A gene coding for epoxide hydrolase (EH) of Aspergillus niger LK, a fungus possessing the enantioselective hydrolysis activity for racemic epoxides, was characterized by phylogenetic analysis. The deduced protein of A. niger LK epoxide hydrolase shares significant sequence similarity with several bacterial EHs and mammalian microsomal EHs (mEH) and belongs to the a/${\beta}$ hydrolase fold family. EH from A. niger LK had 90.6% identity with 3D crystal structure of lqo7 in Protein Data Bank. Sequence comparison with other source EHs suggested that Asp$\^$l92/, Asp$\^$374/ and His$\^$374/ constituted the catalytic triad. Based on the multiple sequence comparison of the functional and structural domain sequence, the phylogenetic tree between relevant epoxide hydrolases from various species were reconstructed by using Neighbor-Joining method. Genetic distances were so far as 1.841-2.682 but characteristic oxyanion hole and catalytic triad were highly conserved, which means they have diverged from a common ancestor.
Bacteria produce lipases, which can catalyze both the hydrolysis and the synthesis of long chain triglycerides. These reactions usually proceed with high regioselectivity and enantioselectivity, and, therefore, lipases have become very important biocatalysts used in organic chemistry. 3D lipase structures were solved from several bacterial lipases. They have an $\alpha/\beta$ hydrolase fold and a catalytic triad consisting of a nucleophilic serine, and an aspartate or glutamate residue that is hydrogen bonded to a histindine. Active sites are covered with $\alpha$-helical lid structure, of which movement is involved in the enzyme's activation at oil/water interface. Four substrate binding pockets were identified for triglycerides: an oxyanion hole and three pockets accommodating the fatty acids bound at positions sn-1, sn-2, and sn-3. These pockets determine the enantiopreference of a lipase. The understanding of structure-function relationships as well as the development of molecular evolution techniques will enable researchers to tailor new lipases for biotechnological applications.
A gene encoding for a putative microsomal epoxide hydrolase (mEH) of a zebrafish, Danio rerio, was cloned and characterized. The putative mEH protein of D. rerio exhibited sequence similarity with mammalian mEH and some other bacterial EHs. A structural model for the putative mEH was constructed using homology modeling based on the crystallographic templates, 1 qo7 and 1 ehy. The catalytic triad consisting of $Asp^{233}$, $Glu^{413}$, and $His^{440}$ was identified, and the characteristic features such as two tyrosine residues and oxyanion hole were found to be highly conserved. Based on bioinformatic analysis together with EH activity assay, the putative protein was annotated as mEH of D. rerio. Enantiopure styrene oxide with enantiopurity of 99%ee and yield of 33.5% was obtained from racemic styrene oxide by the enantioselective hydrolysis activity of recombinant mEH of D. rerio for 45 min.
A cold-adapted carbohydrate esterase, CEST, belonging to the carbohydrate esterase family 6, was cloned from Microbulbifer thermotolerans DAU221. CEST was composed of 307 amino acids with the first 22 serving as a secretion signal peptide. The calculated molecular mass and isoelectric point of the mature enzyme were 31,244 Da and pH 5.89, respectively. The catalytic triad consisted of residues Ser37, Glu192, and His281 in the conserved regions: GQSNMXG, QGEX(D/N), and DXXH. The three-dimensional structure of CEST revealed that CEST belongs to the ${\alpha}/{\beta}$-class of protein consisted of a central six-stranded ${\beta}$-sheet flanked by eight ${\alpha}$-helices. The recombinant CEST was purified by His-tag affinity chromatography and the characterization showed its optimal temperature and pH were $15^{\circ}C$ and 8.0, respectively. Specifically, CEST maintained up to 70% of its enzyme activity when preincubated at $50^{\circ}C$ or $60^{\circ}C$ for 6 h, and 89% of its enzyme activity when preincubated at $70^{\circ}C$ for 1 h. The results suggest CEST belongs to group 3 of the cold-adapted enzymes. The enzyme activity was increased by $Na^+$ and $Mg^{2+}$ ions but was strongly inhibited by $Cu^+$ and $Hg^{2+}$ ions, at all ion concentrations. Using p-nitrophenyl acetate as a substrate, the enzyme had a $K_m$ of 0.278 mM and a $k_{cat}$ of $1.9s^{-1}$. Site-directed mutagenesis indicated that the catalytic triad (Ser37, Glu192, and His281) and Asp278 were essential for the enzyme activity.
