Recently, an attempt to analyze and modify metabolic networks of living organisms in global level emerged with the benefit of development of high-throughput techniques, and it is generally called systems biology. Various systems biology studies have been carried out for the development of enhanced metabolite production systems. By modification of metabolic characteristics of microorganisms, metabolite productivities and yields obtained with metabolically engineered bacteria increased significantly compare with that obtained with wild type bacteria.
Proceedings of the Korean Society for Bioinformatics Conference
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2001.10a
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pp.61-86
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2001
All cancers are caused by abnormalities in DNA sequence. Throughout life, the DNA in human cells is exposed to mutagens and suffers mistakes in replication, resulting in progressive, subtle changes in the DNA sequence in each cell. Since the development of conventional and molecular cytogenetic methods to the analysis of chromosomal aberrations in cancers, more than 1,800 recurring chromosomal breakpoints have been identified. These breakpoints and regions of nonrandom copy number changes typically point to the location of genes involved in cancer initiation and progression. With the introduction of molecular cytogenetic methodologies based on fluorescence in situ hybridization (FISH), namely, comparative genomic hybridization (CGH) and multicolor FISH (m-FISH) in carcinomas become susceptible to analysis. Conventional CGH has been widely applied for the detection of genomic imbalances in tumor cells, and used normal metaphase chromosomes as targets for the mapping of copy number changes. However, this limits the mapping of such imbalances to the resolution limit of metaphase chromosomes (usually 10 to 20 Mb). Efforts to increase this resolution have led to the "new"concept of genomic DNA chip (1 to 2 Mb), whereby the chromosomal target is replaced with cloned DNA immobilized on such as glass slides. The resulting resolution then depends on the size of the immobilized DNA fragments. We have completed the first draft of its Korean Genome Project. The project proceeded by end sequencing inserts from a library of 96,768 bacterial artificial chromosomes (BACs) containing genomic DNA fragments from Korean ethnicity. The sequenced BAC ends were then compared to the Human Genome Project′s publicly available sequence database and aligned according to known cancer gene sequences. These BAC clones were biotinylated by nick translation, hybridized to cytogenetic preparations of metaphase cells, and detected with fluorescein-conjugated avidin. Only locations of unique or low-copy Portions of the clone are identified, because high-copy interspersed repetitive sequences in the probe were suppressed by the addition of unlabelled Cotl DNA. Banding patterns were produced using DAPI. By this means, every BAC fragment has been matched to its appropriate chromosomal location. We have placed 86 (156 BAC clones) cytogenetically defined landmarks to help with the characterization of known cancer genes. Microarray techniques would be applied in CGH by replacement of metaphase chromosome to arrayed BAC confirming in oncogene and tumor suppressor gene: and an array BAC clones from the collection is used to perform a genome-wide scan for segmental aneuploidy by array-CGH. Therefore, the genomic DNA chip (arrayed BAC) will be undoubtedly provide accurate diagnosis of deletions, duplication, insertions and rearrangements of genomic material related to various human phenotypes, including neoplasias. And our tumor markers based on genetic abnormalities of cancer would be identified and contribute to the screening of the stage of cancers and/or hereditary diseases
Purpose: Beta-tricalcium phosphate (${\beta}$-TCP) is a synthetic calcium phosphate ceramic that has widely been used as a bone material to repair bone defects. Despite many clinical studies, the molecular mechanism whereby this biomaterial alters the gene expression in osteoblasts to promote bone formation is poorly understood. Thus, we attempted to address this question by using microarray techniques to identify the genes that are differentially regulated in osteoblasts exposed to ${\beta}$-TCP. Methods: By using DNA microarrays, we identified several genes whose expression levels were significantly up- or down-regulated in osteoblast-likeMG-63cells cultured with ${\beta}$-TCP at a concentration of 100 mg/10 ml for 24 hours. Results: The differentially expressed genes covered a broad range of functional activities: signal transduction, transcription, cell cycle regulation, vesicular transport, apoptosis, immunity, cytoskeletal elements and cell proliferation and differentiation. Conclusion: The gene expression changes related to cell proliferation and differentiation, vesicle transport, immunity and defense could affect the osteogenic activities of osteoblasts for bone regeneration. However, further studies will be required to verify the relative importance of these genes in bone formation, their temporal and spatial expression patterns and their interactions with each other.
