Phosphomannomutase (ManB) converts mannose-6-phosphate (M-6-P) to mannose-1-phosphate (M-1-P), which is a key metabolic precursor for the production of GDP-D-mannose used for production of glycoconjugates and post-translational modification of proteins. The aim of this study was to express the manB gene from Escherichia coli in Lactococcus lactis subsp. cremoris NZ9000 and to characterize the encoded enzyme. The manB gene from E. coli K12, of 1,371 bp and encoding 457 amino acids (52 kDa), was cloned and overexpressed in L. lactis NZ9000 using the nisin-controlled expression system. The enzyme was purified by Ni-NTA column chromatography and exhibited a specific activity of 5.34 units/mg, significantly higher than that of other previously reported ManB enzymes. The pH and temperature optima were 8.0 and $50^{\circ}C$, respectively. Interestingly, the ManB used in this study had two substrate specificity for both mannose-1-phosphate and glucose-1-phosphate, and the specific activity for glucose-1-phosphate was 3.76 units/mg showing 70% relative activity to that of mannose-1-phosphate. This is the first study on heterologous expression and characterization of ManB in lactic acid bacteria. The ManB expression system constructed in this study canbe used to synthesize rare sugars or glycoconjugates.
A positive selectable marker system was adapted for transformation of mature embryo-derived calli of Indica rice (Oryza sativa L.) utilizing the PMI gene encoding for phosphomannose-isomerase that converts mannose-6-phosphate to fructose-6-phosphate. The transformed cells grew on medium supplemented with 3% mannose as carbon source and calli were selected on media containing various concentrations of mannose. Molecular analyses showed that the transformed plants contained the PMI gene. The results indicate that the mannose selection system can be used for Agrobacterium-mediated transformation of mature embryo in rice to substitute the use of conventional selectable markers in genetic transformation.
Experiments were carried out to investigate whether P, deficiency in detached 25 mM mannose-feeding led to a decline of the photosynthetic electron transport rates through acidification of the thylakoid lumen. With increasing mannose-feeding time, the maximal CO2 exchange rates and the maximal quantum yields of photosynthesis decreased rapidly up to 6 h by 73% then with little decrease up to 12 h. The ATP/ADP ratio declined by 54% 6 h after the treatment and then recovered to the control level at 12 h. However, the NADPH/NADP~ ratio was not significantly altered by mannose treatment. Electron transport rates of thylakoid membranes isolated from 6 h treated leaves did not change, but they decreased by 30% in 12 h treated leaves. The quenching analysis of Chl fluorescence in mannose-treated leaves revealed that both the fraction of reduced plastoquinone and the degree of acidification of thylakoid lumen remained higher than those of the control. The reduction of PSI in mannose fed leaves was inhibited due to acidification of thylakoid lumen (high qE). The reduction of primary quinone acceptor of PSII was inhibited by mannose feeding. Mannose treatment decreased the efficiency of excitation energy capture by PSII. Fo quenching was induced when treated with mannose more than 6 h, and had a reverse linear correlation with (Fv)m/Fm ratio. These results suggest that Pi deficiency in Chinese cabbage leaves reduce photosynthetic electron transport rates by diminishing both PSII function and electron transfer from PSII to PSI through acidification ofthylakoid lumen, which in turn induce the modification of photosynthetic apparatus probably through protein (de)phosphorylation.
Lysosomal storage diseases (LSDs) are a group of inherent diseases characterized by massive accumulation of undigested compounds in lysosomes, which is caused by genetic defects resulting in the deficiency of a lysosomal hydrolase. Currently, enzyme replacement therapy has been successfully used for treatment of 7 LSDs with 10 approved therapeutic enzymes whereas new approaches such as pharmacological chaperones and gene therapy still await evaluation in clinical trials. While therapeutic enzymes for Gaucher disease have N-glycans with terminal mannose residues for targeting to macrophages, the others require N-glycans containing mannose-6-phosphates that are recognized by mannose-6-phosphate receptors on the plasma membrane for cellular uptake and targeting to lysosomes. Due to the fact that efficient lysosomal delivery of therapeutic enzymes is essential for the clearance of accumulated compounds, the suitable glycan structure and its high content are key factors for efficient therapeutic efficacy. Therefore, glycan remodeling strategies to improve lysosomal targeting and tissue distribution have been highlighted. This review describes the glycan structures that are important for lysosomal targeting and provides information on recent glyco-engineering technologies for the development of therapeutic enzymes with improved efficacy. [BMB Reports 2015; 48(8): 438-444]
Tran, Sinh Thi;Le, Dung Tien;Kim, Young-Chang;Shin, Malshik;Choi, Jung-Do
BMB Reports
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제42권8호
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pp.523-528
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2009
Phosphomannose isomerase (PMI) catalyzes the interconversion of fructose-6-phosphate and mannose-6-phosphate in the extracellular polysaccharide (EPS) synthesis pathway. The gene encoding PMI in Sphingomonas chungbukensis DJ77 was cloned and expressed in E. coli. The pmi gene is 1,410 nucleotides long and the deduced amino acid sequence shares high homology with other bifunctional proteins that possess both PMI and GDP-mannose pyrophosphorylase (GMP) activities. The sequence analysis of PMI revealed two domains with three conserved motifs: a GMP domain at the N-terminus and a PMI domain at the C-terminus. Enzyme assays using the PMI protein confirmed its bifunctional activity. Both activities required divalent metal ions such as $Co^{2+}$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Ni^{2+}$ or $Zn^{2+}$. Of these ions, $Co^{2+}$ was found to be the most effective activator of PMI. GDP-D-mannose was found to inhibit the PMI activity, suggesting feedback regulation of this pathway.