Fusarium oxysporum trypsin (FOT) is a fungal serine protease similar to mammal trypsin. The FOT could be successfully expressed in Pichiapastoris by engineering the natural propeptide APQEIPN. In this study, we constructed two recombinant enzymes with engineered amino acid sequences added to the N-terminus of FOT and expressed in P. pastoris. The N-terminal residues had various effects on the structural and functional properties of trypsin. The FOT, and the recombinants TE (with peptide YVEF) and TS (with peptide YV) displayed the same optimum temperature ($40^{\circ}C$) and pH (8.0). However, the combinants TE and TS showed significantly increased thermal stability at $40^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$. Moreover, the combinants TE and TS also showed enhanced tolerance of alkaline pH conditions. Compared with those of wild-type FOT, the intramolecular hydrogen bonds and the cation ${\pi}$-interactions of the recombinants TE and TS were significantly increased. The recombinants TE and TS also had significantly increased catalytic efficiencies (referring to the specificity constant, $k_{cat}/K_m$), 1.75-fold and 1.23-fold than wild-type FOT. In silico modeling analysis uncovered that the introduction of the peptides YVEF and YV resulted in shorter distances between the substrate binding pocket (D174, G198, and G208) and catalytic triad (His42, Asp102, and Ser180), which would improve the electron transfer rate and catalytic efficiency. In addition, N-terminal residues modification described here may be a useful approach for improving the catalytic efficiencies and characteristics of other target enzymes.
The P. fragi lipase overexpressed in E. coli as a fusion protein of 57 kilodalton (kDa) has been purified through glutathione-agarose affinity chromatography by elution with free glutathione. The general properties of the purified GST-fusion protein were characterized by observing absorbance of released p-nitrophenoxide at 400 nm which was hydrolyzed from the substrate p-nitrophenyl palmitate. The optimum condition was observed at 25 $^{\circ}C$, pH 7.8 with 0.4 ${\mu}g$ of protein and 1.0 mM substrate in 0.6% (v/v) TritonX-100 solution. Also the lipase was activated by Ca+2, Mg+2, Ba+2 and Na+ but it was inhibited by Co+2 and Ni+2. pGEX-2T containing P. fragi lipase gene as expression vector was named pGL191 and used as a template for the site-directed mutagenesis by sequential PCR steps. A Ser-His-Asp catalytic triad similar to that present in serine proteases may be present in Pseudomonas lipase. Therefore, the PCR fragments replacing Asp217 to Arg and His260 to Arg were synthesized, and substituted for original fragment in pGL19. The ligated products were transformed into E. coli NM522, and pGEX-2T harboring mutant lipase genes were screened through digestion with XbaI and StuI sites created by mutagenic primers, respectively. No activity of mutant lipases was observed on the plate containing tributyrin. The purified mutant lipases were not activated on the substrate and affected at pH variation. These results demonstrate that Asp217 and His260 are involved in the catalytic site of Pseudomonas lipase.
Type Ⅰ signal peptidase is an integral membrane protein that functions to cleave signal peptides from secreted and membrane proteins. The enzyme serves as a potential target for the development of novel antibacterial agents due to its unique physiological properties. Despite being one of the best characterized enzymes, the catalysis of Type Ⅰ signal peptidase still remains controversy over the catalytic serine/lysine dyad mechanism. It appears that the dyad proteases are generally less efficient than the prototypical serine/histidine/aspartic acid triad found in most enzymes, although Type Ⅰ signal peptidase is an exception to this rule. In this paper, we have proposed that Type Ⅰ signal peptidase may act as the serine/lysine/aspartic acid triad cataltytic mechanism. Therefore, the aspartic acid 99 residue in the E. coli signal peptidase was chosen and mutated to an alanine to see if there is any possible role of the aspartic acid in the catalytic function. Type Ⅰ signal peptidase D99A protein was inactive in vitro assay using the procoat synthesized by in vitro transcription translation. However, the mutant was active using a highly sensitive in vivo assay. Pulse-chase experiments show that the replacement of aspartic acid 99 with alanine results in a very unstable signal peptidase molecule. Therefore, we conclude that it is unlikely that the residue is directly involved in catalysis, but rather plays an important role in stabilizing the protein structure.
