Rimal, Hemraj;Subedi, Pradeep;Kim, Ki -Hwa;Park, Hyun;Lee, Jun Hyuck;Oh, Tae-Jin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제30권11호
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pp.1750-1759
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2020
The characterization of cytochrome P450 CYP125A13 from Streptomyces peucetius was conducted using cholesterol as the sole substrate. The in vitro enzymatic assay utilizing putidaredoxin and putidaredoxin reductase from Pseudomonas putida revealed that CYP125A13 bound cholesterol and hydroxylated it. The calculated KD value, catalytic conversion rates, and Km value were 56.92 ± 11.28 μM, 1.95 nmol min-1 nmol-1, and 11.3 ± 2.8 μM, respectively. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis showed that carbon 27 of the cholesterol side-chain was hydroxylated, characterizing CYP125A13 as steroid C27-hydroxylase. The homology modeling and docking results also revealed the binding of cholesterol to the active site, facilitated by the hydrophobic amino acids and position of the C27-methyl group near heme. This orientation was favorable for the hydroxylation of the C27-methyl group, supporting the in vitro analysis. This was the first reported case of the hydroxylation of cholesterol at the C-27 position by Streptomyces P450. This study also established the catalytic function of CYP125A13 and provides a solid basis for further studies related to the catabolic potential of Streptomyces species.
Bacterial cytochrome P450 (CYP) enzymes are responsible for the hydroxylation of diverse endogenous substances with a heme molecule used as a cofactor. This study characterized two CYP154C3 proteins from Streptomyces sp. W2061 (CYP154C3-1) and Streptomyces sp. KCCM40643 (CYP154C3-2). The enzymatic activity assays of both CYPs conducted using heterologous redox partners' putidaredoxin and putidaredoxin reductase showed substrate flexibility with different steroids and exhibited interesting product formation patterns. The enzymatic characterization revealed good activity over a pH range of 7.0 to 7.8 and the optimal temperature range for activity was 30 to 37℃. The major product was the C16-hydroxylated product and the kinetic profiles and patterns of the generated hydroxylated products differed between the two enzymes. Both enzymes showed a higher affinity toward progesterone, with CYP154C3-1 demonstrating slightly higher activity than CYP154C3-2 for most of the substrates. Oxidizing agents (diacetoxyiodo) benzene (PIDA) and hydrogen peroxide (H2O2) were also utilized to actively support the redox reactions, with optimum conversion achieved at concentrations of 3 mM and 65 mM, respectively. The oxidizing agents affected the product distribution, influencing the type and selectivity of the CYP-catalyzed reaction. Additionally, CYP154C3s also catalyzed the C-C bond cleavage of steroids. Therefore, CYP154C3s may be a good candidate for the production of modified steroids for various biological uses.
Nandrolone, 19-nortestosterone, is a synthetic androgenic-anabolic steroid promoting muscle growth. Nandrolone is also present in pig meat and sera at non-negligible levels. A number of scientific reports have suggested a positive relationship between incidence of infertility and increased meat consumption in humans. The present study was designed to determine out the effect of feeding nandrolone on the testis of the male reproductive tract. Mixtures of food and nandrolone at different concentrations (0.005 ppm and 0.5 ppm) were supplied to pubertal male rats for 6 weeks. Body weight was recorded every week during the entire experimental period. At the end of the treatment, the testis, epididymis, and epididymal fat were collected and weighted. Sperm numbers in the caudal epididymis were counted. Differential gene or protein expression of steroidogenic enzymes in the testes among experimental groups was determined by semi-quantitative real-time PCR or western blotting analysis, respectively. Histological changes of the testis induced by nandrolone treatment were examined by hematoxylin and eosin staining. Immunohistochemical analysis was employed to detect changes in the localization of steroidogenic enzymes in the testes among experimental animals. There were no significant changes on body, testis, epididymis, and epididymal fat weights among experimental groups. A significant increase of caudal sperm number was found in the 0.5 ppm nandrolone-treated group. Histological examination of the testes noted a high frequency of germ cell sloughing in seminiferous tubules of 0.5 ppm nandrolone-treated rats. Even though transcript levels of $3{\beta}$-hydroxysteroid dehydrogenase (HSD) I, $17{\beta}$-HSD4, and $17{\alpha}$-hydroxylase were influenced by nandrolone treatments, protein levels of all molecules examined in the present study were not significantly affected. Immunohistochemical analysis showed no visible changes in the localization of steroidogenic enzymes in the testes among experimental groups. The current study showed that oral intake of nandrolone in male rats for 6 weeks did not cause significant damage to the testis. It is considered that a feeding effect of nandrolone on male fertility would not be remarkable.
