、キナーゼ標識RNAによって 、c DNAライブラリーを検査した。
g、異なるRNA調製物には異なるハイブリッド形成を示したクローンを選択し く従って、発育調節を示唆する)、異なるRNAJ製物に対して充分に等しくハ イブリッド形成を示したクローンを選択した(従って、構成表現を示唆する)。
E、マーカーc DNA 11、クローンをインサートサイズと塩基配列相同関係に関して特性化した。
a、これらのクローン配列をノザンゲル上でmRNA種との相同関係に関してテ ストした。
b、上記段階4(項IB、段階4)での研究のために選択した画分中に多く含ま れるmRNAをコード化するmRNA種に対して相同関係を有するクローンを確 認した。
c、N準mRNAハイプリント形成と選択実験とを用いて、約50KDの蛋白質 コード化クローンを、付加的クローンと同様に確認した。
d、約50KD蛋白質をコード化するクローンの塩基配列を決定し、コード化さ れた蛋白質を確認し、この塩基配列をさらに特性化した。
1、IJulに述べたcDNAマーカープローブを用いて、標準サザンハイブリ ッド形成とクローニング方法によってそれらのゲノム対応物を単離した0例とし て、約50KD蛋白質コード化発育マーカーcDNAを用いて、転写が発育によ って調節される遺伝子を単離した。
B、マーカープロモー − 2、クローン化遺伝子のプロモーターフラグメントをDNA塩基配列決定によっ て確認し、親クローンから単離した。
要約すると、開始コドン(ATG)から上流の塩基配列を検査して、TATAボ ンクスツクむことを見出す;可能なプロモーター塩基配列はATCの約200塩 基対上流程度にまで伸長可能である。
3、 クローン化プロモーターの強度と調節可能性とをテストするために、プロ モーターフラグメントを例えばIac Z、GUS、ホタル ルシフェラーゼま たはCATのようなレポーター遺伝子に融合する。これらの表現構成体をベクタ ーに挿入して、適当な条件下で遺伝子表現を誘発する、例えば発育を調節するこ とが知られている物!(すなわち、公知の発育調節剤)を増殖培地に加える。
a、プロモーターが実際に発育に関する農業用化学物質によって調節されるなら ば、プロモーターはそのmRNAが蛋白質に翻訳されるような、プロモーターの 付加レポーター遺伝子の転写を開始することが判明する。
b9例えば、1acZの存在はX−galの培地への添加によって検出される。
lac Zが存在する場合には、培地はブルーに変化する。
4、 プロモーター領域が適当な調節下にあると考えられる場合には、これらを 用いて遺伝子導入植物を製造する。
C1′ −ベク − 5、 プロモーター/レポーター遺伝子構成体を適当なベクタ−〔例えば、BI N19またはシンプソン(Simpson)等に1987年4月14日に発行さ れた米国特許第4.658,082号に挙げられているヘクターのようなアグロ バクテリウム(AgrobacLerium) T iプラスミドに基づくヘク ター〕中に挿入する。
D、星l紅奥 トマトの形質転換は公知の方法によって実施する。
E、 に る “ i −るための゛ −血士四J支里 プロモーター/レポーター遺伝子のキメラ遺伝子カセント(本明細書の定義の項 参照)を含む遺伝子導入植物をレポーター遺伝子の正確な表現すなわち発育調節 下でのレポーター遺伝子の表現に関してテストする。レポーター遺伝子の適当な 表現を示す植物材料を用いて、遺伝子導入植物分析系を開発する。例えば、この ような植物を早期の果実形成期にまで成長させてから、可能な農業用化学物質に よって処理する。
レポーター遺伝子の表現を誘発するような化学物質は杭底過程を促進させる農業 用化学物質の候補である。
条−1し二り一献 次の参考文献を明細書中に引用する。各参考文献の内容は明白にここに参考文献 として関係する。
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(この原稿の一部は実験の項■としてここに含める)23、エベル、ジエイ、  (Ebel、 J、)、 アニュ、レブ、フィトパソールy (Annu、Re v、Phytopathol、) 24 : 235〜264頁(1986)  624、エドワーズ、ケイ、 (Edwards、 K、)+ クラマー、シー 、エル。
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(Hybridization of denatured RNA and  small DNA framentstraferred to n1tro cellulose、)ブロク、ナトル、アヵド。
