During the course of evolution, animals encountered the harmful effects of fungi, which are strong pathogens. Therefore, they have developed powerful mechanisms to protect themselves against these fungal invaders. ${\beta}$-Glucans are glucose polymers of a linear ${\beta}$(1,3)-glucan backbone with ${\beta}$(1,6)-linked side chains. The immunostimulatory and antitumor activities of ${\beta}$-glucans have been reported; however, their mechanisms have only begun to be elucidated. Fungal and particulate ${\beta}$-glucans, despite their large size, can be taken up by the M cells of Peyer's patches, and interact with macrophages or dendritic cells (DCs) and activate systemic immune responses to overcome the fungal infection. The sampled ${\beta}$-glucans function as pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and are recognized by pattern recognition receptors (PRRs) on innate immune cells. Dectin-1 receptor systems have been incorporated as the PRRs of ${\beta}$-glucans in the innate immune cells of higher animal systems, which function on the front line against fungal infection, and have been exploited in cancer treatments to enhance systemic immune function. Dectin-1 on macrophages and DCs performs dual functions: internalization of ${\beta}$-glucan-containing particles and transmittance of its signals into the nucleus. This review will depict in detail how the physicochemical nature of ${\beta}$-glucan contributes to its immunostimulating effect in hosts and the potential uses of ${\beta}$-glucan by elucidating the dectin-1 signal transduction pathway. The elucidation of ${\beta}$-glucan and its signaling pathway will undoubtedly open a new research area on its potential therapeutic applications, including as immunostimulants for antifungal and anti-cancer regimens.
Kim, Hye-Nam;Lee, Jung-Nam;Kim, Gi-Eun;Ha-Lee, Young-Mie;Kim, Chan-Wha;Sohn, Jeong-Won
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제9권6호
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pp.826-831
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1999
${\beta}-Glucan$, one of the major cell wall components of Saccharomyces cerevisiae, is known to enhance the immune function, especially by activating macrophages. Accordingly, in an effort to develop a safe and efficient immune stimulatory agent, we prepared crude ${\beta}-glucan$ (glucan-p1) and partially purified ${\beta}-glucan$ that was free of mannoproteins (glucan-p2), and evaluated their effect on both the macrophage function and resistance to E. coli-induced peritonitis. To investigate the function of the macrophages, phagocytosis, $TNF-{\alpha}$ secretion, oxygen burst, and the expression of cytokine genes such as $IFN-{\gamma}$ and IL-12 were analyzed. Glucan-p2 markedly stimulated the macrophages with all these parameters. Glucan-p1, however, did not stimulate phagocytosis, yet it induced $TNF-{\alpha}$ secretion, oxygen burst, and the expression of $IFN-{\gamma}$ and IL-12, although less efficiently than glucan-p2. Finally, to test the in vivo protective effect of {\beta}-glucan against infection, the survival of mice from E. coli-induced peritonitis was investigated. After 24 h of the peritoneal challenge of E. coli, all of the mice treated with glucan-p2 survived whereas none survived in the control group. Glucan-p1 showed only a marginal effect in protecting the mice. These results suggest that mannoprotein-free gluean-p2, but not gluean-p1, can serve as an effective immune-stimulating agent.
[ ($1{\to}3$) ], ($1{\to}4$)-${\beta}$-D-glucans(${\beta}-glucans$) are a major component of the cell walls of grasses as a component of the cereal endosperm and aleurone cell walls. Although ${\beta}-glucans$ exist in all cereals, their concentration is highest in oats and barley. Genetic and environmental differences are found in total ${\beta}-glucan$ content. Both oats and barley ${\beta}-glucans$ have cholesterol-lowering effects. This suggests possible use as food additives. Structural characterization of ${\beta}-glucan$ is important because structure can influence physical and physiological properties. In this review, ${\beta}-glucans$ of barley and oats are discussed in details including structure, chemical and physical properties, and nutritional implications. The use of barley and oat products as well as ${\beta}-glucan$ as a food additive continues to increase. This can provide an additional market for barley and oats, thus increasing the value of the crops.
