Cho, Eunae Sandra;Cha, Yong Hoon;Kim, Hyun Sil;Kim, Nam Hee;Yook, Jong In
Biomolecules & Therapeutics
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v.26
no.1
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pp.29-38
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2018
During cancer progression, cancer cells are repeatedly exposed to metabolic stress conditions in a resource-limited environment which they must escape. Increasing evidence indicates the importance of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) homeostasis in the survival of cancer cells under metabolic stress conditions, such as metabolic resource limitation and therapeutic intervention. NADPH is essential for scavenging of reactive oxygen species (ROS) mainly derived from oxidative phosphorylation required for ATP generation. Thus, metabolic reprogramming of NADPH homeostasis is an important step in cancer progression as well as in combinational therapeutic approaches. In mammalian, the pentose phosphate pathway (PPP) and one-carbon metabolism are major sources of NADPH production. In this review, we focus on the importance of glucose flux control towards PPP regulated by oncogenic pathways and the potential therein for metabolic targeting as a cancer therapy. We also summarize the role of Snail (Snai1), an important regulator of the epithelial mesenchymal transition (EMT), in controlling glucose flux towards PPP and thus potentiating cancer cell survival under oxidative and metabolic stress.
Most of the biosynthetic pathways for secondary metabolites are influenced by carbon metabolism and supply of cytosolic NADPH. We engineered carbon distribution to the pentose phosphate pathway (PPP) and redesigned the host to produce high levels of NADPH and primary intermediates from the PPP. The main enzymes producing NADPH in the PPP, glucose 6-phosphate dehydrogenase (encoded by zwf1 and zwf2) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (encoded by zwf3), were overexpressed with opc encoding a positive allosteric effector essential for Zwf activity in various combinations in Streptomyces lividans TK24. Most S. lividans transformants showed better cell growth and higher concentration of cytosolic NADPH than those of the control, and S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 containing zwf2+zwf3+opc2 showed the highest NADPH concentration but poor sporulation in R2YE medium. S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 in minimal medium showed the maximum growth (6.2 mg/ml) at day 4. Thereafter, a gradual decrease of biomass and a sharp increase of cytosolic NADPH and sedoheptulose 7-phosphate between days 2 and 4 and between days 1 and 3, respectively, were observed. Moreover, S. lividans TK24/pWHM3-Z23O2 produced 0.9 times less actinorhodin but 1.8 times more undecylprodigiosin than the control. These results suggested that the increased NADPH concentration and various intermediates from the PPP specifically triggered undecylprodigiosin biosynthesis that required many precursors and NADPH-dependent reduction reaction. This study is the first report on bespoke metabolic engineering of PPP routes especially suitable for producing secondary metabolites that need diverse primary precursors and NADPH, which is useful information for metabolic engineering in Streptomyces.
Kim, Yun-Sun;Yoon, Se-Jin;Kim, Eun-Young;Lee, Kyung-Ah
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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v.34
no.2
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pp.95-106
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2007
Objective: We previously identified differentially expressed genes (DEGs) between germinal vesicle (GV) and metaphase II (MII) mouse oocyte. The present study was accomplished as a preliminary study to elucidate the role of ribose 5-phosphate isomerase A (Rpia), the essential enzyme of the pentose phosphate pathway (PPP), in oocyte maturation. We observed expression of Rpia in the mouse and porcine oocytes. Methods: Expression pattern of the 11 MII-selective DEGs in various tissues was evaluated using RT-PCR and selected 4 genes highly expressed in the ovary. According to the oocyte-selective expression profile, we selected Rpia as a target for this study. We identified the porcine Rpia sequence using EST clustering technique, since it is not yet registered in public databases. Results: The extended porcine Rpia nucleotide sequence was submitted and registered to GenBank (accession number EF213106). We prepared primers for porcine Rpia according to this sequence. In contrast to the oocyte-specific expression in the mouse, Rpia was expressed in porcine cumulus and granulosa cells as well as in oocytes. Conclusion: This is the first report on the characterization of the Rpia gene in the mouse and porcine ovarian cells. Results of the present study suggest that the mouse and porcine COCs employ different mechanism of glucose metabolism. Therefore, the different metabolic pathways during in vitro oocyte maturation (IVM) in different species may lead different maturation rates. It is required to study further regarding the role of Rpia in glucose metabolism of oocytes and follicular cell fore exploring the regulatory mechanism of oocyte maturation as well as for finding the finest culture conditions for in vitro maturation.
