SecA protein, a cytoplasmic ATPase, plays a central role in the secretion of signal peptide-containing proteins. Here, we examined effects of signal peptide and ATP on the oligomerization, conformational change, and membrane binding of SecA. The wild-type (WT) signal peptide from the ribose-binding protein inhibited ATP binding to soluble SecA and stimulated release of ATP already bound to the protein. The signal peptide enhanced the oligomerization of soluble SecA, while ATP induced dissociation of SecA oligomer. Analysis of SecA unfolding with urea or heat revealed that the WT signal peptide induces an open conformation of soluble SecA, while ATP increased the compactness of SecA. We further obtained evidences that the signal peptide-induced oligomerization and the formation of open structure enhance the membrane binding of SecA, whereas ATP inhibits the interaction of soluble SecA with membranes. On the other hand, the complex of membrane-bound SecA and signal peptide was shown to resume nucleotide-binding activity. From these results, we propose that the translocation components affect the degree of oligomerization of soluble SecA, thereby modulating the membrane binding of SecA in early translocation pathway. A possible sequential interaction of SecA with signal peptide, ATP, and cytoplasmic membrane is discussed.
Mouse ficolin A is a plasma protein with lectin activity, and plays a role in host defense by binding carbohydrates, especially GlcNAc, on microorganisms. The ficolin A subunit consists of an N-terminal signal peptide, a collagen-like domain, and a C-terminal fibrinogen-like domain. In this study, we show that ficolin A can be synthesized and oligomerized in a cell and secreted into culture medium. We also identify a functionally relevant signal peptide of ficolin A by using MS/MS analysis to determine the N-terminal sequence of secreted ficolin A. When the signal peptide of mouse ficolin A was fused with enhanced green fluorescent protein (EGFP), EGFP was released into HEK 293 cell medium, suggesting that the signal peptide can efficiently direct ficolin A secretion. Moreover, our results suggest that the signal peptide of ficolin A has potential application for the production of useful secretory proteins.
Kim, Yong-Joon;Kwak, Geun-Hee;Lee, Chu-Hee;Kim, Hwa-Young
BMB Reports
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v.44
no.10
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pp.669-673
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2011
Human methionine sulfoxide reductase B3A (hMsrB3A) is an endoplasmic reticulum (ER) reductase that catalyzes the stereospecific reduction of methionine-R-sulfoxide to methionine in proteins. In this work, we identified an antimicrobial peptide from hMsrB3A protein. The N-terminal ER-targeting signal peptide (amino acids 1-31) conferred an antimicrobial effect in Escherichia coli cells. Sequence and structural analyses showed that the overall positively charged ER signal peptide had an Argand Pro-rich region and a potential hydrophobic ${\alpha}$-helical segment that contains 4 cysteine residues. The potential ${\alpha}$-helical region was essential for the antimicrobial activity within E. coli cells. A synthetic peptide, comprised of 2-26 amino acids of the signal peptide, was effective at killing Gram-negative E. coli, Klebsiella pneumoniae, and Salmonella paratyphi, but had no bactericidal activity against Gram-positive Staphylococcus aureus.
Cloning of the 5'untranslated region (5' UTR) and Nterminus of the glycoprotein precursor (G2G1) open reading frame of tomato spotted wilt virus has been problematic, possibly because of the toxicity of a signal peptide at the beginning of th G2G1 protein precursor. The toxicity of the signal peptide to bacterial growth and the reason for the expression of the peptide gene in Escherichia coli were investigated by cloning the 5' UTR and the signal peptide sequence separately. Cells transformed with the plasmid containing both the first 30 amino acids of the glycoprotein and the 5' UTR showed a severe growth inhibition whereas transformants harboring either the plasmid with the signal sequence or the 5'UTR alone did not show any ingibition. An E. coli promoter-like sequence was found in the 5'UTR and tis promoter acivity was confirmed with a promoter-less GUS gene cloned downstream of the 5'UTR. In the cloning of the Tomato spotted wilt virus (TSWV) glycoprotein G2G1 open reading frame all the recovered plasmids contained stop codons in the signal sequence region. However, clones containing no stop codon were recovered when the signal sequence and the 5'UTR were cloned separately.
We examined the effects of synthetic signal peptides, wild-type (WT) and export-defective mutant (MT) of ribose-binding protein, on the conformational changes of signal recognition particle 54 homologue (Ffh) in Escherichia coli. Upon interaction of Ffh with WT peptide, the intrinsic Tyr fluorescence, the transition temperature of thermal unfolding, and the GTPase activity of Ffh decreased in a peptide concentration-dependent manner, while the emission intensity of 8-anilinonaphthalene-1-sulfonic acid increased. In contrast, the secondary structure of the protein was not affected. Additionally, polarization of fluorescein-labeled WT increased upon association with Ffh. These results suggest that WT peptide induces the unfolded states of Ffh. The WT-mediated conformational change of Ffh was also revealed to be important in the interaction between SecA and Ffh. However, MT had marginal effect on these conformational changes suggesting that the in vivo functionality of signal peptide is important in the interaction with Ffh and concomitant structural change of the protein.