국내산 영지버섯으로부터 ${\beta}-glucan$ 소재 개발을 위하여 pH를 달리하여 물 및 에탄올로 $90^{\circ}C$에서 환류 추출하여, ${\beta}-glucan$ 함량과 항산화 활성 및 항산화 성분을 조사하였다. 물 추출물(pH 10)이 추출수율($8.53{\pm}0.17%$)과 ${\beta}-glucan$ 함량($6.20{\pm}0.12g/100g$)이 가장 높았다(P<0.05). 전반적으로 pH가 증가할수록 ${\beta}-glucan$ 함량이 증가하였으며 에탄올 추출물은 물 추출물보다 추출수율과 ${\beta}-glucan$ 함량이 낮았다. DPPH 라디칼 소거 활성과 FRAP 활성은 에탄올 추출물이 물 추출물보다 비교적 높았으며 pH 조건은 활성에 영향을 미치지 않았다(P<0.05). 총폴리페놀 화합물 및 총플라보노이드 화합물의 함량도 pH 조건에 상관없이 물 추출물보다 에탄올 추출물이 높았다. 물 추출물 및 에탄올 추출물들의 항산화 활성과 항산화 성분 값들은 비교적 높은 상관성을 보였으며, DPPH 라디칼 소거 활성과 총폴리페놀 화합물 함량 간의 상관성이 가장 높았다(r=0.969).
압출성형공정과 효소처리가 신령버섯 추출물의 ${\beta}$-glucan 함량에 미치는 영향을 조사하였다. 스크루 회전속도 250 rpm, 원료 사입량 100 g/min, 사출구 3 mm 원형으로 고정하였으며, 수분 함량 20, 30%, 배럴 온도 130, $140^{\circ}C$로 조절하여 압출성형 신령버섯을 제조하였다. 수분 함량 20%, 배럴 온도 $130^{\circ}C$의 압출성형공정을 통한 신령버섯 추출혼합물은 ${\beta}$-glucan 함량이 16.91 mg/g으로 다른 공정들보다 증가하였다. 수분 함량 20%, 배럴 온도 $130^{\circ}C$의 압출성형 공정과 Rohament CL로 처리한 추출물의 ${\beta}$-glucan 함량은 같은 압출성형공정의 Viscozyme L 처리 추출물 17.35 mg/g과 Plantase TL 처리 추출물 17.51 mg/g보다 18.32 mg/g으로 가장 많이 증가하였다. 결론적으로 압출성형공정과 Rohament CL 처리한 추출물의 ${\beta}$-glucan 함량이 18.32 mg/g으로 압출성형공정과 효소처리를 하지 않은 대조구의 14.45 mg/g보다 약 26.7% 정도 증가함을 나타내었다. 이는 신령버섯 추출 시에 압출성형공정과 효소처리가 ${\beta}$-glucan 함량을 대조구에 비해 증가시킬 수 있다고 판단되었다.
Pattern recognition receptors are known to participate in the activation of Prophenoloxidase system. In this study, a 1,3-${\beta}$-D-glucan recognition protein was detected for the first time in Antheraea pernyi larvae (Ap-${\beta}GRP$). Ap-${\beta}GRP$ was purified to 99.9% homogeneity from the hemolymph using traditional chromatographic methods. Ap-${\beta}GRP$ specifically bind 1,3-${\beta}$-D-glucan and yeast, but not E. coli or M. luteus. The 1,3-${\beta}$-D-glucan dependent phenoloxidase (PO) activity of the hemolymph inhibited by anti-Ap-${\beta}GRP$ antibody could be recovered by addition of purified Ap-${\beta}GRP$. These results demonstrate that Ap-${\beta}GRP$ acts as a biosensor of 1,3-${\beta}$-Dglucan to trigger the Prophenoloxidase system. A trace mount of 1,3-${\beta}$-D-glucan or Ap-${\beta}GRP$ alone was unable to trigger the proPO system, but they both did. Ap-${\beta}GRP$ was specifically degraded following the activation of proPO with 1,3-${\beta}$-Dglucan. These results indicate the variation in the amount of Ap-${\beta}GRP$ after specific immune challenge in A. pernyi hemolymph is an important regulation mechanism to immune response.
