Jung, Ahjin;Yun, Ji-Sook;Kim, Shinae;Kim, Sang Ryong;Shin, Minsang;Cho, Dong Hyung;Choi, Kwang Shik;Chang, Jeong Ho
Molecules and Cells
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v.42
no.1
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pp.56-66
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2019
Histidine triad nucleotide-binding protein (HINT) is a member of the histidine triad (HIT) superfamily, which has hydrolase activity owing to a histidine triad motif. The HIT superfamily can be divided to five classes with functions in galactose metabolism, DNA repair, and tumor suppression. HINTs are highly conserved from archaea to humans and function as tumor suppressors, translation regulators, and neuropathy inhibitors. Although the structures of HINT proteins from various species have been reported, limited structural information is available for fungal species. Here, to elucidate the structural features and functional diversity of HINTs, we determined the crystal structure of HINT from the pathogenic fungus Candida albicans (CaHINT) in complex with zinc ions at a resolution of $2.5{\AA}$. Based on structural comparisons, the monomer of CaHINT overlaid best with HINT protein from the protozoal species Leishmania major. Additionally, structural comparisons with human HINT revealed an additional helix at the C-terminus of CaHINT. Interestingly, the extended C-terminal helix interacted with the N-terminal loop (${\alpha}1-{\beta}1$) and with the ${\alpha}3$ helix, which appeared to stabilize the dimerization of CaHINT. In the C-terminal region, structural and sequence comparisons showed strong relationships among 19 diverse species from archea to humans, suggesting early separation in the course of evolution. Further studies are required to address the functional significance of variations in the C-terminal region. This structural analysis of CaHINT provided important insights into the molecular aspects of evolution within the HIT superfamily.
Lee, Hyomin K.;Oh, Yeounsun;Hong, Juyoung;Lee, Seung Hwan;Hur, Junho K.
BMB Reports
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v.54
no.2
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pp.98-105
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2021
The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) system is a family of DNA sequences originally discovered as a type of acquired immunity in prokaryotes such as bacteria and archaea. In many CRISPR systems, the functional ribonucleoproteins (RNPs) are composed of CRISPR protein and guide RNAs. They selectively bind and cleave specific target DNAs or RNAs, based on sequences complementary to the guide RNA. The specific targeted cleavage of the nucleic acids by CRISPR has been broadly utilized in genome editing methods. In the process of genome editing of eukaryotic cells, CRISPR-mediated DNA double-strand breaks (DSB) at specific genomic loci activate the endogenous DNA repair systems and induce mutations at the target sites with high efficiencies. Two of the major endogenous DNA repair machineries are non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR). In case of DSB, the two repair pathways operate in competition, resulting in several possible outcomes including deletions, insertions, and substitutions. Due to the inherent stochasticity of DSB-based genome editing methods, it was difficult to achieve defined single-base changes without unanticipated random mutation patterns. In order to overcome the heterogeneity in DSB-mediated genome editing, novel methods have been developed to incorporate precise single-base level changes without inducing DSB. The approaches utilized catalytically compromised CRISPR in conjunction with base-modifying enzymes and DNA polymerases, to accomplish highly efficient and precise genome editing of single and multiple bases. In this review, we introduce some of the advances in single-base level CRISPR genome editing methods and their applications.
Fe-S clusters are versatile and essential cofactors that participate in multiple and fundamental biological processes. In Escherichia coli, the biogenesis of these cofactors requires either the housekeeping Isc pathway, or the stress-induced Suf pathway which plays a general role under conditions of oxidative stress or iron limitation. In the present work, the Fe-S cluster assembly Isc and Suf systems of acidophilic Bacteria and Archaea, which thrive in highly oxidative environments, were studied. This analysis revealed that acidophilic microorganisms have a complete set of genes encoding for a single system (either Suf or Isc). In acidophilic Proteobacteria and Nitrospirae, a complete set of isc genes (iscRSUAX-hscBA-fdx), but not genes coding for the Suf system, was detected. The activity of the Isc system was studied in Leptospirillum sp. CF-1 (Nitrospirae). RT-PCR experiments showed that eight candidate genes were co-transcribed and conform the isc operon in this strain. Additionally, RT-qPCR assays showed that the expression of the iscS gene was significantly up-regulated in cells exposed to oxidative stress imposed by 260 mM Fe2(SO4)3 for 1 h or iron starvation for 3 h. The activity of cysteine desulfurase (IscS) in CF-1 cell extracts was also upregulated under such conditions. Thus, the Isc system from Leptospirillum sp. CF-1 seems to play an active role in stressful environments. These results contribute to a better understanding of the distribution and role of Fe-S cluster protein biogenesis systems in organisms that thrive in extreme environmental conditions.
