KR102421107B1 - Acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus and variants thereof - Google Patents

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Abstract

바실러스 세레우스에서 유래한 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체로써, CoA의 아데닌 모이어티와 결합하는 부위에 위치한 세린, 아스파르트산, 또는 이들의 조합이 알라닌으로 치환된 아실-CoA 티오에스터라제 변이체가 개시된다.As a variant of acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus, acyl-CoA thioesterase variant in which serine, aspartic acid, or a combination thereof located at the binding site to the adenine moiety of CoA is substituted with alanine is initiated.

Description

바실러스 세레우스에서 유래한 ACT 및 이의 변이체{Acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus and variants thereof}ACT derived from Bacillus cereus and variants thereof {Acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus and variants thereof}

본 발명은 바실러스 세레우스에서 유래한 ACT 및 이의 변이체에 관한 것이다.The present invention relates to ACT derived from Bacillus cereus and variants thereof.

아실-CoA 티오에스터라제(Acyl-CoA thioesterase, 이하 ACT로 지칭할 수 있음)는 티오에스터 결합에서 황 원자와 카르보닐기 사이를 절단하여 지방산을 생산하는 효소이다.(도 1 참조) ACT는 세포내 CoA, 지방산, 및 아실-CoA의 농도를 조절하여 지질대사 및 세포 기능에 중요한 역할을 하며, 이의 서열은 박테리아, 곰팡이, 식물, 및 포유류에 걸쳐 고도로 보존(highly conserved)되어 있다. 나아가 아실-CoA는 이온 채널의 조절, 다양한 신호 전달 경로, 세포 내막의 신진(budding) 및 융합(fusion), 아세틸-CoA 카르복실라제 및 헥소키나제 IV와 같은 다양한 효소들의 알로스테릭 조절에 중요한 역할을 하므로, 생리학적으로 ACT의 역할은 매우 중요하다. Acyl-CoA thioesterase (Acyl-CoA thioesterase, hereinafter may be referred to as ACT) is an enzyme that produces fatty acids by cleaving between a sulfur atom and a carbonyl group in a thioester bond (see FIG. 1). ACT is an intracellular It plays an important role in lipid metabolism and cellular function by regulating the concentration of CoA, fatty acids, and acyl-CoA, the sequence of which is highly conserved across bacteria, fungi, plants, and mammals. Furthermore, acyl-CoA plays an important role in the regulation of ion channels, various signal transduction pathways, budding and fusion of the cell inner membrane, and allosteric regulation of various enzymes such as acetyl-CoA carboxylase and hexokinase IV. Therefore, physiologically, the role of ACT is very important.

ACT는 아미노산 서열 및 단백질 폴딩에 따라 크게 2개의 그룹으로 나뉜다. 유형 I(Type I) ACT는 α/β-hydrolase fold enzyme 슈퍼패밀리에 속하며 동물에서만 확인된다. 유형 I ACT는 N-terminal β-sandwich domain 및 C-terminal α/β-hydrolase domain을 가지고 있다. Ser294, Asp388, His422로 구성된 촉매 삼합체(triad)는 C-terminal α/β-hydrolase 도메인의 α-나선 및 β-가닥(β-strand)르르 연결하는 루프에 위치한다. ACT is largely divided into two groups according to amino acid sequence and protein folding. Type I ACT belongs to the α/β-hydrolase fold enzyme superfamily and is only found in animals. Type I ACTs have an N-terminal β-sandwich domain and a C-terminal α/β-hydrolase domain. A catalytic triad composed of Ser294, Asp388, and His422 is located in a loop connecting the α-helix and the β-strand of the C-terminal α/β-hydrolase domain.

이와 대조적으로, 유형 II ACT(type II ACT)는 핫도그-폴드 효소 슈퍼패밀리(hotdog-fold enzyme superfamily)에 속한다. 유형 II ACT는 박테리아, 진균, 및 식물을 포함한 다양한 유기체에 존재하며, 기질 결합 포켓(substrate-binding pocket) 및 촉매 잔기(catalytic residue)가 보존되지 않았기 때문에 다양한 촉매 잔기 및 메커니즘이 보고되었다. 유형 II ACT의 촉매 작용은 일반적으로 2개의 핫도그 도메인의 이량체화(dimerization)를 필요로 하며, 이량체 접점(dimeric interface)에 촉매 활성 부위가 위치한다. 흥미롭게도, ACT의 이중 핫도그 도메인(double hotdog domain)의 구성은 원핵 생물 및 진핵 생물에서 매우 다양하다. 원핵 생물은 주로 단일 폴리펩티드가 핫도그 도메인을 형성하며 동일한 2개의 폴리펩티드가 활성 이중 핫도그 도메인을 구성한다. 그러나 진핵 생물은 하나의 폴리펩티드가 서로 다른 2개의 핫도그 도메인을 형성한다. 이러한 이량체 조성의 차이는 이중 핫도그 도메인의 활성 부위 수를 결정한다. 원핵 생물의 ACT는 동종 육량체를 형성하는 반면, 진핵 생물은 이종 이량체의 삼량체를 형성한다. 원핵 생물은 하나의 이중 핫도그 도메인 당 2의 활성 부위를 갖는 반면, 진핵 생물은 하나의 이중 핫도그 도메인 당 1개의 활성 부위를 갖는다. In contrast, type II ACT belongs to the hotdog-fold enzyme superfamily. Type II ACT exists in a variety of organisms, including bacteria, fungi, and plants, and various catalytic residues and mechanisms have been reported because the substrate-binding pocket and catalytic residues are not conserved. Catalysis of type II ACT generally requires dimerization of two hot dog domains, with catalytically active sites located at the dimer interface. Interestingly, the composition of the double hotdog domain of ACT is highly variable in prokaryotes and eukaryotes. In prokaryotes, predominantly a single polypeptide forms a hot dog domain and the same two polypeptides constitute an active dual hot dog domain. However, in eukaryotes, one polypeptide forms two distinct hot dog domains. This difference in dimer composition determines the number of active sites in the dual hot dog domain. ACT in prokaryotes forms homohexamers, whereas eukaryotes form trimers in heterodimers. Prokaryotes have two active sites per one double hot dog domain, whereas eukaryotes have one active site per one double hot dog domain.

