The baculovirus/insect cell expression system is of great value in the study of structure-function relationships in mammalian glucose-transport proteins by site-directed mutagenesis and for the large-scale production of these proteins for mechanistic and biochemical studies. Spodoptera frugiperda Clone 21 (Sf2l) cells grow well on TC-100 medium that contains $0.1\%$ D-glucose as the major carbon source, strongly suggesting the presence of endogenous glucose transporters. However, very little is known about the properties of the endogenous sugar transporter(s) in Sf2l cells, although a saturable transport system for hexose uptake has been previously revealed in the Sf cells. In order to further examine the substrate and inhibitor recognition properties of the Sf2l cell transporter, the ability of hexoses to inhibit 2-deoxy-D-glucose (2dGlc) transport was investigated by measuring inhibition constants $(K_i)$. The $K_i's$ for reversible inhibitors were determined from plots of uptake versus inhibitor concentration. Transport was effectively inhibited by D-mannose and D-glucose. Of the hexoses tested, L-glucose had the least effect on 2dGlc transport in the Sf2l cells, indicating that the transport is stereoselective. Unlike the human HepG2 type glucose transport system, D-mannose had a somewhat greater affinity for the Sf2l cell transporter than D-glucose, implying that the hydroxyl group at the C-2 position is not necessary for strong binding. However, epimerization at the C-4 position of D-glucose (D-galactose) resulted in a dramatic decrease in affinity of the hexose for the Sf2l cell transporter. Such a lowering of affinity might be the result of the involvement of the C-4 hydroxyl in hydrogen bonding. It is therefore suggested that Sf2l cells were found to contain an endogenous sugar transport activity that in several aspects resembles the human HepG2 type glucose transporter, although the insect and human transporters do differ in their affinity for cytochalasin B.
Unlike the mammalian glucose transporter GLUT1, little is known about the nature of the endogenous sugar transporter(s) in insect cells. In order to establish the transport characteristics and other properties of the sugar transport proteins of Sf9 cells, a series of kinetic analyses was performed. A saturable transport system for hexose uptake has been revealed in the insect cells. The apparent affinity of this transport system(s) for 2-deoxy-D-glucose was relatively high, the $K_m$ for uptake being <0.5 mM. To further investigate the substrate and inhibitor recognition properties of the insect cell transporter, the ability of other sugars or drugs to inhibit 2-deoxy-D-glucose transport was examined by measuring inhibition constants ($K_j$). Transport was inhibited by D-mannose, D-glucose, and D-fructose. However, the apparent affinity of the C-4 epimer, D-galactose, for the Spodoptera transporter was relatively low, implying that the hydroxyl group at the C-4 position may play a role in the strong binding of glucose and mannose to the transporter. The results also showed that transport was stereoselective, being inhibited by D-glucose but not by L-glucose. It is therefore concluded that insect cells contain an endogenous glucose transport activity that in several aspects resembles the human erythrocyte glucose transporter. However, the mammalian and insect transporters were different in some of their kinetic properties, namely, their affinities for fructose and for cytochalasin B.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.27
no.9
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pp.958-964
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2005
Experiment was conducted to investigate the amount of hydrogen gas and the characteristics of organic acids production from various carbohydrates by anaerobic bacteria. The variation characteristics of organic acids and hydrogen gas production at the fermentative culture were also studied in the presence of heavy metals such as cadmium or lopper. 3.43 mole hydrogen per mole of hexose was produced when sucrose was used as a carbon source. Acetic acid and butyric acid were main products by the anaerobic fermentation. Hydrogen production rate was decreased and formation of acetic acid was increased as the concentration of heavy metals was increased in the medium. The inhibition of hydrogen production by the copper was more serious than the cadmium.
