Human carbonic anhydrase (CA) isozyme II has been used as protein target for disorder treatment including glaucoma. Current clinically used sulfonamide-based CA inhibitors can induce side effects, and so alternatives are required. This study aimed to investigate a natural CA inhibitor from Murraya paniculata. The previously developed yeast-based assay was used to screen 14 compounds isolated from M. paniculata and identified by NMR analysis for anti-human CA isozyme II (hCAII) activity. Cytotoxicity of the compounds was also tested using the same yeast-based assay but in a different cultivation condition. Two flavonoid candidate compounds, 5, 6, 7, 8, 3', 4', 5'-heptamethoxyflavone (4) and 3, 5, 7, 8, 3', 4', 5'-heptamethoxyflavone (9), showed potent inhibitory activity against hCAII with a minimal effective concentration of 10.8 and 21.5 μM, respectively, while they both exhibited no cytotoxic effect, even at the highest concentration tested (170 μM). The results from an in vitro esterase assay of the two candidates confirmed their hCAII inhibitory activity with IC50 values of 24.0 and 34.3 μM, respectively. To investigate the potential inhibition mechanism of compound 4, in silico molecular docking was performed using the FlexX and SwissDock software. This revealed that compound 4 coordinated with the Zn2+ ion in the hCAII active site through its methoxy oxygen at a distance of 1.60 Å (FlexX) or 2.29 Å (SwissDock). The interaction energy of compound 4 with hCAII was -13.36 kcal/mol. Thus, compound 4 is a potent novel flavonoid-based hCAII inhibitor and may be useful for further anti-CAII design and development.
To study bone resorption mechanism, effect of LPS on the $^{45}Ca$ release from fetal rat ulnae and radii, and effects of carbonic anhydrase inhibitors on the LPS-induced bone resorption in organ culture were studied. Ulnae and radii were removed from 19 day old fetal rats, prelabelled by subcutaneous injection of $200{\mu}Ci\;^{45}CaCl_2$ into their mother on the 17th day of gestation. Radioactivities of $^{45}Ca$ released into media were determined after 24, 48 and 72 hours. Effects of LPS and carbonic anhydrase inhibitors were observed by the ratio of $\%$ release of $^{45}Ca$ between paired control and experimental group. The observed results were as follows : 1. $LPS(1{\mu}g/ml)$ supplemented in media for 72hours increased the $^{45}Ca$ release significantly after 48 and 72 hours of culture and $LPS(10{\mu}g/m1)$ increased the $^{45}Ca$ release significantly after 72 hours of culture. 2. LPS-induced $^{45}Ca$ release was not inhibited significantly by 1mM sulfanilamide but inhibited significantly by 10mM sulfanilamide after 48 and 72 hours of culture. 3. LPS-induced $^{45}Ca$ release was not inhibited significantly by 0.1mM dichlorphenamide but inhibited significantly by 1mM dichlorphenamide after 48 and 72 hours of culture. 4. LPS-induced $^{45}Ca$ release was not inhibited significantly by 1mM acetazolamide but inhibited sighificantly by 5mM acetazolamide after 72 hours of culture.
Kim, Subin;Yeon, Jungyoon;Sung, Jongmin;Jin, Mi Sun
Molecules and Cells
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v.43
no.9
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pp.831-840
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2020
The β-class of carbonic anhydrases (β-CAs) are zinc metalloenzymes widely distributed in the fungal kingdom that play essential roles in growth, survival, differentiation, and virulence by catalyzing the reversible interconversion of carbon dioxide (CO2) and bicarbonate (HCO3-). Herein, we report the biochemical and crystallographic characterization of the β-CA CafA from the fungal pathogen Aspergillus fumigatus, the main causative agent of invasive aspergillosis. CafA exhibited apparent in vitro CO2 hydration activity in neutral to weak alkaline conditions, but little activity at acidic pH. The high-resolution crystal structure of CafA revealed a tetramer comprising a dimer of dimers, in which the catalytic zinc ion is tetrahedrally coordinated by three conserved residues (C119, H175, C178) and an acetate anion presumably acquired from the crystallization solution, indicating a freely accessible "open" conformation. Furthermore, knowledge of the structure of CafA in complex with the potent inhibitor acetazolamide, together with its functional intolerance of nitrate (NO3-) ions, could be exploited to develop new antifungal agents for the treatment of invasive aspergillosis.
