Cloning and Expression of Escherichia coli Ornithine Transcarbamylase Gene, argI

Escherichia coli 오르니틴 트란스카바밀라제의 유전자 argI의 클로닝 및 발현

Escherichia Coli ornithine transcarbamylase is the enzyme which catalyzes the L-citrulline biosynthesis from L-ornithine and carbamyl phosphate. To facilitate the purification of enzyme which will be used for many biochemical studies such as structure and function relationships and catalytic mechanisms, the cloning and expression of E. coli argI gene for ornithine transcarbamylase was conducted. argI was amplified from genomic DNA of E. coli strain of $DH5{\alpha}$, by polymerization chain reaction (PCR) method. The amplified argI gene was ligated to the prokaryotic expression vector pKK223-3 and used for transformation of E. coli TB2 which was deficient of ornithine transcarbamylase. The over-produced enzyme by the tnansformant was purified by ammonium sulfate fractionation, heat denaturation and affinity chromatography. The result of SDS denaturation gel electrophoresis for the purified enzyme showed a single band of about 38 kDa of ornithine transcarbamylase. Kinetic data for the expressed enzyme gave almost the s?????? values as those of the wild type enzyme. The $k_{cat}$, of the enzyme was $1.0{\times}10^5min^{-1}$, and $K_ms$ for ornithine and carbamyl phosphate were 0.35 mM and 0.06 mM, respectively.

Escherichia coli의 오르니틴 트란스카바밀라제는 오르니틴과 카바밀인산으로부터 시트룰린의 합성을 촉진시키는 효소이다. 이 효소의 기능과 구조와의 상관관계, 반응메카니즘 등 생화학적 연구를 하기 위하여 대량의 효소를 추출할 필요가 있다. 본 연구는 오르니틴 트란스카바밀라제의 대량생산 시스템을 확립하기 위하여 E. coli argI 유전자를 E. coli $DH5{\alpha}$ 세포의 염색체 DNA를 추출한 후에 PCR 방법으로 증폭시켜 얻었다. 증폭된 argI 유전자를 단핵생물 단백질 발현벡터인 pKK223-3에 접합시킨 후, 오르니틴 트란스카바밀라제가 존재하지 않은 E. coli TB2 세포에 클로닝 시켰다. 이 세포로부터 생산된 오르니틴 트란스카바밀라제는 암모늄염에 의한 분할, 열변성, 크로마토그래피 등을 사용하여 순수하게 분리하였다. SDS 단백질 전기영동 결과 약 38 kDa 크기의 효소가 순수하게 얻어졌다. 반응속도론적 실험결과 $K_{cat}$은 $1{\times}10^5m^{-1}$, $K_M$은 오르니틴에 대하여는 0.35 mM, 카바밀인산에 관하여는 0.06 mM이 각각 얻어졌다. 이 결과는 야생형 오르니틴 트란스카바밀라제의 반응속도 인자들과 비슷한 값이다. 본 연구는 이들 결과로부터 오르니틴 트란스카바밀라제의 기능을 하는 E. coli argI 유전자가 클로닝 되었음을 확인하였다.