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돼지 유래의 β-1,4-N-acetylglucosaminyltransferase A (MGAT4A) 유전자의 동정 및 기능 분석
김지윤(Ji-Youn Kim),황환진(Hwan-Jin Hwang),정학재(Hak-Jae Chung),박미령(Mi-Ryung Park),변승준(Sung June Byun),김경운(Kyung-Woon Kim) 한국생명과학회 2016 생명과학회지 Vol.26 No.3
인체치료용 당단백질은 바이오의약품에 있어서 중요한 요소이며 특히, 단백질 말단에 결합되어있는 시알산은 의약품의 체내 활성이나 안정성에 큰 영향을 미친다. 최근 돼지유즙은 바이오의약품을 생산하기 위한 생체반응기로써 주목받고 있다. β-1,4-N-acetylglucosaminyltransferase A (MGAT4A)는 재조합단백질이 가지는 시알산 함량을 늘리기 위한 필수 효소 중 하나이다. 그러나 돼지 MGAT4A는 아직도 그 서열이나 기능이 불분명하다. 따라서 이번 연구에서는 돼지 MGAT4A의 서열 동정 및 기능분석을 하였다. 돼지 MGAT4A는 535개의 아미노산을 코딩하는 1,638개의 염기서열로 이루어져 있으며, 일반적인 당전이효소들의 특징인 type II membrane topology의 특성을 가지고 있다. Real-time PCR분석법을 통하여, 지금까지 알려진 것과는 조금 다르게 MGAT4A 유전자가 간이나 유선에서 많은 발현을 보였으나 소장이나 위, 방광에서는 그 발현량이 적다는 것도 확인하였다. 또한, 효소의 기능 분석을 위하여 PK-15 세포주에서 MGAT4A효소의 과발현을 유도하였다. 과발현이 확인된 세포주로 렉틴을 이용한 면역형광염색법과 ELISA방법으로 MGAT4A효소의 과발현이 β-1,4-N-acetylglucosamine의 함량을 증가시켰음을 확인하였다. 또한 기질반응을 통해 bi-antennary structure에 대한 반응성도 확인하였으며, MGAT4A의 과발현이 유도된 세포에서 약 3배 이상의 높은 기질 반응성을 보였다. 이러한 연구는 생체반응기로써 돼지를 이용하는데 있어서 중요한 기반이 될 것이라고 생각한다. Glycan modification is important in pharmaceutical industry. Especially, sialic acid affects the bioactivity and stability of medicine. Milk of pig has been used as bioreactor to produce various pharmaceutical proteins. Therefore, it is necessary to modify the glycan chain in pig mammary grand. β-1,4-N-Acetylglucosaminyltransferase A (pMGAT4A) is one of the essential enzymes for increase of sialic acid content, but pig MGAT4A is unclear. In this study, the pMGAT4A was identified and characterized. The pMGAT4A has 1638 nucleotides encoding 535 amino acids and type II membrane topology, which is one of the common features in many glycosyltransferases. The gene was strongly expressed in liver and mammary gland, whereas was weakly expressed in small intestine, stomach and bladder. For functional test, HA-tagged MGAT4A was over-expressed in porcine kidney (PK-15) cell line. Forced expression of pMGAT4A gene was identified by qPCR, and we identified that pMGAT4A is located in Golgi complex by co- staining with HA antibody and BODIPY TR ceramide. In addition, we identified the increase of mannose-β-1,4-N-acetylglucosamine structure by ELISA and immunofluorescence using Datura stramonium agglutinin (DSA), which recognizes mannose-β-1,4-Nacetylglucosamine. Through the specific activity analysis, we showed that pMGAT4A modified bi-antennary to tri-antennary. This event affects sialic acid content. Therefore, we thought that over-expression of pMGAT4A will be necessary in pig mammary grand for improved medicine.
