Ferritin is an iron storage protein found in most living organisms. For expression and industrial use, human light chain ferritin (L-ferritin) was cloned from human liver cDNA library and expressed in Pichia pastoris strain GS115. The recombinant L-ferritin in Pichia pastoris was glycosylated. In a fed-batch culture, the cell mass reached about 57 g/l of dry cell weight, and the L-ferritin in the cell was increased to about 95 mg/l after 150 h. In an atomic absorption spectrometry analysis, the intracellular content of iron in the L-ferritin transformant was measured as $1,694{\pm}85\;\mu\textrm{g}g/g$, which is 5.4-fold more than that of the control strain. This L-ferritin transformant could serve as iron-fortified nutrients in animal feed stock.
In the synthesis of nanoparticles, much attention has been paid to regulating the particle size. There has been a possible evident that using the central cavity (core) of the protein ferritin has a greatly significant influence on it because the core can generate the nanometer-sized mineral particles of variable metal ions. In this report, recombinant human L-ferritins produced from Saccharomyces cerevisiae were purified and their molecular properties were characterized. The cDNA for human ferritin L chain was also expressed in another host such as Escherichia coli, and the properties of recombinant L-ferritins were compared. From isoelectric focusing experiment, the L-ferritin from the recombinant yeast showed no indication of N-glycosylation. Some post-translational modifications other than N-glycosylation were speculated in the L-ferritins from yeast. A difference was made in the L-ferritins in their iron uptake rates and the initial rate of the L-ferritin from yeast was slightly increased. The reconstitution yield and size distribution of the core minerals were analyzed in the L-ferritins by transmission electron microscopy. The L-ferritin from yeast with higher reconstitution yield (54.5%) showed slightly larger sizes (mean 6.92 nm) with narrower size distribution than the L-ferritin from E. coli. It is, in conclusion, speculated that L-ferritin from yeast is relatively superior to the other, in view of the size of nanoparticle and its relative homogeneity.
본 연구에서는 유도성 promoter인 GAL1과 상시성 promoter인 GPD와 ADH1 promoter 하류에 사람 ferritin H-chain 유전자(hfL) 및 사람 ferritin L-chain 유전자(hfL)를 연결하여 재조합 plasmid를 구축하고 이들을 S. cerevisiae 2805에 형질 전환시켜 외래 유전자를 성공적으로 발현시켰다. Ferritin 발현에 미치는 promoter의 영향을 비교한 바, 이 두 단백질 생간에 있어서 GAL1 promoter가 GPD나 ABH1 promoter 보다 더 효율적이었다. GAL1 promoter를 사용한 형질 전환체 (YG-H와 YG-L)에서 H-chain의 발현율은 전체 수용성 단백질 중 4.5%에 해당하였고, L-chain의 발현율은 9.8%에 이르렀다. 각 균주에서 발현된 H 및 L subunit은 비변성 젤은 사용한 전기 영동의 결과 대장균에서 생산된 재조합 단백질과 마찬가지로 자발적으로 holoprotein으로 조합되어졌다. 재조합 H-와 L-ferritin들은 단백질 내공에 철을 축적할 수 있음이 Prussian blue 염색으로 확인되었다. 그리고 효모 세포를 10 mM ferric citrate를 함유한 배지에서 배양했을 때, H-ferritin과 L-ferritin을 생산하는 재조합 효모 균주에 있어서의 펄의 농도는 각각 174.9 $\mu\textrm{g}$ Per gram(dry cell weight)과 148.8 $\mu\textrm{g}$ Per gram(dry cell weight)이었고 야생형 효모 균주에 있어서의 털의 농도는 49.4 $\mu\textrm{g}$ Per gram(dry cell weight)이었다. 이것은 사람 ferritin 유전자를 효모 균주에 발현시킴으로써 효모의 철 함량이 증진되었음을 유추하는 결과이다.
수용성 형태로 존재하는 융합 페리틴을 정제함에 있어서 실리카 분말을 이용한 전처리 공정은 전체 정제 공정효율 증가에 기여하였다. 전처리 공정을 통해 정제된 융합 페리틴의 순도를 높이기 위해 젤 여과 크로마토그래피를 통해 보다 정제된 응합 페리틴을 얻을 수 있었다. 이렇게 정제된 융합 페리틴의 철분결합능력을 분석해본결과 320 moles $F_{H}+F_{L}$ mole로 활성이 우수함을 알 수 있었으며, 분자량 분석을 통해 융합페리틴(40 k dalton)은 trimer와 monomer형태로 존재함을 확인할 수 있었다
Human ferritin H- and L-chain genes (hfH and hfL) were cloned into the yeast shuttle vector YEp352 containing the GAL1 (galactokinase) and GAL10 (epimerase) divergent promoters and the vectors constructed were used to transform Saccharomyces cerevisiae 2805. SDS-PAGE displayed expression of the introduced hfH and hfL in both recombinant strains of Y1H10L and Y1L10H. The ferritin subunits, that represented ca. $22\%$ and $15\%$ of the soluble proteins in Y1H10L and Y1L10H, were spontaneously assembled into active ferritin heteropolymers. The H subunit content of the purified recombinant human ferritin heteropolymers was proven to reflect the relative expression yield of the subunits. When the cells of 2d culture were incubated with 14.3 mM Fe(2), the cellular iron concentration of Y1H10L and Y1L10H was 1.7 and 2.0 times, respectively, that of the control strain. It is assumed that increase in the iron uptake of the recombinant yeasts is closely related to ferritin expression and H subunit content.
