Hyun Jin Kim;Sion Ham;Nara-Shin;Jeong Hyeon Hwang;Suk Jin Oh;Tae-Rim Choi;Jeong Chan Joo;Shashi Kant Bhatia;Yung-Hun Yang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제34권4호
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pp.969-977
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2024
Indigo is a valuable, natural blue dye that has been used for centuries in the textile industry. The large-scale commercial production of indigo relies on its extraction from plants and chemical synthesis. Studies are being conducted to develop methods for environment-friendly and sustainable production of indigo using genetically engineered microbes. Here, to enhance the yield of bioindigo from an E. coli whole-cell system containing tryptophanase (TnaA) and flavin-containing monooxygenase (FMO), we evaluated tryptophan transporters to improve the transport of aromatic compounds, such as indole and tryptophan, which are not easily soluble and passable through cell walls. Among the three transporters, Mtr, AroP, and TnaB, AroP enhanced indigo production the most. The combination of each transporter with AroP was also evaluated, and the combination of AroP and TnaB showed the best performance compared to the single transporters and two transporters. Bioindigo production was then optimized by examining the culture medium, temperature, isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside concentration, shaking speed (rpm), and pH. The novel strain containing aroP and tnaB plasmid with tnaA and FMO produced 8.77 mM (2.3 g/l) of bioindigo after 66 h of culture. The produced bioindigo was further recovered using a simple method and used as a watercolor dye, showing good mixing with other colors and color retention for a relatively long time. This study presents an effective strategy for enhancing indigo production using a combination of transporters.
Microsomes isolated from Spodoptera frugiperda (Sf)9 cells infected wi th human FM01 recombinant baculovirus catalyzed the NADPH- and 02-dependent oxidation of methimazole, thiourea, and phenylthiourea. However there was no detectable activity with 1,3-diphenylthiourea or larger thiocarbamides. Microsomes from control Sf9 cells were devoid of methimazole or thiourea S-oxygenase activity. (omitted)
Together with cytochrome P450 (CYP), flavin-containing monooxygenase (FMO) present in liver microsomes oxidizes various endogenous and exogenous chemicals. In an effort to determine the human FMO activity, we have developed two non-invasive urine analysis methods using caffeine (CA) and ranitidine (RA) as the probe compounds. As the production of theobromine (TB) and ranitidine N-oxide (RANO) from CA and RA is catalyzed primarily by the hepatic FMO, we have assigned the urinary molar ratios of TB/CA and RA/RANO as the in vivo FMO activity. In 200 age-matched Korean volunteers, the obtained TB/CA ratio ranged from 0.4 to 15.2 (38-fold difference) and the RA/RANO ratio from 5.7 to 27.2 (4.8-fold). The FMO activity of 20's, determined by caffeine metabolism, was the highest (2.5$\pm$l.9) and those of 30's, 40's, 50's, 60's and 70's were 40%, 50%, 24%, 39% and 36% of the 20's, respectively. Intake of grapefruit juice, known to contain flavonoids, inhibited the in vivo FMO (TB/CA) activity by 79%. Addition of the flavonoids like naringin, quercitrin and kaempferol, present in grapefruit juice, to the in vitro microso-mal FMO assay, thiobenzamide S-oxidation, produced 75%, 70% and 60% inhibition, respectively. Obtained Ki values of quercitrin, kaempferol and naringin on the in vitro FMO activity were 6.2, 12.0 and 13.9 $\mu\textrm{M}$, respectively. This suggested that the dose of drug should need to be adjusted to suit the individual FMO activities when the drugs metabolized by FMO are given to patients. As the intake of grapefruit juice has been identified to inhibit the FMO as well as CYP3A4 and lA2 activities, patients taking drugs metabolized by these enzymes should not drink grapefruit juice as the carrier.
