专利名称：α-hordothionin的高苏氨酸衍生物的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及饲料制剂的改善，本发明尤其涉及能够在植物中提供较高百分含量的苏氨酸的α-HORDOTHIONIN衍生物。
背景技术：
使用饲料制剂为动物提供对其生长起关键作用的必需营养物质是必要的。然而，农作物植物一般说来是低营养质量的食物来源，因为它们含有低比例的某些氨基酸，而这些氨基酸对动物来说是必不可少的，但又无法自身合成。
多年以来研究者们曾经试图通过杂交计划来改善重要的农作物蛋白质中必需氨基酸的平衡。随着更多地有关贮藏蛋白质和编码这些蛋白质的基因表达的知识得到了解，以及随着适用于更多种类植物的转化系统的发展，利用分子途径改善种子蛋白质营养质量为比较传统的途径提供了另外的选择。因此，在某一给定的农作物中的特殊氨基酸水平可以通过生物工程学方法得到增加。
一种可供选择的方法是在大量的足以免除食物或饲料添加剂的水平上来表达一种含有想要的氨基酸组合物的异源蛋白质。例如，许多富含含硫氨基酸的种子蛋白质已经得到鉴定。这些蛋白质很好地表达的关键涉及具有种子特异性启动子的有效的表达盒。不仅基因控制区域必须指导高水平的信使RNA的合成，而且信使RNA必须被翻译成稳定的蛋白质。
在动物营养必需的氨基酸中，农作物经常缺乏的是甲硫氨酸，苏氨酸和赖氨酸。通过育种，突变筛选和/或改变农作物中积累的贮藏蛋白质的组成来增加这些自由氨基酸的水平的努力很少曾取得成功。通常转基因贮藏蛋白质的表达水平太低。菜豆蛋白启动的巴西坚果2S表达盒是一个有效的嵌合种子特异性基因的例子，然而，虽然巴西坚果蛋白质中增加了总的甲硫氨酸和结合甲硫氨酸的数量，由此改善了营养价值，但是对于积累在种子中的甲硫氨酸总量似乎有一个阈值限制。其种子作为甲硫氨酸的来源仍然是不充足的。
另一种通过改变含有希望得到的氨基酸的蛋白质水平来增加特殊氨基酸水平的可供选择的方法是对氨基酸的生物合成进行修饰。重组DNA和基因转移技术已被用于改变氨基酸生物合成途径中催化关键步骤的酶的活性。Glassman，美国专利申请号NO.5,258,300；Galili等，欧洲专利申请号NO.485970；(1992)；在此全文引入作为参考。然而，种子中氨基酸水平的修饰并不总是与结合这些氨基酸的蛋白质水平的变化有关。Burrow等，Mol.Gen.Genet.Vol.241；pp.431-439；(1993)；在此全文引入作为参考。虽然通过选择DHDPS突变体或者将大肠杆菌(E.Coli)DHDPS在植物中进行表达能够使叶子中游离氨基酸的水平得到显著增加，但仍显示出这些改变只能增加代表着占氨基酸总量大约90％左右的靶结合氨基酸，对种子的营养价值只有极小的影响。
基于前述的原因，有必要寻找方法增加植物种子中苏氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸等必需氨基酸的水平。
因此，本发明的目的之一正是为通过植物遗传修饰来增加植物中必需氨基酸苏氨酸的水平提供方法。
本发明更深入的目的是提供与同类种子的野生型相比，具有更高水平必需氨基酸苏氨酸的种子作为食物和/或饲料。
发明内容
已经发现一类化合物，α-hordothionins，可被修饰以增加它们的苏氨酸含量。α-hordothionin是一种已经得到充分认识的45个氨基酸的蛋白质，它可以从大麦(Hordeum vulgare)种子中分离得到。其分子由于8个半胱氨酸残基形成的4个二硫键而保持稳定，序列I.D.NO.1提供了其氨基酸序列。在天然形式下，它尤其富含精氨酸和赖氨酸残基，分别含有5个残基(10％)，但只含有3个残基(7％)的必需氨基酸苏氨酸。