The esterase gene Est8 from the thermophilic bacterium Bacillus sp. K91 was cloned and expressed in Escherichia coli. The monomeric enzyme exhibited a theoretical molecular mass of 24.5 kDa and an optimal activity around $50^{\circ}C$ at pH 9.0. A model of Est8 was constructed using a hypothetical YxiM precursor structure (2O14_A) from Bacillus subtilis as template. The structure showed an ${\alpha}/{\beta}$-hydrolase fold and indicated the presence of a typical catalytic triad consisting of Ser-11, Asp-182, and His-185, which were investigated by site-directed replacements coupled with kinetic characterization. Asp-182 and His-185 residues were more critical than the Ser-11 residue in the catalytic activity of Est8. A comparison of the amino acid sequence showed that Est8 could be grouped into the GDSL family and further classified as an SGNH hydrolase. Est8 is a new member of the SGNH hydrolase subfamily and may employ a different catalytic mechanism.
The archaeon Sulfolobus solfataricus P1 carboxylesterase is a thermostable enzyme with a molecular mass of 33.5 kDa belonging to the mammalian hormone-sensitive lipase (HSL) family. In our previous study, we purified the enzyme and suggested the expected amino acids related to its catalysis by chemical modification and a sequence homology search. For further validating these amino acids in this study, we modified them using site-directed mutagenesis and examined the activity of the mutant enzymes using spectrophotometric analysis and then estimated by homology modeling and fluorescence analysis. As a result, it was identified that Ser151, Asp244, and His274 consist of a catalytic triad, and Gly80, Gly81, and Ala152 compose an oxyanion hole of the enzyme. In addition, it was also determined that the cysteine residues are located near the active site or at the positions inducing any conformational changes of the enzyme by their replacement with serine residues.
Ben Abdelmalek, Imen;Urdaci, Maria Camino;Ali, Mamdouh Ben;Denayrolles, Muriel;Chaignepain, Stephane;Limam, Ferid;Bejar, Samir;Marzouki, Mohamed Nejib
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.19
no.11
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pp.1306-1318
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2009
The filamentous ascomycete Sclerotinia sclerotiorum is well known for its ability to produce a large variety of hydrolytic enzymes. Two $\alpha$-amylases ScAmy54 and ScAmy43 predicted to play an important role in starch degradation were showed to produce specific oligosaccharides essentially maltotriose that have a considerable commercial interest. Primary structure of the two enzymes was established by N-terminal sequencing, MALDI-TOF masse spectrometry and cDNA cloning. The two proteins have the same N-terminal catalytic domain and ScAmy43 derived from ScAmy54 by truncation of 96 amino acids at the carboxyl-terminal region. Data of genomic analysis suggested that the two enzymes originated from the same $\alpha$-amylase gene and that truncation of ScAmy54 to ScAmy43 occurred probably during S. sclerotiorum cultivation. The structural gene of Scamy54 consisted of 9 exons and 8 introns, containing a single 1,500-bp open reading frame encoding 499 amino acids including a signal peptide of 21 residues. ScAmy54 exhibited high amino acid homology with other liquefying fungal $\alpha$-amylases essentially in the four conserved regions and in the putative catalytic triad. A 3D structure model of ScAmy54 and ScAmy43 was built using the 3-D structure of 2guy from A. niger as template. ScAmy54 is composed by three domains A, B, and C, including the well-known $(\beta/\alpha)_8$ barrel motif in domain A, have a typical structure of $\alpha$-amylase family, whereas ScAmy43 contained only tow domains A and B is the first fungal $\alpha$-amylase described until now with the smallest catalytic domain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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