Cell-free expression is a powerful tool for rapid protein analysis, enabling an efficient identification of gene without cumbersome procedure of transformation and cell culture. Epoxide hydrolase (EH) gene of Rhodotorula glutinis was simply amplified by PCR, and the resultant gene was expressed in vitro using a coupled Transcription/translation system. The cell-free expressed EH protein mixture exhibited the enantioselective hydrolysis activity toward (R)-styrene oxide, representing that cell-free protein synthesis system can be used for the rapid expression of an enantioselective enzyme for an efficient identification of the chiral activity.
mRNA quality is controlled by multiple RNA surveillance machineries to reduce errors during gene expression processes in eukaryotic cells. Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is a well-characterized mechanism that degrades error-containing transcripts during translation. The ATP-dependent RNA helicase up-frameshift 1 (UPF1) is a key player in NMD that is mostly prevalent in the cytoplasm. However, recent studies on UPF1-RNA interaction suggest more comprehensive roles of UPF1 on diverse forms of target transcripts. Here we used subcellular fractionation and immunofluorescence to understand such complex functions of UPF1. We demonstrated that UPF1 can be localized to the nucleus and predominantly associated with the chromatin. Moreover, we showed that UPF1 associates more strongly with the chromatin when the transcription elongation and translation inhibitors were used. These findings suggest a novel role of UPF1 in transcription elongation-coupled RNA machinery in the chromatin, as well as in translation-coupled NMD in the cytoplasm. Thus, we propose that cytoplasmic UPF1-centric RNA surveillance mechanism could be extended further up to the chromatin-associated UPF1 and co-transcriptional RNA surveillance. Our findings could provide the mechanistic insights on extensive regulatory roles of UPF1 for many cellular RNAs.
Serine and arginine-rich (SR) proteins are RNA-binding proteins (RBPs) known as constitutive and alternative splicing regulators. As splicing is linked to transcriptional and post-transcriptional steps, SR proteins are implicated in the regulation of multiple aspects of the gene expression program. Recent global analyses of SR-RNA interaction maps have advanced our understanding of SR-regulated gene expression. Diverse SR proteins play partially overlapping but distinct roles in transcription-coupled splicing and mRNA processing in the nucleus. In addition, shuttling SR proteins act as adaptors for mRNA export and as regulators for translation in the cytoplasm. This mini-review will summarize the roles of SR proteins as RNA binders, regulators, and connectors from transcription in the nucleus to translation in the cytoplasm.
The functional stability of mRNA is one of the crucial factors affecting the efficiency of in vitro translation. As the rapid degradation of mRNA in the cell extract (S30 extract) causes early termination of the translational reactions, extending the mRNA half-life will improve the productivity of the in vitro protein synthesis. Thus, a simple PCR-based method is introduced to increase the stability of mRNA in an S30 extract. The target genes are PCR-amplified with primers designed to make the ends of the transcribed mRNA molecule anneal to each other. When compared with normal mRNA, the mRNA with the annealing sequences resulted in an approximately 2-fold increase of protein synthesis in an in vitro translation reaction. In addition, sequential transcription and translation reactions in a single tube enabled direct protein expression from the PCR-amplified genes without any separate purification of the mRNA.
To study interactions between $C_{4}$-dicarboxylic acid transport protein D and E$\sigma$$^{54}$ in the dctA promoter regulatory region, we used the challenge phage system. An ant'-`lac fusion was recombined onto the challenge phage, and this ant'-`lac fusion along with Pant and the R. meliloti dctA promoter regulatory region were cloned onto a plasmid. The plasmid bearing the ant'-`lac fusion was used as a reporter plasmid in a coupled transcription-translation system. Addition of purified $\sigma$$^{54}$ to the coupled system specifically repressed transcription of the plasmid-borne ant'-`lac fusion. When DCTD was added along with $\sigma$$^{54}$ to the coupled system, transcription of the ant'-`lac fusion was even further repressed, suggesting that DCTD may stabilize closed complexes between E$\sigma$$^{54}$ and the dctA promoter.
The addition of zeolite particles enhances the stability of mRNA molecules in a cell-free protein synthesis system. When $20{\mu}g/{\mu}L$ of zeolite (Y5.4) is added to a reaction mixture of cell-free protein synthesis, a substantial increase in protein synthesis is observed. The stabilizing effect of zeolite is most dearly observed in an in vitro translation reaction directed by purified mRNA, as opposed to a coupled transcription and translation reaction. Upon the addition of zeolite in the in vitro translation reaction, the life span of the mRNA molecules is substantially extended, leading to an 80% increase in protein synthesis. The effect of zeolite upon the mRNA stability appears be strongly related to the cation exchange (potassium to sodium) reaction. Our results demonstrate the possibility of modifying this biological process using heterogeneous, non-biological substances in a cell-free protein synthesis system.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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2001.06a
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pp.165-168
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2001
Regulation of pyrimidine nucleotide synthesis has been studied extensively in enteric bacteria and Bacillus species. Varieties of control modes have been proposed for regulation of pyrimidine nucleotide biosynthetic (pyr) genes. In Bacillus caldolyticus and B. subtilis, it has been proved that pyrimidine de novo biosynthetic operon is controlled by a regulatory protein PyrR-mediated attenuation. Another Gram-positive bacteria including Enterococcus faecalis, Lactobacillus plantarum, and wctococcus lactis have been found to constitute a pyr gene cluster containing the pyrR gene. In addition, it has been proposed that the structure of the 5' leader region of the Gram-negative extreme thermophile Thermus strain Z05 pyr operon provides a novel mechanism of PyrR-dependent coupled transcription-translation attenuation. Bacterial genome sequencing projects have identified the PyrR homologues in Haemophilus influenzae, Synechocystis sp., Mycobacterium tuberculosis, Streptococcus pneumoniae, S. pyogenes, and Clostridium acetobutylicum, which are currently investigating for their physiological functions.