Enzyme replacement therapy for lysosomal storage diseases usually requires recombinant enzymes containing mannose-6-phosphate (M6P) glycans for cellular uptake and lysosomal targeting. For the first time, a strategy is established here for the in vitro mannosyl-phosphorylation of high-mannose type N-glycans that utilizes a recombinant Mnn14 protein derived from Saccharomyces cerevisiae. Among a series of N-terminal- or C-terminal-deleted recombinant Mnn14 proteins expressed in Pichia pastoris, rMnn1477-935 with deletion of N-terminal 76 amino acids spanning the transmembrane domain (46 amino acids) and part of the stem region (30 amino acids), showed the highest level of mannosyl-phosphorylation activity. The optimum reaction conditions for rMnn1477-935 were determined through enzyme assays with a high-mannose type N-glycan (Man8GlcNAc2) as a substrate. In addition, rMnn1477-935 was shown to mannosyl-phosphorylate high-mannose type N-glycans (Man7-9GlcNAc2) on recombinant human lysosomal alpha-glucosidase (rhGAA) with remarkably high efficiency. Moreover, the majority of the resulting mannosyl-phosphorylated glycans were bis-form which can be converted to bis-phosphorylated M6P glycans having a superior lysosomal targeting capability. An in vitro N-glycan mannosyl-phosphorylation reaction using rMnn1477-935 will provide a flexible and straightforward method to increase the M6P glycan content for the generation of "Biobetter" therapeutic enzymes.
Phosphomannomutase는 진핵 생물과 원핵 생물에 있어서 중요한 효소로, ${\alpha}$-D-mannose 6-phosphate를 ${\alpha}$-D-mannose 1-phosphate로 전환시켜 GDP-mannose를 생산한다. 이 기질은 여러 대사 경로에서 중요하게 작용하는 mannosyl기를 제공하도록 돕는다. 본 논문에서는 Sphingomonas chungbukensis DJ77에서 phosphomannomutase를 암호화하는 유전자를 유전체 library로부터 동정하고 이를 pmmC로 명명하였으며, 이를 발현 vector에 클로닝하고 염기서열을 분석하였다. 유전자 pmmC는 ATG를 개시 코돈으로 사용하고, TAG를 종결 코돈으로 사용하는 750 bp의 open reading frame임을 확인하였고, 이 ORF의 5 bp앞쪽으로 리보좀 결합 부위가 존재한다. 이 ORF로부터 유추되는 아미노산은 249개이며, 단백질 분자량은 약 27.4 kDa이다. 이 유전자를 구성하는 아미노산 서열은 NCBI의 conserved domain search를 통한 분석으로 eukaryotic phosphomannomutase와 약 $86.9\%$ 유사성이 있음을 나타냈고, 기질에 대한 활성을 측정한 결과 pmmC 유전자가 암호화하는 단백질이 phosphomannomutase임을 확인할 수 있었다.
수해양성 병원성 미생물로 알려진 Vibrio anguillarum으로부터 mannose-1-phosphate를 mannose-6-phosphate, glucose-1-phosphate를 glucose-6-phosphate로 가역적으로 변환시키는 phosphomannomutase/phosphoglucomutase (pmm/pgm)의 유전자를 sequencing하여 1338 bp의 open reading frame (ORF)을 밝혔다. 이는 446개의 아미노산을 포함하며 47,625 Da을 가지고 있다. 보고된 다른 Vibrio sp.의 pmm/pgm 유전자와 상동성을 비교하였을 때 V. mimicus V. vulnificus, V. splendidus, V. harveyi와 92.3%, 91.4%, 89.9%, 89.9%에 해당하는 상동성을 지니고 있었다. 증폭된 목적 유전자를 pET-28a(+) vector에 연결하여 대장균에서 단백질의 대량발현을 유도하였으며 이는 주로 soluble한 상태로 나왔다. Soluble fraction을 Ni-NTA column chromatography로 정제하여 약 50 kDa의 단백질을 얻었고 이는 주로 mannose-1-phosphate를 이용하는 효소로 확인되었으며 Mg2+ 이온이 존재할 때 효소의 활성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 유전자는 낮은 온도의 stress하에서 발현이 증가됨을 Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction (RT-PCR)을 통해 확인하였고, 상동성 재조합 (homologous recombination)에 의한 돌연변이 균주 제작을 통해 PMM/PGM protein과 lipopolysaccharide (LPS)의 생합성과의 관계를 규명하였다. V. anguillarum wild type과 mutant로부터 LPS를 분리하였고 sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)후 silver staining을 통해 LPS의 high molecular weight (HMW) 부분인 O-antigen에서의 변화를 확인하였다. 또한 V. anguillarum wild type과 mutant의 growth와 viability를 확인한 결과 mutant가 wild type보다 정지기까지 더 낮은 생육을 보였으며 viability가 감소함을 확인하였다. 본 연구를 통하여 V. anguillarum의 pmm/pgm 유전자가 미생물의 생육과 LPS 생합성에 관여하고 있음을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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