바실러스 세레우스(Bacilus cereus)는 그람 양성(Gram-positive), 통성 혐기성(facultative anaerobic), 포자 생성(spore-producing), 운동성(motile) 및 막대 모양(rod-shaped)의 박테리아이다. 바실러스 세레우스는 2개의 ACT(BC_5426 및 BC_2038) 유전자를 보유하고 있으며, 이중에서 BC_2038의 구조는 알려져 있다.(PDB code 1Y7U 참고) 그러나 BC_5426(이하 BcACT1으로 지칭할 수 있음)의 구조 및 이의 활성을 증가시킬 수 있는 변이체에 대해서는 알려져 있지 않다. Bacillus cereus is a Gram-positive, facultative anaerobic, spore-producing, motile and rod-shaped bacterium. Bacillus cereus has two ACT (BC_5426 and BC_2038) genes, among which the structure of BC_2038 is known (refer to PDB code 1Y7U). It is not known about variants capable of increasing it.

대한민국 공개공보 제10-2019-0141683호(2019.12.24)Republic of Korea Publication No. 10-2019-0141683 (2019.12.24)

일 구체예에 따르면, 바실러스 세레우스에서 유래한 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체로써, 촉매 활성이 증가한 변이체를 제공한다.According to one embodiment, as a variant of acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus, a variant having increased catalytic activity is provided.

일 양상은 바실러스 세레우스에서 유래한 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체로써, CoA의 아데닌 모이어티와 결합하는 부위에 위치한 세린, 아스파르트산, 또는 이들의 조합이 알라닌으로 치환된 아실-CoA 티오에스터라제 변이체를 제공한다. One aspect is a variant of acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus, in which serine, aspartic acid, or a combination thereof located at the binding site to the adenine moiety of CoA is substituted with alanine. Terase variants are provided.

상기 바실러스 세레우스(Bacillus cereus) 균주는 2개의 ACT 후보 유전자를 가지고 있으며, 본 발명자는 이 중 BC_5426으로부터 유형 II 아실-CoA 티오에스터라제를 발현함을 확인하였다. 상기 바실러스 세레우스는 ATCC 14579 균주일 수 있으며, atcc.org에서 누구나 분양받을 수 있다.The Bacillus cereus strain has two ACT candidate genes, and the present inventors confirmed that they express type II acyl-CoA thioesterase from BC_5426. The Bacillus cereus may be strain ATCC 14579, and anyone can receive it from atcc.org.

상기 바실러스 세레우스 유래 아실-CoA 티오에스터라제(BcACT1)의 단량체는 핫도그 폴딩 구조를 가지며, 3개의 이량체들이 결합된 육량체 구조를 형성하는 것으로 확인되었다. 일 실시예에 따르면, CoA의 아데닌 고리는 BcACT1의 결합 포켓 깊숙히 위치하며 Ser57, Asp62, 및 Arg152에 의해 안정화될 수 있다. 본 발명자는 CoA 결합과 관련된 잔기를 확인하기 위해 다양한 변이체를 제작하여 실험하던 중, CoA의 아데닌 고리를 안정화시키는 것으로 예상한 Ser57, Asp62를 알라닌으로 변이시키는 경우 오히려 활성이 증가함을 확인하였다. It was confirmed that the monomer of the Bacillus cereus-derived acyl-CoA thioesterase (BcACT1) has a hot dog folding structure, and forms a hexameric structure in which three dimers are bonded. According to one embodiment, the adenine ring of CoA is located deep in the binding pocket of BcACT1 and can be stabilized by Ser57, Asp62, and Arg152. The present inventors confirmed that the activity was rather increased when Ser57 and Asp62, which were expected to stabilize the adenine ring of CoA, were mutated to alanine during the experiment by producing various mutants to identify residues related to CoA binding.

일 구체예에 따르면, 상기 세린, 아스파르트산, 또는 이들의 조합은 CoA의 아데닌 모이어티와 상호작용하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the serine, aspartic acid, or a combination thereof may interact with the adenine moiety of CoA.

일 구체예에 따르면, 상기 아실-CoA 티오에스터라제는 서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 것일 수 있다. 상기 서열번호 1의 아미노산 서열은 바실러스 세레우스의 레퍼런스 균주인 ATCC 14579균주의 아실-CoA 티오에스터라제(BcACT1) 서열이다. According to one embodiment, the acyl-CoA thioesterase may consist of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1. The amino acid sequence of SEQ ID NO: 1 is an acyl-CoA thioesterase (BcACT1) sequence of strain ATCC 14579, which is a reference strain of Bacillus cereus.

일 구체예에 따르면, 상기 세린은 서열번호 1에서 57번째 세린일 수 있으며, 상기 아스파르트산은 서열번호 1에서 62번째 아스파르트산일 수 있다. According to one embodiment, the serine may be serine at position 57 in SEQ ID NO: 1, and the aspartic acid may be aspartic acid at position 62 in SEQ ID NO: 1.

상기 변이체는 당업계에 알려진 방법에 따라 부위 지정 돌연변이 또는 PCR에 의해 생성된 돌연변이 유발에 의해 제작할 수 있다.The mutant can be prepared by site-directed mutagenesis or mutagenesis generated by PCR according to methods known in the art.

다른 양상은 상기 아실-CoA 티오에스터라제 변이체를 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는 발현 벡터를 제공한다. Another aspect provides an expression vector comprising a polynucleotide encoding the acyl-CoA thioesterase variant.

상기 발현 벡터는 암호화된 단백질의 발현을 조절하는 프로모터(promoter)를 포함할 수 있다. 상기 프로모터는 예를 들면 tac 프로모터, lac 프로모터, lacUV5 프로모터, lpp 프로모터, pLλ프로모터, pRλ프로모터, rac5 프로모터, amp 프로모터, recA 프로모터, SP6 프로모터, trp 프로모터 또는 T7 프로모터일 수 있다. 상기 발현 벡터는 해독의 개시를 위한 RBS 및 전사/해독 종결 서열을 포함할 수 있다. 또한, 숙주 세포로서 E. coli가 이용되는 경우, E. coli 트립토판 생합성 경로의 프로모터 및 오퍼레이터 부위 그리고 파아지 λ의 좌향 프로모터 (pLλ 프로모터) 등을 조절 부위로서 포함할 수 있다.The expression vector may include a promoter for regulating the expression of the encoded protein. The promoter may be, for example, tac promoter, lac promoter, lacUV5 promoter, lpp promoter, pLλ promoter, pRλ promoter, rac5 promoter, amp promoter, recA promoter, SP6 promoter, trp promoter or T7 promoter. The expression vector may include RBS for initiation of translation and transcription/translation termination sequences. In addition, when E. coli is used as a host cell, the promoter and operator sites of the E. coli tryptophan biosynthetic pathway and the leftward promoter (pLλ promoter) of phage λ may be included as regulatory regions.

