Regulation of Photosynthesis Genes (puf, puc, puhA, bchC, bchE, bchF, and bchI) in Rhodobacter sphaeroides

고인정,김용진,이진목,신선주,오정일,Ko, In-Jeong,Kim, Yong-Jin,Lee, Jin-Mok,Shin, Sun-Joo,Oh, Jeong-Il Korean Society of Life Science 2006 생명과학회지 Vol.16 No.4

본 연구에서는 lacZ transcriptional fusion plasmid를 이용하여 광합성 세균인 Rhodobacter sphaeroides에서의 7가지 광합성유전자 (puf, puc, puhA, bchC, bchE, bchF, bchI) 발현의 경향과 조절을 조사하였다. R. sphaeroides에서 puhA와 bchI를 제외한 모든 광합성유전자들이 호기적 조건과 비교했을 때 혐기적 조건에서 더욱 강하게 발현되었다. puhA 유전자는 bchFNBHLM-RSP0290과 operon을 형성하며, bchI 유전자는 crtA와 operon을 이루는 것으로 나타났다. 광합성 조건에서 자란 R. sphaeroides의 puf, puc, bchCXYZ operon의 발현은 빛의 세기에 비례하는 반면, bchFNBHLM(RSP0290 puhA) operon의 발현은 빛의 세기에 반비례 하였다. bchEJG의 발현은 $10\;W/m^2$의 빛이 조사된 광합성 조건에서 제일 낮았으며, $100\;W/m^2$의 빛의 광합성 조건에서 가장 높았다. R. sphaeroides의 산소인지와 빛 인지에 관련된 세 가지 주요 조절기작에 의한 광합성유전자 조절은 다음과 같다. puf와 bchC는 PpsR repressor와 PrrBA two-component system에 의해 조절된다. 그리고 puc operon은 PpsR, FnrL, PrrBA system에 의해 조절된다. bchE의 발현은 FnrL과 PrrBA system에 의해 조절되는 반면, bchF는 오로지 PpsR에 의해서만 조절된다. PpsR repressor는 강한 세기의 빛 조건에서 bchf 발현억제의 원인이 되며, FnrL은 그 자체가 산소를 인지하는 기능 이외에도 세포질의 산화/환원 상태의 인지에 관련될 것으로 보인다. Here we examined the expression patterns and regulation of seven photosynthesis (PS) genes (puf, puc, puhA, bchC, bchE, bchF, and bchI) in the anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides, based on lacZ reporter gene assay. Expression of the tested PS genes, except puhA and bchI, were strongly induced in R. sphaeroides grown under anaerobic conditions relative to that under aerobic conditions. The puhA and bchI genes appear to form the operons together with bchFNBHLM-RSP0290 and crtA, respectively. Expression of the puf, puc, and bchCXYZ operons in R. sphaeroides grown photosynthetically was proportional to the incident light intensity, whereas that of bchFNBHLM(RSP0290-puhA) was inversely related to light intensity. Expression of bchEJG was lowest under medium-light photosynthetic conditions $(10\;W/m^2)$ and highest under high light conditions $(100\;W/m^2)$. The regulation of PS genes by the three major regulatory systems involved in oxygen- and light-sensing in R. sphaeroides is as following: puf and bchC are regulated by both the PpsR repressor and the PrrBA two-component system. The puc operon is under control of PpsR, FnrL, and PrrBA system. Expression of bchE is controlled by FnrL and PrrBA two-component system, whereas bchF is regulated exclusively by PpsR. It was demonstrated that the PpsR repressor is responsible for high-light repression of bchF and that FnrL might be involved in perceiving the cellular redox state in addition to sensing $O_2$ itself.

Inactivation of the DevS Histidine Kinase of Mycobacterium smegmatis by the Formation of the Intersubunit Disulfide Bond

Jin-Mok Lee(이진목),Kwang-Jin Park(박광진),Min-Ju Kim(김민주),In-Jeong Ko(고인정),Jeong-Il Oh(오정일) 한국생명과학회 2010 생명과학회지 Vol.20 No.6