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Ji-Youn Kim(김지윤),Hwan-Jin Hwang(황환진),Hak-Jae Chung(정학재),Shinichi Hochi(신이치호치),Mi-Ryung Park(박미령),Sung June Byun(변승준),Keon Bong Oh(오건봉),Hyeon-Yang(양 현),Kyung-Woon Kim(김경운) 한국생명과학회 2018 생명과학회지 Vol.28 No.4
당 단백질에 붙어 있는 당사슬 구조는 형질전환 돼지 유즙으로 분비되는 의약용 단백질의 생물학적 활성, 안정성 그리고 안전성에 영향을 줄 수 있다. 형질전환 동물을 이용한 치료용 당 단백질 생산은 유선 세포에서 이루어지는 당사슬 부가능력에 의해 제한되며, 균일한 당사슬 형태를 가지는 당 단백질 생산은 도전 과제로 남아있다. β-1,3-N-acetylglucosaminylatransferase1 (B3GNT1) 유전자는 N-아세틸글루코사민에 갈락토오스 잔기를 부착시키는 단백질 당화기작에 중요한 효소이지만, 돼지 당 전이효소에 대한 정보는 매우 제한적이다. 따라서, 돼지 B3GNT1 (pB3GNT1) 유전자를 클로닝하고 N-아세틸글루코사민에 갈락토오스 잔기를 부착시키는 기능적 특성을 조사하였다. 몇가지 다른 프라이머를 사용하여 전체 전사영역(ORF)을 함유하는 부분적인 pB3GNT1 mRNA 염기서열을 간 조직으로부터 분리하였다. 클로닝 된 pB3GNT1의 ORF는 1,248개의 뉴클레오티드를 가지며, 415개 아미노산 잔기로 구성되어 있었다. pB3GNT1 유전자의 장기별 발현특성은 성돈 및 자돈의 여러 기관에서 분석하였다. pB3GNT1 mRNA 발현 수준은 심장, 소장 보다는 근육에서 높았지만 폐에서는 낮았다. pB3GNT1의 기능적 특성 분석을 위해 돼지 신장 세포주(PK-15)에서 pB3GNT1 유전자의 안정적인 발현을 확립하였다. 그 결과, PK-15 세포에서 pB3GNT1 발현에 의한 당화 패턴은 총 시알산 증가에는 영향을 미치지 않지만, poly-N-아세틸글루코사민은 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구는 생물반응기로 형질전환 돼지를 이용할 때 희망하는 당사슬을 부가하여 치료 가능성을 높이며 개선된 활성을 나타내는 당단백질 생산에 도움이 될 것이다. The structure of glycan residues attached to glycoproteins can influence the biological activity, stability, and safety of pharmaceutical proteins delivered from transgenic pig milk. The production of therapeutic glycoprotein in transgenic livestock animals is limited, as the glycosylation of mammary gland cells and the production of glycoproteins with the desired homogeneous glycoform remain a challenge. The β-1,3-N-acetylglucosaminylatransferase1 (B3GNT1) gene is an important enzyme that attaches N-acetylglucosamine (GlcNAc) to galactose (Gal) residues for protein glycosylation; however, there is limited information about pig glycosyltransferases. Therefore, we cloned the pig B3GNT1 (pB3GNT1) and investigated its functional properties that could attach N-acetylglucosamine to galactose residue. Using several different primers, a partial pB3GNT1 mRNA sequence containing the full open reading frame (ORF) was isolated from liver tissue. The ORF of pB3GNT1 contained 1,248 nucleotides and encoded 415 amino acid residues. Organ-dependent expression of the pB3GNT1 gene was confirmed in various organs from adult and juvenile pigs. The pB3GNT1 mRNA expression level was high in the muscles of the heart and small intestine but was lower in the lungs. For functional characterization of pB3GNT1, we established a stable expression of the pB3GNT1 gene in the porcine kidney cell line (PK-15). As a result, it was suggested that the glycosylation pattern of pB3GNT1 expression in PK-15 cells did not affect the total sialic acid level but increased the poly N-acetyllactosamine level. The results of this study can be used to produce glycoproteins with improved properties and therapeutic potential for the generation of desired glycosylation using transgenic pigs as bioreactors.
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Human dipeptidylpeptidase-4(DPP-4) 발현 형질전환 돼지의 생산
정학재(Hak Jae Chung),사수진(Soo Jin Sa),백선영(Sun Young Baek),조은석(Eun Suek Cho),김영신(Young Shin Kim),홍준기(Jun Ki Hong),조규호(Kyu Ho Cho),김지윤(Ji Youn Kim),박미령(Mi Ryung Park),김경운(Kyung Woon Kim) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.9
Dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) 저해제는 부작용이 적어 제2형 당뇨병의 2차 용법으로 널리 사용되고 있다. 우리는 human DPP-4 (hDPP-4) 유전자를 돼지 zygote의 전핵에 주입한 후, 1 세포 단계의 수정란을 외과적 방법으로 이식하였고, 마지막으로 꼬리에서 hDPP-4 유전자가 발현되는 형질 전환 돼지를 생산하는데 성공했다. 이식한 3두의 임신돈에서 16두의 자돈이 생산되었고, 이들 가운데 1두의 수컷 자돈에서 형질전환 개체가 확인되었다. Western blot과 RT-PCR 분석을 통해 hDPP-4가 형질 전환 돼지의 막 세포에서 강하게 발현되고, hDPP-4 유전자가 다양한 조직과 꼬리에서 각각 발현되고 있음을 확인하였다. 이것은 발현 벡터가 형질 전환 돼지에서 정상적으로 발현된다는 것을 시사한다. 이번 연구 결과는 인슐린 저항성에 대한 내분비 기능을 확인하는 모델 동물로, hDPP-4 형질 전환 돼지가 인슐린 저항성에 대한 내분비 기능을 확인할 수 있는 새로운 신약에 대한 검증의 소재로서 가치를 높일 것으로 기대된다. As dipeptidyl peptidase-4(DPP-4) inhibitors are used widely as a secondary treatment for type 2 diabetes because they tend to be well tolerated with minimal side effects, the human DPP-4(hDPP-4) gene was injected into a pig zygote through micro-injection, and 1-cell stage fertilized embryos were then transplanted surgically into the oviduct. Three pigs were fertilized with hDPP-4 genes and produced sixteen piglets, in which one male piglet was identified to be transgenic. Finally, transgenic pigs showing hDPP-4 gene expression in the tail were produced. Western blot and RT-PCR analysis confirmed that the hDPP-4 is expressed strongly in the membrane cells of the transgenic pig, and that the hDPP-4 gene appears in various tissues and tails. This suggests that the expression vector is normally expressed in transgenic pigs. These results are anticipated to be a model animal to check the endocrine function for insulin resistance that occurs in a hDPP-4 transgenic pig and to increase its value for use as a material in newly developed medicines.
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