Zinc (Zn) is an essential element in biological process, however inadequate Zn status in general population have been recognized. To update the knowledge for Zn-cadmium (Cd) interaction, we studied the intestinal uptake and transport, and the expression of metal transporter proteins (divalent metal transporter 1, DMT1 ; metal transporter protein 1, MTP1 ; zinc transporter 1, ZnTl ; metallothionein 1 , MT1) in duodenum after Cd exposure using Zn deficient animal model. Rats were led Zn deficient (ZnD, 0.5-1.0 mgZn/kg) or Zn supplemented (ZnS, 50mg Zn/kg) diet for 4 weeks, and followed single administration of $^{109}$ CdCl$_2$orally. The body Zn flatus and tissue Cd concentration were determined at 24 hrs after Cd administration. Total body burden of Cd and Cd absorption index (AI, %) were estimated based on the tissue Cd analyzed. DMT1, MTP1, ZnTl and MT1 mRNA were analyzed by using RT-PCR method. Feeding of Zn deficient diet for 4 weeks produced a reduced body weight gain and a depletion of body Zn. Tissue Cd concentration, body burden of Cd and Cd absorption index were higher in the ZnD diet fed rats than the ZnS diet red rats. Especially, Cd concentration in the small intestine (duodenum, jejunum and ileum) and the colon of FeD diet fed rats were higher markedly than in the FeS diet group. The expression levels of DMT1, MTP1 and ZnT1 mRNA in FeD diet fed rats were similar to the FeS diet. The level of MT1 mRNA expression was significantly lower in the FeD than the FeS diet fed rats. Taken together, theses results indicate that Zn deficiency in diet induce an increased intestinal absorption and tissue retention of Cd, and down -regulate the MT1 expression in the intestine which might be play a part of role in Cd absorption and transport in mammalian. These findings suggest that deficiency of essential metal could be enhanced the toxicity of toxic, non-esstial metals through the metal-metal interaction.
In order to develop procedures for the rapid isolation of recombinant sugar transporter in functional form from away from the endogenous insect cell transporter, gene fusion techniques were exploited. Briefly, BamH1-digested human HepG2 type glucose transport protein cDNA was first cloned into a transfer vector pBlueBacHis, containing a tract of six histidine residues. Recombinant baculoviruses including the human cDNA were then generated by allelic exchange following transfection of insect cells with wild-type BaculoGold virus DNA and the recombinant transfer vector. Plaque assay was then performed to obtain and purify recombinant viruses expressing the human transport protein. All the cell samples that had been infected with viruses from the several blue plaques exhibited a positive reaction in the immnuassay, demonstrating expression of the glucose transport protein. In contrast, no color development in the immunoassay was observed for cells infected with the wild-type virus or no virus. Immunoblot analysis showed that a major immunoreactive band of apparent Mr 43,000~44,000 was evident in the lysate from cells infected with the recombinant baculovirus. Following expression of the recombinant fusion protein with the metal-binding domain and enterokinase cleavage site, the fusion protein was recovered by competition with imidizole using immobilized metal charged resin. The leader peptide was then removed from the fusion protein by cleavage with porcine enterokinase. Final separation of the recombinant protein of the interest was achieved by passage over $Ni^{2+}$-charged resin under binding conditions. The expressed transport protein bound cytochalasin B and demonstrated a functional similarity to its human counterpart.