소 체외수정란에 있어서 pentose phosphate pathway (PPP)를 연구하기 위해서, 한개의 체외수정란으로부터 glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PDH)의 활성을 효소증폭방법으로 측정하였다. Glucose 6-phosphate (G6P) 기질을 처리하지 않은 2, 4, 8세포기, 상실배 및 배반포기 수정란에서의 G6PDH 활성치는 각각 $25.5{\pm}3.3$, $27.8{\pm}3.4$, $40.9{\pm}6.2$, $34.9{\pm}3.6$ 및 $52.9{\pm}2.5{\times}10^{-8}mol/embryo/h$ 을 나타내었다. 즉, 8 세포기 이후 수정란들은 2 세포기나 4 세포기보다도 높은 효소활성치를 보여주었다 (P<0.01). 그리고 G6P 기질을 첨가한 2,4,8 세포기, 상실배기 및 배반포기 수정란의 G6PDH 활성치는 각각 $32.3{\pm}3.9$, $29.4{\pm}1.8$, $51.9{\pm}4.2$, $42.6{\pm}2.7$ 및 $52.9{\pm}2.5{\times}10^{-8}mol/embryo/h$ 로서 기질 무처리구와 마찬가지로 유의성이 인정되었다 (P<0.01). 전반적으로 수정란의 발달단계에 있어서 G6P 첨가한 수정란들에 G6PDH의 효소활성치가 기질을 처리하지 수정란들의 것보다도 높은 경향을 보였다. 한편, 소 체외수정란의 G6PDH 효소활성치와 발생능과의 관계를 알아보기 위하여, 4 세포기 수정란들을 효소활성치의 정량적 수준 (low, middle, high)에 따라 3 군으로 분류한 다음 $38.5^{\circ}C$, 5% $CO_2$에서 5일간 난구세포들과 공동배양을 실시하였다. 그 결과, G6PDH 효소활성치 차이에 따른 수정란들의 체외발달율에는 유의성이 인정되지 않았다. 본 실험의 결과를 종합하여 볼 때, 소 체외수정란에 있어서 PPP 대사는 8세포기 이후부터 활발히 이루어지고 있음을 알 수 있었다.
Hyeonjeong Yu;Jiyeon Hong;Jihye Seok;Young-Bae Seu;Il-Kwon Kim;Kyung-Jin Kim
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.33
no.10
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pp.1361-1369
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2023
Corynebacterium glutamicum (C. glutamicum) has been considered a very important and meaningful industrial microorganism for the production of amino acids worldwide. To produce amino acids, cells require nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), which is a biological reducing agent. The pentose phosphate pathway (PPP) can supply NADPH in cells via the 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGD) enzyme, which is an oxidoreductase that converts 6-phosphogluconate (6PG) to ribulose 5-phosphate (Ru5P), to produce NADPH. In this study, we identified the crystal structure of 6PGD_apo and 6PGD_NADP from C. glutamicum ATCC 13032 (Cg6PGD) and reported our biological research based on this structure. We identified the substrate binding site and co-factor binding site of Cg6PGD, which are crucial for understanding this enzyme. Based on the findings of our research, Cg6PGD is expected to be used as a NADPH resource in the food industry and as a drug target in the pharmaceutical industry.