Proceedings of the Microbiological Society of Korea Conference
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2001.11a
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pp.39-45
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2001
Extremophiles are unique microorganisms that are adapted to survive in ecological niches such as high or low temperatures, extremes of pH, high salt concentrations and high pressure. These unusual microorganisms have unique biochemical features which can be exploited for use in the biotechnological industries. Due to the high biodiversity of extremophilic archaea and bacteria and their existence in various biotopes a variety of biocatalysts with different physicochemical properties have been discovered. The extreme molecular stability of their enzymes, membranes and the synthesis of unique organic compounds and polymers make extremophiles interesting candidates for basic and applied research. Some of the enzymes from extremophiles, especially hyperthermophilic marine microorganisms (growth above $85^{\circ}C$), have already been purified in our laboratory. These include the enzyme systems from Pyrococcus, Pyrodictium, Thermococcus and Thermotoga sp. that are involved in polysacharide modification and protein bioconversion. Only recently, the genome of the thermoalkaliphilic strain. Anaerobranca gottschalkii has been completely sequenced providing a unique resource of novel biocatalysts that are active at high temperature and pH. The gene encoding the branching enzyme from this organism was cloned and expressed in a mesophilic host and finally characterized. A novel glucoamylase was purified from an aerobic archaeon which shows optimal activity at $90^{\circ}C$ and pH 2.0. This thermoacidophilic archaeon Picrophilus oshimae grows optimally at pH 0.7 and $60^{\circ}C$. Furthermore, we were able to detect thermoactive proteases from two anaerobic isolates which are able to hydrolyze feather keratin completely at $80^{\circ}C$ forming amino acids and peptides. In addition, new marine psychrophilic isolates will be presented that are able to secrete enzymes such as lipases, proteases and amylases possessing high activity below the freezing point of water.
Katie Lawther;Fernanda Godoy Santos;Linda B Oyama;Sharon A Huws
Animal Bioscience
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v.37
no.2_spc
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pp.337-345
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2024
Ruminants possess a specialized four-compartment forestomach, consisting of the reticulum, rumen, omasum, and abomasum. The rumen, the primary fermentative chamber, harbours a dynamic ecosystem comprising bacteria, protozoa, fungi, archaea, and bacteriophages. These microorganisms engage in diverse ecological interactions within the rumen microbiome, primarily benefiting the host animal by deriving energy from plant material breakdown. These interactions encompass symbiosis, such as mutualism and commensalism, as well as parasitism, predation, and competition. These ecological interactions are dependent on many factors, including the production of diverse molecules, such as those involved in quorum sensing (QS). QS is a density-dependent signalling mechanism involving the release of autoinducer (AIs) compounds, when cell density increases AIs bind to receptors causing the altered expression of certain genes. These AIs are classified as mainly being N-acyl-homoserine lactones (AHL; commonly used by Gram-negative bacteria) or autoinducer-2 based systems (AI-2; used by Gram-positive and Gram-negative bacteria); although other less common AI systems exist. Most of our understanding of QS at a gene-level comes from pure culture in vitro studies using bacterial pathogens, with much being unknown on a commensal bacterial and ecosystem level, especially in the context of the rumen microbiome. A small number of studies have explored QS in the rumen using 'omic' technologies, revealing a prevalence of AI-2 QS systems among rumen bacteria. Nevertheless, the implications of these signalling systems on gene regulation, rumen ecology, and ruminant characteristics are largely uncharted territory. Metatranscriptome data tracking the colonization of perennial ryegrass by rumen microbes suggest that these chemicals may influence transitions in bacterial diversity during colonization. The likelihood of undiscovered chemicals within the rumen microbial arsenal is high, with the identified chemicals representing only the tip of the iceberg. A comprehensive grasp of rumen microbial chemical signalling is crucial for addressing the challenges of food security and climate targets.
Oral diseases have been reported to affect approximately 3.5 billion people worldwide, and in Korea, gingivitis and periodontal disease ranked first in the most frequent diseases from 2019 to 2021. Microorganisms that cause oral diseases include not only some bacteria such as Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis, Fusobacterium nucleatum, Streptococcus gordonii, Leptotrichia buccalis, Prevotella, and Treponema, but also fungi Candida albicans and archaea Methanobrevibacter oralis. In the process by which oral microorganisms cause periodontal disease, bacteria such as Streptococcus mutans first proliferate to form a biofilm, and then obligate anaerobes, opportunistic bacteria, and pathogens attach, proliferate and settles down, forming plaque in the subgingival area of the host with weakened immunity. In this way, various interactions within the community are important in causing oral disease. Furthermore, substances and inflammation resulting from oral microorganisms and oral diseases are closely related to the occurrence of digestive diseases, diabetes, cardiovascular diseases, cognitive function, rheumatoid arthritis, premature birth, and cancer, and vice versa.
