Kim, Hangeun;Kim, Hye Sun;Park, Woo Jung;Chung, Dae Kyun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.25
no.11
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pp.1849-1855
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2015
Staphylococcus aureus plays an important role in sepsis, septic shock, pneumonia, and wound infections. Here, we demonstrate that Lactobacillus plantarum extracts inhibited S. aureus-induced cell death of a human epithelial cell line, HT-29. In particular, we have shown that S. aureus-induced cell death was abolished by neutralization of α-toxin, indicating that α-toxin is the major mediator of S. aureus-induced cell death. DNA fragmentation experiment and caspase assay revealed that the S. aureus-induced cell death was apoptosis. L. plantarum extracts inhibited the generation of effector caspase-3 and the initiator caspase-9 in S. aureus- or α-toxin-induced cell death. Moreover, expression of Bcl-2, an anti-apoptotic protein, was activated in L. plantarum extract-treated cells as compared with the S. aureus- or α-toxin-treated only cells. Furthermore, S. aureus-induced apoptosis was efficiently inhibited by lipoteichoic acid and peptidoglycan of L. plantarum. Together, our results suggest that L. plantarum extracts can inhibit the S. aureus-mediated apoptosis, which is associated with S. aureus spreading, in intestinal epithelial cells, and may provide a new therapeutic reagent to treat bacterial infections.
Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are essential for neurotransmission and important therapeutic targets of diseases related to neurotransmission. A recent experimental study identified three residues (Lys185, Asp187, and Ile188) of the ${\alpha}6$ nAChR subunit as determinants of ${\alpha}$-conotoxin BuIA selectivity, yet how these residues confer toxin selectivity remains unclear. In this study, we performed all-atom molecular dynamics simulations with two toxin-bound ${\alpha}4{\beta}2$ nAChR systems: the wild-type ${\alpha}4{\beta}2$ and one in which we replaced the three ${\alpha}4$ subunit residues with three ${\alpha}6$ subunit residues identified in an experimental study (Tyr185Lys, Thr187Asp, and Arg188Ile). After mutation, Asp199 lost the salt bridge formed with Arg188 in the wild type located around loop C. Then, the loop C conformation changed and became more flexible than that of the wild type. We also detected reduced space between the toxin and the binding site in the mutant simulation, resulting in increased binding affinity to the toxin. Therefore, we propose a new Asp199 mutation that breaks the salt bridge and may produce similar selectivity to that of the Arg188 mutation.
Scorpion venom comprises a cocktail of toxins that have proven to be useful molecular tools for studying the pharmacological properties of membrane ion channels. HelaTx1, a short peptide neurotoxin isolated recently from the venom of the scorpion Heterometrus laoticus, is a 25 amino acid peptide with two disulfide bonds that shares low sequence homology with other scorpion toxins. HelaTx1 effectively decreases the amplitude of the K+ currents of voltage-gated Kv1.1 and Kv1.6 channels expressed in Xenopus oocytes, and was identified as the first toxin member of the κ-KTx5 subfamily, based on a sequence comparison and phylogenetic analysis. In the present study, we report the NMR solution structure of HelaTx1, and the major interaction points for its binding to voltage-gated Kv1.1 channels. The NMR results indicate that HelaTx1 adopts a helix-loop-helix fold linked by two disulfide bonds without any β-sheets, resembling the molecular folding of other cysteine-stabilized helix-loop-helix (Cs α/α) scorpion toxins such as κ-hefutoxin, HeTx, and OmTx, as well as conotoxin pl14a. A series of alanine-scanning analogs revealed a broad surface on the toxin molecule largely comprising positively-charged residues that is crucial for interaction with voltage-gated Kv1.1 channels. Interestingly, the functional dyad, a key molecular determinant for activity against voltage-gated potassium channels in other toxins, is not present in HelaTx1.