Kim, Subin;Sung, Jongmin;Yeon, Jungyoon;Choi, Seung Hun;Jin, Mi Sun
Molecules and Cells
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v.42
no.6
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pp.460-469
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2019
Bacterial ${\alpha}-type$ carbonic anhydrase (${\alpha}-CA$) is a zinc metalloenzyme that catalyzes the reversible and extremely rapid interconversion of carbon dioxide to bicarbonate. In this study, we report the first crystal structure of a hyperthermostable ${\alpha}-CA$ from Persephonella marina EX-H1 (pmCA) in the absence and presence of competitive inhibitor, acetazolamide. The structure reveals a compactly folded pmCA homodimer in which each monomer consists of a 10-stranded ${\beta}-sheet$ in the center. The catalytic zinc ion is coordinated by three highly conserved histidine residues with an exchangeable fourth ligand (a water molecule, a bicarbonate anion, or the sulfonamide group of acetazolamide). Together with an intramolecular disulfide bond, extensive interfacial networks of hydrogen bonds, ionic and hydrophobic interactions stabilize the dimeric structure and are likely responsible for the high thermal stability. We also identified novel binding sites for calcium ions at the crystallographic interface, which serve as molecular glue linking negatively charged and otherwise repulsive surfaces. Furthermore, this large negatively charged patch appears to further increase the thermostability at alkaline pH range via favorable charge-charge interactions between pmCA and solvent molecules. These findings may assist development of novel ${\alpha}-CAs$ with improved thermal and/or alkaline stability for applications such as $CO_2$ capture and sequestration.
Rabbani, Imtiaz;Rehman, Habib;Martens, Holger;Majeed, Khalid Abdul;Yousaf, Muhammad Shahbaz;Rehman, Zia Ur
Animal Bioscience
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v.34
no.5
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pp.880-885
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2021
Objective: Omasum is an important site for the absorption of short chain fatty acids. The major route for the transport of acetate is via sodium hydrogen exchanger (NHE). However, a discrepancy in the symmetry of sodium and acetate transport has been previously reported, the mechanism of which is unclear. In this study, we investigated the possible role of carbonic anhydrase (CA) for this asymmetry. Methods: Omasal tissues were isolated from healthy sheep (N = 3) and divided into four groups; pH 7.4 and 6.4 alone and in combination with Ethoxzolamide. Electrophysiological measurements were made using Ussing chamber and the electrical measurements were made using computer controlled voltage clamp apparatus. Effect(s) of CA inhibitor on acetate and sodium transport flux rate of Na22 and 14C-acetate was measured in three different flux time periods. Data were presented as mean±standard deviation and level of significance was ascertained at p≤0.05. Results: Mucosal to serosal flux of Na (JmsNa) was greater than mucosal to serosal flux of acetate (JmsAc) when the pH was decreased from 7.4 to 6.4. However, the addition of CA inhibitor almost completely abolished this discrepancy (JmsNa ≈ JmsAc). Conclusion: The results of the present study suggest that the additional protons required to drive the NHE were provided by the CA enzyme in the isolated omasal epithelium. The findings of this study also suggest that the functions of CA may be exploited for better absorption in omasum.
Two Shih-Tzu dogs with atopic dermatitis presented with delayed periocular dermatitis (PD) following the instillation of dorzolamide and dorzolamide/timolol combination eyedrops; the development of dermatologic signs took 94 and 104 d in cases 1 and 2, respectively. Hypersensitivity to anti-glaucoma eyedrops was highly suspected, and treatment was discontinued. Delayed PD was significantly relieved in cases 1 and 2, at days 155 and 64 after discontinuation, respectively. In this study, the clinical characteristics and progression of delayed PD were described to inform clinicians who may encounter this rare side effect.
