Proceedings of the Korean Biophysical Society Conference
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1997.07a
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pp.13-13
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1997
Gaegurin 4 is an antimicrobial peptide found in the skin of a Korean frog, Rana rugosa, known for its "wound-healing" effect for years. This 37-residue basic peptide binds to cell membranes and forms ion channels like other antimicrobial peptides but does not exhibit hemolytic activity.(omitted)
Park, Sang-Ho;Son, Woo-Sung;Kim, Yong-Jin;Kwon, Ae-Ran;Lee, Bong-Jin
BMB Reports
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v.40
no.2
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pp.261-269
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2007
The structure and dynamics of a 37-residue antimicrobial peptide gaegurin 4 (GGN4) isolated from the skin of the native Korean frog, Rana rugosa, was determined in SDS micelles by NMR spectroscopy. The solution structure of the peptide in SDS micelles was determined from 352 NOE-derived distance constraints and 22 backbone torsion angle constraints. Dynamic properties for the amide backbone were characterized by $^1H-^{15}N $heteronuclear NOE experiments. The structural study revealed two amphipathic helices spanning residues 2-10 and 16-32 and that the helices were connected by a flexible loop. An intraresidue disulfide bridge was formed between residues Cys31 and Cys37 near the C-terminus. The loop region (11-15) connecting the two helices are were slightly more flexible than these helices themselves. From the fact that since there is no contact NOEs between two helices, it is implied that the GGN4 peptide shows an independent motion of both helices which has an angle of about $ 60^{\circ}-120^{\circ}$ from each other.
Antimicrobial peptides (AMPs) are important components of living organisms acting against Gram-negative and Gram-positive bacterial and fungal pathogens. Cathelicidin human peptides have a variety of biological activities that can be used in clinical applications. AMPs are not produced naturally in large quantities, and chemical synthesis is also economically impractical, especially for long peptides. Therefore, as an alternative, heterologous expression of AMPs by recombinant techniques has been studied as a means to reduce production costs. E. coli is an excellent host for the expression of AMPs, as well as other recombinant proteins, because of the low cost involved and its easy manipulation. However, overexpression of AMPs in E. coli has been shown to cause difficulties resulting from the toxicity of the subsequently produced AMPs. Therefore, fusion expression was theorized to be a solution to this problem. In this study, AMPs were expressed as fused proteins with the glutathione S-transferase (GST) binding protein to protect against the toxicity of AMPs when expressed in E. coli. The LL37, and hybrid gaegurin and LL37 (GGN4(1-16)-LL37(17-32), which we designated as GL32, peptides were expressed as GST-fusion proteins in E. coli and the fusion proteins were then purified by affinity columns. The purified peptides were obtained by removal of GST and were confirmed by western blot analysis. The purified antimicrobial peptides then demonstrated antimicrobial activities against Gram-negative and Gram-positive bacterial strains.
Gaegurin 4 (GGN4), a novel peptide isolated from the skin of a Korean frog, Rana rugosa, has broad spectrum antimicrobial activity. A number of amphipathic peptides closely related to GGN4 undergo a coil to helix transition with concomitant oligomerization in lipid membranes or membrane-mimicking environments. Despite intensive study of their secondary structures, the oligomeric states of the peptides before and after the transition are not well understood. To clarify the structural basis of its antibiotic action, we used analytical ultracentrifugation to define the aggregation state of GGN4 in water, ethyl alcohol, and 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP). The maximum size of GGN4 in 15% HFIP corresponded to a decamer, whereas it was monomeric in buffer. The oligomeric transition is accompanied by a cooperative 9 nm blue-shift of maximum fluorescence emission and a large secondary structure change from an almost random coil to an ${\alpha}$-helical structure. GGN4 induces pores in lipid membranes and, using electrophysiological methods, we estimated the diameter of the pores to be exceed $7.3{\AA}$, which suggests that the minimal oligomer structure responsible is a pentamer.
Kim, Se-Ha;Kim, Ji-Young;Lee, Byeong-Jae;Kim, Soon-Jong
BMB Reports
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v.32
no.1
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pp.12-19
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1999
Gaegurin 4 (GGN4), a broad-spectrum antibiotic, is a 37-amino acid peptide isolated from the Korean frog, Rana rugosa. In this study, we have chemically synthesized and purified GGN4 analogues where the C-terminal portion is truncated and/or substituted with tryptophan. These peptides show significantly different biological activities depending on the location of tryptophan and the number of amino acids truncated from the C-terminal end. While deletion of 9 amino acids from the C-terminal seems to be marginally tolerable in maintaining the antimicrobial activity, further deletion of up to 14 amino acid residues decreases the potency by more than 60-fold towards Gram-positive, and 10-fold towards Gram-negative, bacteria. Surprisingly, the reduced activity of the shorter peptide can be completely restored by a single substitution of aspartic acid 16 to tryptophan 16 (D16W). Also, the truncation seems to decrease the specificity of antibiotic activity more towards Gram-positive than towards Gram-negative bacteria studied. These data suggest a partial role of the C-terminal region in determining the binding specificity and the activity of peptides upon binding to their target cell membranes.
Kim, Hee-Jeong;Lee, Byeong-Jae;Lee, Mun-Han;Hong, Seong-Geun;Ryu, Pan-Dong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.13
no.1
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pp.39-47
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2009
Gaegurin 4(GGN 4), an antimicrobial peptide isolated from a Korean frog, is five times more potent against Gram-positive than Gram-negative bacteria, but has little hemolytic activity. To understand the mechanism of such cell selectivity, we examined GGN4-induced $K^+$ efflux from target cells, and membrane conductances in planar lipid bilayers. The $K^+$ efflux from Gram-positive M. luteus(2.5 ${\mu}g/ml$) was faster and larger than that from Gram-negative E. coli(75 ${\mu}g/ml$), while that from RBC was negligible even at higher concentration(100 ${\mu}g/ml$). GGN4 induced larger conductances in the planar bilayers which were formed with lipids extracted from Gram-positive B. subtilis than in those from E. coli(p<0.01), however, the effects of GGN4 were not selective in the bilayers formed with lipids from E. coli and red blood cells. Addition of an acidic phospholipid, phosphatidylserine to planar bilayers increased the GGN4-induced membrane conductance(p<0.05), but addition of phosphatidylcholine or cholesterol reduced it(p<0.05). Transmission electron microscopy revealed that GGN4 induced pore-like damages in M. luteus and dis-layering damages on the outer wall of E. coli. Taken together, the present results indicate that the selectivity of GGN4 toward Gram-positive over Gram-negative bacteria is due to negative surface charges, and interaction of GGN4 with outer walls. The selectivity toward bacteria over RBC is due to the presence of phosphatidylcholine and cholesterol, and the trans-bilayer lipid asymmetry in RBC. The results suggest that design of selective antimicrobial peptides should be based on the composition and topology of membrane lipids in the target cells.
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