Objective: Nandrolone decanoate (ND) is an anabolic-androgenic steroid frequently used for clinical treatment. However, the inappropriate use of ND results in the reduction of serum testosterone level and sperm production. The suppressive effect of ND on testosterone production has not been investigated in detail. The present study was designed to examine the effect of ND on the expression of steroidogenic enzymes in the rat testis. Methods: Male Sprague Dawley rats at 50 days of age were subcutaneously administrated with either 2 or 10 mg of ND/kg body weight/week for 2 or 12 weeks. The changes of transcript and protein levels of steroidogenic enzymes in the testis were determined by real-time polymerase chain reaction and western blotting analyses, respectively. Moreover, immunohistochemical analysis was employed to determine the changes of immunostaining intensity of these enzymes. The steroidogenic enzymes investigated were steroidogenic acute regulatory protein, cytochrome P450 side chain cleavage enzyme, $17{\alpha}-hydroxylase$, $3{\beta}-hydroxysteroid$ dehydrogenase, and cytochrome P450 aromatase. Results: The treatment of ND resulted in depletion of Leydig cells and sloughing of germ cells in the testis. The ND treatment caused significant expressional decreases of steroidogenic enzymes at transcript and protein levels, and the destructive effects of ND on the testis were more apparent with a higher dose and a longer period of the treatment. Evident reduction of immunostaining intensity present in Leydig cells was clearly detected by the ND treatment. Conclusion: The exposure to ND in young male results not only in histological changes of the testis but also in aberrant gene expression of testicular steroidogenic enzymes, consequently leading into the reduction of testosterone production in the testis and thus likely disruption of spermatogenesis.
Some organotin compounds such as butyltins and phenyltins are known to induce impo-sex in various marine animals and are considered to be endocrine disruptors. In this study, the effect of organotins on follicular steroidogenesis in amphibians was examined using ovarian follicles of Rana dybowskii and Rana catesbeiana. Isolated follicles were cultured for 6 or 18 h in the presence and absence of frog pituitary homogenate (FPH) or various steroid precursors, and the levels of product steroids in the culture media oassay. Among the butyltin compounds, tributyltin (TBT) strongly and dose-dependently inhibited the FPH-induced synthesis of pregnenolone ($P_5$) and progesterone ($P_4$) by the follicles. TBT also strongly suppressed the conversion of cholesterol to $P_5$ and partially suppressed the conversion of $P_5$ to $P_4$. A high concentration of dibutyltin (DBT) also inhibited steroidogenesis by the follicles while monobutyltin and tetrabutyltin had negligible effects. The toxic effect of TBT or DBT was irreversible and a short time of exposure (30 min) was enough to suppress steroidogenesis. All the phenyltin compounds significantly inhibited FPH-induced $P_5$ synthesis by the follicles. The effective dose of 50% inhibition by diphenyltin was $0.04\;{\mu}M$ and those of monophenyltin and triphenyltin were $0.24\;{\mu}M$ and $0.3\;{\mu}M$, respectively. However, none of the phenyltin compounds significantly suppressed the conversion of $P_4$ to $17{\alpha}$-hydroxyprogesterone ($17{\alpha}$-OHP) (by $17{\alpha}$-hydroxylase), $17{\alpha}$-OHP to androstenedione (AD) (by $C_{17-20}$ lyase), or AD to testosterone by the follicles. Taken together, the data show that among the steroidogenic enzymes, P450scc in the follicles is the most sensitive to organotin compounds and that an amphibian follicle culture system can be a useful screening model for endocrine disruptors.
