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초록
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생체에서의 황화수소는 의약 분야와 발효 산업에 있어서 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구에서는 Saccharomyces cerevisiae을 이용하여 기질인 L-cysteine과 $\beta$-mercaptoethanol로부터 $\beta$-replacement 반응에 인한 황화수소를 발생시킬 수 있는 효소를 간편하고 신속하게 동정하는 방법의 확립을 목적으로 하였다. 효소에 의해 발생된 황화수소와 Pb-acetate의 반응으로 생성된 Pb-S를 gel상에서 간편하게 확인한 후, 확인된 단백질들을 이온교환컬럼를 수행한 후 gel에서 추출하는 방법으로 MALDI-TOFMS의 시료를 간단히 얻을 수 있었다. PMF 방법과 MS/MS ion search 분석을 통해 간편하게 효모에서 황화수소를 형성할 가능성이 있는 세가지 단백질의 동정에 성공하였다. 이 세 가지 단백질은 CYS3, CYS4, MET17 유전자의 단백질로서 cystathionine $\gamma$-lyase, CBS, OASS 임이 밝혀졌다. 그리고 이 세 단백질들은 L-cysteine과 $\beta$-mercaptoethanol의 존재하에서 황화수소를 실제로 생성함을 확인하였다. 본 연구에서 표적의 물질을 생산하는 단백질들을 젤상에서의 활성측정과 MALDI-TOF MS를 이용하여 간단히 그리고 정확하게 동정하는 방법을 확립하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Hydrogen sulfide ($H_2S$) is a by-product of metabolism of amino acids including sulfur and alcoholic fermentation, it is generally thought of in terms of a poisonous gas. Though $H_2S$ can have a negative impact on the perceived quality of fermented drinks due to an undesirabl...

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문제 정의

  • 따라서 본 연구는 황화수소를 생성할 수 있는 단백질만을 선별하여 분석하고자 하였고, 황화수소를 생성할 수 있는 단백질의 동정에 관한 연구를 알코올성 발효에 사용되고, 인간과 상동성이 높은 효모 (S. cerevisiae) 기원의 단백질들을 이용하여 수행하였다(18, 19). 효모에서 황화수소를 생성할 수 있는 단백질들은 주로 보효소로서 pyridoxal 5' phosphate (PLP, 비타민 B6)를 함유하고 있다(5).
  • 또한 이와 더불어 황화수소를 생성할 수 있는 단백질 중 하나인 cystathionine γ-lyase (CYS3)도 동정 되어졌다. 본 연구에서 생체 내에서 중요한 역할을 하는 황화수소를 생성할 수 있는 단백질들을 신속하고 정확하게 동정하는 방법을 보고한다.
  • 본 연구에서는 Saccharomyces cerevisiae을 이용하여 기질인 L-cysteine과 β-mercaptoethanol로 부터 β-replacement 반응에 인한 황화수소를 발생시킬 수 있는 효소를 간편하고 신속하게 동정하는 방법의 확립을 목적으로 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
황화수소는 포유류의 뇌에서 어떻게 생성되는가? 황화수소 (H2S)는 주로 포유동물의 뇌에서, L-methionine에서 L-cysteine의 대사경로에서 cystathionie β-synthase (CBS)에 의해 L-cystathionine과 함께 생성되는 대사산물이며 비록 썩은 달걀 냄새를 내는 독성의 기체이지만, 포유동물의 뇌에서 신경조절 물질로서의 중요한 기능을 한다(1, 2). 또한 평활근의 이완제로서 기능을 하며, 포유동물의 뇌에서 황화수소의 낮은 농도와 몇몇 질병과의 연관성이 밝혀졌고, 특히 Alzheimer's disease 환자들의 뇌에서는 정상인들의 뇌에 비해서 낮은 수준의 황화수소가 발견되어지고, 이것이 병의 원인이 될 수 있다는 연구결과가 발표되면서 황화수소를 생성할 수 있는 단백질의 발견과 조절이 주목을 받고 있다(3).
황화수소를 생성할 수 있는 단백질들의 기존의 분석방법은? 이와 같이 의약 분야와 발효 산업에 있어서 중요한 역할을 하고 있는 황화수소를 생성할 수 있는 단백질들의 동정과 선별 그리고 조절에 관한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 단백질들의 기존의 분석방법은 2-dimensional 전기영동 분석을 통해 분리된 단백질의 spot들을 각각 MS분석을 하여 단백질들을 동정하였다. 이 분석방법은 관련 효소 외의 단백질 모두를 분석해야 하는 단점을 가지고 있다.
O-acetylserine sulfhydrylase는 어떤 효소인가? 또는 생화학적 접근 방법을 이용하여 황화수소를 생성할 수 있는 단백질들이 발견되어지고 있고(12), 이 중 많은 연구가 진행된 효소로 유전자 CYS4가 만드는 CBS와 유전자 MET17의 산물인 O-acetylserine sulfhydrylase (OASS)가 있다(13, 14). OASS는 O-acetylserine과 hydrosulfide ions (HS-)로부터 cysteine합성을 촉매하는 효소이며(15), 발효과정에서 황화수소 생성에 중요한 역할을 하는 효소로 알려져 왔다(7). 현재 이들 효소간의 상보성에 관한 연구와 효소 억제에 관한 연구, 그리고 유전자 조절 또는 변이를 통한 효소의 생성자체를 차단하거나 발현되는 효소양의 감소 또는 활성을 억제하는 연구들이 활발히 진행되고 있다(16, 17).
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참고문헌 (24)