Ulva pertusa, a common bloom-forming green alga, was used as a model system to examine the effects of elevated carbon dioxide (CO2) and temperature on growth and photosynthetic performance. To do this, U. pertusa was grown under four temperature and CO2 conditions; ambient CO2 (400 μatm) and temperature (16℃) (i.e., present), elevated temperature only (19℃) (ET; i.e., warming), elevated CO2 only (1,000 μatm) (EC; i.e., acidification), and elevated temperature and CO2 (ET and EC; i.e., greenhouse), and its steady state photosynthetic performance evaluated. Maximum gross photosynthetic rates (GPmax) were highest under EC conditions and lowest under ET conditions. Further, ET conditions resulted in decreased rate of dark respiration (Rd), but growth of U. pertusa was higher under ET conditions than under ambient temperature conditions. In order to evaluate external carbonic anhydrase (eCA) activity, photosynthesis was measured at 70 μmol photons m−2 s−1 in the presence or absence of the eCA inhibitor acetazolamide (AZ), which inhibited photosynthetic rates in all treatments, indicating eCA activity. However, while AZ reduced U. pertusa photosynthesis in all treatments, this reduction was lower under ambient CO2 conditions (both present and warming) compared to EC conditions (both acidification and greenhouse). Moreover, Chlorophyll a and glucose contents in U. pertusa tissues declined under ET conditions (both warming and greenhouse) in conjunction with reduced GPmax and Rd. Overall, our results indicate that the interaction of EC and ET would offset each other’s impacts on photosynthesis and biochemical composition as related to carbon balance of U. pertusa.
Kim, Ju-Hyoung;Kang, Eun Ju;Edwards, Matthew S.;Lee, Kitack;Jeong, Hae Jin;Kim, Kwang Young
ALGAE
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v.31
no.3
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pp.243-256
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2016
Concerns about how ocean acidification will impact marine organisms have steadily increased in recent years, but there is a lack of knowledge on the responses of macroalgae. Here, we adopt an outdoor continuous-flowing mesocosm system designed for ocean acidification experiment that allows high CO2 conditions to vary with natural fluctuations in the environment. Following the establishment of the mesocosm, five species of macroalgae that are common along the coast of Korea (namely Ulva pertusa, Codium fragile, Sargassum thunbergii, S. horneri, and Prionitis cornea) were exposed to three different CO2 concentrations: ambient (×1) and elevated CO2 (2× and 4× ambient), over two-week period, and their ecophysiological traits were measured. Results indicated that both photosynthesis and growth exhibited species-specific responses to the different CO2 concentrations. Most notably, photosynthesis and growth increased in S. thunbergii when exposed to elevated CO2 conditions but decreased in P. cornea. The preference for different inorganic carbon species (CO2 and HCO3−), which were estimated by gross photosynthesis in the presence and absence of the external carbonic anhydrase (eCA) inhibitor acetazolamide, were also found to vary among species and CO2 treatments. Specifically, the two Sargassum species exhibited decreased eCA inhibition of photosynthesis with increased growth when exposed to high CO2 conditions. In contrast, growth of U. pertusa and C. fragile were not notably affected by increased CO2. Together, these results suggest that the five species of macroalgae may respond differently to changes in ocean acidity, with species-specific responses based on their differentiated photosynthetic acclimation. Understanding these physiological changes might allow us to better predict future changes in macroalgal communities in a more acidic ocean.
Introduction: Non-small cell lung cancer (NSCLC) patients are particularly vulnerable to the Coronavirus Disease-2019 (COVID-19). Currently, no anti-NSCLC/COVID-19 treatment options are available. As ginsenoside Rg3 is beneficial to NSCLC patients and has been identified as an entry inhibitor of the virus, this study aims to explore underlying pharmacological mechanisms of ginsenoside Rg3 for the treatment of NSCLC patients with COVID-19. Methods: Based on a large-scale data mining and systemic biological analysis, this study investigated target genes, biological processes, pharmacological mechanisms, and underlying immune implications of ginsenoside Rg3 for NSCLC patients with COVID-19. Results: An important gene set containing 26 target genes was built. Target genes with significant prognostic value were identified, including baculoviral IAP repeat containing 5 (BIRC5), carbonic anhydrase 9 (CA9), endothelin receptor type B (EDNRB), glucagon receptor (GCGR), interleukin 2 (IL2), peptidyl arginine deiminase 4 (PADI4), and solute carrier organic anion transporter family member 1B1 (SLCO1B1). The expression of target genes was significantly correlated with the infiltration level of macrophages, eosinophils, natural killer cells, and T lymphocytes. Ginsenoside Rg3 may benefit NSCLC patients with COVID-19 by regulating signaling pathways primarily involved in anti-inflammation, immunomodulation, cell cycle, cell fate, carcinogenesis, and hemodynamics. Conclusions: This study provided a comprehensive strategy for drug discovery in NSCLC and COVID-19 based on systemic biology approaches. Ginsenoside Rg3 may be a prospective drug for NSCLC patients with COVID-19. Future studies are needed to determine the value of ginsenoside Rg3 for NSCLC patients with COVID-19.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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