A novel ginsenoside-hydrolyzing ${\beta}$-glucosidase was purified from Paecilomyces Bainier sp. 229 by a combination of Q-Sepharose FF, phenyl-Sepharose CL-4B, and CHT ceramic hydroxyapatite column chromatography. The purified enzyme was a monomeric protein with a molecular mass estimated to be 115 kDa. The optimal enzyme activity was observed at pH 3.5 and $60^{\circ}C$. It was highly stable within pH 3-9 and at temperatures lower than $55^{\circ}C$. The enzyme was specific to ${\beta}$-glucoside. The order of enzyme activities against different types of ${\beta}$-glucosidic linkages was ${\beta}$-(1-6)>${\beta}$-(1-2)>${\beta}$-(1-4). The enzyme converted ginsenoside Rb1 to CK specifically and efficiently. An 84.3% amount of ginsenoside Rb1, with an initial concentration of 2 mM, was converted into CK in 24 h by the enzyme at $45^{\circ}C$ and pH 3.5. The hydrolysis pathway of ginsenoside Rb1 by the enzyme was $Rb1{\to}Rd{\to}F2{\to}CK$. Five tryptic peptide fragments of the enzyme were identified by a newly developed de novo sequencing method of post-source decay (PSD) matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry. By comparing the five identified peptide sequences with the NCBI database, this purified ${\beta}$-glucosidase proves to be a new protein that has not been reported before.
${\beta}$-D-Xylosidase (E.C. 3.2.1.37) from Bifidobacterium breve K-110, which hydrolyzes ginsenoside Ra1 to ginsenoside Rb2, was cloned and expressed in Escherichia coli. The ($His_6$)-tagged recombinant enzyme, designated as XlyBK-110, was efficiently purified using $Ni^{2+}$-affinity chromatography (109.9-fold, 84% yield). The molecular mass of XylBK-100 was found to be 55.7 kDa by SDS-PAGE. Its sequence revealed a 1,347 bp open reading frame (ORF) encoding a protein containing 448 amino acids, which showed 82% identity (DNA) to the previously reported glycosyl hydrolase family 30 of Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703. The $K_m$ and $V_{max}$ values toward p-nitrophenyl-${\beta}$-D-xylopyranoside (pNPX) were 1.45mM and 10.75 ${\mu}mol/min/mg$, respectively. This enzyme had pH and temperature optima at 6.0 and $45^{\circ}C$, respectively. XylBK-110 acted to the greatest extent on xyloglucosyl kakkalide, followed by pNPX and ginsenoside Ra1, but did not act on p-nitrophenyl-${\alpha}$-L-arabinofuranoside, p-nitrophenyl-${\beta}$-D-glucopyranoside, or p-nitrophenyl-${\beta}$-D-fucopyranoside. In conclusion, this is the first report on the cloning and expression of ${\beta}$-D-xylosidase-hydrolyzing ginsenoside Ra1 and kakkalide from human intestinal microflora.
Chang, Kyung Hoon;Jo, Mi Na;Kim, Kee-Tae;Paik, Hyun-Dong
Journal of Ginseng Research
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제38권1호
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pp.47-51
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2014
The transformation of ginsenoside Rb1 into a specific minor ginsenoside using Aspergillus niger KCCM 11239, as well as the identification of the transformed products and the pathway via thin layer chromatography and high performance liquid chromatography were evaluated to develop a new biologically active material. The conversion of ginsenoside Rb1 generated Rd, Rg3, Rh2, and compound K although the reaction rates were low due to the low concentration. In enzymatic conversion, all of the ginsenoside Rb1 was converted to ginsenoside Rd and ginsenoside Rg3 after 24 h of incubation. The crude enzyme (b-glucosidase) from A. niger KCCM 11239 hydrolyzed the ${\beta}$-($1{\rightarrow}6$)-glucosidic linkage at the C-20 of ginsenoside Rb1 to generate ginsenoside Rd and ginsenoside Rg3. Our experimental demonstration showing that A. niger KCCM 11239 produces the ginsenoside-hydrolyzing b-glucosidase reflects the feasibility of developing a specific bioconversion process to obtain active minor ginsenosides.