BACKGROUND/OBJECTIVES: Iron deficiency in early life is associated with developmental problems, which may persist until later in life. The question of whether iron repletion after developmental iron deficiency could restore iron homeostasis is not well characterized. In the present study, we investigated the changes of iron transporters after iron depletion during the gestational-neonatal period and iron repletion during the post-weaning period. MATERIALS/METHODS: Pregnant rats were provided iron-deficient (< 6 ppm Fe) or control (36 ppm Fe) diets from gestational day 2. At weaning, pups from iron-deficient dams were fed either iron-deficient (ID group) or control (IDR group) diets for 4 week. Pups from control dams were continued to be fed with the control diet throughout the study period (CON). RESULTS: Compared to the CON, ID rats had significantly lower hemoglobin and hematocrits in the blood and significantly lower tissue iron in the liver and spleen. Hepatic hepcidin and BMP6 mRNA levels were also strongly down-regulated in the ID group. Developmental iron deficiency significantly increased iron transporters divalent metal transporter 1 (DMT1) and ferroportin (FPN) in the duodenum, but decreased DMT1 in the liver. Dietary iron repletion restored the levels of hemoglobin and hematocrit to a normal range, but the tissue iron levels and hepatic hepcidin mRNA levels were significantly lower than those in the CON group. Both FPN and DMT1 protein levels in the liver and in the duodenum were not different between the IDR and the CON. By contrast, DMT1 in the spleen was significantly lower in the IDR, compared to the CON. The splenic FPN was also decreased in the IDR more than in the CON, although the difference did not reach statistical significance. CONCLUSIONS: Our findings demonstrate that iron transporter proteins in the duodenum, liver and spleen are differentially regulated during developmental iron deficiency. Also, post-weaning iron repletion efficiently restores iron transporters in the duodenum and the liver but not in the spleen, which suggests that early-life iron deficiency may cause long term abnormalities in iron recycling from the spleen.
Iron (Fe) is an essential metal in biological processes, which maintains a homeostasis in the human body. Divalent metal transporter 1 (DMT1) has been known as an iron transporting membrane protein, which is involved in the uptake Fe at the apical portion of intestinal epithelium, and may transport Fe across the membrane of acidified endosome in peripheral tissues. In this study, we studied the tissue distribution of DMT1 in the Fe supplemented (FeS) diet fed rats, and the regulation of DMT1 expression by depleting body Fe. Sprague-Dawley rats were divided into two groups, and fed FeS (120 mg Fe/kg) diet or Fe deficient (FeD, 2∼6 mg Fe/kg) diet for 4 weeks. The evaluation of body Fe status was monitored by measuring sFe, UIBC and tissue Fe concentration. Additionally, DMT1 mRNA levels were analyzed in the peripheral tissues by using the quantitative real time RT-PCR method. In the FeS diet fed rats, the tissue Fe was maintained at a relatively high level, and DMT1 was eventually expressed in all tissues studied. DMT1 was highly expressed in the testis, kidney and spleen, while a moderate levels of DMT1 expression was detected in the brain, liver and heart. In the digestive system, the highest level of DMT1 was found in the duodenum. Feeding the FeD diet caused a reduced body weight gain and depletion of body Fe with finding of decreased sFe, increased UIBC and decreased tissue Fe concentration. The depletion of body Fe upregulated DMT1 expression in the peripheral tissue. The expression of DMT1 was very sensitive to the body Fe depletion in the small intestine, especially in the duodenum, showing dramatically higher levels in the FeD rats than those of the FeS group. In the FeD diet fed animals, the expression of DMT1 was low significantly in other tissues compared with the duodenum. The expression of DMT1, however, was 60∼120% higher in the testis, kidney and spleen, and 30∼50% higher in the lung, liver and heart, compared to the FeS diet fed rats. In summary, DMT1 expression was ubiquitous in mammalian tissue, and the level of expression was the organ-dependent. The expression of DMT1 in peripheral tissues was upregulated by depletion of body Fe. Duodenum was the most sensitive tissue among organs studied during Fe depletion, and expressed the greatest level of DMT1, while other tissues were less higher than in duodenum. This study supports that DMT1 plays a role in maintaining the body Fe level through intestinal uptake as well as homeostasis of Fe in the peripheral tissue.