The current model for the mechanism of action of the Bacillus thuringiensis Cry $\delta$-endotoxins involves the penetration of the ${\alpha}4-{\alpha}5$ hairpin into the target midgut epithelial cell membranes, followed by pore formation. In this study, PCR-based mutagenesis was employed to identify a critical residue within the ${\alpha}4-{\alpha}5$ loop of the 130-kDa Cry4A mosquito-larvicidal protein. Alanine-substitutions of two charged (Asp-198 and Asp-200) and four polar (Asn-190, Asn-195, Tyr-201 and Tyr-202) residues in the ${\alpha}4-{\alpha}5$ loop were performed. Like the wild-type, all of the mutant toxins were over-expressed as inclusion bodies in Escherichia coli. When E. coli cells expressing each mutant toxin were bioassayed against Aedes aegypti larvae, larvicidal activity was completely abolished for the substitution of only Tyr-202, while replacements at the other positions still retained a high level of toxicity. Further replacement of Tyr-202 with an aromatic side chain, phenylalanine, did not affect the toxicity. These results revealed a crucial role in toxin activity for the conserved aromatic residue at the 202 position within the ${\alpha}4-{\alpha}5$ loop of the Cry4A toxin.
The interaction of mastoparan B, a tetradecapeptide toxin found in the hornet Vespa basalis, with phospholipid bilayers was investigated. Synthetic mastoparan B and its analogs, obtained by substituting one hydrophilic amino acid (2-Lys, 4-Lys, 5-Ser, 8-Ser, 11-Lys, or 12-Lys) in mastoparan B with Ala, were studied. Mastoparan B and its analogs were synthesized by the solid-phase method. As shown by circular dichroism spectra, mastoparan B and its analogs adopted an unordered structure in buffer solution. All peptides took an α-helical structure, and the α-helical content of its analogs increased in the presence of neutral and acidic liposomes as compared to that of mastoparan B. In the calcein leakage experiment, we observed that mastoparan B interacted more weakly with lipid bilayers in neutral and acidic media than its analogs. Mastoparan B also showed slightly lower antimicrobial activity and hemolytic activity towards human erythrocytes than its analogs. These results indicate that the greater hydrophobicity of the amphiphilic α-helix of mastoparan B by replacement with alamine residues results in the increased biological activity and helical content.
Helices 4 and 5 of the Bacillus thuringiensis Cry4Ba $\delta$-endotoxin have been shown to be important determinants for mosquito-larvicidal activity, likely being involved in membrane-pore formation. In this study, the Cry4Ba mutant protein containing an additional engineered tryptic cleavage site was used to produce the $\alpha4$-$\alpha5$ hairpin peptide by an efficient alternative strategy. Upon solubilization of toxin inclusions expressed in Escherichia coli and subsequent digestion with trypsin, the 130-kDa mutant protoxin was processed to protease-resistant fragments of ca. 47, 10 and 7 kDa. The 7-kDa fragment was identified as the $\alpha4$-loop-$\alpha5$ hairpin via N-terminal sequencing and mass spectrometry, and was successfully purified by size-exclusion FPLC and reversed-phase HPLC. Using circular dichroism spectroscopy, the 7-kDa peptide was found to exist predominantly as an $\alpha$-helical structure. Membrane perturbation studies by using fluorimetric calcein-release assays revealed that the 7-kDa helical hairpin is highly active against unilamellar liposomes compared with the 65-kDa activated full-length toxin. These results directly support the role of the $\alpha4$-loop-$\alpha5$ hairpin in membrane perturbation and pore formation of the full-length Cry4Ba toxin.
Based on the reported cDNA sequences of $BmK{\alpha}Txs$, the genes encoding toxin $BmK{\alpha}Tx11$ and $BmK{\alpha}Tx15$ were amplified by PCR from the Chinese scorpion Buthus martensii Karsch genomic DNA employing synthetic oligonucleotides. Sequences analysis of nucleotide showed that an intron about 500 bp length interrupts signal peptide coding regions of $BmK{\alpha}Tx11$ and $BmK{\alpha}Tx15$. Using cDNA sequence of $BmK{\alpha}Tx11$ as probe, southern hybridization of BmK genome total DNA was performed. The result indicates that $BmK{\alpha}Tx11$ is multicopy genes or belongs to multiple gene family with high homology genes. The similarity of $BmK{\alpha}$-toxin gene sequences and southern hybridization revealed the evolution trace of $BmK{\alpha}$-toxins: $BmK{\alpha}$-toxin genes evolve from a common progenitor, and the genes diversity is associated with a process of locus duplication and gene divergence.