본 발명에 이용될 수 있는 벡터는 당업계에서 종종 사용되는 플라스미드 (예: pSC101, ColE1, pBR322, pUC8/9, pHC79, pUC19, pET 등), 파지 (예: λgt4λB, λ-Charon, λΔz1 및 M13 등) 또는 바이러스 (예: SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Vectors that can be used in the present invention include plasmids often used in the art (eg, pSC101, ColE1, pBR322, pUC8/9, pHC79, pUC19, pET, etc.), phages (eg, λgt4λB, λ-Charon, λΔz1 and M13). etc.) or a virus (eg, SV40, etc.), but is not limited thereto.

또 다른 양상은 상기 발현 벡터를 포함하는 형질전환 균주를 제공한다. Another aspect provides a transformed strain comprising the expression vector.

상기 균주는 아실-CoA 티오에스터라제 변이체 발현 벡터로 형질전환된 형질전환체일 수 있다. The strain may be a transformant transformed with an acyl-CoA thioesterase mutant expression vector.

상기 형질전환체를 제작하기 위한 숙주 세포는 당업계에 공지된 숙주 세포도 이용할 수 있으며, 예를 들어, E. coli JM109, E. coli BL21(DE3), E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 츄린겐시스, 바실러스 세레우스와 같은 바실러스 속 균주, 그리고 살모넬라 티피무리움, 세라티아 마르세슨스 및 다양한 슈도모나스 종과 같은 장내균과 균주 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As the host cell for producing the transformant, a host cell known in the art may be used, for example, E. coli JM109, E. coli BL21 (DE3), E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis, Bacillus genus strains such as Bacillus cereus, and Salmonella typhimurium, Serratia marcesens and various Pseudomonas species The same enterobacteriaceae and strains may be used, but the present invention is not limited thereto.

형질전환 과정에 있어서 벡터 등을 숙주 세포 내로 운반하는 방법으로는, CaCl2 방법 (Cohen, S.N. et al.,Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114(1973)), 하나한 방법 (Cohen, S.N. et al., Proc. Natl. Acac.Sci. USA, 9:2110-2114(1973); 및 Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580(1983)) 또는 전기 천공 방법을 이용할 수 있으나 특별히 한정되는 것은 아니다.As a method of transporting a vector or the like into a host cell in the transformation process, the CaCl2 method (Cohen, S.N. et al., Proc. Natl. Acac. Sci. USA, 9:2110-2114 (1973)), Hanhan method (Cohen, S.N. et al., Proc. Natl. Acac.Sci. USA, 9:2110-2114 (1973); and Hanahan, D., J. Mol. Biol., 166:557-580 (1983)) or An electroporation method may be used, but is not particularly limited.

상기 균주는 아실-CoA 티오에스터라제 변이체의 증가된 활성에 의해 다양한 용도를 가질 수 있다. 예를 들면 상기 형질전환 균주는 그 자체 또는 변이 도입에 의해 유리 지방산 생산이 증가함으로써 바이오연료, 계면활성제, 또는 생분해성 바이오 플라스틱 전구체 생산에 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The strain can have a variety of uses due to the increased activity of the acyl-CoA thioesterase variant. For example, the transformed strain may be used for biofuel, surfactant, or biodegradable bioplastic precursor production by increasing free fatty acid production by itself or by introducing a mutation, but is not limited thereto.

상기 형질전환 균주의 균주의 배양 조건은 숙주 세포에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 온도는 25 내지 40℃이고, pH는 6 내지 10인 것이 바람직하다.The culture conditions of the strain of the transformed strain may vary depending on the host cell, but in general, the temperature is 25 to 40 °C, and the pH is preferably 6 to 10.

일 구체예에 따른 바실러스 세레우스에서 유래한 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체는 WT보다 높은 활성을 가질 수 있다. The variant of acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus according to one embodiment may have higher activity than WT.

일 구체예에 따른 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체 발현 균주는 유리 지방산의 생산이 증가될 수 있다. The mutant expression strain of acyl-CoA thioesterase according to one embodiment may increase the production of free fatty acids.