The archaeal clusters of orthologous genes (arCOG) algorithm, which identifies common genes among archaebacterial genomes, was used to identify conservative genes among 168 archaebacterial strains. The numbers of conserved orthologs were 14, 10, 9, and 8 arCOGs in 168, 167, 166, and 165 strains, respectively. Among 41 conserved arCOGs, 13 were related to function J (translation, ribosomal structure, and biogenesis), and 10 were related to function L (replication, recombination, and repair). Among the 14 conserved arCOGs in all 168 strains, 6 arCOGs of tRNA synthetase comprised the highest proportion. Of the remaining 8 arCOGs, 2 are involved in reactions with ribosomes, 2 for tRNA synthesis, 2 for DNA replication, and 2 for transcription. These results showed the importance of protein expression in archaea. For the classes or orders having 3 or more members, genomic analysis was performed by averaging the distance values of the conservative arCOGs. Classes Archaeoglobi and Thermoplasmata of the phylum Euryarchaeota showed the lowest and the highest average of distance value, respectively. This study can provides data necessary for basic scientific research and the development of antibacterial agents and tumor control.
The ecosystem of the Arctic region has been increasingly affected by global warming. Archaeal ammonia monooxygenase alpha subunit coding gene (amoA) which is a key enzyme for nitrification was used to investigate the effect of runoff water of ice melt on microbial community of nitrogen cycle. The archaeal amoA genes at coastal area of Svalbard, Arctic region were PCR-amplified and sequenced after clone library construction. Analysis of archaeal amoA gene clone libraries suggested that the station 188 which is in the vicinity to the area of runoff water harbor lower ammonia-oxidizing archaeal diversity than the station 176 and 184. The average amino acid sequence identity within all archaeal amoA gene clones was 94% (with 91% nucleotide sequence identity). While all the clones of the station 188 were affiliated with Nitrosoarchaeaum clade containing strains isolated from low-salinity and terrestrial environments, about 45% of total clones of the station 176 and 184 were related to marine Nitosopumilus clade. Interestingly, other typical archaeal amoA gene clones of thaumarchaeal I.1b clade frequently retrieved from terrestrial environments was identified at station 188. Microbial community of nitrogen cycle in marine sediment might be affected by input of sediments caused by runoff glacier melt waters.
Previously we reported that the hyperthermophilic archaeon, Thermococcus onnurineus NA1 is capable of producing hydrogen (H2) from formate, CO or starch. In this study, we describe the immobilization of T. onnurineus NA1 as an alternative means of H2 production. Amine-coated silica particles were effective in immobilizing T. onnurineus NA1 by electrostatic interaction, showing a maximum cell adsorption capacity of 71.7 mg-dried cells per g of particle. In three cycles of repeated-batch cultivation using sodium formate as the sole energy source, immobilized cells showed reproducible H2 production with a considerable increase in the initial production rate from 2.3 to 4.0 mmol l−1 h−1, mainly due to the increase in the immobilized cell concentration as the batch culture was repeated. Thus, the immobilized-cell system of T. onnurineus NA1 was demonstrated to be feasible for H2 production. This study is the first example of immobilized cells of hyperthermophilic archaea being used for the production of H2.
Dihydroxy-acid dehydratase (DHAD, 2,3-dihydroxy-acid hydrolyase, EC 4.2.1.9) is one of the key enzymes involved in the biosynthetic pathway of the branched chain amino acid isoleucine and valine. Although the enzyme have been purified and characterized in various mesophiles including bacteria and eukarya, the biochemical properties of DHAD has bee not yet reported from hyperthermophilic archaea. In this study, we cloned, expressed, and purified a DHAD homologue from the thermoacidophilic archaeon Sulfolobus solfataricus P2, which grows optimally at $80\;^{\circ}C$ and pH 3, in E. coli. Characterization of the recombinant S. solfataricus DHAD (rSso_DHAD) revealed that it is the dimeric protein with a subunit molecular weight of 64,000 Da in native structure. rDHAD showed the highest activity toward 2,3-dihydroxyisovaleric acid among 17 aldonic acid substrates Interestingly, this enzyme also displayed 50 % activities toward some pentonic acids and hexonic acids when compared with the activity of this enzyme to the natural substrate. Moreover, rSso_DHAD indicated relatively higher activity toward D-gluconate than any other hexonic acids tested in substrates. $K_m$ and $V_{max}$ values of rSso_DHAD were calculated as $0.54\;{\pm}\;0.04\;mM$ toward 2,3dihydroxyisovalerate and $2.42\;{\pm}\;0.19\;mM$ toward D-gluconate, and as $21.6\;{\pm}\;0.4\;U/mg$ toward 2,3-dihydroxyisovalerate and $13.8\;{\pm}\;0.4\;U/mg$ toward D-gluconate, respectively. In the study for biochemical properties, the enzyme shows maximal activity between $70^{\circ}C$ and $80^{\circ}C$, and the pH range of pH 7.5 to 8.5. The half life time at $80^{\circ}C$ was 30 min. A divalent metal ion, $Mn^{2+}$, was only powerful activators, whereas other metal ions made the enzyme activity reduced. $Hg^{2+}$, organic mercury, and EDTA also strongly inhibited enzyme activities. Particularly, the rSso_DHAD activity was very stable under aerobic condition although the counterparts reported from mesophiles had been deactivated by oxygen.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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