DevSR two-component system은 Mycobacterium smegmatis의 redox sensing에 관련된 주요한 regulatory system이다. DevSR system은 DevS histidine kinase와 DevR response regulator로 구성되어 있다. 저산소 조건에서 DevS histidine kinase는 활성화되어 DevR response regulator를 인산화 시키고, 인산화된 DevR response regulator는 DevR regulon의 transcriptional activator로 작용한다. DevS의 kinase activity는 DevS의 N-terminal에 위치한 GAF domain에 존재하는 heme의 ligand-binding state에 의해 결정된다. 본 연구에서는 C-terminal kinase domain의 redox-responsive cysteine (C547)이 DevS kinase activity의 redox-dependent control과 연관이 있음을 밝혔다. 산소가 존재할 때, C547 residue 사이의 disulfide bond의 형성은 DevS kinase activity를 불활성화 시킨다. β-mercaptoethanol과 dithiothreitol과 같은 환원제를 이용하여 산화된 DevS를 환원시켰을 때, DevS kinase activity가 복원된 것이 관찰되었다. 또한, C547을 alanine으로 치환했을 때, M. smegmatis의 DevS의 sensory 기능을 부분적으로 손상되는 것이 complementation 실험을 통해 in vivo 상에서 증명되었다. The DevSR two-component system is a major regulatory system involved in redox sensing in Mycobacterium smegmatis. The DevSR system consists of the DevS histidine kinase and its cognate DevR response regulator. When exposed to hypoxic conditions, the DevS histidine kinase is activated to phosphorylate the DevR response regulator, leading to the transcriptional activation of the DevR regulation. The ligand-binding state of the heme embedded in the N-terminal GAF domain of DevS determines the kinase activity of DevS. In this study, we demonstrated that the redox-responsive cysteine (C547) in the C-terminal kinase domain is involved in the redox-dependent control of DevS kinase activity. The formation of an intersubunit disulfide bond between the C547 residues in the presence of O₂ led to inactivation of DevS kinase activity. The reduction of the oxidized DevS with reductants such as β-mercaptoethanol and dithiothreitol resulted in the restoration of DevS kinase activity. It was demonstrated in vivo by complementation test that the substitution of C547 to alanine partially impaired the sensory function of DevS in M. smegmatis.

Relationship of the Redox State of Pyridine Nucleotides and Quinone Pool with Spectral Complex Formation in Rhodobacter sphaeroides 2.4.1

In-Jeong Ko(고인정),Jeong-Il Oh(오정일) 한국생명과학회 2009 생명과학회지 Vol.19 No.7

호흡전자전달계의 cytochrome bc₁ complex 또는 cytochrome c oxidase가 기능을 하지 않는 Rhodobacter sphaeroides mutant 내에서 pyridine nucleotide[NAD(P)H와 NAD(P)?]의 농도와 redox 상태는 wild type과 비교할 때 큰 변화가 없었다. 높은 산소분압 조건에서 키운 Rhodobacter sphaeroides cbb3 oxidase mutant 내에서 PrrBA two-component system에 의해서 조절되는 puf 오페론의 발현은 pyridine nucleotide나 전자전달계의 ubiquinone/ubiquinol pool의 redox 상태의 변화에 의해 유도된 것이 아니다. R. sphaeroides cytochrome bc1 complex mutant를 이용하여 광합성기구 합성에 대한 cbb₃ cytochrome c oxidase의 억제 효과는 ubiquinone/ubiquinol pool의 redox 변화에 의해 간접적으로 일어나는 것이 아님을 증명하였다. The homeostasis of the pyridine nucleotide pool [NAD(P)H and NAD(P)?] is maintained in Rhodobacter sphaeroides mutant strains defective in the cytochrome bc1 complex or the cytochrome c oxidases in terms of its concentration and redox state. Aerobic derepression of the puf operon, which is under the control of the PrrBA two-component system, in the CBB3 mutant strain of R. sphaeroides was shown to be not the result of changes in the redox state of the pyridine nucleotides and the ubiquinone/ ubiquinol pool. Using the bc₁ complex knock-out mutant strain of R. sphaeroides, we clearly demonstrated that the inhibitory effect of cbb₃ oxidase on spectral complex formation is not caused indirectly by the redox change of the ubiquinone/ubiquinol pool.

성조숙증 치료제 Leuprorelin Acetate 1차 투여 후 발생한 약물과민반응

고인정(In Jeong Ko),양은석(Eun Seok Yang) 조선대학교 의학연구원 2023 The Medical Journal of Chosun University Vol.48 No.1

Gonadotropin-releasing hormone analogues are the treatment of choice for idiopathic central precocious puberty. Few reports of drug hypersensitivity reactions due to this treatment are reported in the current literature, mostly after repeated exposure to the medicine. As the prevalence of central precocious puberty has increased significantly in children in Korea, we believe that we need to be careful about the side effects of this medicine. In particular, it is necessary to know exactly about anaphylaxis among immediate drug hypersensitivity reactions and treat it immediately. We report a case of drug hypersensitivity reaction caused by the first administration of GnRH agonist, leuprorelin acetate in a patient with central precocious puberty.

