발광 박테리아인 Photobacterium 종들의 lux 오페론 하부 영역에서 riboflavin 생합성에 관여하는 유전자들(ribⅠ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)이 발견되었다. Photobacterium phosphoreum의 lux 유전자와 rib 유전자를 포함하는 intergenic 영역의 단일사슬 DNA가 P. phosphoreum의 mRNA에 의하여 S1 nuclease digestion에서 손상받지 않았으며, ribⅠ에 의하여 암호화되는 P. phosphoreum의 riboflavin synthase의 활성도가 lux-specific한 효소들인 luciferase 혹은 fatty acid reductase 활성도와 같이 bioluminescence intensity의 발현과 함께 대수기 말기에서 증가하는 박테리아 발광반응의 특이한 조절 체계인 'autoinduction' 양상을 보였다. 또한 P. leiognathi의 luxB로부터 ribⅡ까지 포함하는 DNA를 강력한 lux 프로모터와 reporter(chloramphenicol acetyl transferase, CAT) 유전자 사이에 삽입하고 접합(conjugation)의 방법으로 P. leiognathi에 유전자 전이(gene transfer)시켜 CAT reporter 유전자의 발현을 P. leiognathi에서 조사한 바, 그 유전자의 발현 정도에 큰 차이가 없었을 뿐만 아니라 이 구조에서 lux 프로모터를 제거하게 되면 CAT reporter 유전자의 발현이 전혀 나타나지 않았다. 이들 실험 결과들은 lux 유전자와 rib 유전자의 intergenic영역에 lux 오페론의 전사 종결 구조(transcriptional terminator)가 존재하지 않으며 ribflavin 생합성 유전자들이 그들 고유의 프로모터에 의하여 전사되는 것이 아니라 lux 오페론의 프로모터에 의하여 발현됨을 나타내는 것으로, 이는 Photobacterium 종들에서 lux 유전자와 rib 유전자들은 공동의 발현 조절 체계를 갖는 것으로 요약된다.
The key riboflavin synthesis genes are located immediately downstream of luxG in the lux operon from Photobacterium leiognathi. It is of interest that a site capable of forming a rho-independent terminator does not appear to be present between luxG and ribE in our previous data. These results raise the question of whether the transcription of lux and rib genes is integrated or not. In order to answer the question, in vivo transcriptional assay and Southern blot were examined. These studies demonstrate that neither transcriptional terminator nor promoter site is present in the intergenic region between of lux and rib genes as well as that the riboflavin genes are single copy in a chromosome of Photobacterium leiognathi.
Photobacterium leiognathi CuZuSOD(PSOD)의 부세포성 분포에 따른 방어효과가 paraquat, 열 쇼크, 과산화수소 그리고 $CuSO_4$의 처리시 각각 조사되었다. 서로 달리 periplasm내에 분포하는 PSOD와 세포질에 분포하는 PSOD 사이의 생리적 특성은 본 연구에서는 조건에 따란 차이를 보였다. Paraquat나 $H_2O_2$ 처리시에는 periplasm에 SOD를 발현하는 세포에서 세포질내에 SOD를 분포하는 경우보다 약간 방호효과가 나았으며 SOD 발현 정도는 이와 일관되게 아주 중요한 변화를 보였다. 그러나 열 쇼크와 $CuSO_4$의 처리시는 각각 이런 현상이 역으로 나타났다.
본 연구에서는 발광 세균에 존재하는 LuxG 단백질의 효소학적 성질을 알아내기 위하여 Photobacterium leiognathi ATCC 25521의 luxG 유전자를 중합효소연쇄반응으로 증폭시켜 T5 프로모터와 6X His-tag 시스템을 지닌 pQE 벡터에 삽입시킨 재조합플라스미드를 제조하여 대장균에 형질전환 후 과발현시켜 단백질을 분리, 정제 하였다. 정제된 단백질의 효소학적 실험 결과, 이 단백질은 FMN과 NADPH 기질에 대한 ferric iron reductase의 기능을 갖고 있음을 확인하였으며 이들 기질에 대한 효소 활성도 상수 $K_m$ 및 $V_{max}$ 값을 결정하였다.