도 1은 Acyl-CoA thioesterase의 효소 반응을 나타낸 것이다. Acyl-CoA에서 빨간색 선은 효소 반응이 발생하는 영역을 나타낸다.
도 2는 ACT의 아미노산 서열 정렬 결과를 나타낸 것이다. 2차 구조는 BcACT1 구조에 대한 것이다. 촉매 잔기는 빨간색 삼각형으로 표시하였다. CoA 결합에 관련된 잔기는 녹색 삼각형으로 표시하였다. 알라닌으로 돌연변이시 활성이 증가하는 잔기는 녹색 원형으로 표시하였다. 기질 결합시 구조적 변화를 겪는 β1-α1 연결루프와 뉴클레오티드 조절 메커니즘을 결정하는 추가 α2 나선은 각각 청록색과 노란색으로 표시하였다. BcACT1 및 BcACT2는 각각 Bacillus cereus ATCC 14579의 ACT1 및 ACT2를 나타낸다. SaACT 및 NmACT는 Staphylococcus aureus subsp. Aureus Mu50 및 Neisseria meningitides의 ACT를 나타낸다. MmACT_N 및 MmACT_C는 각각 Mus musculus 유래 ACT의 N-말단 도메인 및 C-말단 도메인을 나타낸다. HsACT_N 및 HsACT_C는 각각 호모 사피엔스 유래 ACT의 N-말단 도메인 및 C-말단 도메인을 나타낸다.
도 3은 BcACT1의 단량체(monomer) 구조이다. 2차 구조 요소는 서로 다른 색상으로 구별된다. 오른쪽 그림은 왼쪽 그림을 수평으로 90도 회전한 것이다.
도 4는 BcACT1의 올리고머 구조를 나타낸 것이다.
도 4A는 BcACT1의 육량체 구조이다. 6개 분자는 서로 다른 색상으로 구별하였다. BcACT1에 결합한 CoA는 자홍색 스틱 모델로 표시하였다.
도 4B는 BcACT1의 크기 배제 크로마토그래피 결과이다. a 내지 d는 각각 thyroglobulin (669 kDa), aldolase (158 kDa), conalbumin (75 kDa), 및 carbonic anhydrase (29 kDa)의 표준 샘플을 나타낸다.
도 4C는 BcACT1의 이량체 구조이다. 두 분자는 서로 다른 색상으로 구별된다. 결합된 CoA는 자홍색 스틱 모델로 표시하였다.
도 5는 BcACT1의 활성 부위를 나타낸 것이다.
도 5A는 BcACT1과 SaACT의 촉매 부위 구조를 중첩시켜 나타낸 것이다. BcACT1의 촉매 잔기는 청록색 막대, SaACT의 촉매 잔기는 주황색 막대로 표시하였다. BcACT1과 SaACT의 β1-α1 연결 루프는 각각 청록색과 주황색으로 표시하였다. BcACT1에 결합된 CoA 및 SaACT에 결합된 부티릴-CoA는 마젠타(magenta) 및 밝은 파란색의 스틱 모델로 표시하였다.
도 5B는 SaACT의 부티릴기 결합 포켓의 입구이다. SaACT 구조는 표면 모델(surface model)로 표시되며, β1-α1 연결 루프 영역은 오렌지색으로 표시하였다.
도 5C는 BcACT1의 부티릴기 결합 포켓의 입구이다. BcACT1 구조는 표면 모델로 표시되며 β1-α1 연결 루프 영역은 청록색(cyan)으로 표시하였다. 부티릴-CoA 분자는 SaACT 구조에서 유래되었으며 밝은 파란색으로 표시하였다.
도 5D는 BcACT1의 CoA 결합 방식을 나타낸 것이다. 각 단량체는 회색과 밝은 분홍색의 색상으로 구별된다. CoA 분자는 자홍색 스틱 모델로 표시된다. 회색 단량체의 잔기는 청록색으로 표시하고 밝은 분홍색 단량체의 잔기는 녹색으로 표시하였다. 수소 결합과 염다리는 빨간색 점선으로 표시하였다.
도 5E는 BcACT1의 부위 지정 돌연변이 유발 실험 결과이다. 실험은 3번 수행하였다.
도 5F는 BcACT1WT 및 3개의 BcACT1 변이체의 아데닌 결합 포켓을 나타낸 것이다. BcACT1 구조는 정전기 전위 표면 모델(electrostatic potential surface model)로 표시하였고, CoA는 마젠타 색상의 스틱 모델로 표시하였다. 세가지 변이체의 구조는 PyMOL을 사용하여 잔기를 돌연변이시킴으로써 준비하였다. Ser57 및 Asp62의 위치는 각각 노란색 및 빨간색 원으로 표시하였다.
도 6은 BcACT1의 뉴클레오티드 독립적 조절 여부를 확인한 결과이다.
도 6A는 다양한 농도의 GDP 또는 ADP를 추가하여 BcACT1의 활성을 확인한 결과이다. 실험은 3번 수행하였다.
도 6B 및 도 6C는 BcACT1에서 뉴클레오티드 결합의 차단을 나타낸 것이다. BcACT1의 구조는 도 6B에서 카툰 모델, 도 6C에서 표면 모델로 표시하였다. NmACT 구조는 BcACT1과 중첩하였으며, NmACT에 결합된 GDP 분자는 하늘색의 막대 모델로 표시하였다. NmACT의 뉴클레오티드 결합 부위에 위치한 잔기는 자홍색의 스틱 모델로 표시하였다. α2-나선은 청록색으로 표시하였다.
도 6D는 뉴클레오티드 독립적인 ACT 구조의 중첩결과이다. BcACT1, BcACT2, SaACT의 구조를 GDP가 결합된 NmACT 및 ADP가 결합된 HsACT와 중첩하였다. 결합된 GDP 및 ADP 분자는 각각 하늘색 및 오렌지색 막대 모델로 표시하였다. BcACT1, BcACT2, 및 SaACT1의 α2-나선은 각각 청록색, 녹색, 및 노란색으로 표시하였다.
도 6E는 뉴클레오티드 의존적인 ACT의 구조 중첩결과이다. NmACT, MnACT, HsACT의 구조가 중첩되었으며, 이들의 α2-나선은 각각 하늘색, 자홍색, 주황색으로 표시하였다.
도 6F는 NmACT 구조의 표면 모델이다. α2-나선은 밝은 파란색으로 표시하였다.
1 shows the enzymatic reaction of Acyl-CoA thioesterase. In Acyl-CoA, the red line indicates the region where the enzymatic reaction occurs.
Figure 2 shows the amino acid sequence alignment results of ACT. The secondary structure is for the BcACT1 structure. Catalyst residues are indicated by red triangles. Residues involved in CoA binding are indicated by green triangles. Residues with increased activity upon mutation to alanine are indicated by green circles. The β1-α1 linkage loop, which undergoes conformational changes upon substrate binding, and the additional α2 helix, which determines the mechanism of nucleotide regulation, are shown in cyan and yellow, respectively. BcACT1 and BcACT2 represent ACT1 and ACT2 of Bacillus cereus ATCC 14579, respectively. SaACT and NmACT are from Staphylococcus aureus subsp. ACT of Aureus Mu50 and Neisseria meningitides is shown. MmACT_N and MmACT_C represent the N-terminal domain and C-terminal domain of ACT derived from Mus musculus, respectively. HsACT_N and HsACT_C represent the N-terminal domain and C-terminal domain of ACT derived from Homo sapiens, respectively.
3 is a monomer (monomer) structure of BcACT1. The secondary structural elements are distinguished by different colors. The picture on the right is a horizontal rotation of the picture on the left by 90 degrees.
4 shows the oligomeric structure of BcACT1.
4A is a hexameric structure of BcACT1. Six molecules were distinguished by different colors. CoA bound to BcACT1 is indicated by the magenta stick model.
4B is a size exclusion chromatography result of BcACT1. a to d show standard samples of thyroglobulin (669 kDa), aldolase (158 kDa), conalbumin (75 kDa), and carbonic anhydrase (29 kDa), respectively.
4C is a dimer structure of BcACT1. The two molecules are distinguished by different colors. Bound CoA is represented by the magenta stick model.
5 shows the active site of BcACT1.
Figure 5A shows the overlapping structure of the catalytic site of BcACT1 and SaACT. The catalytic residue of BcACT1 is indicated by a cyan bar, and the catalytic residue of SaACT is indicated by an orange bar. The β1-α1-connected loops of BcACT1 and SaACT are shown in blue-green and orange, respectively. CoA bound to BcACT1 and butyryl-CoA bound to SaACT were indicated by stick models in magenta and light blue.
Figure 5B is the entrance to the butyryl group binding pocket of SaACT. The SaACT structure is shown as a surface model, and the β1-α1 linked loop region is shown in orange.
Figure 5C is the entrance to the butyryl group binding pocket of BcACT1. The BcACT1 structure is shown as a surface model, and the β1-α1 linked loop region is shown in cyan. The butyryl-CoA molecule is derived from the SaACT structure and is shown in light blue.
5D shows the CoA binding method of BcACT1. Each monomer is distinguished by its gray and light pink colors. CoA molecules are represented by the magenta stick model. Residues of gray monomers are shown in cyan and residues of light pink monomers are shown in green. Hydrogen bonds and salt bridges are indicated by red dotted lines.
5E is a result of a site-directed mutagenesis experiment of BcACT1. The experiment was performed three times.
5F shows the adenine binding pockets of BcACT1 WT and three BcACT1 variants. The structure of BcACT1 was represented by an electrostatic potential surface model, and CoA was represented by a stick model of magenta color. The structures of the three variants were prepared by mutating the residues using PyMOL. The positions of Ser57 and Asp62 are indicated by yellow and red circles, respectively.
6 is a result of confirming whether or not the nucleotide-independent regulation of BcACT1.
6A is a result confirming the activity of BcACT1 by adding various concentrations of GDP or ADP. The experiment was performed three times.
6B and 6C show blockade of nucleotide binding in BcACT1. The structure of BcACT1 is shown as a cartoon model in FIG. 6B and a surface model in FIG. 6C. The NmACT structure overlapped with BcACT1, and the GDP molecule bound to NmACT is indicated by a light blue bar model. Residues located at the nucleotide binding site of NmACT are indicated by a magenta stick model. The α2-helix is indicated in cyan.
6D is a result of overlapping nucleotide-independent ACT structures. The structures of BcACT1, BcACT2, and SaACT were overlapped with GDP-coupled NmACT and ADP-coupled HsACT. Combined GDP and ADP molecules are represented by light blue and orange bar models, respectively. The α2-helices of BcACT1, BcACT2, and SaACT1 are indicated in cyan, green, and yellow, respectively.
6E is a structural overlap result of nucleotide-dependent ACT. The structures of NmACT, MnACT, and HsACT were superimposed, and their α2-helices were indicated in light blue, magenta, and orange, respectively.
6F is a surface model of the NmACT structure. The α2-helix is shown in light blue.