The secretory efficiency of recombinant xylanase xynB from yeast Pichia pastoris between the ${\alpha}$-factor preprosequence and a classical mammalian signal peptide derived from bovine ${\beta}$-casein was compared. The results showed that although the bovine ${\beta}$-casein signal peptide could direct high-level secretion of recombinant xylanase, it was relatively less efficient than the ${\alpha}$-factor preprosequence. In contrast, the bovine ${\beta}$-casein signal peptide caused remarkably more recombinant xylanase trapped intracellularly. Real-time RT-PCR analysis indicated that the difference in the secretory level between the two signal sequences was not due to the difference in the transcriptional efficiency.
Cho, Hee Jun;Oh, Byung Moo;Kim, Jong-Tae;Lim, Jeewon;Park, Sang Yoon;Hwang, Yo Sep;Baek, Kyoung Eun;Kim, Bo-Yeon;Choi, Inpyo;Lee, Hee Gu
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.29
no.2
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pp.304-310
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2019
Interleukin-21 is a common ${\gamma}$-chain cytokine that controls the immune responses of B cells, T cells, and natural killer cells. Targeting IL-21 to strengthen the immune system is promising for the development of vaccines as well as anti-infection and anti-tumor therapies. However, the practical application of IL-21 is limited by the high production cost. In this study, we improved IL-21 production by codon optimization and selection of appropriate signal peptide in CHO-K1 cells. Codon-optimized or non-optimized human IL-21 was stably transfected into CHO-K1 cells. IL-21 expression was 10-fold higher for codon-optimized than non-optimized IL-21. We fused five different signal peptides to codon-optimized mature IL-21 and evaluated their effect on IL-21 production. The best result (a 3-fold increase) was obtained using a signal peptide derived from human azurocidin. Furthermore, codon-optimized IL-21 containing the azurocidin signal peptide promoted $IFN-{\gamma}$ secretion and STAT3 phosphorylation in NK-92 cells similar to codon-optimized IL-21 containing original signal peptide. Collectively, these results indicate that codon optimization and azurocidin signal peptides provide an efficient approach for the high-level production of IL-21 as a biopharmaceutical.
The secretion efficiency of a protein in a Sec-type secretion system is mainly determined by an N-terminal signal peptide and its combination with its cognate protein. Five signal peptides, namely, two synthetic Sec-type and three Bacillus licheniformis alpha-amylase-derived signal peptides, were compared for periplasmic expression of the human growth hormone (hGH) in E. coli. Based on in silico predictions on the signal peptides' cleavage efficiencies and their corresponding mRNA secondary structures, a number of amino acid substitutions and silent mutations were considered in the modified signal sequences. The two synthetic signal peptides, specifically designed for hGH secretion in E. coli, differ in their N-terminal positively charged residues and hydrophobic region lengths. According to the mRNA secondary structure predictions, combinations of the protein and each of the five signal sequences could lead to different outcomes, especially when accessibility of the initiator ATG and ribosome binding sites were considered. In the experimental stage, the two synthetic signal peptides displayed complete processing and resulted in efficient secretion of the mature hGH in periplasmic regions, as was demonstrated by protein analysis. The three alpha-amylase-derived signal peptides, however, were processed partially from their precursors. Therefore, to achieve efficient secretion of a protein in a heterologous system, designing a specific signal peptide by using a combined approach of optimizations of the mRNA secondary structure and the signal peptide H-domain and cleavage site is recommended.
Lee, Sang Jun;Han, Yun Hee;Nam, Bo Hye;Kim, Young Ok;Reeves, Peter R.
Molecules and Cells
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v.26
no.1
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pp.34-40
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2008
To express an increased level of recombinant Mefp1 (marine mussel adhesive protein) in soluble form, we constructed expression vectors encoding truncated OmpA signal peptide-Mefp1 fusion proteins. OmpA signal peptide (OmpASP) is the 21 residue peptide fragment of the 23 residue OmpA signal sequence cleavable by signal peptidase I. We successfully produced increased levels of soluble recombinant Mefp1 (rMefp1) with various deletions of OmpASP, and found that the increased expression was caused by the increased pI of the N-terminus of the fusion proteins (${\geq}10.55$). All the OmpA signal peptide segments of 3-21 amino acids in length had the same pI value (10.55). Our results suggest that the pI value of the truncated OmpASP ($OmpASP_{tr}$) play an important role in directional signaling for the fusion protein, but we found no evidence for the presence of a secretion enhancer in OmpASP. For practical applications, we increased the expression of soluble rMefp1 with $OmpASP_{tr}$ peptides as directional signals, and obtained rMefp1 with the native amino terminus (nN-rMefp1) using an $OmpASP_{tr}$ Xa leader sequence that contains the recognition site for Xa protease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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