Identification of Amino Acids Involved in the Sensory Function of the PrrB Histidine Kinase by Site-directed Mutagenesis

김용진,고인정,오정일,Kim Yong-Jin,Ko In-Jeong,Oh Jeong-Il Korean Society of Life Science 2006 생명과학회지 Vol.16 No.3

광합성세균인 Rhodobacter sphaeroides의 PrrBA two-component system은 산소분압의 변화에 따라 광합성 유전자의 발현을 조절하는 주요한 조절계 중 하나이다. PrrBA two-component system은 PrrB histidine kinase와 PrrA response regulator로 구성되어 있는데, PrrB의 N-말단 transmembrane 도메인은 신호인지 도메인으로서, 여섯 개의 transmembrane helix가 세 개의 periplasmic loop와 두 개의 cytoplasmic loop을 형성하고 있다. 그 중 세 번째, 네 번째 transmembrane helix와 두 번째 periplasmic loop가 산화/환원 인지 기능에 있어 중요한 역할을 할 것이라고 제안되었다. 본 연구에서는, 두 번째 periplasmic loop와 그 인접 부위에서의 돌연변이 (Asp-90, Gln-93, Leu-94, Leu-98, Asn-106)에 의해 PrrB의 인지 기능에 있어 심각한 결함이 생기는 것을 증명하였고, 이는 이 아미노산들이 PrrB의 산화/환원 인지 기능에 연관되어 있을 수 있다는 것을 보여준다. PrrB의 돌연변이 형태 (D90E, D90N, D90A)가 대장균에서 과발현되어서 affinity chromatography에 의해 정제되었고, 정제된 단백질의 자가인산화 반응이 측정되었다. PrrB D90N 변이형태는 PrrB wild-type보다 높은 자가인산화 활성을 가지는 반면에, PrrB D90E 변이형태는 PrrB wild-type보다 낮은 자가인산화 활성을 나타내었다. 그리고 D90A 변이형태는 PrrB의 자가인산화 활성이 매우 약화되었다. The PrrBA two-component system is one of the major regulatory systems that control expression of photosynthesis genes in response to changes in oxygen tension in the anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides. The system consists of the PrrB histidine kinase and the PrrA response regulator. The N-terminal transmembrane domain of PrrB serves as a signal-sensing domain and comprises six transmembrane helices forming three periplasmic loops and two cytoplasmic loops. The $3^{rd}$ and $4^{th}$ transmembrane helices and the $2^{nd}$ periplasmic loop were suggested to play a crucial role in redox-sensory function. In this study we demonstrated that mutations of Asp-90, Gln-93, Leu-94, Leu-98, and Asn-106 in the $2^{nd}$ periplasmic loop and its neighboring region led to severe defects in PrrB sensory function, indicating that these amino acids might be related to the redox-sensing function of PrrB. The mutant forms (D90E, D90N, and D90A) of PrrB were heterologously overexpressed in Escherichia coli, purified by means of affinity chromatography and their autokinase activities were comparatively assessed. The D90N form of PrrB was shown to possess higher autokinase activity than the wild-type form of PrrB, whereas the D90E form of PrrB displayed lower autokinase activity than the wild-type form of PrrB. The D90A mutation led to the loss of PrrB autokinase activity.

Development of New Vector Systems as Genetic Tools Applicable to Mycobacteria

Ji-A Jeong(정지아),Ha-Na Lee(이하나),In-Jeong Ko(고인정),Jeong-Il Oh(오정일) 한국생명과학회 2013 생명과학회지 Vol.23 No.2