루마진 단백질은 발광 세균인 Photobacterium 종에서 추출된 형광성 단백질이다. 형광성을 지닌 최소 크기의 Photobacterium leiognathi 야생형 아미노-말단 도메인 루마진 단백질(N-terminal domain of lumazine protein 118 wt)과 여러 영역에 tryptophan을 생성시킨 돌연변이 단백질들(N-LumP 118 V41W, S48W, T50W, D64W, A66W)을 코드하는 유전자들을 위치 지정 돌연변이(Site Directed Mutagenesis)와 중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction)을 통해 제조하였다. 위의 유전자들이 포함된 재조합 플라스미드를 대장균에 형질 전환시켜 과발현시키는 최적의 조건을 찾았으며, 발현된 야생형 및 돌연변이 아미노-말단 영역 루마진 단백질을 6X-His tag system을 이용하여 정제 하였다. 흡광 및 형광 분광광도계를 이용한 실험 결과 이들 단백질들은 리간드인 6,7-dimethyl-8-ribityllumazine과 결합하여 형광성을 보유함을 보였다. 따라서 이들은 형광성을 지니게 되는 최소 크기의 루마진 단백질일 뿐만 아니라 형광성을 지닌 아미노산인 tryptophan이 여러 위치에 유일하게 존재함으로써 배향성 및 거리 등의 단백질의 구조 및 결합에 관한 심도 있는 연구에 탐침자로써 유용하게 활용 될 수 있을 것이다.
Lumazine protein is a member of the riboflavin synthase superfamily and the intense fluorescence is caused by non-covalently bound to 6,7-dimethyl 8-ribityllumazine. To figure out the binding modes and the structure of the N-terminal domain of lumazine protein, the wild type of protein extending to amino acid 118 (N-LumP 118 Wt) and mutants of N-LumP 118 V41W, S48W, T50W, D64W, and A66W from Photobacterium leiognathi were purified. The biochemical properties of the wild type and mutants of N-LumP 118 proteins were analyzed by absorbance and fluorescence spectroscope. The peak of absorbance and fluorescence of lumazine ligand were shifted to longer wavelength on binding to N-LumPs. The observed absorbance value at 410 nm of lumazine bound to N-LumP 118 proteins indicate that one mole of N-LumP 118 proteins bind to one mole of ligand of lumazine. Fluorescence analysis show that the maximum peak of fluorescence of N-LumP S48W was shifted to the longest wavelength by binding with 6,7-dimethyl 8-ribityllumazine and was shown to the greatest quench effect by acrylamide among all tryptophan mutants.
The effect of PSOD expression on lacZ-sodP fusion (pYK4) was explored in Escherichia coli sodA sodB mutants (QC774) under oxidative stress. In this system, although .betha.-galactosidase activity was not fully induced by isopropyl-1-thio-.betha.-galactosidase (IPTG) and was inhibited by glucose, functional PSOD was under lacZ promotor control and was induced by IPTC, lactose, PQ and copper isons, finally, the results show that higher PSOD expression leel was consistently importnat in defending against superoxide radicals.
발광 세균 Photobacterium과 Vibrio의 lux 유전자가 삽입된 재조합 플라스미드를 유전자 전이시킨 발광표현형 대장균이 내는 빛의 세기를 조사하였다. 여러 대장균 균주에 형질전환 시켰는 바, 빛을 내는데 관여하는 효소들을 코드하는 유전자를 모두 포함하는 Photobacterium leiognathi lux 오페론이 삽입된 재조합플라스미드(PlXba.pT7-3)가 형질전환된 대장균 43R (Escherichia coli 43R) 균주에서는 발광세기가 다른 균주에 비해 1,000배 이상 되었으며, Vibrio harveyi luxA 유전자와 luxB 유전자를 융합시킨 유전자가 삽입된 재조합플라스미드(VhluxAB.pT7-5)가 형질전환 된 대장균 43R (E. coli 43R)에서는 기질인 fatty aldehyde를 가하면 단일 콜로니에서도 빛을 볼 수 있게 되는 대장균 형질전환체를 얻었다. 또한 이들이 중금속에 노출되었을 때 생물발광이 감소하였으며, 이들 발광 대장균 형질 전환체가 담긴 고정화된 세포에서도 빛을 내는 것을 관측함으로써 이들 실험 결과들이 lux 유전자를 활용한 바이오센서 시스템 개발의 기반 기술이 될 가능성을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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