The pyrrolizidine alkaloids (PAs), contained in a number of traditional remedies in Africa and Asia, show wide variations in metabolism between animal species but little work has been done to investigate differences between animal strains. The metabolism of the PA senecionine (SN) in Fischer 344 (F344) rats has been studied in order to compare to that found in the previously investigated Sprague-Dawley (SO) rats (Drug Metab. Dispos. 17: 387, 1989). There was no difference in the formation of ($\pm$) 6,7-dihydro-7-hydroxy-1-hydroxymethyl-5H-pyrrolizine (DHP, bioactivation) by hepatic microsomes from either sex of SO and F344 rats. However, hepatic microsomes from male and female F344 rats had greater activity in the Noxidation (detoxication) of SN by 88% and 180%, respectively, when compared to that of male and female SD rats. Experiments conducted at various pH showed an optimum pH of 8.5, the optimal pH for flavin-containing monooxygenase (FMO), for SN N-oxidation by hepatic microsomes from F344 females. In F344 males, however, a bimodal pattern was obtained with activity peaks at pH 7.6 and 8.5 reflecting the possible involvement of both cytochrome P450 (CYP) and FMO. Use of specific inhibitors (SKF525A, 1-benzylimidazole and methimazole) showed that the N-oxide of SN was primarily produced by FMO in both sexes of F344 rats. In contrast, SN N-oxide formation is known to be catalyzed mainly by CYP2C11 rather than FMO in SD rats. This study, therefore, demonstrated that there were substantial differences in the formation of SN N-oxide by hepatic microsomes from F344 and SD rats and that this detoxification is catalyzed primarily by two different enzymes in the two rat strains. These findings suggest that significant variations in PA biotransformation can exist between different animal strains.
Methylophaga aminosulfidovorans SK1 (KCTC 10323 BP)은 단일 탄소원, 질소원 그리고 에너지원으로 난분해성 화합물인 트리메틸아민을 이용할 수 있다. M. aminosulfidovorans SK1는 진핵세포의 flavin-containing monooxygenase와 유사한 유전자(bFMO)를 지니고 있으며 대장균에서 발현된 재조합 단백질은 강력한 트리메틸아민 산화활성을 보인다. 본 연구에서는 bEMO의 기능과 조절 메커니즘을 연구하기 위하여 bfmo의 상단부 및 하단부 유전자의 염기서열을 결정하였다. bfmo 상단부의 세 개의 열린해독틀은 잘 보존된 nitrate/nitrite response regulators와 methyl accepting protein 유사단백질을 암호화하였다. 하단부의 두 개의 작은 열린해독틀은 기능은 알려져 있지 않지만 진정세균계에서 잘 보존된 단백질의 일종으로 나타났다. 역전사효소 중합효소증폭반응을 통하여 여섯 개의 유전자는 세 개의 독립된 오페론으로 구성되어 있음을 확인하였다. bfmo의 상단부에 위치하는 세 개의 조절유전자는 두 개의 프로모터에서 전사되었다. 그리고 이와 독립적으로 bfmo와 두 개의 하단부 유전자가 하나의 전사단위를 이루고 있다.
To examine individual variation in drug metabolism catalyzed by flavin-containing monooxygenase (FMO), 179 Korean volunteers' urinary molar concentration ratio of theobromine (TB) and caffeine (CA) was determined. Their urine was collected for 1 hr (between 4 and 5 hrs) after they drank a cup of coffee containing 115 mg CA and analyzed by an HPLC system. The lowest TB/CA ratio obtained was 0.40, the highest ratio was 15.17 (38-fold difference), and the median ratio for all subjects was 1.87. The mean was 2.66 with 2.36 S.D.. In 134 nonsmokers, the mean ratio was $2.35{\pm}1.93,$ that of 51 males was $2.30{\pm}2.26$ and 83 females was $2.37{\pm}1.85,$ respectively. There was no significant gender difference in the obtained TB/CA ratio (Mann-Whitney test; p=0.518). There were no smokers among the 83 female volunteers. In the remaining 96 male subjects, the ratio obtained in 51 nonsmokers was $2.30{\pm}2.06$ and that of 45 smokers was $3.62{\pm}3.19.$ This indicated that the TB/CA ratio was increased significantly in smokers (p=0.007). However, when the TB/CA ratios (FMO activity) obtained in all 179 Korean volunteers are compared with the urinary concentration ratios of paraxanthine (PX) plus 1,7-dimethylurate (17U) to CA (CYP1A2 activity), there was a weak but significant correlation (Pearson's correlation coefficient test; $r^2=0.28,$ p<0.0001). This indicates that, although the urinary TB/CA ratio mostly represents FMO activity, minor contribution by CYP1A2 activity cannot be ignored. In conclusion, the FMO activity measured by taking the urinary TB/CA ratio from normal healthy Korean volunteers shows marked individual variations without significant gender differences and the increased TB/CA ratio observed in cigarette smokers may have been caused by the increased CYP1A2 activity.
