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Method Article
비피더스균은 N-글라이칸 절단을 위한 독특한 유전체 능력을 가지고 있습니다. 이러한 효소를 재조합적으로 생산하는 것은 초유와 같은 당단백질이 풍부한 기질에서 생체 활성 N-글리칸을 방출하는 유망한 새로운 도구가 될 것입니다.
단백질 당화(glycosylation)는 다양하고 일반적인 번역 후 변형(post-translational modification)으로, 단백질 접힘(protein folding), 안정성(stability), 효소 보호(enzymatic protection) 및 생물학적 인식(biological recognition)을 포함한 단백질 기능과 같은 많은 중요한 역할과 관련이 있습니다. 당단백질(예: 락토페린, 락타데린, 면역글로불린)에 부착된 N-글리칸은 숙주에서 소화되지 못하고 대장에 도달하여 특정 유익한 미생물에 의해 섭취됩니다. 따라서 이들은 장내 마이크로바이옴의 유익한 미생물을 선택적으로 자극할 수 있는 차세대 프리바이오틱 화합물로 간주됩니다. 그러나 이러한 새로운 종류의 프리바이오틱스를 분리하려면 새로운 효소가 필요합니다. 여기에서는 당단백질에서 N-글리칸 분리를 개선하기 위해 다양한 비피더스균 균주(유아, 토끼, 닭 및 호박벌에서 분리)에서 새로운 글리코시다아제의 재조합 생산에 대해 설명합니다. 이 연구에서 제시된 방법에는 in vivo 재조합 클로닝 전략에 의한 비피더스박테리아 유전자의 분자 클로닝, 형질전환 성공 제어, 단백질 유도 및 단백질 정제 단계가 포함됩니다.
당화(glycosylation)는 단백질에서 관찰되는 매우 중요한 번역 후 변형(post-translational modification)입니다. 단백질의 약 50% 이상이 진핵생물에서 당화(glycosylated) 형태로 발견됩니다. N- 및 O- 당화 (glycosylation)는 당화 (glycosylation)의 두 가지 주요 유형입니다 1,2. O-결합 글라이칸(O-글리칸)은 N-아세틸갈락토사민을 통해 세린(Ser) 또는 트레오닌(Thr) 아미노산 잔기의 하이드록실기에 공유 결합되어 단백질에 부착됩니다. N-결합 글라이칸(N-glycans)은 복잡한 올리고당으로, N-X-Ser/Thr과 같은 특정 아미노산 서열에서 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)을 통해 단백질의 아스파라긴(Asn) 아미노산 잔류물에 공유 결합되며,N-X-Cys(시스테인)와 같이 (여기서 X는 프롤린을 제외한 모든 아미노산일 수 있음)3,4. 염기성 N-글리칸 코어는 2개의 HexNAc와 3개의 만노스 잔기로 구성됩니다. 글리코실트랜스퍼라제(glycosyltransferase) 및 글리코시다아제(glycosidase) 효소를 통해 다른 단당류와 함께 이 공통 코어를 추가로 연장하면 분지 정도와 결합 유형에 따라 N-글리칸의 유형이 결정됩니다5. N-글리칸은 일반적으로 하이 만노스(High Mannose, HM), 복합형(complex type, CT), 하이브리드(hybrid, HY)의 세 가지 주요 부류로 분류됩니다6.