이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, one or more specific embodiments will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes of one or more embodiments, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실험방법Experimental method

1. BcACT1 준비1. BcACT1 Preparation

BcACT1 유전자는 바실러스 세레우스(Bacillus cereus ATCC 14579)의 염색체 DNA를 주형으로 PCR로 증폭하였다. PCR 산물을 pET30a 발현 벡터에 클로닝하였다. pET30a:BcACT1 벡터를 E.coli 균주 BL21(DC3)-T1R에 도입하여 형질전환하고, 37℃에서 카나마이신을 함유한 0.5L의 terrific broth medium에서 배양하였다. OD600이 1.0에 도달하였을 때, 0.5mM IPTG를 첨가하여 BcACT1 단백질 발현을 유도하였다. 18℃에서 20시간 후, 20℃에서 15분 동안 4000xg로 원심분리하여 세포를 수확하였다. 세포 펠렛을 완충액 A(40mM Tris-HCl, pH 8.0)에 재현탁하고 초음파처리(ultrasonication)하여 파괴하였다. 13000xg에서 30분 동안 원심분리하여 세포 파편(debris)를 제거하고, 용해물을 완충액 A(buffer A) 및 평형화된 Ni-NTA 아가로스 컬럼(Quiagen)에 적용하였다. 25mM 이미다졸이 포함된 완충액 A로 세척한 후, 결합 단백질을 완충액 B(40mM Tris-HCl, pH 8.0 및 300mM 이미다졸)로 용리시켰다. 마지막으로 완충액 A 및 평형화된 HiPrep 26/60 Sephacryl S-300 HR 컬럼(320mL, GE Healthcare Life science)을 사용하여 크기 배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography)로 미량의 오염 물질을 제거하였다. 모든 정제 실험은 4℃에서 수행되었다. The BcACT1 gene was amplified by PCR using the chromosomal DNA of Bacillus cereus ATCC 14579 as a template. The PCR product was cloned into the pET30a expression vector. The pET30a:BcACT1 vector was introduced into the E. coli strain BL21(DC3)-T1 R for transformation, and cultured in 0.5L terrific broth medium containing kanamycin at 37°C. When the OD 600 reached 1.0, 0.5 mM IPTG was added to induce BcACT1 protein expression. After 20 hours at 18°C, cells were harvested by centrifugation at 4000xg at 20°C for 15 minutes. The cell pellet was resuspended in Buffer A (40 mM Tris-HCl, pH 8.0) and disrupted by sonication. Cell debris was removed by centrifugation at 13000xg for 30 minutes, and the lysate was applied to buffer A and an equilibrated Ni-NTA agarose column (Quiagen). After washing with buffer A containing 25 mM imidazole, the binding protein was eluted with buffer B (40 mM Tris-HCl, pH 8.0 and 300 mM imidazole). Finally, trace contaminants were removed by size-exclusion chromatography using Buffer A and an equilibrated HiPrep 26/60 Sephacryl S-300 HR column (320 mL, GE Healthcare Life science). All purification experiments were performed at 4°C.