The baculovirus expression system is a powerful method for producing large amounts of the human erythrocyte-type glucose transport protein, heterologously. Characterization of the expressed protein is expected to show its ability to transport sugars directly. To achieve this, it is a prerequisite to know the properties of the endogenous sugar transport system in Spodoptera frugiperda Clone 21 (Sf21) cells, which are commonly employed as a host permissive cell line to support the baculovirus replication. The Sf21 cells can grow well on TC-100 medium that contains 0.1% D-glucose as the major carbon source, strongly suggesting the presence of endogenous glucose transport system. However, unlike the human glucose transport protein that has a broad substrate and inhibitor specificity, very little is known about the nature of the endogenous sugar transport system in Sf21 cells. In order to characterize further the inhibitor recognition properties of the Sf21 cell transporter, the ability of phloretin, cytochalasin B and D-fructose to inhibit 2-deoxy-D-glucose (2dGlc) transport was examined by measuring inhibition constants $(K_i)$. The $K_i's$ for reversible inhibitors were determined from plots of uptake versus inhibitor concentration. The 2dGlc transport in the Sf21 cells was very potently inhibited by phloretin, the aglucone of phlorizin with a $K_i$ similar to the value of about $2{\mu}M$ reported for inhibition of glucose transport in human erythrocytes. However, the Sf21 cell transport system was found to differ from the human transport protein in being much less sensitive to inhibition by cytochalasin B (apparent $K_i$ approximately $10\;{\mu}M$). In contrast, It is reported that the inhibitor binds the human erythrocyte counterpart with a $K_d$ of approximately $0.12\;{\mu}M$. Interestingly, the Sf21 glucose transport system also appeared to have high affinity for D-fructose with a $K_i$ of approximately 5mM, contrasting the reported $K_m$ of the human erythrocyte transport protein for the ketose of 1.5M.
Inhibitory effect of sugars on lipase production by Trichosporon cutaneum was observed in the previous study (Kim, 1972), and inhibition was distinctive by the addition of glucose, fructose, mannose, xylose and arabinose to the soybean meal medium among various carbon sources. These experiments were carried out to study the effect of sugars on cell growth and lipase production by the strain using the soybean extracts liquid medium under a shaking culture system. Changes in color and pH of the medium were caused by heat sterilization when various sugars were added. To elucidate the possible effect of these coloring matters on lipase production and cell growth: changes in pH of the culture, cell concentration and level of the enzyme activities were determined when the culture was grown for 48 hours at $30^{\circ}C$ on a reciprocal shaker. The results obtained were as follows: 1. Density of brownish color which formed during heat sterilization was varied with the variety of sugar used, ie, strong in pentose such as xylose: weak in hexose such as galactose, mannose, glucose: very weak in disaccharide such as maltose, sucrose. When the color density was stronger, decrease in pH after sterilization was marked. 2. Cell growth and lipase production was not so effect by the coloring matters as by sugars. 3. The more the cell mass of the culture, the lower the level of lipase production in the culture supernatant. 4. Among the sugars which caused the distinctive inhibition of lipase production, a slight relief of inhibition was noticed by the addition of xylose, whereas the cell growth was repressed. 5. When cell growth was better, decrease in pH of the medium was greater during cultivation.