When ginsenoside Rg5, a main component isolated from red ginseng, was incubated with three human fecal microflora for 24 h, all specimens showed hydrolyzing activity: all specimens produced ginsenoside Rh3 as a main metabolite, but a minor metabolite $3{\beta},12{\beta}$-dihydroxydammar-21(22),24-diene (DD) was observed in two specimens. To evaluate the antiallergic effect of ginsenoside Rg5 and its metabolites, the inhibitory effect of ginsenoside Rg5 and its metabolite ginsenoside Rh3 against RBL-2H3 cell degranulation, mouse passive cutaneous anaphylaxis (PCA) reaction induced by the IgE-antigen complex, and mouse ear skin dermatitis induced by 12-O-tetradecanoilphorbol-13-acetate (TPA) were measured. Ginsenosides Rg5 and Rh3 potently inhibited degranulation of RBL-2H3 cells. These ginsenosides also inhibited mRNA expression of proinflammatory cytokines IL-6 and $TNF-{\alpha}$ in RBL-2H3 cells stimulated by IgE-antigen. Orally and intraperitoneally administered ginsenoside Rg3 and orally administered ginsenoside Rg5 to mice potently inhibited the PCA reaction induced by IgE-antigen complex. However, intraperitoneally administered ginsenoside Rg5 nearly did not inhibit the PCA reaction. These ginsenosides not only suppressed the swelling of mouse ears induced by TPA, but also inhibited mRNA expression of cyclooxygenase-2, $TNF-{\alpha}$, and IL-4 and activation of transcription factor NF-kB. These inhibitions of ginsenoside Rh3 were more potent than those of ginsenoside Rg5. These findings suggest that ginsenoside Rg5 may be metabolized in vivo to ginsenoside Rh3 by human intestinal microflora, and ginsenoside Rh3 may improve antiallergic diseases, such as rhinitis and dermatitis.
The ginsenoside-hydrolyzing β-glucosidase gene (bgy2) was cloned from Lactobacillus brevis. We expressed this gene in Escherichia coli BL21(DE3), isolated the resulting protein, and then utilized the enzyme for the biotransformation of ginsenosides. The bgy2 gene contains 2,223 bp, and encodes a protein of 741 amino acids that is a member of glycosyl hydrolase family 3. β-Glucosidase (Bgy2) cleaved the outer glucose moieties of ginsenosides at the C-20 position, and the inner glucose at the C-3 position. Under optimal conditions (pH 7.0, 30℃), we used 0.1 mg/ml Bgy2 in 20 mM sodium phosphate buffer (PBS) for enzymatic studies. In these conditions, 1.0 mg/ml ginsenoside Rb1 and ginsenoside F2 were converted into 0.59 mg/ml ginsenoside Rd and 0.72mg/ml compound K, with molar conversion productivities of 69% and 91%, respectively. In pharmaceutical and commercial industries, this recombinant Bgy2 would be suitable for producting ginsenoside Rd and compound K.
Herein, a novel ginsenosidase, named ginsenosidase type IV, hydrolyzing 6-O-multi-glycosides of protopanaxatriol-type ginsenosides (PPT), such as Re, R1, Rf, and Rg2, was isolated from the Aspergillus sp. 39g strain, purified, and characterized. Ginsenosidase type IV was able to hydrolyze the 6-O-${\alpha}$-L-($1{\rightarrow}2$)-rhamnoside of Re and the 6-O-${\beta}$-D-($1{\rightarrow}2$)-xyloside of R1 into ginsenoside Rg1. Subsequently, it could hydrolyze the 6-O-${\beta}$-D-glucoside of Rg1 into F1. Similarly, it was able to hydrolyze the 6-O-$_{\alpha}$-L-($1{\rightarrow}2$)-rhamnoside of Rg2 and the 6-O-${\beta}$-D-($1{\rightarrow}2$)-glucoside of Rf into Rh1, and then further hydrolyze Rh1 into its aglycone. However, ginsenosidase type IV could not hydrolyze the 3-O- or 20-O-glycosides of protopanaxadiol-type ginsenosides (PPD), such as Rb1, Rb2, Rb3, Rc, and Rd. These exhibited properties are significantly different from those of glycosidases described in Enzyme Nomenclature by the NC-IUBMB. The optimal temperature and pH for ginsenosidase type IV were $40^{\circ}C$ and 6.0, respectively. The activity of ginsenosidase type IV was slightly improved by the $Mg^{2+}$ ion, and inhibited by $Cu^{2+}$ and $Fe^{2+}$ ions. The molecular mass of the enzyme, based on SDS-PAGE, was noted as being approximately 56 kDa.