2. BcACT1의 결정화(Crystallization)2. Crystallization of BcACT1

정제된 BcACT1의 결정화는 Index, PEG ion I and II (Hampton Research), 및 Wizard Classic I and II (Rigaku Reagents)를 포함한 희소행렬 스크린(sparse-matrix screens)로 수행하였다. 시팅드롭 증기확산법(sitting-drop vapor-diffusion method)는 20℃에서 수행하였다. 각 실험은 1.0 ㎕ 단백질 용액(40mM Tris-HCl, pH 8.0에서 51.8mg / ml)을 1.0 ㎕ 저장소 용액(reservoir solution)과 혼합하고 500 ㎕ 저장소 용액에 대해 평형화하는 것으로 구성하였다. BcACT1 결정은 여러 결정화 스크리닝 조건에서 관찰되었다. 결정 개선(crystal improvement)을 위해 행잉드롭 증기확산법(hanging-drop vapor-diffusion method)를 사용하여 여러 단계를 수행한 결과, 0.49 M sodium phosphate monobasic monohydrate 및 0.91 M potassium phosphate dibasic에서 최고 품질의 결정을 얻을 수 있었다. Crystallization of purified BcACT1 was performed with sparse-matrix screens including Index, PEG ion I and II (Hampton Research), and Wizard Classic I and II (Rigaku Reagents). A sitting-drop vapor-diffusion method was performed at 20 °C. Each experiment consisted of mixing 1.0 μl protein solution (51.8 mg/ml at 40 mM Tris-HCl, pH 8.0) with 1.0 μl reservoir solution and equilibrating against 500 μl reservoir solution. BcACT1 crystals were observed under several crystallization screening conditions. Following several steps using the hanging-drop vapor-diffusion method for crystal improvement, the highest quality crystals were obtained in 0.49 M sodium phosphate monobasic monohydrate and 0.91 M potassium phosphate dibasic. could

3. BcACT1의 구조 결정(structure determination)3. BcACT1 structure determination (structure determination)

BcACT1의 결정(crystal)을 동결보호제(cryo-protectant)로 옮겼다. 결정(crystal)을 결정보다 큰 루프를 사용하여 수확하고, 영하 173℃의 질소에서 급속 냉동하였다. Crystals of BcACT1 were transferred to a cryo-protectant. Crystals were harvested using loops larger than crystals and flash frozen in nitrogen at -173°C.

데이터는 Quantum 270 CCD 검출기 (ADSC, USA)를 사용하여 Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Pohang, Korea) 의 7A 빔라인에서 2.89Å의 해상도로 수집하였다. 모든 데이터는 HKL-2000 소프트웨어 패키지를 사용하여 인덱싱, 통합 및 확장되었다. Data were collected at a resolution of 2.89 Å on the 7A beamline of the Pohang Accelerator Laboratory (PAL, Pohang, Korea) using a Quantum 270 CCD detector (ADSC, USA). All data were indexed, consolidated and expanded using the HKL-2000 software package.

BcACT1의 결정은 단위 셀 매개 변수(unit cell parameter) a = 78.685Å , b = 78.685 Å, c = 215.63 Å, α = 90°, β = 90° 및 γ = 120° 인 공간 그룹 P 31에 속했다. 비대칭 단위(asymmetric unit)당 6 개의 BcACT1 분자를 가정할 때 단백질 질량 단위당 결정 부피는 3.37 Å3 Da-1였으며, 용매 함량이 63.50%임을 나타내었다. BcACT1의 구조는 Bacillus cereus ATCC 14579 (PDB 코드 1Y7U)의 또 다른 Acyl-CoA 티오에스테라제의 구조를 검색 모델로 사용하여 MOLREP의 CCP4 버전으로 분자 대체하여 결정되었다. WinCoot 프로그램을 사용하여 수동으로 모델 구축을 수행하고 CCP4 refmac5에서 개선을 수행했다. 데이터 통계는 하기 표 1에 기재되어 있다. 정제된 모델은 Protein Data Bank에 7CZ3의 PDB 코드로 기탁하였다.The crystals of BcACT1 belonged to spatial group P 31 with unit cell parameters a = 78.685 Å , b = 78.685 Å , c = 215.63 Å , α = 90°, β = 90° and γ = 120°. Assuming 6 BcACT1 molecules per asymmetric unit, the crystal volume per protein mass unit was 3.37 Å 3 Da −1 , indicating a solvent content of 63.50%. The structure of BcACT1 was determined by molecular replacement of the CCP4 version of MOLREP using the structure of another Acyl-CoA thioesterase from Bacillus cereus ATCC 14579 (PDB code 1Y7U) as a search model. I used the WinCoot program to manually build the model and made improvements in CCP4 refmac5. Data statistics are presented in Table 1 below. The purified model was deposited with the Protein Data Bank as a PDB code of 7CZ3.

Figure 112020117713376-pat00001
Figure 112020117713376-pat00001

4. BcACT1의 크기 배제 크로마토그래피 분석4. Size exclusion chromatography analysis of BcACT1

BcACT1의 올리고머 상태를 확인하기 위해 40mM Tris-HCl, pH 8.0 및 150mM NaCl로 평형화된 Super growth 200 10/300 GL 컬럼 (GE Healthcare Life Sciences)을 사용하여 분석 크기 배제 크로마토 그래피를 수행했다. 농도가 1 mg/ml인 단백질 샘플 1ml를 분석에 사용하였다. 용출된(eluted) BcACT1 샘플의 분자량을 계산하기 위해, 검량선(calibration curve)은 표준 샘플로써 티로글로불린(thyroglobulin, 669 kDa), 알돌라제(aldolase, 158 kDa), 콘알부민(conalbumin, 75 kDa) 및 탄산 무수화 효소 carbonic anhydrase, 29 kDa) (GE Healthcare Life Sciences)을 사용하여 그려졌다.To confirm the oligomeric state of BcACT1, analytical size exclusion chromatography was performed using a Super growth 200 10/300 GL column (GE Healthcare Life Sciences) equilibrated with 40 mM Tris-HCl, pH 8.0 and 150 mM NaCl. 1 ml of protein sample with a concentration of 1 mg/ml was used for analysis. To calculate the molecular weight of the eluted BcACT1 sample, a calibration curve was used as a standard sample for thyroglobulin (669 kDa), aldolase (158 kDa), and conalbumin (75 kDa). and carbonic anhydrase, 29 kDa) (GE Healthcare Life Sciences).