By the in vitro combinatorial mutagenesis, which is a sequential reaction of PCR mutagenesis and in vitro coupled transcription/translation with Escherichia coli S30 extract, S65 and E222 of green fluorescent protein of Aequarea victoria were comprehensively changed to all possible combinations of amino acids, thus totally 400 mutant (including a wild type) proteins were simultaneously produced and their fluorescent properties were analyzed. Although a few mutations had been reported so far at the 222nd position, replacement E222 to all other19 amino acids gave fluorescent signal to the mutants by changing Ser 65 to Ala together. Among the mutants, replacement to G, A, S, Q, H and C gave relatively high fluorescence. The in vitro combinatorial mutagenesis, therefore, has been proved valuable for comprehensive structure-function studies of proteins.
Park, Sojung;Nam, Eun woo;Kim, Yeeun;Lee, Seohyeon;Kim, Seul I;Yoon, Hyunjin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.30
no.11
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pp.1729-1738
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2020
Salmonellosis is a form of gastroenteritis caused by Salmonella infection. The main transmission route of salmonellosis has been identified as poorly cooked meat and poultry products contaminated with Salmonella. However, in recent years, the number of outbreaks attributed to contaminated raw produce has increased dramatically. To understand how Salmonella adapts to produce, transcriptomic analysis was conducted on Salmonella enterica serovar Virchow exposed to fresh-cut radish greens. Considering the different Salmonella lifestyles in contact with fresh produce, such as motile and sessile lifestyles, total RNA was extracted from planktonic and epiphytic cells separately. Transcriptomic analysis of S. Virchow cells revealed different transcription profiles between lifestyles. During bacterial adaptation to fresh-cut radish greens, planktonic cells were likely to shift toward anaerobic metabolism, exploiting nitrate as an electron acceptor of anaerobic respiration, and utilizing cobalamin as a cofactor for coupled metabolic pathways. Meanwhile, Salmonella cells adhering to plant surfaces showed coordinated upregulation in genes associated with translation and ribosomal biogenesis, indicating dramatic cellular reprogramming in response to environmental changes. In accordance with the extensive translational response, epiphytic cells showed an increase in the transcription of genes that are important for bacterial motility, nucleotide transporter/metabolism, cell envelope biogenesis, and defense mechanisms. Intriguingly, Salmonella pathogenicity island (SPI)-1 and SPI-2 displayed up- and downregulation, respectively, regardless of lifestyles in contact with the radish greens, suggesting altered Salmonella virulence during adaptation to plant environments. This study provides molecular insights into Salmonella adaptation to plants as an alternative environmental reservoir.
Choi, Yu Jin;Park, Su Hyun;Kim, Ji Su;Wi, Soo Jin;Park, Ky Young
Journal of Plant Biotechnology
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v.40
no.3
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pp.169-177
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2013
Recently, the number of people with diabetes is rapidly increasing, coupled with the fact that the insulin market is remarkably increasing. Therefore, molecular farming for plant-derived pharmaceutical protein production is reported as becoming more attractive than ever. In this study, we carried out experiments step by step for development of recombinant insulin constructs, which were transformed into E. coli system, in vitro transcription and translation system, and tobacco cells. At first, recombinant proinsulin protein was successfully produced in in vitro transcription and translation system with wheat germ extract. After which, recombinant construct of prominiinsulin encoded a fusion protein of 7.8 kDa with trypsin cleavage sites at N terminus and C terminus of minimized C-peptide was tried to in vitro expression using E.coli culture. After purification with His-tag column, the resulting recombinant prominiinsulin protein was processed with trypsin, and then checked insulin biosynthesis by SDS-PAGE and western blot analysis with anti-insulin monoclonal antibody. The immunoreactive product of trypsin-treated miniinsulin was identical to the predicted insulin hexamer. The construct of 35S promoter-driven preprominiinsulin recombinant gene with signal peptide region for ER-targeting and red fluorescence protein gene [N terminus ${\rightarrow}$ tobacco E2 signal peptide ${\rightarrow}$ B-peptide (1-29 AA) ${\rightarrow}$ AAK ${\rightarrow}$ A-peptide (1-21 AA) ${\rightarrow}$ RR ${\rightarrow}$ His6 ${\rightarrow}$ KDEL ${\rightarrow}$ C terminus] was transformed into BY-2 tobacco cells. A polypeptide corresponding to the 38-kDa molecular mass predicted for fusion protein was detected in total protein profiles from transgenic BY-2 cells by western analysis. Therefore, this recombinant preprominiinsulin construct can be used for generation of transgenic tobacco plants producing therapeutic recombinant insulin.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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