Human genome projects have enabled whole genome mapping and improved our understanding of the genes in humans. However, many unknown genes remain to be functionally characterized. In this study, we characterized human chromosome 4 open reading frame 34 gene (hC4orf34). hC4orf34 was highly conserved from invertebrate to mammalian cells and ubiquitously expressed in the organs of mice, including the heart and brain. Interestingly, hC4orf34 is a novel ER-resident, type I transmembrane protein. Mutant analysis showed that the transmembrane domain (TMD) of hC4orf34 was involved in ER retention. Overall, our results indicate that hC4orf34 is an ER-resident type I transmembrane protein, and might play a role in ER functions including $Ca^{2+}$ homeostasis and ER stress.
Zeins, maize storage proteins, are retained in the endoplasmic reticulum (ER) during the subcellular targeting process without the ER retention signal. Circumstantial data indicate that the 27K zein is an ER transmembrane protein. The potential transmembrane domain may permit the 27K zein to remain in the ER. This study investigated the potential transmembrane feature by employing alkaline extraction, proteinase K digestion, and surface biotinylation on isolated intact protein bodies. These assays consistently support the possibility of the 27K zein as a transmembrane protein. The 27K zein polypeptide was shown to be associated with alkali-stripped membranes. The polypeptide was digested by proteinase K to a smaller fragment. According to surface biotinylation, the 27K zeins was labeled to the exclusion of other classes of zeins. This study, therefore, concludes that the 27K zein has an ER transmembrane domain, which may serve as an anchor for zeins' ER retention.
Many secreted proteins have disulfide bonds that are important for their structure and function. Protein disulfide isomerase (PDI, EC 5.3.1.4.), an enzyme that catalyzes the formation and rearrangement of thiol/disulfide exchange reactions, is a resident of the endoplasmic reticulum (ER). The subcellular localization and its function as catalyst of disulfide bond formation in the biosynthesis of secretory and cell membrane proteins suggest that PDI plays a key role in the secretory pathway. We have isolated a cDNA encoding protein disulfide isomerase from Bombyx mori(bPDI). It has been characterized under ER stress conditions (dominantly induced by calcium ionophore A23187, tunicamycin and DTT), which is known to cause an accumulation of unfolded proteins in the ER. Furthermore, It has also been examined for tissue distribution(pronounced at the fat body), hormonal regulation (juvenile hormone, insulin and juvenile +transferrin; however, it is not effected by transferrin alone), and the effect of exogenous bacteria (peak at 16 h after infection) on the bPDI mRNA expression. The results suggest that bPDI is a member of the ER stress protein group, and it may play an important role in exogenous bacterial infection in fat body, and that homones regulate its expression.
Membrane topology is a key characteristic of membrane proteins. We previously reported the cloning of the chromosome 4 open-reading frame 32 (C4orf32) gene as a potential membrane protein; however, the cellular localization and membrane topology of C4orf32 was as yet unknown. In this study, we found that green fluorescent protein (GFP) fused to the C-terminus of C4orf32 (C4orf32-GFP) was localized to the endoplasmic reticulum (ER). We applied three tools to identify determinants of C4orf32 topology: protease protection, fluorescence protease protection (FPP), and an inducible system using the ternary complex between FK506 binding protein 12 (FKBP), rapamycin, and the rapamycin-binding domain of mTOR (FRB) (the FRB-rapamycin-FKBP system). Using protease protection and FPP assays, we found that the GFP tag in C4orf32-GFP was localized to the cytoplasmic surface of the ER membrane of HeLa cells. Protease protection and FPP assays are useful and complimentary tools for identifying the topology of GFP fusion membrane proteins. The FRB-rapamycin-FKBP system was also used to study the topology of C4orf32. In the absence of rapamycin, a monomeric red fluorescent protein-FKBP fusion (mRFP-FKBP) and C4orf32-GFP-FRB were localized to the cytoplasm and the ER membrane, respectively. However, in the presence of rapamycin, the mRFP-FKBP was shifted from the cytoplasm to the ER and colocalized with the C4orf32-GFP-FRB. These results indicate that the FRB moiety is facing the cytoplasmic surface of ER membrane. Overall, our results clearly suggest that C4orf32 belongs to the family of type I ER resident membrane proteins.
ERp29 is a endoplasmic reticulum (ER) lumenal resident protein that shows sequence similarity to the protein disulfide isomerase family. Its biological function is thought to play a role in the processing of secretory proteins within the ER, possibly by participating in the folding of proteins in the ER. Although some data on ERp29 have been reported, its normal functions are still unclear. To gain insights into the function of ERp29, we identified ARF5 protein as a protein that interacts with ERp29 using yeast two-hybrid screening and GST pull-down assay. Interaction between ERp29 and ARF5 was detected under normal cell conditions but not under ER stress conditions. This result may provide a clue for understanding ERp29 biological functions.