5. BcACT1의 활성 분석5. BcACT1 Activity Assay

Quick Change Kit (Stratagene)를 사용하여 부위 특이적 돌연변이(site-specific mutation)를 생성하고, 돌연변이의 정확한 통합을 확인하기 위해 서열 결정(sequencing)을 수행했다. 돌연변이 단백질은 야생형 BcACT1과 동일한 방식으로 정제하였다. 아실-CoA 티오에스테라제는 기질로써 아실-CoA를 촉매하여 지방산과 유리 CoA(free CoA)를 형성한다. BcACT1의 활성은 5,5'-dithiobis-2-nitrobenzoic acid(DTNB, Ellman의 시약)의 반응을 사용하여 측정되었다. DTNB는 유리 CoA와 반응하여 412 nm에서 빛을 흡수하는 5-thio-2-nitrobenzoate를 생성한다. 활성 분석은 총 부피 500μL의 반응 혼합물로 실온에서 수행하였다. 반응 혼합물은 0.1M 인산나트륨, pH 7.4, 1mM 아세틸-CoA 및 1mM DTNB를 포함하였다. 반응은 야생형 또는 돌연변이 BcACT1 단백질을 최종 농도 2μM으로 첨가하여 시작되었다. GDP 또는 ADP를 추가한 분석은 반응 혼합물에 다양한 농도의 GDP 또는 ADP를 포함하는 점을 제외하면 상술한 방법과 동일하게 수행하였다.Site-specific mutations were generated using the Quick Change Kit (Stratagene) and sequencing was performed to confirm the correct integration of the mutations. The mutant protein was purified in the same manner as wild-type BcACT1. Acyl-CoA thioesterase catalyzes acyl-CoA as a substrate to form free CoA (free CoA) with fatty acids. The activity of BcACT1 was measured using the reaction of 5,5'-dithiobis-2-nitrobenzoic acid (DTNB, Ellman's reagent). DTNB reacts with free CoA to form 5-thio-2-nitrobenzoate, which absorbs light at 412 nm. Activity assays were performed at room temperature with a total volume of 500 μL of the reaction mixture. The reaction mixture contained 0.1 M sodium phosphate, pH 7.4, 1 mM acetyl-CoA and 1 mM DTNB. Reactions were started by adding wild-type or mutant BcACT1 protein to a final concentration of 2 μM. Analysis with GDP or ADP added was performed in the same manner as described above, except that various concentrations of GDP or ADP were included in the reaction mixture.

실시예 1: BcACT1의 전체 구조Example 1: Overall structure of BcACT1

BcACT1 의 분자 메커니즘을 이해하기 위해 2.89Å 해상도에서 결정(crystal) 구조를 결정(determine)하였다. BcACT1의 전체 구조는 Bacillus cereus ACT2(BcACT2, PDB code 1Y7U), Staphylococcus aureus subsp. Aureus Mu50 ACT(SaACT, PDB code 5EGL), Neisseria meningitidis ACT(NmACT, PDB code 5V3A), Mus musculus ACT(MmACT, PDB code 2Q2B and 2V1O) 및 Homo sapiens ACT(HsACT, PDB code 4MOB) 와 같은 다양한 유기체의 유형 II(type II) acyl-CoA thioesterases의 구조와 유사하였다. (도 2) To understand the molecular mechanism of BcACT1, the crystal structure was determined at a resolution of 2.89 Å. The overall structure of BcACT1 is Bacillus cereus ACT2 (BcACT2, PDB code 1Y7U), Staphylococcus aureus subsp. Aureus Mu50 ACT (SaACT, PDB code 5EGL), Neisseria meningitidis ACT (NmACT, PDB code 5V3A), Mus musculus ACT (MmACT, PDB code 2Q2B and 2V1O) and Homo sapiens ACT (HsACT, PDB code 4MOB) of various organisms The structure was similar to that of type II acyl-CoA thioesterases. (Fig. 2)

BcACT1의 단량체 구조는 핫도그와 같은 구조를 나타내며 중앙 α나선(α-helix) (α1)과 α-나선을 둘러싼 5 가닥 역평행(antiparallel) β-시트(β-sheet) (β1-β5)로 구성된다.(도 3 참조) 형태를 보면 α-helix는 핫도그 소시지로, β-sheet는 빵(bun)으로 비유될 수 있다. 또한 BcACT1은 C-말단에 추가적인 α-나선(α2)을 가지고 있다. α2 나선은 β-시트의 반대편에 위치하며 접시와 같은 구조를 나타낸다. 상기 구조 분석을 통해 BcACT1이 유형 II 아실-CoA 티오에스테라제에 속하는 것을 확인했다.The monomeric structure of BcACT1 exhibits a hot dog-like structure and consists of a central α-helix (α1) and a 5-stranded antiparallel β-sheet (β1-β5) surrounding the α-helix. (See Fig. 3) In terms of shape, α-helix can be compared to a hot dog sausage, and β-sheet can be compared to a bun. BcACT1 also has an additional α-helix (α2) at the C-terminus. The α2 helix is located opposite the β-sheet and exhibits a dish-like structure. The structural analysis confirmed that BcACT1 belongs to type II acyl-CoA thioesterase.

결정의 비대칭 단위(asymmetric unit of crystal)는 6 개의 BcACT1 분자를 포함하고 3 개의 이량체(dimer)들의 삼량체(trimer)로 구성된 육량체(hexameric) 구조를 형성한다(도 4A). 용액에서 BcACT1의 올리고머 구조를 확인하기 위해 분석 크기 배제 크로마토그래피를 수행했다. 용출된 단백질은 약 108.07 kDa의 분자량을 나타냈으며, 이는 BcACT1이 용액에서 6 량체로 존재함을 의미한다(도 4B). 이량체의 경우, 각 단량체의 β2 및 β2-β3 연결 루프(connecting loop) 및 중앙 α-나선(α1)는 이중 핫도그 도메인(double hotdog domain)의 주요한 구조인 것으로 확인되었다.(도 4C) 또한, 각 β2의 주쇄(main chain) 및 β2와 β3를 연결하는 루프 사이의 이량체 접점(interface)에는 2 개의 염 다리(salt bridge)와 6 개의 수소 결합이 형성되었다. 3 개의 이량체의 삼량체에서 2 개의 이중 핫도그 도메인 사이의 접점(interface)에는 3 개의 염다리와 3 개의 수소 결합이 형성되었다.The asymmetric unit of crystal contains six BcACT1 molecules and forms a hexameric structure consisting of a trimer of three dimers (FIG. 4A). Analytical size exclusion chromatography was performed to confirm the oligomeric structure of BcACT1 in solution. The eluted protein showed a molecular weight of about 108.07 kDa, indicating that BcACT1 was present as a hexamer in solution (Fig. 4B). In the case of the dimer, the β2 and β2-β3 connecting loops and central α-helix (α1) of each monomer were confirmed to be the main structures of the double hotdog domain (Fig. 4C). Two salt bridges and six hydrogen bonds were formed at the dimer interface between the main chain of each β2 and the loop connecting β2 and β3. Three salt bridges and three hydrogen bonds were formed at the interface between the two double hot dog domains in the trimer of the three dimers.