본 연구에서는 소장세포(Caco-2)와 대식세포(J774)를 이용하여 FPN과 DMT1의 유전자 발현에 hepcidin 펩타이드 호르몬이 미치는 영향을 알아보기 위하여 수행되었으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다. Caco-2 세포에서 FPN과 DMT1의 mRNA 및 단백질 수준은 분화 진행에 따라 비례하여 증가하였으며, 특히 DMT1 단백질은 분화 초기에는 거의 발현되지 않다가 분화 7일째에 비로소 발현되기 시작한 후 급격히 증가하여 분화 17일째에는 7일째에 비해 단백질 수준이 10배 이상 크게 증가되었다. 분화된 Caco-2 세포에서 소변 hepcidin과 합성 hepcidin을 100 nM 농도로 24시간 동안 처리하였을 때, FPN 단백질 수준이 대조군에 비해 각각 60%와 70% 수준으로 유의하게 감소하였다. DMT1 단백질의 경우, 소변 hepcidin 100 nM 농도에서만 대조군의 55% 수준으로 유의하게 감소되었다. J774 세포에 소변 hepcidin 혹은 합성 hepcidin을 24시간 처리한 결과, 10 nM과 100 nM 농도에서 모두 대조군에 비해 FPN 단백질 수준이 유의적으로 감소하는 것으로 나타났으며, DMT1 단백질 수준도 소변 hepcidin 10 nM과 100 nM 처리에 의해 각각 대조군의 40%와 37% 수준으로 유의하게 감소하였다. 분화된 Caco-2 세포와 J774 세포에서 10 nM 혹은 100 nM 농도의 hepcidin 처리 시 DMT1 mRNA와 FPN mRNA 수준에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 이로 볼 때 hepcidin은 전사과정의 조절보다는 DMT1과 FPN 단백질로의 번역과정을 억제하거나 분해 속도를 촉진함으로써 이들 단백질의 수준을 낮추는 것으로 보인다. 이상의 결과는, hepcidin 펩타이드 호르몬이 DMT1 단백질과 FPN 단백질의 수준을 억제함으로써 체내 철분 대사 조절에 중요하게 관여함을 나타낸다. 특히 소장세포와 대식세포에 동시에 작용함으로써, 소장에서의 철분 흡수와 대식세포에서의 철분 방출을 효율적으로 억제하는 조절 인자로 작용할 수 있음을 제시한다. 앞으로 hepcidin의 생성 및 분비를 조절하는 요인에 대한 연구와 hepcidin이 실제 세포 내외로의 철분의 수송이 미치는 영향에 대한 기능적 연구가 계속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.
Objectives : Iron (Fe) is an essential element in biological processes; however excessive Fe is harmful to human health. Some air pollutants contain a high level of Fe, and the human lung could therefore be over-exposed to Fe through inhaled air pollutants. This study was performed to investigate the role of metal transporters (divalent metal transporter 1, DMT1, and metal transporter protein 1, MTP1) in the lung under the environments of Fe deficiency in the body and Fe over-exposure in the lung. Methods : Rats were fed Fe deficient (FeD, 2-6 mg Fe/kg) or Fe supplemented (FeS, 120 mg Fe/kg) diet for 4 weeks, followed by a single intratracheal instillation of ferrous sulfate at low (10 mg/kg) or high (20 mg/kg) dose. Fe concentration was analyzed in the serum, lung and liver, and histopathological findings were observed in the lung at 24 hours after Fe administration. The level of DMT1 and MTP1 expression in the lung was analyzed by RT-PCR. Also, the effect of Fe deficiency in the body was evaluated on the level of Fe concentration and metal transporters compared to FeS-diet fed rats at the end of 4-week FeD or FeS diet. Results : The 4-week FeD diet in rats induced an Fe deficiency anemia with decreased serum total Fe, increased unsaturated Fe binding capacity and hypochromic microcytic red blood cells. The concentration of Fe in the lung and liver was lower in the FeD-diet fed rats than in the FeS-diet fed rats. The level of metal transporters mRNA expression was higher in the FeD-diet fed rats than in the FeS-diet. The concentration of Fe in the lung was increased in a dose-dependent pattern after intratracheal instillation of Fe into the rats, while the level of Fe in the serum and liver was not increased in the low-dose Fe administered rats. Therefore, DMT1 and MTP1 mRNA was highly expressed in both FeD-diet and FeS-diet fed rats, after intratracheal instillation of Fe. Conclusions : DMT1 and MTP1 mRNA were more highly expressed in FeD-diet fed rats than in FeS-diet fed rats. The over-exposure of Fe intratracheally induced high expression of metal transporters and increased Fe deposition in the lung in both FeD-diet and FeS-diet fed rats, but did not increase the Fe level of the serum and liver in low-dose Fe administered rats. These results suggest that the role of metal transporters in the lung might be different in a part from the duodenum under the environment of over-exposure to Fe.