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詩−−−一詐 ■、シンプソン、アール、ビー(Simpson、R,B、)とマルゴノイアン 、エル(Margossian、L) 、米国特許第4,658,082号、1 987年4月14日発行「異種DNAを含む完全植物の製造方法(A Meth od for Producing Intuct Plants Conta iningForeign D N A ) J 凱血1塁! 今までの記述から、本発明が特徴−特異的な植物遺伝子の転写を誘導するために 有用な農業用化学物質を確認するための新規なスクリーニング方法を開示するこ とは当業者に明らかであろう。さらに、本発明は遺伝子転写を調節することによ って農業用化学物質に反応する植物から特徴−特異的核酸塩基配列を確認する方 法を開示する。さらに、本発明は植物防御遺伝子の選択的誘導を制御する調節要 素を開示する。このような要素は例えば、遺伝子転写に影響を与える特定の農業 用化学物質で処理された時に植物防御反応を示すように誘導される遺伝子導入植 物を構成するために用いることができる。
本発明の精神と範囲から逸脱することなく、当業者は本発明を種々な用途および 条件に通用するために本発明に種々な変化と修正を加えることができる。これら の変化と修正は、このようなものとして、適当に、公平に次の請求の範囲の同等 物の完全な範囲内に含まれるものであり、また含まれるように意図さFIG、  I FIG、 3 峙 閂[hl 0241!I 鱒 峙 間(−) FIG、 50 FIG、 5D FIG、 9 日G、11 −+ −+ −+ −+ −+ pcHc1 pCHC2pC)lc3 pCHC4pCHC5補正書の翻訳文提 出帯 (特許法第184条の8)

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.作動的に結合した構造遺伝子の転写を刺激し、これに影響を与えるように応 答する植物遺伝子調節要素を確認するスクリーニング方法であって、 次の段階: (A)重要な特徴を現在有する第1植物材料からのRNAと、この重要な特徴を 現在有さない第2植物材料からのRNAとを単離する段階; (B)段階(A)からのRNAをインビトロで翻訳する段階;(C)段階(B) で得られたインビトロ翻訳生成物の比較から、望ましい特徴に特異的な条件下で 表現されたまたは抑制された候補遺伝子生成物を確認する段階;(D)段階(C )で確認された候補遺伝子生成物を生じたRNAからcDNAライブラリーを構 成する段階;(E)少なくとも、遺伝子表現がオンであるまたは増加している時 からのRNA(プラスRNA)と、少なくとも遺伝子表現がオフであるかまたは 減少している時からのRNA(マイナスRNA)を用いて、プラスーマイナス形 式で、段階(D)からのcDNAライブラリーを別々にスクリーニングする段階 ; (F)プラスRNAプローブとはハイブリッド形成するが、マイナスRNAプロ ーブとはハイブリッド形成しないクローンを確認することによって、段階(C) の候補遺伝子生成物に対応するcDNAを確認する段階; (G)段階(F)で確認されたクローンを特性化して、段階(C)で確認された 候補遺伝子生成物の特徴を有するクローンを確認する段階; (H)段階(F)で確認されたcDNAクローンをプローブとして用いて、この cDNAプローブとハイブリッド形成する遺伝子と結合した遺伝子調節要素を確 認するために、植物DNAのゲノムライブラリーをスクリーニングする段階から 成る方法。
  2. 2.段階(A)における重要な特徴を定着と植物伝播、発芽と休眠、開花、生殖 体製造、器官脱離、結実と果実発達、植物と器官のサイズ、副芽の発生、自己− 剪定、形状の形成、腋芽形成、虫害および疾病に対する抵抗力と治療、環境スト レスの克服、無機物の摂取、植物組成、熟成と収量増加とを含めた代謝効果、性 的表現の改良、老化、乾燥、除草剤害に対する保護、および除草剤吸収と転流と の増加から成る群から選択される請求項1記載のスクリーニング方法。
  3. 3.(C)において、候補遺伝子生成物を一次元および二次元電気泳動ゲル分析 によって確認する請求項1記載のスクリーニング方法。
  4. 4.(H)において、遺伝子調節要素を制限消化分析によってさらに特性化する 請求項1記載のスクリーニング方法。
  5. 5.遺伝子調節要素を塩基配列決定によってさらに特性化する請求項4記載のス クリーニング方法。
  6. 6.特徴−特異的な植物遺伝子調節要素の活性化または不活化に外因的に用いら れる物質を確認して、この物質に作動的に結合する生のまたはキメラ構造遺伝子 を表現または抑制させるスクリーニング分析法であって、 次の段階; (A)植物(P)からの適当な植物材料中へ、次の要素:(a)少なくとも1つ の特徴に特異的なプロモーターならびに前記プロモーターが作用的に結合した、 (b)少なくとも1種類のレポーター遺伝子および(c)少なくとも1種類の3 ′ターミネター配列から成るキメラ遺伝子カセットを導入する段階;(B)前記 キメラ遺伝子カセットを含む、段階(A)からの適当な植物材料を特徴−特異的 な植物遺伝子の転写に影響を与えうる物質と接触させる段階; (C)段階(B)からの前記植物材料を前記レポーター遺伝子配列の表現に関し てモニターする段階; ならびに (D)(a)レポーター遺伝子の表現を高める物質を外因的に用いて、特徴−特 異的植物遺伝子調節要素を活性化することができる:および (b)レポーター遺伝子の表現を減ずる物質を外因的に用いて、特徴−特異的植 物遺伝子調節要素を不活化することがてきることを結論する段階 から成る分所方法。