The effect of obesity on the drug-metabolizing enzymes remains an important issue for clinician since obesity is a world wide epidemic problem. However, little is known about the effects of obesity on flavincontaining monooxygenase (FMO) production and activity. We show here for the first time that in vivo FMO activity determined by urinary ranitidine (RA) metabolites ratio in human, was higher in subjects with a high body mass index (BMI, kg/$m^2$, 21.97-30.32) than in those with an intermediate BMI (range 19.38-21.83). Moreover, there was a significant correlation between FMO activity and BMI in 209 subjects. In high fat diet-induced obese mice, we also observed that the hepatic expression of FMO (225% of lean mice) and the activity measured by the RA Noxidation rate ($513{\pm}58.1$ vs. $349{\pm}66.0$ pmol/hr per mg protein) were significantly higher than in lean mice fed a control diet. Unknown factors rather than leptin or insulin appeared to regulate the hepatic FMO production. Thus, FMO activity may be increased in obese or overweight individuals. Moreover, the regulation of FMO activity in subjects with morbid obesity, with or without complications and its clinical implications, should be investigated further.
Trimethylaminuria (TMAuria), known as "fish odor syndrome," is a congenital metabolic disorder characterized by an odor resembling that of rotting fish. This odor is caused by the secretion of trimethylamine (TMA) in the breath, sweat, and body secretions and the excretion of TMA along with urine. TMAuria is an autosomal recessive disorder caused by mutations in flavin-containing monooxygenase 3 (FMO3). Most TMAuria cases are caused by missense mutations, but nonsense mutations have also been reported in these cases. Here, we describe the identification of a novel FMO3 gene mutation in a patient with TMAuria and her family. A 3-year-old girl presented with a strong corporal odor after ingesting fish. Genomic DNA sequence analysis revealed that she had compound heterozygous FMO3 mutations; One mutation was the missense mutation p.Val158Ile in exon 3, and the other was a novel nonsense mutation, p.Ser364X, in exon 7 of the FMO3 gene. Familial genetic analyses showed that the p.Val158Ile mutation was derived from the same allele in the father, and the p.Ser364X mutation was derived from the mother. This is the first description of the p.Ser364X mutation, and the first report of a Korean patient with TMAuria caused by novel compound heterozygous mutations.
향상된 인디고이드 생산능력을 갖는 코리네박테리움 유래의 변이 플라빈-함유 모노옥시게나제(cFMO)를 개발하기 위하여, cFMO 효소의 상동성모델을 이용하여 말토오스-결합단백질(MBP)과 융합된 4가지 변이체(F170Y, A210G, A210S, T326S)를 제작하고 그 생화학적 특징을 밝혔다. 정제된 MBP-T326S는 최적 활성을 위하여 야생형보다 고농도의 FAD ($100{\mu}M$)를 요구하며, $100{\mu}M$의 FAD 첨가조건에서 $k_{cat}/K_m$이 3.8배 증가되었다. 인돌 옥시게나제 활성은 야생형의 63-77%를 나타냈다. MBP-T326S는 기질이 존재하지 않을 경우 쓸모없는 NADPH 산화효소 활성이 매우 낮은 수준을 보여주었다(21-24%). T326S이외의 변이 단백질들은 야생형에 비하여 $K_m$은 비슷하며 $k_{cat}/K_m$은 증가하였다. MBP-F170Y와 -A210S 변이단백질은 인돌 옥시게나제 활성이 각각 3.1배, 2.9배 증가하였다. 2.5 g/l의 트립토판을 함유한 LB배지에서 인디고이드 생산을 시험했을 때, 야생형 cFMO를 함유한 대장균은 684 mg/l의 인디고와 104 mg/l의 인디루빈을 생산한 반면, T326S를 함유한 세포는 1,040 mg/l의 인디고와 112 mg/l의 인디루빈을 생산하였다. 이전의 결과인 Methylophaga 유래의 FMO를 발현하는 대장균에서 가장 높은 수준인 920 mg/l의 인디고를 생산한 것과 비교하면, 본 연구결과는 인디고 생산이 13% 높은 수준이였다. 상동성 모델링에 기반한 cFMO의 단백질공학은 인디고이드 생산균을 개발하는데 보다 더 논리적인 전략을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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