此蛋白质已被人工合成，并且其三维结构已通过计算机模型得到确定。蛋白质模型表明10个带电荷的残基(位置5，10，17，19和30上的精氨酸及位置1，23，32，38和45上的赖氨酸)都出现在分子的表面。极性氨基酸(位置11上的天冬酰胺，位置22上的谷氨酰胺和位置41上的苏氨酸)的侧链也出现在分子的表面上，再者，疏水氨基酸(例如位置8，15，24和33上的亮氨酸及位置18上的缬氨酸的侧链)也是靠近溶剂的。
蛋白质的三维模型显示出位置10上的精氨酸残基对于保持合适的三维结构和通过其与蛋白质C-末端残基的氢键作用进行合理的折叠是非常关键的。在这一位点上替换成苏氨酸会打破涉及位置10上的精氨酸，位置2上的丝氨酸和位置45上的赖氨酸的氢键，导致结构稳定性的破坏。具有这种替换的合成多肽无法正确折叠，更加支持了这一分析。位置10上的精氨酸残基的保留提供了正确折叠的蛋白质。
由于苏氨酸是一个极性氨基酸，位置11上的天冬酰胺和位置22的谷氨酰胺可由苏氨酸替换，同时，带电荷的氨基酸例如位置1，23，32和38上的赖氨酸及位置5，17，19和30上的精氨酸也由苏氨酸替换，形成的化合物具备序列I.D.NO.2中显示的序列。其分子通过固相多肽合成法进行人工合成并折叠成稳定的结构，它含有13个苏氨酸残基(29％)。
虽然序列I.D.NO.2在本发明中进行了绘图说明，但并不打算就此为止。苏氨酸的替换还可以在含有带电荷的氨基酸的位置上进行，只有位置10上的精氨酸和位置45上的赖氨酸对于保持蛋白质的结构是极关键的。我们也可以在含有疏水氨基酸的位置上进行替换，这包括位置8，15，18和24，最后形成的化合物具有序列I.D.NO.3中显示的序列。
化合物的合成按照本领域中熟知的多肽合成方法进行，因而不构成本发明的一部分。正如Rao等于Int.J.Pep.Prot.Res.；Vol.40；pp508-515；(1992)上发表的那样，在体外，化合物利用包含hbtu[2-(1h-苯并三唑-1-基)-1，1，3，3-tetramethyluroniumhexafluorophosphate的fastmocTM化学，在应用生物系统431a型多肽仪上进行合成，在此全文引入作为参考。多肽按照标准规程进行切割，通过反相色谱利用标准方法进行纯化。每个多肽的氨基酸顺序利用自动Edman降解在应用生物系统477a蛋白质顺序仪/120a pth分析仪上进行测定。然而，更优选地是本发明的化合物在细菌或植物细胞内进行合成，这些细胞已经被转化插入了含有合成基因的表达盒，此合成基因在被转录和翻译时将产生出所希望的化合物。这种空的表达盒是为人熟知的，它为植物或细菌表达所希望的序列提供了合适的调控序列，同时合成基因，RNA或DNA，的核苷酸序列可以方便地利用标准的参照系统从蛋白质的氨基酸顺序推导出来。此合成基因将优选地使用植物优先的密码子以增强所希望的蛋白质的表达。工业应用性以下的描述进一步举例说明了本发明的组合物以及制造和使用它们的方法。然而，应当知道的是被本领域中的普通技术人员所了解的相当的其它方法也可以使用。植物编码这些化合物的基因可以插入到合适的表达盒中，并被引入到植物细胞中。如此，本方法特别优选的实施方案涉及将一段DNA序列以及在植物中具有活性的转录起始因子和启动子顺序插入到植物的基因组中，此DNA序列在适当的阅读框架下，可以编码本发明中的化合物。在此调控顺序控制下的DNA序列的转录和翻译导致了此蛋白质序列在植物组织中的高效表达，从而产生出超量的蛋白质。
根据本发明的方法，优选的转化植物是谷类作物，包括玉米、黑麦、大麦、小麦、高梁、燕麦、小米、大米、黑小麦、向日葵、紫苜蓿、油菜籽和大豆。
此时可以制备编码适当氨基酸顺序的合成DNA序列，并且此合成DNA序列可以被插入到合适的植物表达盒中。
同样地，许多植物表达盒和载体在本领域中是人所共知的。“表达盒”这个术语的意思是指一个包括起始、启动子和终止子序列的一整套的控制序列，当它们插入到一个具有适当的阅读框架的结构基因之侧翼时，就会在植物的细胞中起作用。表达盒通常并且优选地含有各种可供选择的适合于切开和插入任何希望的结构基因的限制性位点。重要的是克隆的基因必须有一个在正确阅读框架内的结构序列的起始密码子。