Anabolic steroids are frequently used to increase the growth rate of meat-producing animals. Exposure to an anabolic-androgenic steroid, nandrolone decanoate (ND), is associated with expressional reduction of testicular steroidogenic enzymes. However, the effect of withdrawal of ND exposure on the expression of these testicular molecules has not been thoroughly explored. The current research investigated expression changes of testicular steroidogenic enzymes in rats at several recovery periods (2, 6, and 12 weeks) after the stop of ND treatment with different doses (2 and 10 mg/kg body weight) for 12 weeks. Body and testis weights were recorded, and transcript levels of molecules were determined by quantitative real-time polymerase chain reaction (PCR). The immunohistochemistry was used to examine the changes of immuno-intensities of molecules. At 6 and 12 weeks of the recovery period, the 10 mg/kg ND-treated rats were lighter than other experimental groups. The interstitial compartment vanished by ND treatment filled up as the recovery period became longer. The expression of steroidogenic acute regulatory protein was returned to the control level at 12 weeks of the recovery period. Expression levels of cytochrome P450 side-chain cleavage and 17a-hydroxylase were increased in 2 mg/kg ND-treated group at 6 weeks of the recovery period, and transcript levels of these molecules in 2 and 10 mg/kg ND-treated groups at 12 weeks of the recovery period were significantly lower than the control. Expression levels of 3β-hydroxysteroid dehydrogenase (HSD) type I and 17β-HSD type 3 in 2 mg/kg ND-treated group were comparable with those of control at 12 weeks of the recovery period, but not in 10 mg/kg ND-treated group. Expression of cytochrome P450 aromatase (Cyp19) was reverted to the control level at 2 weeks of the recovery period. Except for Cyp19, there was a visible increase of immuno-staining intensity of other testicular steroidogenic enzymes in the Leydig cells as the recovery period progressed. This research has demonstrated that the cease of ND administration could restore the expression of testicular steroidogenic enzymes close to the normal level. Nevertheless, a relatively long recovery period, compared to the ND-exposure period would be required to retrieve normal expression levels of testicular steroidogenic enzymes.
포유동물의 생식을 조절하는 다수의 호르몬 가운데 가장 중요한 것들로 난소로부터의 estrogen과 progesterone을 들 수 있다. 반면 다양한 스트레스 인자들은 암컷의 성 반응 행동과 번식을 억제함이 잘 알려졌다. 이러한 스트레스가 가해지는 동안 부신에서는 카테콜아민(catecholamine)이 다량 분비되어 위기 상황에 대처하며 이 과정에서 생식 현상의 억제가 일어나는 것으로 추정된다. 본 연구에서는 생식호르몬 분비와 성 행동 양식에 광범위한 영향을 미침이 알려진 카테콜아민 중 특히 부신의 norepinephrine(NE)과 epinephrine(E) 합성ㆍ분비 양상과 발정주기 간의 상관관계를 조사하였다. 이를 위해 HPLC-ECD를 사용하여 주기 중인 흰쥐 부신 수질내 NE와 E함량과 체외 배양한 부신으로부터의 분비를 조사하였다. NE 함량은 proestrus에서 증가하기 시작하여 diestrus I에서 최고에 도달하였고, diestrus II에 최소치로 감소하였다. 부신 내 E 함량의 최고치는 proestrus, 그리고 최저치는 diestrus II에서 관찰되었다. 흰쥐 부신 내 NE : E ratio는 diestrus I에서 1 : 4.81로 가장 낮았고 기타 시기에는 1 : 6.13~7.02였다. 체외 배양한 흰쥐 부신으로부터의 NE 분비는 diestrus II에서 가장 낮았으며 estrus에서 최고에 도달하였고, proestrus에서의 분비 역시 diestrus II 때보다 유의성있게 높았다. E분비의 최고치는 estrus에서, 그리고 최저치는 diestrus 떼서 II 관찰되었다. 한편 배양액 중 Ne : E ratio는 estrus에서 1 : 3.32로 가장 높았고 기타 시기에는 1 : 2.34~2.65였다. 본 연구 결과는 (1) 흰쥐 부신에서 카테콜아민 생성과 분비 양상이 발정주기 중 역동적으로 변화하며, (2) NE로부터 E로의 전환이 발정주기 중 stage-specific하게 일어남을 나타내는 것으로서, 이는 카테콜아민 합성율을 결정하는 rate limiting enzyme인 tyrosine hydroxylase(TH)와 NE에서 E로의 전환 과정을 매개하는 phenylethanolamine-N-methyltransferase(PNMT)의 발현과 활성이 중추신경계에서와 유사하게 생식호르몬, 특히 estrogen and/or progesterone의 영향을 받음을 시사한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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