Lab-on-a-chip technology is attracting great interest because the miniaturization of reaction systems offers practical advantages over classical bench-top chemical systems. Rapid mixing of the fluids flowing through a microchannel is very important for various applications of microfluidic systems. In addition, highly sensitive on-chip detection techniques are essential for the in situ monitoring of chemical reactions because the detection volume in a channel is extremely small. Recently, a confocal surface enhanced Raman spectroscopic (SERS) technique, for the highly sensitive biological analysis in a microfluidic sensor, has been developed in our research group. Here, a highly precise quantitative measurement can be obtained if continuous flow and homogeneous mixing condition between analytes and silver nano-colloids are maintained. Recently, we also reported a new analytical method of DNA hybridization involving a PDMS microfluidic sensor using fluorescence energy transfer (FRET). This method overcomes many of the drawbacks of microarray chips, such as long hybridization times and inconvenient immobilization procedures. In this paper, our recent applications of the confocal Raman/fluorescence microscopic technology to a highly sensitive lab-on-a-chip detection will be reviewed.
Although the biological functions of metallothioneins (MTs) are still being investigated, they have been suggested to be involved in detoxification of heavy metals, scavenging of free radicals, and protection against alkylating agents. MTs have been reported to be induced in most of animal tissues by heavy metals such as zinc, copper, mercury and cadmium, and the proteins have binding affinities to the metals. However, the presence or induction of MTs was reported not to be clear in leydig cells, which produce testosterone for the maturation of spermatozoa in male testes. In this study, we investigated the inducibility of metallothionein isomers by cadmium in cultured mouse leydig cells. Total RNA was extracted from the near confluent grown leydig cells and RT-PCR was Performed using the Primers which were synthesized on the basis of MT-1, 2, 3 and 4 cDNA from GenBank database. As results, MT-1 and MT-2 mRNA were found to be expressed in cadmium non-treated control cells and MT 1 mRNA expression was dose-dependent when leydig cells were treated with cadmium chloride. But MT-3 which is known to be brain specific and MT-4 which is another isoform of metallothionein, were not expressed. Other genes induced or depressed in cadmium treated leydig cells were also identified by microarray techniques.
Insights into gene expression have the potential for improvement of antibiotic yield and the development of robust production hosts for use in recombinant biomolecule production. $Cubicin^{TM}$ (daptomycin for injection) is a recently approved antibiotic active against many Gram(+) pathogens, including those resistant to methicillin, vancomycin, and fluoroquinolones. Daptomycin is produced as a secondary metabolite by Streptomyces roseosporus. A 128 kb region of DNA including the daptomycin biosynthetic gene cluster (dpt) has been cloned. and sequenced. Using a selected array of nucleic acid probes representing this region, we compared the expression levels of the dpt genes between S. roseosporus wild-type (WT) and derived S. roseosporus high-producer of daptomycin (HP). We observed that the majority of the biosynthetic genes were upregulated in HP compared with WT; a total of 12 genes, including those encoding daptomycin synthetase, showed consistently and significantly higher expression levels, at least 5-fold, in HP compared with WT. In contrast, some genes, flanking the dpt cluster, were expressed at higher levels in the WT strain. The expression of housekeeping genes such as S. roseosporus rpsL, rpsG, and 16S (positive controls) and presumptive intergenic regions in the dpt cluster (negative control) were identical in the two strains. In addition, we compared transcription during the early, mid-log, and early-stationary phases of growth in the HP strain. The same set of genes was upregulated and downregulated under all conditions examined; housekeeping genes showed no relative change in expression level over the periods of growth tested. Analyses of this type would be of value in studies of strain improvement and also for the identification of gene regulation processes that are important for secondary metabolite production.
Gene expression data present the level of mRNA abundance of each gene, and analyses of gene expressions have provided key ideas for understanding the mechanism of diseases and developing new drugs and therapies. Nowadays high-throughput technologies such as DNA microarray and RNA-sequencing enabled the simultaneous measurement of thousands of gene expressions, giving rise to a characteristic of gene expression data known as high dimensionality. Due to the high-dimensionality, learning models to analyze gene expression data are prone to overfitting problems, and to solve this issue, dimension reduction or feature selection techniques are commonly used as a preprocessing step. In particular, we can remove irrelevant and redundant genes and identify important genes using gene selection methods in the preprocessing step. Various gene selection methods have been developed in the context of machine learning so far. In this paper, we intensively review recent works on gene selection methods using machine learning approaches. In addition, the underlying difficulties with current gene selection methods as well as future research directions are discussed.