Mycobacterium 속은 Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, Mycobacterium bovis와 같은 동물과 인체에 병원성을 나타내는 세균 종을 다수 포함하고 있다. 이들의 숙주에서의 생존과 병원성에 관한 유전학적 정보를 확보하는 것은 매우 중요하지만, 효과적인 유전학적 도구가 부족하였기 때문에 이들에 관한 연구가 미비하였다. 따라서 mycobacteria의 연구를 위한 분자생물학적 실험 도구로서 다양한 기능성 vector들이 고안되었고, 이러한 기능성 vector의 개발은 실질적으로 mycobacteria에서의 연구 효과를 증진시켰다. 본 연구에서는 Mycobacterium smegmatis에 적용 가능하고 기존에 제시되었던 mycobacteria 연구에 있어서의 한계점을 극복하기 위한 노력의 일환으로, 기능성 vector인 temperature-sensitive replication origin (TSRO)과 counterselectable marker로 levansucrase를 암호화하는 sacB 유전자를 포함하는 suicide vector pKOTs, chromosomal DNA로 site-specific recombination을 통해 삽입되는 lacZ transcriptional fusion vector pMV306lacZ, 그리고 TSRO를 가지는 minitransposon vector pTnMod-OKmTs를 개발하였다. 이 vector들은 실질적으로 M. smegmatis에서 효과적으로 작동하는 것이 확인되었으며 목적으로 하는 실험 결과 도출 가능성 또한 보여주었다. 따라서 이들 vector는 앞으로의 mycobacteria에 대한 효과적인 연구 기반이 될 것으로 기대된다. The genus Mycobacterium includes crucial animal and human pathogens such as Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, and Mycobacterium bovis. Although it is important to understand the genetic basis for their virulence and persistence in host, genetic analysis in mycobacteria was hampered by a lack of sufficient genetic tools. Therefore, many functional vectors as molecular genetic tools have been designed for understanding mycobacterial biology, and the application of these tools to mycobacteria has accelerated the study of mechanisms involved in virulence and gene expression. To overcome the pre-existing problems in genetic manipulation of mycobacteria, this paper reports new vector systems as effective genetic tools in Mycobacterium smegmatis. Three vectors were developed; pKOTs is a suicide vector for mutagenesis containing a temperature-sensitive replication origin (TSRO) and the sacB gene encoding levansucrase as a counterselectable marker. pMV306lacZ is an integrative lacZ transcriptional fusion vector that can be inserted into chromosomal DNA by site-specific recombination. pTnMod-OKmTs is a minitransposon vector harboring the TSRO that can be used in random mutagenesis. It was demonstrated in this study that these vectors effectively worked in M. smegmatis. The vector systems reported here are expected to successfully applicable to future research of mycobacterial molecular genetics.

마이코박테리아의 adenylyl cyclase

Han-Seung Jeon(전한승),In-Jeong Ko(고인정),Jeong-Il Oh(오정일) 한국생명과학회 2011 생명과학회지 Vol.21 No.3

Adenylyl cyclase (AC)는 ATP로부터 cAMP를 형성하는 반응을 촉매한다. AC에 의해 생산된 cAMP는 다양한 신호전달 경로에서 이차전달자로 사용되고 많은 종에서 다양한 세포기능을 조절한다. AC는 1차구조에 따라 6개의 그룹으로 나눌 수 있다. 진핵생물과 Mycobacterium속에 속하는 세균에서는 class Ⅲ에 속하는 AC만이 발견된다. Class Ⅲ에 속하는 AC의 경우 catalytic cyclase 도메인이 dimer를 형성해야만 활성부위가 형성되고 활성을 가지게 된다. 포유류의 AC는 하나의 polypeptide에 2개의 catalytic cyclase 도메인을 가지고 있고, 이 두 개의 도메인이 intramolecular dimerization을 통해서 활성부위를 형성한다. 반면에 mycobacteria의 AC는 polypeptide에 한 개의 catalytic cyclase 도메인을 가지고 있고, homodimer의 4차구조를 형성하여 활성을 가지게 된다. Class Ⅲ AC의 활성을 위해서 필요한 6개의 아미노산 잔기가 활성부위에 잘 보존되어 있다. 이 6개의 아미노산 잔기는 Mg²?과 결합을 하는 2개의 aspartate 잔기쌍, 기질특이성을 부여하는 lysine-aspartate 잔기쌍, 그리고 반응 전이상태를 안정화시키는 arginine-asparagine 잔기쌍들로 이루어져 있다. Mycobacterium tuberculosisH37Rv에서는 16개의 AC 유전자가 발견되었으며, 이 AC의 연구된 특성에 대해 본 총설에서 다룰 것이다. Adenylyl cyclase (AC) catalyzes the formation of cyclic AMP (cAMP) from ATP. The cAMP produced by AC serves as a secondary messenger in a variety of signal transduction pathways, and controls various cellular functions in many organisms. ACs can be grouped into six classes based on their primary amino acid sequences. Eukaryotes and mycobacteria contain only members of class Ⅲ AC. The catalytic cyclase domains of class Ⅲ AC are active as dimers: mammalian ACs, which are composed of a single polypeptide with two catalytic cyclase domains, form the active site as a result of intramolecular dimerization of the catalytic cyclase domains. In contrast, mycobacterial ACs function as homodimers, since their polypeptides contain a single catalytic cyclase domain. Six amino acids are required for the catalytic activity of class Ⅲ AC - two aspartate residues, a lysine-aspartate pair and an arginine-asparagine pair. 16 ACs belonging to the class Ⅲ were identified in Mycobacterium tuberculosis H37Rv, and their characteristics are reviewed.