另外，植物表达盒优选地应在某一末端包含一个强组成型启动子序列，使基因得以高频率地转录，在另一末端含有一个多聚腺核苷酸识别序列，以使信使RNA得到恰当的加工和转运。Pioneer Hi-BredInternational，Inc.Johnston，IA的Beach等人开发的pPHI 414质粒就是这样一个优选的(空的)表达盒的例子，本发明的cDNA可被插入到此表达盒中，pPHI414质粒公开于美国专利申请号NO.07/785,648，(1991)上，在此全文引入作为参考。高度优选的植物表达盒将被设计包含有一个或多个选择标记基因，例如卡那霉素抗性或除草剂耐受性的基因。
术语“载体”的意思在此是指一段DNA序列，它可以在宿主细胞内复制并表达一个外来的基因。载体通常含有一个或者多个内切酶识别位点，这些位点可以用合适的酶以一种可预测的方式进行切割，这种载体优选地被构建成含有附加的带有抗生素或除草剂抗性的结构基因序列，作为鉴定和分离转化后的细胞的标记物。优选的标记物/筛选剂包括卡那霉素、chlorosulfuron、phosphonothricin，潮霉素和氨甲蝶呤。细胞中载体的外来遗传物质被功能性地表达后，此细胞即已被载体转化并且被称为“转化株”。
一种特别优选的载体是质粒，质粒是一个存在于细胞染色体外的环状双链DNA分子。
如上所述，无论编码兴趣基因的是基因组基因还是cDNA都可用于本发明中。感兴趣的载体也可以由部分cDNA克隆和部分基因组基因构建而成。当兴趣基因被分离出来后，对基因进行遗传构建使之含有必需的调控顺序，从而使基因在宿主细胞内能够有效地表达。根据本发明，遗传构建物将含有(a)一段首要的编码感兴趣的蛋白质或特征的遗传序列，(b)可操作地连接在感兴趣的结构基因任何一端的一个或多个调控顺序。通常调控顺序将选自启动子种终止子之一。调控顺序可以来源于同种或异种。
可以用在遗传序列中的启动子包括NOS，OCS和CaMV启动子。
可使用的有效的植物启动子是高产植物启动子。在本发明中可使用的高产植物启动子包括叶绿素α-β结合蛋白启动子和大豆核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶小亚基(ss)的启动子，参看例如Berry-Lowe等，J.Molecular and App.Gen.，Vol.1；pp.483-498；(1982)，在此全文引入作为参考。据悉这两个启动子在植物细胞中是光诱导的。参看例如An Agricultural Perspective.A.Cashmore，Pelham，New York；1983，pp29-38，G.Coruzzi等，J.Biol.Chem.，Vol.258；p.1399；(1983)；以及P.Dunsmuir等，J.Molecular and App.Gen.；Vol 2；p.285；(1983)；都在此全文引入作为参考。
包含被可操作地连接在所希望的控制顺序上的本发明的蛋白质结构基因的表达盒可以被连接入适当的克隆载体中。一般使用源自与宿主细胞相容的物种的含有复制和控制顺序的质粒或病毒(噬菌体)载体。克隆载体通常将带有一个复制起点，以及能够在转化后的宿主细胞中提供表型选择标记的特殊基因，通常使用能赋予抗生素或挑选的除草剂抗性的基因。遗传物质被引入靶细胞后，成功地被转化的细胞和/或细胞克隆可以通过这些标记进行筛选从而得到分离。
通常为了增加克隆载体的拷贝数量，在本发明的实践中将使用一个中间宿主细胞。有了增加的拷贝数量，含有兴趣基因的载体就可以被大量地分离以便于引入到所希望的植物细胞中。可用于本发明实践中的宿主细胞包括原核生物，包括细菌宿主例如大肠杆菌(E.Coli)，鼠伤寒沙门氏菌(S.typhimurium)，和粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)。真核宿主例如酵母或丝状真菌也可以用于本发明中。由于这些宿主也是微生物，必须保证在载体中使用无法引起细菌本身蛋白质表达的植物启动子。