Background: Clinical dexamethasone (DEX) treatment or stress in bovines results in extensive physiological changes with prominent hyperglycemia and neutrophils dysfunction. Objectives: To elucidate the effects of DEX treatment in vivo on cellular energy status and the underlying mechanism in circulating neutrophils. Methods: We selected eight-month-old male bovines and injected DEX for 3 consecutive days (1 time/d). The levels of glucose, total protein (TP), total cholesterol (TC), and the proinflammatory cytokines interleukin (IL)-1β, IL-6 and tumor necrosis factor (TNF)-α in blood were examined, and we then detected glycogen and adenosine triphosphate (ATP) content, phosphofructosekinase-1 (PFK1) and glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) activity, glucose transporter (GLUT)1, GLUT4, sodium/glucose cotransporter (SGLT)1 and citrate synthase (CS) protein expression and autophagy levels in circulating neutrophils. Results: DEX injection markedly increased blood glucose, TP and TC levels, the Ca2+/P5+ ratio and the neutrophil/lymphocyte ratio and significantly decreased blood IL-1β, IL-6 and TNF-α levels. Particularly in neutrophils, DEX injection inhibited p65-NFκB activation and elevated glycogen and ATP contents and SGLT1, GLUT1 and GR expression while inhibiting PFK1 activity, enhancing G6PDH activity and CS expression and lowering cell autophagy levels. Conclusions: DEX induced neutrophils glucose uptake by enhancing SGLT1 and GLUT1 expression and the transformation of energy metabolism from glycolysis to pentose phosphate pathway (PPP)-tricarboxylic acid (TCA) cycle. This finding gives us a new perspective on deeper understanding of clinical anti-inflammatory effects of DEX on bovine.
The wild-type Corynebacterium glutamicum ATIC 13032 and Corynebacterium glutamicum ATTC 13032 lysC S301Y, exhibiting a deregulated aspartokinase, were compared concerning growth, lysine production, and intracellular carbon fluxes. Both strains differ by only one single nucleotide over the whole genome. In comparison to the wild-type, the mutant showed significant production of lysine with a molar yield of 0.087 mol (mol glucose$^{-1}$) whereas the biomass yield was reduced. The deregulation of aspartokinase further led to a global rearrangement of carbon flux throughout the whole central metabolism. This involved an increased flux through the pentose phosphate pathway (PPP) and an increased flux through anaplerosis. Because of this, the mutant revealed an enhanced supply of NADPH and oxaloacetate required for lysine biosynthesis. Additionally, the lumped flux through phosphoenolpyruvate carboxykinase and malic enzyme, withdrawing oxaloacetate back to the glycolysis and therefore detrimental for lysine production, was increased. The reason for this might be a contribution of malic enzyme to NADPH supply in the mutant in the mutant. The observed complex changes are remarkable, because they are due to the minimum genetic modification possible, the exchange of only one single nucleotide.
Lin, S.C.;Chen, M.C.;Huang, A.J.;Salem, B.;Li, K.C.;Chou, K.
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.13
no.6
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pp.748-756
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2000
Effects of xanthine (X), xanthine oxidase (XO), and catalase (C), $H_2O_2$, and carbohydrates on sperm capacitation, acrosome reaction, and fertilizing ability in vitro were examined. Glucose alone, but not fructose, supported the maximum rate of sperm capacitation and acrosome reaction. However, in the combination of X, XO, and C (XXOC) or $H_2O_2$, fructose alone also supported maximum capacitation, acrosome reaction, and fertilization. Either insufficient or excessive amounts of $H_2O_2$ decreased sperm capacitation and the acrosome reaction. In order to understand how glucose generates $H_2O_2$ or other reactive oxygen species in sperm cells, 6-aminonicotinamide, an inhibitor of the pentose-phosphate pathway (PPP), and apocynin, an inhibitor of NADPH oxidase, were added to sperm suspensions in glucose-containing medium. Results appeared that sperm capacitation, acrosome reaction, and fertilization were consequently inhibited by either one of these compounds. These inhibitory effects were nullified by addition of XXOC. These results support the hypothesis that glucose, in addition to being a substrate for glycolysis, facilitates sperm capacitation and the acrosome reaction by generating reactive oxygen species through G-6-P dehydrogenase and NADPH oxidase.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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