저산소와 NO 조건에서 Mycobacterium smegmatis의 adenylyl cyclase 유전자 발현

전한승(Han-Seung Jeon),양기훈(Ki-Hoon Yang),고인정(In-Jeong Ko),오정일(Jeong-Il Oh) 한국생명과학회 2014 생명과학회지 Vol.24 No.12

결핵균인 Mycobacterium tuberculosis H37Rv에서는 16개의 adenylyl cyclase (AC) 유전자가, 비병원성인 M. smegmatis에서는 10개의 AC 유전자가 발견되었다. M. smegmatis에서 발견된 10개의 AC 유전자들 중 MSMEG_0228, MSMEG_3243, MSMEG_3780, MSMEG_4279, MSMEG_4477, MSMEG_6154 유전자들의 발현은 저산소 조건에서 유도되었다. 반면에 M. smegmatis가 nitric oxide (NO)에 노출이 되면 MSMEG_3780과 MSMEG_4279 유전자의 발현이 유도되었다. 유산소 조건에서 키운 M. smegmatis와 비교할 때, 저산소 조건에서 성장한 M. smegmatis 세포내부와 성장 배지 내의 cAMP 양은 각각 450배와 9.8배 증가하였다. M. smegamtis가 NO에 노출이 되면 세포 내의 cAMP 농도는 5.8배 증가하였다. DevSR two-component system은 M. smegmatis가 저산소 조건이나 NO에 노출되었을 때 많은 유전자의 발현을 유도하는 주요 조절계로 알려져 있는데, 저산소 조건에서 발현이 유도된 6개의 AC 유전자의 발현이 M. smegmatis devR mutant에서도 wild type에서와 마찬가지로 저산소 조건에서 유도됨이 관찰되었다. 이 결과는 저산소 조건에서 발현이 유도되는 6개의 AC 유전자들이 DevSR two-component system에 의해 조절되지 않음을 나타내고 있다. 저산소 조건에서 발현이 가장 많이 유도된 MSMEG_3780 유전자의 발현조절에 관련이 있는 조절자를 발굴하기 위해 ligand fishing 분석을 수행하였고, 후보 조절자로서 MSMEG_5136을 발굴하였다. In Mycobacterium tuberculosis H37Rv 16 adenylyl cyclase (AC) genes have been identified, while 10 AC genes have been found in non-pathogenic Mycobacterium smegmatis. Expression of 6 AC genes (MSMEG_0218, MSMEG_3243, MSMEG_3780, MSMEG_4279, MSMEG_4477, and MSMEG_6154) among 10 AC genes in M. smegmatis was increased when M. smegmatis was subjected to hypoxic growth conditions. On the other hand, only MSMEG_3780 and MSMEG_4279 were slightly induced in the presence of NO. The cAMP levels in cells and culture media were 450- and 9.8-fold increased, respectively, when M. smegmatis was grown under hypoxic conditions relative to those grown aerobically. Intracellular levels of cAMP were increased 5.8-fold on the exposure to NO. The DevSR two-component system is known to be involved in the induction of many genes whose expression is induced under hypoxic conditions and in the presence of NO. Expression of 6 hypoxically induced AC genes was observed to be induced in a devR deletion mutant grown under hypoxic conditions, indicating that the induction of the 6 AC genes under hypoxic conditions is independent of the DevSR two-component system. In order to identify a trans-acting regulatory element that is pertinent in the hypoxic induction of MSMEG_3780, ligand-fishing analysis was performed using the upstream DNA of MSMEG_3780 and MSMEG_5136 protein was identified.