In order to clone the peptide synthetase gene form Lysobacter lactamgenus IFO 14,288, the gene fragments were amplified using primers for the adenylation domain and the thionylation domain of the peptide synthetase genes in other organisms by polymerase chain reaction (PCR). The resulting 0.5-kb fragment was cloned in a pGEM-T vector, and the nucleotide sequences were determined. Six different PCR products were obtained; three were identified to be a part of L-$\alpha$-aminoadipyl-L-cysteinyl-D-valine (ACV) synthetase and three to be other peptide synthetases. Using each of the two different classes of PCR products as mixed probes, a cosmid library of L. lactamgenus chromosomal DNA constructed in a pHC79 vector was screened by an in situ hybridization procedure, and one positive clone was selected which was bound by peptide synthetase gene fragments as well as ACV synthetase gene fragments. The partial sequence analysis formt he obtained pPTS-5 cosmid showed th presence of more than two open reading frames. These were for two putative membrane transporters, which were homologous with several integral membrane proteins including the ABC transporter ATP-binding protein of E. coli (YbjZ) and the metal ion uptake protein of Bacillus subtilis (YvrN). A 45% homology was also found between the two transporter proteins at the carboxy terminus. Through a hydropathy analysis and transmembrane analysis. 4-5 transmembrane domains were found in these two proteins. When the genes were expressed in Escherichia coli, the gene products inhibited the hose cell growth, probably due to the disturbance of the membrane transport system.
The classical concept for iron uptake into mammalian cells has been the endocytosis of transferrin( $T_{f}$ )-bound F $e^{3+}$ via the $T_{f}$ - $T_{f}$ receptor cycle. In this case, we could not explain the uptake of F $e^{2+}$ ion and the export of iron from endosome. Studies on iron transport revealed that other transport system exists in epithelial cells of the intestine. One of non- $T_{f}$ -receptor-mediated transport systems is Nramp2/DMT1/DCT1 which transports M $n^{++}$, $Mg^{++}$, Z $n^{++}$, $Co^{++}$, N $i^{++}$ or C $u^{++}$ ion as well as F $e^{+2}$ ion. DMT1 was cloned from intestines of iron-deficient rats and shown to be a hydrogen ion-coupled iron transporter and a protein regulated by absorbed dietary iron. DMT1 is founded in other cells such as cortical and hippocampal glial cells as well as endothelial cells in duodenum. Two F $e^{3+}$ ion bound to transferrin( $T_{f}$ ) are taken up via the $T_{f}$ - $T_{f}$ receptor cycle in the intestinal epithelial cell. F $e^{3+}$ in endosome was converted to F $e^{2+}$ ion, and then exported to cytosol via DMT1. F $e^{2+}$ ion is taken up into cytosol via DMT1. Several other transporters such as FET, FRE, CCC2, AFT1, SMF, FTR, ZER, ZIP, ZnT and CTR have been reported recently and dysfunction of the transporters are related with diseases containing Wilson's disease, Menkes disease and hemochromatosis. Evidences from several studies strongly suggest that DMT1 is the major transporter of iron in the intestine and functions critically in transport of other metal ions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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