  7. 7.外因的に用いて、ストレス−調節植物防御遺伝子の転写を活性化または不活 化する物質を確認するためのスクリーニング方法であって、 次の段階: (A)植物(P)からの適当な植物材料中へ、次の要素:(a)少なくとも1種 類のストレス調節プロモーター;ならびに前記プロモーターが作動的に結合した (b)少なくとも1種類のレポーター遺伝子および(c)少なくとも1種類の3 ′ターミネター塩基配列から成るストレス調節プロモーター/レポーター遺伝子 /ターミネーターカセットを導入する段階;(B)前記ストレス調節カセットを 含む、段階(A)からの植物材料をストレス−調節植物防御遺伝子の転写に影響 を与えるうる物質の存在と接触させる段階; (C)段階(B)からの前記植物材料を前記レポーター遺伝子配列の表現に関し てモニターする段階; および (D)(a)レポーター遺伝子の表現を高める物質はストレス調節植物遺伝子調 節要素を活性化するために外因的に使用可能であること、および (b)レポーター遺伝子の表現を減ずる物質はストレス調節植物遺伝子調節要素 を不活化するために外因的に使用可能てあることを結論する段階 から成るスクリーニング方法
  8. 8.(A)における前記適当な植物材料が植物原形質体、植物細胞、植物カルス 、植物組織、発育中の苗木、未成熟全植物および成熟全植物である請求項6また は7記載の方法。
  9. 9.段階(A)(a)に於ける前記プロモーターがフェニルアラニンアンモニア ーリアーゼ(PAL)、カルコンシンターゼ(CHS)および4−クマレート: CoAリガーゼをコード化するプロモータープラス細胞壁ヒドロキシプロリン冨 化糖蛋白質をコード化する植物遺伝子のプロモーターから成る群から選択される 請求項6または7記載の方法。
  10. 10.ストレス調節植物防御遺伝子調節要素を活性化または不活化するために外 因的に用いることのできる物質を確認するためのスクリーニング方法であって、 次の段階: (λ)植物(P)からの適当な植物材料中に、次の要素:(a)フェニルアラニ ンアンモニアーリアーゼ(PAL)、カルコンシンターゼ(CHS)、および4 −クマレート:CoAリがーゼ(4CL)をコード化するプロモーター、プラス 細胞壁ヒドロキシプロリン富化糖蛋白質をコード化する植物遺伝子のプロモータ ーから成る群から選択される少なくとも1種類のストレス調節プロモーター; 前記プロモーターが作動的に結合するための(b)少なくとも1種類のリポータ ー遺伝子;および(c)少なくとも1種類の3′ターミネーター配列から成るス トレス調節プロモーター/レポーター遺伝子/ターミネーターカセットを導入す る段階;(B)前記キメラストレス調節プロモーター/レポーター遺伝子/3′ ターミネーターカセットを含む、段階Aからの適当な植物材料をストレス調節植 物防御遺伝子の転写に影響を与えうる物質と接触させる段階; (C)段階(B)からの前記植物材料をレポーター遺伝子配列の表現に関してモ ニターする段階;および(D)(a)レポーター遺伝子の表現を高める物質はス トレス調節植物遺伝子調節要素の活性化に外因的に使用できること、および (b)レポーター遺伝子の表現を減ずる物質はストレス調節植物遺伝子調節要素 の不活化に外因的に使用できることと結論をする段階 から成る方法。
  11. 11.段階(A)(b)において、前記レポーター遺伝子がクロラムフェニコー ルアセチルトランスフェラーゼ(CAT)、β−ガラクトシダーゼ(lacZ) 、β−グルクロニダーゼ(GUS)およびホタルルシフェラーゼから成る群から 選択される請求項6または7または10のいずれかに記載の方法。
  12. 12.段階(A)(c)において、前記3′ターミネーターがノパリンシンター ゼ遺伝子(NOS)の3′ブランキング領域とオクトピンシンターゼ遺伝子(O CS)の3′ブランキング領域から成る群から選択される請求項6または7また は10のいずれかに記載の方法。
  13. 13.段階(A)(c)において、前記プロモーターがカルコンシンターゼ(C HS)遺伝子である請求項6または7に記載の方法。
  14. 14.段階(A)(c)において、前記プロモーターがフェニルアラニンアンモ ニアーリアーゼ(PAL)遺伝子プロモーターである請求項6または7に記載の 方法。
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