Enzymes are widely used in industrial applications such as detergents, food, feed production, pharmaceuticals and medical applications and major contributors to clean industrial products and processes. To screen, identify, and characterize the enzymes the zymography techniques are routinely used. The zymography technique is a simple, sensitive, and quantifiable technique that is widely used to detect functional enzymes following electrophoretic separation in sodium dodecyl sulfate (SDS)-polyacrylamide gels. The method is a versatile two-stage technique involving protein separation by electrophoresis followed by the detection of enzyme activity in polyacrylamide gels under non-reducing conditions. It is based on SDS-polyacrylamide gel (PAG) copolymerization with substrates, which are degraded by the hydrolytic enzymes restored in enzyme reaction buffer after the electrophoretic separation. Any kind of biological sample can be applied and analyzed on zymography, including culture supernatants of microbes, plants extracts, blood, tissue culture fluids, enzymes in foods extracts and metaproteome. The advantage of zymography is that it is possible to directly detect the protein with activity on the electrophoretic gel as well as confirm the activity at the nanogram level. Thus, this zymography technology can be applied in various fields. However, these advantages are rather disadvantageous and can often lead to experimental errors. In this review, the advantages, disadvantages, and problem solving of zymography technique are described.
To identify the activity of recombinant subtilisins (subtilisin BPN' and subtilisin Carlsberg), three different zymography methods, SDS-fibrin zymography (SDS-FZ), reverse fibrin zymography (RFZ), and isoelectric focusingfibrin zymography (IEF-FZ), were used. The recombinant subtilisins BPN' and Carlsberg did not migrate into the electrophoretic field based on a Laemmli buffer system, instead forming a "binding mode" at the top part of the separating gels with the SDS-FZ and RFZ techniques. Yet, this problem was resolved when using IEF-FZ with a pH range from 3 to 10. In addition, all these methods enabled the activity of a recombinant pro-subtilisin DJ-4 to be detected without a refolding pathway.
Viticis fructus (fruits of Vitex rotundifolia) is the dried fruit from Vitex rotundifolia; is a traditional medicine for treating inflammation, migraines, chronic bronchitis, headaches, eye pain, and gastrointestinal infections; and demonstrates various bioactivities, including anti-allergic, anti-cancer, and anti-inflammatory effects, which are partly due to its phenolic compound content. This study examines the inhibitory effects of viticis fructus (fruits of Vitex rotundifolia) on MMP-2 and MMP-9 expression using gelatin zymography and RT-PCR in phorbol-12-myristate-13-acetate (PMA)-induced HT-1080 fibro-sarcoma cells. Fruits of Vitex rotundifolia were extracted twice using dichloromethane ($CH_2Cl_2$) and methanol (MeOH). The combined crude extracts ($CH_2Cl_2$ and MeOH) significantly inhibited MMP-2 and MMP-9 activities in gelatin zymography. The combined extracts were fractionated into n-hexane, 85% aqueous methanol (85% aq. MeOH), n-butanol, and water, successively according to polarity. Among all solvent-partitioned fractions, 85% aq. MeOH fractions showed the strongest inhibition on the activation of MMP-2 and MMP-9 in gelatin zymography. In PMA-stimulated HT-1080 cells, the expression levels of MMP-2 and MMP-9 mRNA were also greatly inhibited by the 85% aq. MeOH fraction. These results suggest that viticis fructus can be used as an excellent source for anti-invasive agents.
Root bark of Ulmus davidiana Plancn. var. japonica Nakai was extracted by using several solvents with different polarities. Each extract was treated on the MMPs obtained from SK-Hep-1 in order to investigate inhibition effect. Zymography of MMPs showed that MeOH extract has significant inhibition effect. On the GC-MS analysis the highest mass to charge ratio (m/z) of the purified substance was 281. Also, on zymography of MMPs the substance showed 47% inhibition effect at the concentration of $314.7{\mu}g/g$. Cell viability of SK-Hep-1 was 60% at $31.47{\mu}g/g$.
CHOI, NACK-SHICK;JIN-YOUNG LEE;KAB-SEOG YOON;KYOUNG-YOEN HAN;SEUNG-HO KIM
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.11
no.6
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pp.1111-1114
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2001
An extracellular fibrinolytic-enzyme-producing bacterium was isolated from Doen-Jang, a Korean traditional fermented flood, and identified as Bacillus sp. DJ based on its morphology and cellular fatty acid composition. The total extracellular fibrinase (EF) from Bacillus sp. DJ was analyzed using three fibrin zymographic techniques, SDS-fibrin zymography (SDS-FZ), isoelectrofocucing-fibrin zymographs(IEF-FZ), and a two-dimensional SDS-fibrin zymographic analysis (2D SDS-FZ). As a result, the EP map of Bacillus sp. DJ was established. The results suggest that the 2D SDS-FZ method will be a useful tool for the proteomic approach for many other bacterial pretenses.