The metabolic patterns of C-1 and C-6-carbon atoms of glucose were observed in the tissue homogenates of the Ehrlich ascites tumor tissue which was incubated for 3 hours in the Dubnuff metabolic shaking incubator. $C^{14}-1-and\;C^{14}-6-glucose$ were used as tracers. The glucose media in which tissue homogenate was incubated was kept at a concentration of 200mg% glucose of carrier and appropriate amount of $C^{14}-1-or\;C^{14}-6-tracer$. At the end of 3 hour incubation, respiratory $CO_2$ samples trapped by alkaline which is placed in the tenter well of incubation flask were analyzed for the total $CO_2$ production rates and their radioactivities. The tissue homogenate samples after incubation were analyzed for their concentrations of glucose, lactate, pyruvate and glycogen and calculations were made on the glucose consumption rate, pyruvate and lactate accumulation rates. The following results were obtained. Data obtained in each group are as follows: 1. In the tissue homogenate, which was incubated with $C^{14}-1-glucose as a substrate, total $CO_2$ production rate averaged $19.0{\pm}5.0{\mu}M/hr/gm$ and the mean specific activity of respiratory $CO_2$ was $840{\pm}296\;cpm/mgC.$ Relative specific activity (RSA) which means the fraction of $CO_2$ derived from medium $C^{14}-1-glucose$ to total $CO_2$ production rate was calculated by ratio of SA of respiratory $CO_2$ and medium $C^{14}-1-glucose.$ RSA was $14.3{\pm}5.0%,$ Accordingly actual $CO_2$ production rate from medium $C^{14}-1-glucose$ showed a mean value of $2.79{\pm}1.35\;{\mu}m$ of which amount was equivalent to the mean value of total glucose consumption rate $(RGDco_2)$, namely, $5.1{\pm}1.3%.$ Lactate and pyruvate appearance rates averaged $7.13{\pm}1.26\;and\;0.21{\pm}0.02{\mu}M/hr/gm,$ respectively. Assuming that these 3 carbon compounds appeared in the medium were derived from glucose, calculations were made that relative glucose disappearance rate into lactate $(RGD_L)$ was $38.0{\pm}5.4%\;and\;RGD_P$ was $1.23{\pm}0.03%.$ Therefore, about 43.3% of the total glucose consumed were accounted for by conversion into the respiratory $CO_2$, lactate and pyruvate. 2. In the second group, which was incubated with $C^{14}-1-glucose$ as a substrate, glucose consumption rate, lactate and pyruvate appearance rates showed almost the same order as the values of the $C^{14}-1-glucose$ substrate group. However, RSA was remarkably decreased showing a mean value of $1.02{\pm}0.13%.$ This fact means that the C-6 carbon of glucose take the minor part in the oxidative metabolism of glucose. The glycogen level in both substrate tissue homogenate showed less than 0.3% of tissue weight. These low value suggested that there was an inhibition of carbohydrate synthesis in the Ehrlich ascites tumor tissue. 3. The catabolic pathway of glucose in the tumor tissue were analyzed on the basis of Bloom's principle from the values of RSA. It was found that in the tumor tissue more than 90% of $CO_2$ derived from glucose were oxidized via the alternate pathway other than principal EMP-TCA cycle such as hexose monophosphate pathway (HMP). From the data described above, it was assumed that in the Ehrlich tumor tissue anaerobic glycolysis proceeds normally although, the oxidation of products of anaerobic glycolysis via the TCA cycle is inhibited resulting in the accumulation of lactate and almost all of oxidative energy from glucose is released by oxidative pathway such as HMP.
Trichoplusia ni cells are used as a host permissive cell line in the baculovirus expression system, which is useful for large-scale production of human sugar transport proteins. However, the activity of endogenous sugar transport systems in insect cells is extremely high. Therefore, the transport activity resulting from the expression of exogenous transporters is difficult to detect. Furthermore, very little is known about the nature of endogenous insect transporters. To exploit the expression system further, the effect of D-fructose on 2-deoxy-D-glucose (2dGlc) transport by T. ni cells was investigated, and T. ni cell-expressed human transporters were photolabeled with [$^3H$] cytochalasin B to develop a convenient method for measuring the biological activity of insect cell-expressed transporters. The uptake of 1 mM 2dGlc by uninfected- and recombinant AcMPV-GTL infected cells was examined in the presence and absence of 300 mM of D-fructose, with and without $20{\mu}M$ of cytochalasin B. The sugar uptake in the uninfected cells was strongly inhibited by fructose but only poorly inhibited by cytochalasin B. Interestingly, the AcMPV-GTL-infected cells showed an essentially identical pattern of transport inhibition, and the rate of 2dGlc uptake was somewhat less than that seen in the non-infected cells. In addition, a sharply labeled peak was produced only in the AcMPV-GTL-infected membranes labeled with [$^3H$] cytochalasin B in the presence of L-glucose. No peak of labeling was seen in the membranes prepared from the uninfected cells. Furthermore, photolabeling of the expressed protein was completely inhibited by the presence of D-glucose, demonstrating the stereoselectivity of labeling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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