  1. Kimura, H. (2002), Hydrogen sulfide as a neuromodulator, Mol. Neurobiol. 26(1), 13-19 

  2. Eto, K., T. Asada, K. Arima, T. Makifuchi, and H. Kimura (2002), Brain hydrogen sulfide is severely decreased in Alzheimer's disease, Biochem. Biophys. Res. Commun. 293(5), 1485-1488 

  3. Eto, K. and H. Kimura (2002), The production of hydrogen sulfide is regulated by testosterone and S-adenosyl-L-methionine in mouse brain, J. Neurochem. 83(1), 80-86 

  4. Chen, X., K. H. Jhee, and W. D. Kruger (2004), Production of the neuromodulator $H_2B$ by cystathionine ${\beta}$ -synthase via the condensation of cysteine and homocysteine, J. Biol. Chem. 279(50), 52082-52086 

  5. Jhee, K. H., H. N. Cho, S. A. Yang, and I. S. Lee (2007), Biochemical characteristics for the cofactor free mutant of yeast homocysteine catalyzing enzyme, cystathionine ${\beta}$ -synthase, Kor. J. Microbiol. Biotechnol. 35(3), 196-202 

  6. Shan, X. and W. D. Kruger (1998), Correction of disease-causing CBS mutation in yeast, Nat. Genet. 19, 91-93 

  7. Spiropoulos, A. and L. F. Bisson (2000), MET17 and hydrogen sulfide formation in Saccharomyces cerevisiae, Appl. Environ. Microbiol. 66(10), 4421-4426 

  8. Mendes-Ferreira, A., A. Mendes-Faia, and C. Leao (2004), Growth and fermentation patterns of Saccharomyces cerevisiae under different ammonium concentrations and its implications in winemaking industry, J. Applied Microbiology 97, 540-545 

  9. Matthews, A., A. Grimaldi, M. Walker, E. Bartowsky, P. Grbin, and V. Jiranek (2004), Lactic acid bacteria as a potential source of enzymes for use in vinification, Appl. Environ. Microbiol. 70(10), 5715-5731 

  10. Edwards, C. G. and J. C. Bohlscheid (2007), Impact of pantothenic acid addition on $H_2S$ production by Saccharomyces under fermentative conditions, Enzyme and Microbial Technology 41, 1-4 

  11. Linderholm, A. L., C. L. Findleton, G. Kumar, Y. Hong, and L. F. Bisson (2008), Identification of genes affecting hydrogen sulfide formation in Saccharomyces cerevisiae, Appl. Environ. Microbiol. 74(5), 1418-1427 

  12. Hansen, R., S. Y. Pearson, J. M. Brosnan, P. G. Meaden, and D. J. Jamieson (2006), Proteomic analysis of a distilling strain of Saccharomyces cerevisiae during industrial grain fermentation, Appl. Biochem. Biotech. 72, 116-125 

  13. Trabalzini, L., A. Paffetti, A. Scaloni, F. Talamo, E. Ferro, G. Coratza, L. Bovalini, P. Lusini, P. Martelli, and A. Santucci (2003), Proteomic response to physiological fermentation stresses in a wild-type wine strain of Saccharomyces cerevisiae, Biochem. J. 370, 35-46 

  14. Linderholm, A. L., T. L. Olineka, Y. Hong, and L. F. Bisson (2006), Allele diversity among genes of the sulfate reduction pathway in wine strains of Saccharomyces cerevisiae, Am. J. Enol. Vitic. 57(4), 431-440 

  15. Ono, B. I., T. Hazu, S. Yoshida, T. Kawato, S. Shinoda, J. Brzvwczy, and A. Paszewski (1999), Cysteine biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae: a new outlook on pathway and regulation, Yeast 15(13), 1365-1375 

  16. Swiegers, J. H. and I. S. Pretorius (2007), Modulation of volatile sulfur compounds by wine yeast, Appl. Microbiol. Biotechnol. 74, 954-960 

  17. D'Andrea, R., Y. Surdin-Kerjan, G. Pure, and H. Cherest (1987), Molecular genetics of met17 and met25 mutants of Saccharomyces cerevisiae: intragenic complementation between mutations of a single structural gene, Mol. Gen. Genet. 207, 165-170 

  18. Jhee, K. H., P. McPhie, and E. W. Miles (2000), Domain architecture of the heme-independent yeast cystathionine ${\beta}$ -synthase provides insights into mechanisms of catalysis and regulation, Biochemistry 39(34), 10548-10556 

  19. Kruger, W. D. and D. R. Cox (1994), A yeast system for expression of human cystathionine ${\beta}$ -synthase: structural and functional conservation of the human and yeast genes, Proc. Natl. Acad. Sci. 91, 6614-6618 

  20. Bradford, M. M. (1976), A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Analytical Biochemistry 72, 248-254 

  21. Muunchbach, M., M. Quadroni, G. Miotto, and P. James (2000), Quantitation and facilitated de novo sequencing of proteins by isotopic N-terminal labeling of peptides with a fragmentation-directing moiety, Anal. Chem. 72, 4047-4057 

  22. Yamagata S. (1976), O-Acetylserine and O-acetylhomoserine sulfhydrylase of yeast. Subunit structure, J. Biochem. 80(4), 787-797 

  23. Strambini, G. B., P. Cioni, and P. F. Cook (1996), Tryptophan luminescence as a probe of enzyme conformation along the O-acetylserine sulfhydrylase reaction pathway, Biochemistry 35(25), 8392-8400 

  24. Szabo, C. (2007), Hydrogen sulphide and its therapeutic potential, Nat. Rev. Drug. Discov. 6(11), 917-935 

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