N-글리칸은 배당체 가수분해효소가 없기 때문에 숙주 유기체에 의해 소화되지 않는 화합물입니다. 이 화합물은 소화되지 않은 형태로 소장/대장에 도달하여 수천 종의 다양한 박테리아가 이를 활용하며, 특히 비피도박테리움 종7의 특수 장내 미생물을 촉진하여 프리바이오틱스 역할을 할 수 있습니다. 최근의 연구 결과에 따르면 N- 글리칸은 특정 박테리아 종의 성장을 선택적으로 자극합니다8 , 9. 소젖에서 방출된 당단백질은 유아의 장에서 중요한 비피도박테리움 롱검 아종 인판티스(B. infantis)의 성장을 선택적으로 자극했지만, 비피도박테리움 애니멀리스(B. animalis)와 같은 다른 비피더세균 종은 이러한 화합물을 활용하지 않았다9. 또한, 최근의 생체 내 연구에서는 우유 락토페린과 면역글로불린에서 추출한 19종의 독특한 N-글리칸이 B. 인판티스8의 성장을 선택적으로 자극하는 것으로 나타났습니다. 특히 B. infantis는 글리칸 분열과 대사에 대한 유전체 능력을 가지고 있습니다. B. 인판티스 ATCC 15697에서 재조합 생산된 글리코실 가수분해효소 계열 18에 속하는 Endo-β-N-acetylglucosaminidase (EndoBI-1)는 in vitro 조건에서 우유 당단백질에 대한 높은 활성을 보여주었습니다 9,10. 이 새로운 배당체 가수분해효소는 N-글라이칸10,11에서 발견되는 N-N'-디아세틸키토바이오오스 부분을 절단할 수 있습니다. EndoBI-1의 활성은 코어 푸코실화 및 고온, pH, 반응 시간 등과 같은 다양한 반응 조건의 영향을 받지 않습니다 3,11,12. 비피더스박테리아 배당체 가수분해효소의 이러한 독특한 특성은 소 초유13,14와 같은 당단백질이 풍부한 기질에서 N-글리칸을 생산하기 위한 유망한 도구를 제공합니다.
당단백질로부터 N-글라이칸 및 O-글라이칸을 얻기 위해 화학적, 효소적으로 개발된 여러 탈당화 방법이 널리 사용되었습니다 2,15. 화학적 방법은 당단백질의 탈당화를 위해 당생물학에서 널리 사용되는데, 그 이유는 사용이 간편하고 비용이 저렴하며 기질 특이성이 높기 때문입니다16. 가장 일반적인 화학적 탈당화 방법은 β-제거(-Elimination)와 히드라진화(hydrazination)입니다17. 이러한 방법 중 β-제거는 당단백질을 알칼리성 조건에 노출시켜 당단백질에서 글라이칸을 절단하는 원리를 기반으로 합니다. 방출 된 글라이칸은 β 제거 반응으로 인해 공정 중에 분해 될 수 있지만,이 문제는 수화 붕소 나트륨 (NaBH4) 18 , 19 , 20 과 같은 환원제를 사용하여 예방할 수 있습니다. β 제거 방법에는 여러 가지 제한 사항이 있습니다. 환원제는 글리칸을 알디톨로 변환하여 형광단 또는 발색단과 결합하는 것을 방지합니다. 따라서 글라이칸 방출을 모니터링하기가 어려워집니다 19,20. 이 방법의 세척 단계에서 염분 함량이 높기 때문에 용출로 인해 샘플 손실이 발생할 수 있습니다20. 당단백질에서 글리칸을 방출하는 또 다른 방법은 당단백질에 무수 히드라진을 첨가한 후 가수분해 반응의 원리에 기초한 히드라진 방법입니다. 온도와 같은 반응 조건을 변경하여 글라이칸의 분리를 제어할 수 있기 때문에 히드라진화 방법은 당생물학21에서 널리 사용되었습니다. 화학적 탈당화는 다른 화학적 탈당화 방법 외에도 불화수소 및 트리플루오로아세트산의 무수 제형을 사용하여 수행할 수도 있습니다 16,22,23. 당 단백질에서 N- 글리칸의 효소 방출은 일반적으로 펩티딜 -N- 글리코 시다 아제 (PNGase)에 의해 수행되며, 일반적으로 크기와 전하에 관계없이 N- 글리칸을 방출합니다24 , 25 , 26 , 27. 화학적 탈당화 방법과 유사하게 효소 탈당화 공정에는 다양한 문제가 있습니다. PNGase는 여러 세제가 사용되었을 때 활성을 나타내며, 이는 글리칸에 대한 효소 접근성을 증가시킵니다. 그러나 이러한 가혹한 처리는 천연 글리칸과 나머지 폴리펩티드 구조를 파괴할 수 있습니다28. PNGase는 N-아세틸글루코사민29에 연결된 푸코스가 있을 때 글라이칸을 절단하지 않을 수 있습니다. F1, F2 및 F3와 같은 다양한 내화효소는 PNGase보다 천연 단백질에서 더 많은 활성을 보여줍니다. 이러한 엔데글리코시다아제는 다중 안테나 글라이칸에서 활성이 낮은 반면, 내열성 새로운 EndoBI-1은 모든 유형의 N-글라이칸에 효과적입니다 10,11,28. 현재 방법의 한계와 관련하여, 어떠한 제한 없이 효과적인 글라이칸 방출을 위해서는 새로운 효소가 여전히 필요하다는 것은 명백합니다. 이를 위해 다양한 배당체 가수분해효소를 암호화하는 큰 게놈섬을 가진 비피더박테리아 종은 당단백질에서 N-글라이칸을 절단할 수 있습니다30,31. 이러한 맥락에서 이 연구의 전반적인 목적은 다양한 비피더스균 종에서 새로운 글리코시다아제를 발견하는 것입니다. 이러한 효소를 재조합적으로 생산하기 위해 다양한 융합 태그는 효소의 생산과 활성을 향상시키기 위한 것입니다.