In general, a SYPRO Ruby dye is well known as a sensitive fluorescence-based method for detecting proteins by one-or two-dimensional SDS-PAGE (1-DE or 2-DE). Based on the SYPRO Ruby dye system, the combined two-dimensional fibrin zymography (2-D FZ) with SYPRO Ruby staining was newly developed to identify the Bacillus sp. proteases. Namely, complex protein mixtures from Bacillus sp. DJ-4, which were screened from Doen-Jang (Korean traditional fermented food), showed activity on the zymogram gel. The gel spots on the SYPRO Ruby gel, which corresponded to the active spots showing on the 2-D FZ gel, were analyzed by a matrix-assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF) mass spectrometric analysis. Five intracellular fibrinolytic enzymes of Bacillus sp. DJ-4 were detected through 2-D FZ. The gel spots on the SYPRO Ruby dye stained 2-D gel corresponding to 2-D FZ were then analyzed by MALID TOF MS. Three of the five gel spots proved to be quite similar to the ATP-dependent protease, extracellular neutral metalloprotease, and protease of Bacillus subtilis. Also, the extracellular proteases of Bacillus sp. DJ-4 employing this combined system were identified on three gels (e.g., casein, fibrin, and gelatin) and the proteolytic maps were established. This combined system of 2-D zymography and SYPRO Ruby dye should be useful for searching the specific protease from complex protein mixtures of many other sources (e.g., yeast and cancer cell lines).
Based on the zymography analysis, Bacillus sp. DJ-4 (screened from Doen-Jang, a Korean traditional fermented food) secretes seven extracellular fibrinolytic enzymes (EFEs; 68, 64, 55, 45, 33, 27, and 13 kDa) in culture broth. These seven EFEs were analyzed by newly applied SDS-fibrin zymography combined with gradient polyacrylamide (SDS-FZGP). This improved gel system was used with a 5-20% acrylamide gradient in a fibrin zymogram gel for the separation of proteins with molecular masses from below 10kDa to over 100kDa on one gel plate. Using this system, high molecular weight bands (HMWBs) were clearly and sharply resolved. We also examined the relationship between an acrylamide concentration and the enzymatic activity of EFE using densitometric analysis.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition
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v.29
no.3
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pp.493-499
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2000
골감소증 환자의 혈청중에 존재하는 IGFBP-5의 존재와 변화를 검토한 결과, 골감소즈 환자에서는 정상 대조군에 비해 IGFBP-5가 감소하였는데 이 변화는 IGFBP-5의 분해효소가 작용하기 때문인 것으로 나타났다. IGFBP-5에 작용하는 단백질분해효소 저해제중 metallo계인 EDTA 및 1,10-phenanthroline과 seriner계인 aprotinin, heparin, heparin cofactor 2(HC2), heparine+HC2가 IGFBP-5에 대해 저해효과가 크므로 metalloprotease이면서 serine protease의 성질을 가지는 효소들이 IGFBP-5에 작용하였다. IGF-I과 IGF-II 그리고 insulin은 효소 활성에 아무런 영향이 없었다. IGFBP-5의 zymography에서 정상인과 골감소증 환제어서 180 kDa 크기의 band가 나타났고, gelatin zymography에서 정상 대조군의 경우 66 kDa과 97 kDa 정도의 band가 확인되었고 골감소증 환자의 경우는 69 kDa의 band가 확인되었다.
Three extracellular proteases (Vpr, peptidase T, and subtilisin) were identified from the culture supernatant of Bacillus subtilis KCTC 3014. All the proteins were partially purified as a mature form by using a DEAE-cellulose ion-exchange column chromatography. Their activities were determined by using zymography and densitometry. The relative molecular masses of Vpr and peptidase T (PepT) were determined to be 68 and 48 kDa by SDS-PAGE and zymography, respectively. However, subtilisin formed a 'binding mode' at the top of the separating gel. After denaturation by boiling at $100^{\circ}C$ for 5 min, its molecular mass was determined to be 29 kDa, whereas its activity was lost. The optimal pH of Vpr, PepT, and subtilisin were 9.0, 6.0-7.0, and 7.0-8.0, respectively. The optimal temperature of Vpr, PepT, and subtilisin was 40, 50, and $40^{\circ}C$, respectively. Inhibitor test revealed that Vpr and subtilisin were serine proteases and that PepT was a metalloprotease. Interestingly, we found that Vpr showed no enzyme activity on a 2DE zymogram gel. Three genes, vpr, pepT, and apr (encoding subtilisin protein), were cloned and their nucleotide and deduced amino acid sequences were determined.
Three different oriental natural plants (Angelicae Dahuricae Radix, Sanguisorba Officinalis L, Euonymus alatus) were extracted with 70% methanol under refluxing for 4 hr in order to investigate their inhibitory effect on Matrix Metalloproteinase-9 (MMP-9) by a modified gelatin zymography, where only euonymus alatus showed the inhibitory effect on the activity of Matrix MMP-9. The fraction was collected by using the mixture of ethyl acetate and hexane on silica gel column. Seven portions were obtained and three fractions of them (first, third and forth) showed inhibitory effect on the zymography. To verify the effect of these substances on cells, human hepatoma, Hep3B cells as a cancer model, and Chang liver cells as a normal model were selected. In order to examine the cell viability, $1{\mu}g/mL$ of each extract was treated on cells. Most of the methanol soluble fractions showed negligible toxicity on human liver cell line.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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