Following ginsenoside-Rb1-hydrolyzing assay, strictly anaerobic bacteria were isolated from human feces and identified as Prevotella oris. The bacteria hydrolyzed ginsenoside Rb1 and Rd to $20-O-{\beta}-D-glucopyranosyl-20(S)-protopanaxadiol$ (I), ginsenoside Rb2 to $20-O-[{\alpha}-L-arabinofuranosyl (1{\rightarrow}6)-{\beta}-D-glucopyranosyl] - 20(S)-protopanaxadiol$ (ll) and ginsenoside Rc to $20-O-[{\alpha}-L-arabinofuranosyl (1{\rightarrow} 6){\beta}-D-g1ucopyranosyl]-20(S)-protopanaxadiol$ (III) like fecal microflora, but did not attack ginsenoside Re nor Rgl (Protopanaxatriol-type). Pharmacokinetic studies of ginseng saponins was also performed using specific pathogen free rats and demonstrated that the intestinal bacterial metabolites I-111, 20(S)- protopanaxatriol(IV) and 20(S)-protopanaxadiol(V) were absorbed from the intestines to $blood(0.4-5.1\;{\mu}g/ml)$ after oral administration with total saponin(1 g/kg/day).
To investigate a novel ${\beta}$-glucosidase from Bifidobacterium breve ATCC 15700 (BbBgl) to produce compound K (CK) via ginsenoside $F_2$ by highly selective and efficient hydrolysis of the C-3 glycoside from ginsenoside Rd, the BbBgl gene was cloned and expressed in E. coli BL21. The recombinant BbBgl was purified by Ni-NTA magnetic beads to obtain an enzyme with specific activity of 37 U/mg protein using pNP-Glc as substrate. The enzyme activity was optimized at pH 5.0, $35^{\circ}C$, 2 or 6 U/ml, and its activity was enhanced by $Mn^{2+}$ significantly. Under the optimal conditions, the half-life of the BbBgl is 180 h, much longer than the characterized ${\beta}$-glycosidases, and the $K_m$ and $V_{max}$ values are 2.7 mM and $39.8{\mu}mol/mg/min$ for ginsenoside Rd. Moreover, the enzyme exhibits strong tolerance against high substrate concentration (up to 40 g/l ginsenoside Rd) with a molar biotransformation rate of 96% within 12 h. The good enzymatic properties and gram-scale conversion capacity of BbBgl provide an attractive method for large-scale production of rare ginsenoside CK using a single enzyme or a combination of enzymes.
To understand the metabolism of flavonoid rhamnoglycosides by human intestinal microbiota, we measured the metabolic activity of rutin and poncirin (distributed in many functional foods and herbal medicine) by 100 human stool specimens. The average α-L-rhamnosidase activities on the p-nitrophenyl-α-L-rhamnopyranoside, rutin, and poncirin subtrates were 0.10 ± 0.07, 0.25 ± 0.08, and 0.15 ± 0.09 pmol/min/mg, respectively. To investigate the enzymatic properties, α-L-rhamnosidase-producing bacteria were isolated from the specimens, and the α-L-rhamnosidase gene was cloned from a selected organism, Bifidobacterium dentium, and expressed in E. coli. The cloned α-L-rhamnosidase gene contained a 2,673 bp sequcence encoding 890 amino acid residues. The cloned gene was expressed using the pET 26b(+) vector in E. coli BL21, and the expressed enzyme was purified using Ni2+-NTA and Q-HP column chromatography. The specific activity of the purified α-L-rhamnosidase was 23.3 µmol/min/mg. Of the tested natural product constituents, the cloned α-L-rhamnosidase hydrolyzed rutin most potently, followed by poncirin, naringin, and ginsenoside Re. However, it was unable to hydrolyze quercitrin. This is the first report describing the cloning, expression, and characterization of α-L-rhamnosidase, a flavonoid rhamnoglycosidemetabolizing enzyme, from bifidobacteria. Based on these findings, the α-L-rhamnosidase of intestinal bacteria such as B. dentium seem to be more effective in hydrolyzing (1 →6) bonds than (1 →2) bonds of rhamnoglycosides, and may play an important role in the metabolism and pharmacological effect of rhamnoglycosides.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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