1. 비피더스균 유전자의 분자 클로닝
2. 단백질 발현의 L-람노스 유도
3. His-tagged 효소를 포함하는 화학적으로 적극적인 E. coli 세포의 세포 용해
4. 배치 방법에 의한 His 태그 효소의 정제
서로 다른 기원에서 선택된 글리코실 가수분해효소 구성원 효소가 이 연구에서 표적으로 삼았습니다. 서로 다른 구조를 가진 서로 다른 효소의 공동 적용은 서로 다른 당단백질에서 활성화되도록 진화했기 때문에 더 나은 글리칸 방출을 제공할 수 있다고 가정했습니다. 표적 유전자 및 그 기원의 목록은 표 1에 나열되어 있습니다. 박테리아 균주는 Belgium Co-or...
표적 유전자의 분자 클로닝에 사용되는 in vivo 재조합 클로닝 전략은 다른 기존 클로닝 프로토콜에 비해 빠르고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다. 분자 클로닝을 위한 편리한 방법이 많이 있지만 이 기사에 설명된 방법에는 더 많은 장점이 있습니다. 생체 내 클로닝 시스템은 다른 클로닝 시스템과 달리 PCR 산물의 효소 처리나 정제가 필요하지 않습니다. 또...
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이 연구는 TUBITAK #118z146와 Uluova Süt Ticaret A.Ş(Uluova Milk Trading Co.)의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EconoTaq PLUS 2X Master Mix | Lucigen | 30035-1 | Amplification of target genes (PCR) |
DNase/RNase-free distilled water | Invitrogen | 10977035 | Amplification of target genes (PCR) |
Safe-Red Loading Dye | abm | G108-R | DNA gel electrophoresis |
1 kb Plus DNA Ladder | GoldBio | D011-500 | DNA gel electrophoresis |
Qubit protein assay kit | Invitrogen | Q33211 | Measurement of DNA concentration |
LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | amresco | J106-2KG | Bacterial culture media |
Agarose | Invitrogen | 16500-500 | Bacterial culture mediaet al. |
Kanamycin Monosulfate | GoldBio | K-120-5 | Antibiotic in bacterial culture media |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, N-His | Lucigen | 49011-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, SUMO | Lucigen | 49013-1 | Cloning Kit |
Expresso Rhamnose Cloning and Expression System Kit, C-His | Lucigen | 49012-1 | Cloning Kit |
Glycerol Solution | Sigma-Aldrich | 15524-1L-R | Preparation of glycerol stock |
L-Rhamnose monohydrate | Sigma-Aldrich | 83650 | Induction of protein expression |
2X Laemmli Sample Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
SureCast 40% (w/v) Acrylamide | Invitrogen | HC2040 | SDS-Page analysis |
SureCast APS | Invitrogen | HC2005 | SDS-Page analysis |
SureCast TEMED | Invitrogen | HC2006 | SDS-Page analysis |
10X Running Buffer | ClearBand | TGS10 | SDS-Page analysis |
Triset al. | BioShop | TRS001.1 | SDS-Page analysis and cell lysis |
10% SDS | ClearBand | S100 | SDS-Page analysis |
PageRuler Plus Prestained Protein Ladder | ThermoFisher | 26619 | SDS-Page analysis |
Imidazole | Sigma-Aldrich | 56750 | Cell lysis |
NaCl | Sigma-Aldrich | 31434-5Kg-R | Cell lysis |
Sodium Phosphate Monobasic Anhydrous | amresco | 0571-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
Sodium Phosphate Dibasic Dihydrateet al. | Sigma-Aldrich | 04272-1Kg | Sodium phosphate buffer for cell lysis |
10-kDa-cut-off centrifugal filter | Amicon®- MERCK | UFC9010 | Purification of enzymes |
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