Streptococcus pneumoniae is the leading cause of community-acquired pneumonia throughout the world. The bacteria invade through lung tissue and cause sepsis, shock, and serious sequelae, including rheumatic fever and acute glomerulonephritis. However, the molecular mechanism associated with pneumonia's penetration of lung tissue and invasion of the blood stream are still unclear. We attempted to investigate the host cell response at protein levels to S. pneumoniae D39 invasion using human lung cancer epithelial cells, A549. Streptococcus pneumoniae D39 began to change the morphology of A549 cells to become round with filopodia at 2 hours post-infection. A549 cell proteins obtained at each infection time point were separated by SDS-PAGE and analyzed using MALDI-TOF. We identified several endoplasmic reticulum (ER) resident proteins such as Grp94 and Grp78 and mitochondrial proteins such as ATP synthase and Hsp60 that increased after S. pneumoniae D39 infection. Cytosolic Hsc70 and Hsp90 were, however, identified to decrease. These proteins were also confirmed by Western blot analysis. The identified ER resident proteins were known to be induced during ER stress signaling. These/ data, therefore, suggest that S. pneumoniae D39 infection may induce ER stress.
Cyclooxygenases (COX-1 and COX-2) are ER-resident proteins that catalyze the committed step in prostanoid synthesis. COX-1 is constitutively expressed in many mammalian cells, whereas COX-2 is usually expressed inducibly and transiently. Abnormal expression of COX-2 has been implicated in the pathogenesis of chronic inflammation and various cancers; therefore, it is subject to tight and complex regulation. Differences in regulation of the COX enzymes at the posttranscriptional and posttranslational levels also contribute significantly to their distinct patterns of expression. Rapid degradation of COX-2 mRNA has been attributed to AU-rich elements (AREs) at its 3’UTR. Recently, microRNAs that can selectively repress COX-2 protein synthesis have been identified. The mature forms of these COX proteins are very similar in structure except that COX-2 has a unique 19-amino acid (19-aa) segment located near the C-terminus. This C-terminal 19-aa cassette plays an important role in mediation of the entry of COX-2 into the ER-associated degradation (ERAD) system, which transports ER proteins to the cytoplasm for degradation by the 26S proteasome. A second pathway for COX-2 protein degradation is initiated after the enzyme undergoes suicide inactivation following cyclooxygenase catalysis. Here, we discuss these molecular determinants of COX-2 expression in detail.
Nordihydroguaiaretic acid (NDGA), an inhibitor of lipoxygenase, inhibits the secretion of proteins and causes the redistribution of resident Golgi proteins into the endoplasmic reticulum (ER). In this study, the effect of NDGA on lipoprotein lipase (LPL) secretion was investigated in 3T3-L1 adipocytes, and compared with those of brefeldin A (BFA), a well-known fungal metabolite that exhibits similar ER-Golgi redistribution. Both BFA and NDGA blocked secretions of LPL. In the presence of BFA, the active and dimeric LPL was accumulated in adipocytes. After endoglycosidase H (endo H) digestion, the proportion of LPL subunits with partially endo H-sensitive oligosaccharide was significantly increased with BFA. However, in the presence of NDGA, the cellular LPL became inactive, and only the endo H-sensitive fraction of the LPL subunit was observed. An increase of the aggregated forms was observed in the fractions of the sucrose-density gradient ultracentrifugation. These properties of LPL in the NDGA-treated cells were similar to those of LPL that is retained in ER, and the effects of NDGA could not be reversed by BFA. These results indicate that the inhibitory mechanism of NDGA on the LPL secretion is functionally different from the ER-Golgi redistribution that is induced by BFA.
PKR-like endoplasmic reticulum (ER) kinase (PERK) is a type I transmembrane ER-resident protein containing a cytoplasmic catalytic domain with a Ser/Thr kinase activity, which is most closely related to the eukaryotic translation initiation factor-$2{\alpha}$ ($eIF2{\alpha}$) kinase PKR involved in the antiviral defense pathway by interferon. We cloned and expressed the PERK C-terminal kinase domain (cPERK) in Escherichia coli. Like PERK activation in cells under ER stress, wild-type cPERK underwent autophosphorylation when overexpressed in E. coli, whereas the cPERK(K621M) with a methionine substitution for the lysine at amino acid 621 lost the autophosphorylation activity. The activated form cPERK which was purified to near homogeneity, formed an oligomer and was able to trans-phosphorylate specifically its cellular substrate $eIF2{\alpha}$. Two-dimensional phosphoamino acids analysis revealed that phosphorylation of cPERK occurs at the Ser and Thr residues. The functionally active recombinant cPERK, and its inactive mutant should be useful for the analysis of biochemical functions of PERK and for the determination of their three-dimensional structures.
As sessile organisms, plants are exposed to persistently changing stresses and have to be able to interpret and respond to them. The stresses, drought, salinity, chemicals, cold and hot temperatures, and various pathogen attacks have interconnected effects on plants, resulting in the disruption of protein homeostasis. Maintenance of proteins in their functional native conformations and preventing aggregation of non-native proteins are important for cell survival under stress. Heat shock proteins (HSPs) functioning as molecular chaperones are the key components responsible for protein folding, assembly, translocation, and degradation under stress conditions and in many normal cellular processes. Plants respond to pathogen invasion using two different innate immune responses mediated by pattern recognition receptors (PRRs) or resistance (R) proteins. HSPs play an indispensable role as molecular chaperones in the quality control of plasma membrane-resident PRRs and intracellular R proteins against potential invaders. Here, we specifically discuss the functional involvement of cytosolic and endoplasmic reticulum (ER) HSPs/chaperones in plant immunity to obtain an integrated understanding of the immune responses in plant cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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