然后，分离的克隆载体将利用适当的技术引入到植物细胞中，这些技术包括电穿孔(在原生质体中)，逆病毒、粒子辐射、和显微注射到单子叶或双子叶植物的细胞或组织培养物中以提供转化的植物细胞，这些细胞含有作为外来DNA的至少一个拷贝的植物表达盒DNA序列。优选地，单子叶的品种将选自玉米、高梁、小麦或大米，而双子叶的品种将选自大豆、紫苜蓿、油菜籽、向日葵或蕃茄。利用已知的技术，原生质体可以被再生，细胞和组织培养物也可被再生从而生成完整的可繁殖的植物，此种植物携带并且表达本发明中蛋白质的基因。因此，本发明高度优选的实施方案是一种转化后的玉米植物，其细胞中含有作为外来DNA的至少一个拷贝的本发明的表达盒的DNA序列。
普通技术人员将会欣赏的是这里提供的植物载体可被引入到根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中，然后利用其将载体转入到易感植物细胞中，这些植物细胞主要来自双子叶的物种。至此，本发明提供了增加根癌土壤杆菌一易感的双子叶植物中甲硫氨酸水平的一个方法，其中通过利用其质粒已经过修饰因而包含有一个本发明中的植物表达盒的根癌土壤杆菌来感染细胞，从而将表达盒引入到细胞中去。
序列表(1)一般资料(i)申请人Pioneer Hi-Bred International.Inc.
(ii)发明名称Alpha-Hordothionin的高苏氨酸衍生物(iii)序列数目3(iv)通讯地址(A)称呼Pioneer Hi-Bred International.Inc.
(B)街道700 Capital Square，400 Locust Street(C)城市Des Moines
(D)州Iowa.
(E)国家United States of America.
(F)邮编(ZIP)50309.(v)计算机可读形式(A)媒体类型软盘(B)计算机IBM兼容(C)操作系统PC-DOS/MS-DOS(D)软件Patent In ReIease#1.0，Version#1.25(vi)通用申请资料(A)申请号PCT(B)存档日期(C)分类(viii)律师/事务所资料(A)姓名Simon，Soma G.
(B)注册号37,444(C)参考文献/摘要号354-PCT(ix)电信资料(A)电话515-248-4896(B)电传515-248-4844(2)SEQ ID NO.1的资料(i)序列特征(A)长度45个氨基酸(B)类型氨基酸(C)拓扑结构线性(xi)序列描述SEQ ID NO.1Lys Ser Cys Cys Arg Ser Thr Leu Gly Arg Asn Cys Tyr Asn Leu Cys1 5 10 15Arg Val Arg Gly Ala Gln Lys Leu Cys Ala Gly Val Cys Arg Cys Lys20 25 30Leu Thr Ser Ser Gly Lys Cys Pro Thr Gly Phe Pro Lys35 40 45(2)SEQ ID NO.2的资料(i)序列特征
(A)长度45个氨基酸(B)类型氨基酸(C)拓扑结构线性(xi)序列描述SEQ ID NO.2Thr Ser Cys Cys Thr Ser Thr Leu Gly Arg Thr Cys Tyr Asn Leu Cys1 5 10 15Thr Val Thr Gly Ala Thr Thr Leu Cys Ala Gly Val Cys Thr Cys Thr20 25 30Leu Thr Ser Ser Gly Thr Cys Pro Thr Gly Phe Pro Lys35 40 45(2)SEQ ID NO.3的资料(i)序列特征(A)长度45个氨基酸(B)类型氨基酸(C)拓扑结构线性(xi)序列描述SEQ ID NO.3Thr Ser Cys Cys Thr Ser Thr Thr Gly Lys Thr Cys Tyr Asn Thr Cys1 5 10 15Thr Thr Thr Arg Ala Thr Thr Thr Cys Ala Gly Val Cys Thr Cys Thr20 25 30Leu Thr Ser Ser Gly Thr Cys Pro Thr Gly Phe Pro Lys35 40 4权利要求