불용성 ${\beta}$-1,3-glucan의 물에 대한 수용성과 젤 형성능을 향상시키기 위해 회분식 혹은 반연속식 반응과 촉매로서 NaBr 첨가 및 무첨가 조건을 연구하였다. NaBr 무첨가 반응의 경우 회분식 및 반연속식에서 NaBr 첨가반응에 비해 반응종결시간이 각각 100, 150%씩 늦어졌으나 물에 대한 용해도, 젤 형성능 등의 이화학적 성질은 NaBr 첨가 조건과 동일하게 향상 되었다. 반응시간의 차이는 나타나지만 회분식 반응에서 NaBr 첨가 여부에 관계없이 0.5 N NaOH 20 mL를 소비하여 ${\beta}$-1,3-glucan의 특이적 산화 전환의 이론적 수준인 100% 수율을 보였으나 회수된 산화물은 NaBr 무첨가 반응의 수율이 NaBr 첨가 반응보다 약 7-8% 낮았다. 높은 산화수율을 보인 ${\beta}$-1,3-glucan의 반연속식 공정 연구를 통해 산화반응물의 대량 생산이 가능하여 천연 소재, 기능성식품, 음료 및 주류 등의 산업에 널리 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 NaBr을 첨가하지 않고서도 특이적인 산화반응을 유도함으로써 안전성이 확보된 산화 ${\beta}$-1,3-glucan을 생산할 수 있음을 확인하였다.
${\beta}$-glucan은 균류의 세포벽, 귀리, 효모, 식물의 구성물질로, 면역 세포의 활성, 전염증성 사이토카인 분비, 항암효능과 같은 면역 체계에 중요한 역할을 한다. 면역계는 건강한 몸 상태의 항상성을 유지한다. 하지만, 병원성 물질이 신체 내로 들어오게 되면 면역 항상성이 무너지게 되고, 질병이 유발될 수 있다. 따라서, 본 연구는 ${\beta}$-glucan이 인간 단핵구 THP-1 세포에서 면역 조절 효과에 이용될 수 있는지를 확인하였다. ${\beta}$-glucan은 THP-1 세포에 다양한 농도를 처리하여 배양하였으며, $TNF-{\alpha}$ mRNA 발현과 단백질 수준을 Real-time PCR와 ELISA을 이용하여 분석하였다. 또한 전사 인자 $NF-{\kappa}B$ p50와 MAPKs 신호 기작 활성을 western blot을 이용하여 분석하였다. ${\beta}$-glucan으로 유도된 MAPKs와 $NF-{\kappa}B$ p50 활성이 증가하였다. ${\beta}$-glucan이 인간 단핵구 THP-1 세포에서 $TNF-{\alpha}$ 생성에 의해 면역 증강 효과를 나타내며, 이는 MAPKs와 $NF-{\kappa}B$ p50 신호 전달을 통해 나타내는 것을 제시한다. 종합적으로, 본 연구는 ${\beta}$-glucan이 인간 단핵구 THP-1 세포를 통해 면역 체계를 향상시킬 것이라고 사료된다.
Matrix Assisted Laser Desorption ionization Time of Flight (MALDI-TOF) was used for enzymes identification related to B -1,3-glucan synthesis. Agrobacterium sp. ATCC31750 was cultivated with two stage Continuous Stirrer Tank Reactor (CSTR) and the cells were harvested and their protein profiles were analysed by two dimensional electrophoresis. The specific enzyme spot was treated with trypsin and ana lysed by MALDI-TOF to get peptide molecular weight. The peptide molecular weights were matched with Agrobacterium tumefacience's Data Base from the matrix science site, then could identify the avaliable key enzymes. In this study, we identified key metabolite of synthesis of beta-1,3-glucan, such as glucose-6-phosphate isomerase, phosphoglucomutase, B-1,3-glucan synthase and glucokinase, and we also identified uracil phosphoribocyl transferase and Ribosome recycling factor also.
The activity of Daucus carota L. root $\beta$-glucan synthetase II was observed to increase in the presence of polyamines such as putrescine, spermidine and spermine in vitro, whereas the activity of Daucus carota L. root $\beta$-glucan synthetase I was not affected by the polyamine. The activity $\beta$-glucan synthetase II from Daucus carota L. root protoplasts cultured on medium containing 10-6 M polyamines such as putrescine, spermidine and spermine was observed to be higher than that of the control. Daucus carota L. root protoplasts were observed to have the activities of arginine and ornithine decarboxylases and it was noted that they could produce polyamines, which might have an effect on $\beta$-glucan synthetase II activity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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