Lee, Kyung Jin;Kim, Yun Kyu;Krupa, Martin;Nguyen, Anh Ngoc;Do, Bich Hang;Chung, Boram;Vu, Thi Thu Trang;Kim, Song Cheol;Choe, Han
BMB Reports
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v.49
no.3
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pp.185-190
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2016
Crotamine is a peptide toxin found in the venom of the rattlesnake Crotalus durissus terrificus and has antiproliferative, antimicrobial, and antifungal activities. Herein, we show that crotamine dose-dependently induced macrophage phagocytic and cytostatic activity by the induction of nitric oxide (NO) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α). Moreover, the crotamineinduced expression of iNOS and TNF-α is mediated through the phosphorylation of p38 and the NF-κB signaling cascade in macrophages. Notably, pretreatment with SB203580 (a p38-specific inhibitor) or BAY 11-7082 (an NF-κB inhibitor) inhibited crotamine-induced NO production and macrophage phagocytic and cytotoxic activity. Our results show for the first time that crotamine stimulates macrophage phagocytic and cytostatic activity by induction of NO and TNF-α via the p38 and NF-κB signaling pathways and suggest that crotamine may be a useful therapeutic agent for the treatment of inflammatory disease.
Ham, Hyeon Joo;Yeo, In Jun;Jeon, Seong Hee;Lim, Jun Hyung;Yoo, Sung Sik;Son, Dong Ju;Jang, Sung-Su;Lee, Haksup;Shin, Seung-Jin;Han, Sang Bae;Yun, Jae Suk;Hong, Jin Tae
Biomolecules & Therapeutics
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v.30
no.1
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pp.90-97
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2022
Recently, increasing evidence suggests that neuroinflammation may be a critical factor in the development of Parkinson's disease (PD) in addition to the ratio of acetylcholine/dopamine because dopaminergic neurons are particularly vulnerable to inflammatory attack. In this study, we investigated whether botulinum neurotoxin A (BoNT-A) was effective for the treatment of PD through its anti-neuroinflammatory effects and the modulation of acetylcholine and dopamine release. We found that BoNT-A ameliorated MPTP and 6-OHDA-induced PD progression, reduced acetylcholine release, levels of IL-1β, IL-6 and TNF-α as well as GFAP expression, but enhanced dopamine release and tyrosine hydroxylase expression. These results indicated that BoNT-A had beneficial effects on MPTP or 6-OHDA-induced PD-like behavior impairments via its anti-neuroinflammation properties, recovering dopamine, and reducing acetylcholine release.
We investigated the effect of ${\alpha}-adrenergic$ and cholinergic receptor agonists on $Ca^{2+}$ current in adult rat trigeminal ganglion neurons using whole-cell patch clamp methods. The application of acetylcholine, carbachol, and oxotremorine ($50\;{\mu}M\;each$) produced a rapid and reversible reduction of the $Ca^{2+}$ current by $17{\pm}6%,\;19{\pm}3%,\;and\;18{\pm}4%$, respectively. Atropine, a muscarinic antagonist, blocked carbachol- induced $Ca^{2+}$ current inhibition to $3{\pm}1%$. Norepinephrine ($50\;{\mu}M$) reduced $Ca^{2+}$ current by $18{\pm}2%$, while clonidine ($50\;{\mu}M$), an ${\alpha}2-adrenergic$ receptor agonist, inhibited $Ca^{2+}$ current by only $4{\pm}1%$. Yohimbine, an ${\alpha}2-adrenergic$ receptor antagonist, did not block the inhibitory effect of norepinephrine on $Ca^{2+}$ current, whereas prazosin, an ${\alpha}1-adrenergic$ receptor antagonist, attenuated the inhibitory effect of norepinephrine on $Ca^{2+}$ current to $6{\pm}1%$. This pharmacology contrasts with ${\alpha}2-adrenergic$ receptor modulation of $Ca^{2+}$ channels in rat sympathetic neurons, which is sensitive to clonidine and blocked by yohimbine. Our data suggest that the modulation of voltage dependent $Ca^{2+}$ channel by norepinephrine is mediated via an α1-adrenergic receptor. Pretreatment with pertussis toxin (250 ng/ml) for 16 h greatly reduced norepinephrine- and carbachol-induced $Ca^{2+}$ current inhibition from $17{\pm}3%\;and\;18{\pm}3%\;to\;2{\pm}1%\;and\;2{\pm}1%$, respectively. These results demonstrate that norepinephrine, through an ${\alpha}1-adrenergic$ receptor, and carbachol, through a muscarinic receptor, inhibit $Ca^{2+}$ currents in adult rat trigeminal ganglion neurons via pertussis toxin sensitive GTP-binding proteins.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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