1.一种具有序列I.D.NO.3之序列的蛋白质，其中位置1，5，7，8，11，15，17，18，19，22，23，24，30，32，34，38和41上的一个或多个位置上的氨基酸残基是苏氨酸，并且这些位置上的余留残基为序列I.D.NO.1中相应位置上的残基。
2.权利要求1中的蛋白质，其中位置1，5，7，11，17，19，22，23，30，32，34，38和41上的一个或多个氨基酸残基是苏氨酸。
3.权利要求2中的蛋白质，其中位置1，5，7，11，17，19，22，23，30，32，34，38和41上至少有5个氨基酸残基是苏氨酸。
4.权利要求3中的蛋白质，其中位置1，5，7，11，17，19，22，23，30，32，34，38和41上至少有7个氨基酸残基是苏氨酸。
5.一段编码具有序列I.D.NO.3之序列的蛋白质的核苷酸序列，其中在位置1，5，7，8，11，15，17，18，19，22，23，24，30，32，34，38和41上的一个或多个位置上的氨基酸残基是苏氨酸，并且这些位置上的余留残基为序列I.D.NO.1中相应位置上的残基。
6.一段编码具有序列I.D.NO.3之序列的蛋白质的RNA序列，其中位置1，5，7，8，15，15，17，18，19，22，23，24，30，32，34，38和41上的一个或多个位置上的氨基酸残基是苏氨酸，并且这些位置上的余留残基为序列I.D.NO.1中相应位置上的残基。
7.一段编码具有序列I.D.NO.3之序列的蛋白质的DNA序列，其中位置1，5，7，8，15，15，17，18，19，22，23，24，30，32，34，38和41上的一个或多个位置上的氨基酸残基是苏氨酸，并且这些位置上的余留残基为序列I.D.NO.1中相应位置上的残基。
8.一种含有权利要求7中的DNA序列的表达盒，被可操作地连接到植物调控顺序上，从而引起这段DNA序列在植物细胞中的表达。
9.一种含有一个权利要求8中表达盒的细菌转化载体，被可操作地连接到细菌表达调控顺序上，从而引起此表达盒在细菌中的复制。
10.细菌细胞，含有作为外来质粒的至少一个拷贝的权利要求9中的细菌转化载体。
11.转化的植物细胞，含有作为外质粒的至少一个拷贝的权利要求8中的表达盒。
12.权利要求11中的转化植物细胞，其中细胞属于单子叶的物种。
13.权利要求12中的转化植物细胞，其中细胞选自玉米、高梁、小麦和大米细胞之一。
14.权利要求11中的转化细胞，其中细胞属于双子叶的物种。
15.权利要求14中的转化细胞，其中细胞选自大豆、紫苜蓿、油菜籽、向日葵、烟草和蕃茄细胞之一。
16.一种包括权利要求13中细胞的玉米细胞或组织培养物。
17.一种增加植物细胞或种子中苏氨酸含量的方法，包括在细胞或种子中表达权利要求1中蛋白质的步骤。
18.一种权利要求17中的方法，其中植物是双子叶的植物。
19.一种权利要求17中的方法，其中植物是单子叶的植物。
20.一种权利要求19中的方法，其中植物种子中的苏氨酸含量得到增加。
全文摘要
通过利用苏氨酸残基进行位置特异性替换产生α－pordothionin的衍生物,在植物中提供丰富的苏氨酸。
文档编号C12N15/29GK1192238SQ96195937
公开日1998年9月2日 申请日期1996年5月31日 优先权日1995年6月2日
发明者G·A·拉奥 申请人:派厄尼高级产品国际公司