The tadpole H-ferritin produced in E. coli was purified and its molecular properties were investigated to obtain information about the contribution of the H-subunit in the reaction of iron core formation. All the expressed subunits were assembled into complete holoprotein in vitro, presumably 24-mer, and the protein was heat-stable. Electron microscopy revealed that the recombinant ferritin forms spherically and contains iron core. No difference was observed in the absorption spectrum of the expressed protein compared to that of the natural ferritin. The Ouchterlony double diffusion of the expressed protein showed that the H-chain ferritin shares an antigenic determinant with natural tadpole ferritin. Rabbit anti-horse spleen ferritin discriminated the H-ferritin from natural ferritin. The rate of ferritin formation by the recombinant H-chain apoferritin was determined to be higher than that shown by natural tadpole ferritin, which consists of H, M and L-subunits. This phenomenon may be caused by the absence of M and L-subunits in the recombinant H-chain apoferritin.
Explants of Lactuce sativa cultivar, chungchima, were co-cultivated with Agrobacterium tumefaciences LBA4404, EHA101 strains containing nptll gene and ferritin gene encoding iron storage protein from soybean for transformation. Through initial selection of regenerated explants by culturing on a kanamycin and carbenicillin containing MS medium, multiple shoots were obtained after 2 months of culture. For a complementary step of selection, putative transgenic shoots were transferred to 1/2 MS basal medium supplemented with 100 mg/L kanamycin and 500 mg/L carbenicillin. The selected shoots were tested with PCR analysis using nptll, ferritin specific primers whether ferritin gene was introduced to genome of the plants. These results confirmed that produced the specific PCR bands in the putative transgenic lines. Additionally the Northern blot showed that transcripts of ferritin gene were detected in mature leaf of the transgenic lines. These results suggest that ferritin gene be successfully integrated and transcribed in the putative transgenic lettuce plants.
Human heavy chain (H-) and light chain (L-) ferritins were amplified from a human cDNA library. Each ferritin gene was inserted downstream of the T7 promoter of bacterial expression vectors, and two types of coexpression vectors were constructed. The expression levels of recombinant ferritins ranged about 26-36% of whole-cell protein. H-ferritin exhibited a lower expression ratio compared with L-ferritin, by a coexpression system. However, the coexpression of HL-ferritins was significantly increased above the expression ratio of H-ferritin by cultivation without IPTG induction overnight. Purified recombinant H-, L-, HL-, and LH-ferritins were shown to be homo- and heteropolymeric high molecular complexes and it was indicated that their assembled subunits would be able to work functionally in the cell. Thus, these results indicate an improvement in the expression strategy of H-ferritin for heteropolymeric production and studies of ferritin assembly in Escherichia coli.
효모에서 사람의 H-, L-ferritin을 생산하기 위해서, 기존에 복제된 vector를 사용하였으며,단백질을 발현하기 위해서 각각의 증폭된 ferritin 유전자를 GALI promoter에 의해 조절되는 pYES2.1/V5-His-TOPO 효모 발현 vector에 삽입하였다. Western blot 분석을 통해서 사람의 H-, L-ferritin subunits을 함유한 재조합 효모에서 사람의 ferritin이 발현된 것을 확인할 수 있었다. 또한 Atomic absorption spectrometry(AAS) 분석을 통해서 형질변환된 효모의 철 함유량이 대조군과 비교하여 $1.6{\sim}l.8$배 증가한 것을 확인하였다. 향후 ferritin이 함유된 형질변환 효모를 사용하여 잠재적으로 철이 강화된 영양성분을 기능성 식품과 사료에 이용할 수 있을 것이다.
We constructed a comparative expression system in order to produce recombinant human ferritin homo- and heteropolymers in Escherichia coli. Human ferritin H-(hfH) and L-chain (hfL) genes were expressed without amino acid changes under the control of a tac promoter. Ferritin heteropolymers of varying subunit composition were also produced by combining two different expression systems, a bicistronic expression system and a coplasmid expression system. As a result, recombinant H-chain ferritin and ferritin heteropolymers were catalytically active in forming iron core in vivo. In particular, the ferritin heteropolymer that is composed of 7% H-subunit and 93% L-subunit was capable of forming an iron core of the protein, while the L-chain ferritin homopolymer was inactive in vivo. This result indicates that the two H-subunits (i.e., 7% H-subunit content) are important to keep ferritin active in the cells. In addition, human ferritins were identified as the major iron binding proteins in the transformed cells. Also, the amount of iron bound to the recombinant ferritins was proportional to the H-subunit content in ferritin heteropolymers in vivo.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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