Yukmijihwang-tang(YM) is a noted herbal prescription in Chinese and Korean traditional medicines, and it has been known to reinforce the vital essence and has been widely used for a variety of disease such as stroke, osteoporosis, anti-tumor, and hypothyrodism. Regarding its traditional use, YM has been known to reinforce the Yin (vital essence) of liver and kidney. Also it has been known to reinforce nutrition and biological function in brain. Recently, studies suggested that YM increase antioxidant activities and exert the protective effect against oxidant-induced liver cell injury. We investigated the high-throughput gene expression analysis on the Yukmijihwang-tang administrated in SD rats. Microarray data were validated on a limited number of genes by semiquantitative RT-PCR and Western blot analyses. The recent availability of microarrays provides an attractive strategy for elaborating an unbiased molecular profile of large number of genes in drug discovery This experimental approach offers the potential to identify molecules or cellular pathways not previously associated with herbal medicine. Total RNA from normal control brain and Yukmijihwang-tang administrated brain were hybridized to microarrays containing 10,000 rat genes. The 52 genes were found to be up-regulated(twice or more) excluding EST gene. The nine genes were found to be down-regulated(twice or more) excluding EST gene. Gene array technology was used to identify for the first time many genes expression pathway analysis that arecell cycle pathway, apoptosis pathway, electron transport chain pathway, cytoplasmic ribosomal protein pathway, fatty acid degradation pathway, and TGF-beta signaling pathway. These differentially expressed genes pathway analysis have not previously been iavestigated in the context of herbal medicine efficacy and represent novel factors for further study of the mechanism of herbal medicine efficacy.
Proceedings of the Korean Society of Crop Science Conference
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2004.04a
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pp.12-27
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2004
Thanks to spectacular advances in the techniques for identifying proteins separated by two-dimensional electrophoresis and in methods for large-scale analysis of proteome variations, proteomics is becoming an essential methodology in various fields of plant sciences. Plant proteomics would be most useful when combined with other functional genomics tools and approaches. A combination of microarray and proteomics analysis will indicate whether gene regulation is controlled at the level of transcription or translation and protein accumulation. In this review, we described the catalogues of the rice proteome which were constructed in our program, and functional characterization of some of these proteins was discussed. Mass-spectrometry is a most prevalent technique to identify rapidly a large of proteins in proteome analysis. However, the conventional Western blotting/sequencing technique us still used in many laboratories. As a first step to efficiently construct protein data-file in proteome analysis of major cereals, we have analyzed the N-terminal sequences of 100 rice embryo proteins and 70 wheat spike proteins separated by two-dimensional electrophoresis. Edman degradation revealed the N-terminal peptide sequences of only 31 rice proteins and 47 wheat proteins, suggesting that the rest of separated protein spots are N-terminally blocked. To efficiently determine the internal sequence of blocked proteins, we have developed a modified Cleveland peptide mapping method. Using this above method, the internal sequences of all blocked rice proteins (i. e., 69 proteins) were determined. Among these 100 rice proteins, thirty were proteins for which homologous sequence in the rice genome database could be identified. However, the rest of the proteins lacked homologous proteins. This appears to be consistent with the fact that about 30% of total rice cDNA have been deposited in the database. Also, the major proteins involved in the growth and development of rice can be identified using the proteome approach. Some of these proteins, including a calcium-binding protein that fumed out to be calreticulin, gibberellin-binding protein, which is ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase activate in rice, and leginsulin-binding protein in soybean have functions in the signal transduction pathway. Proteomics is well suited not only to determine interaction between pairs of proteins, but also to identify multisubunit complexes. Currently, a protein-protein interaction database for plant proteins (http://genome .c .kanazawa-u.ac.jp/Y2H)could be a very useful tool for the plant research community. Recently, we are separated proteins from grain filling and seed maturation in rice to perform ESI-Q-TOF/MS and MALDI-TOF/MS. This experiment shows a possibility to easily and rapidly identify a number of 2-DE separated proteins of rice by ESI-Q-TOF/MS and MALDI-TOF/MS. Therefore, the Information thus obtained from the plant proteome would be helpful in predicting the function of the unknown proteins and would be useful in the plant molecular breeding. Also, information from our study could provide a venue to plant breeder and molecular biologist to design their research strategies precisely.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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