실시예 2: BcACT1의 활성 부위 Example 2: Active site of BcACT1

정제 및 결정화 과정에서 추가 화학 화합물이 추가되지 않았음에도 강한 CoA 전자맵(electronic map)이 관찰되어 효소의 활성 부위를 추측할 수 있었다. MmACT는 25 개의 ACT 계열 중 TE6 계열에 속하며 효소 촉매 작용을 위해 Asn 및 Asp 잔기를 사용하는 것으로 보고되었다. CoA와 결합된 BcACT1의 구조는 결합된 CoA 분자의 티올 그룹 근처에 Asn23 및 Asp38 잔기를 포함한다. (도 5A) 따라서 BcACT1의 효소 촉매 작용이 MmACT에서와 동일한 방식으로 발생할 수 있으므로 BcACT1도 TE6 계열에 속할 가능성이 있다. Asn23 및 Asp38 잔기와 효소 촉매 작용의 관련성을 확인하기 위해 앞서 상기 두 잔기를 알라닌으로 대체하였다. 이들 변이체의 효소 활성을 야생형과 비교했을 때, BcACT1N23A 및 BcACT1D38A 변이체는 모두 효소 활성의 완전한 손실을 나타냈다. (도 5E) 이 두 잔기는 BcACT2, SaACT, NmACT 및 HsACT와 같은 다른 구조적으로 유사한 아실-CoA 티오에스테라제에서도 보존되어 있다. 따라서 BcACT1은 TE6 계열에 속하는 것으로 확인되었다. (도 2 참조)Although no additional chemical compound was added during purification and crystallization, a strong CoA electronic map was observed, allowing us to guess the active site of the enzyme. MmACT belongs to the TE6 family of 25 ACT families and has been reported to use Asn and Asp residues for enzymatic catalysis. The structure of BcACT1 bound to CoA includes Asn23 and Asp38 residues near the thiol group of the bound CoA molecule. (FIG. 5A) Therefore, it is possible that the enzymatic catalysis of BcACT1 can occur in the same way as in MmACT, so it is possible that BcACT1 also belongs to the TE6 family. In order to confirm the relationship between Asn23 and Asp38 residues and enzyme catalysis, the above two residues were substituted with alanine. When the enzymatic activity of these variants was compared with the wild type, both BcACT1N23A and BcACT1D38A mutants showed complete loss of enzymatic activity. (FIG. 5E) These two residues are also conserved in other structurally similar acyl-CoA thioesterases such as BcACT2, SaACT, NmACT and HsACT. Therefore, it was confirmed that BcACT1 belongs to the TE6 family. (See Fig. 2)

실시예 3: BcACT1의 기질 결합 부위(substrate binding site) Example 3: BcACT1 substrate binding site

BcACT1의 아실기 결합 포켓을 식별하기 위해 CoA 분자와 복합체를 이룬 BcACT1 구조를 butyryl-CoA와 복합체를 이룬 SaACT 구조와 중첩시켰다. CoA의 티올 그룹은 BcACT1 구조의 내부를 향하는 반면, 부티릴 그룹은 SaACT에서 바깥쪽으로 향한다.(도 5A) 이 차이는 BcACT1에 결합된 리간드에 아실 그룹이 없기 때문이라고 생각하며, BcACT1에서 기질에 아실 그룹이 있다면 SaACT에서와 유사한 방식으로 위치할 수 있을 것으로 예상된다.To identify the acyl group binding pocket of BcACT1, the BcACT1 structure complexed with a CoA molecule was superimposed with the SaACT structure complexed with butyryl-CoA. The thiol group of CoA faces inward of the BcACT1 structure, whereas the butyryl group faces outward in SaACT (Fig. 5A). This difference is thought to be due to the absence of an acyl group in the ligand bound to BcACT1, and in BcACT1, the acyl group on the substrate If there is a group, it is expected that it can be positioned in a manner similar to that in SaACT.

흥미롭게도, 부티릴기가 위치한 β1과 α1 사이의 연결 고리에서 큰 구조적 차이가 관찰되었다.(도 5A) SaACT의 상기 영역(부티릴기가 위치한 β1과 α1 사이의 연결 고리)의 형태는 부티릴-CoA 결합 포켓이 단백질 외부에서 넓게 열리도록 한다. (도 5B) 이에 따라 SaACT는 포켓에 더 긴 사슬을 가진 아실-CoA를 수용하여 기질로 사용할 수 있다고 추측된다. 대조적으로, BcACT1의 해당 영역은 SaACT의 영역과 4.2Å (도 5A)만큼 떨어져 위치하여 닫힌 아실 그룹 결합 포켓(도 5C)이 생성된다. 그러나 BcACT1과 SaACT 영역을 구성하는 잔류물은 서로 매우 보존되어 있으며 (도 2), BcACT1 영역의 b-factor는 평균 b-factor보다 상대적으로 높다. 이러한 관찰을 기반으로 예측건데, BcACT1 및 SaACT는 기질 결합시 아실-CoA 결합 포켓에서 개방-폐쇄 형태 변화를 가질 수 있다.Interestingly, a large structural difference was observed in the linkage between β1 and α1 in which the butyryl group is located (Fig. 5A). The conformation of this region of SaACT (the linkage between β1 and α1 in which the butyryl group is located) is butyryl-CoA Allows the binding pocket to open wide outside the protein. (FIG. 5B) Accordingly, it is speculated that SaACT can accept acyl-CoA with a longer chain in its pocket and use it as a substrate. In contrast, the corresponding region of BcACT1 is located 4.2 Å (Fig. 5A) apart from that of SaACT, resulting in a closed acyl group binding pocket (Fig. 5C). However, residues constituting the BcACT1 and SaACT regions are highly conserved with each other (Fig. 2), and the b-factor of the BcACT1 region is relatively higher than the average b-factor. Based on these observations, it is predicted that BcACT1 and SaACT may have open-closed conformational changes in the acyl-CoA binding pocket upon substrate binding.

CoA 결합 부위는 BcACT1 이합체의 경계면(interface of the BcACT1 dimer)에 위치한다. 도 5D에 따르면, 이합체에서 하나의 단량체가 주로 부위(site)의 형성에 기여하고 다른 단량체는 구조적 보조(structural assistance)를 제공한다. CoA의 판토텐산 모이어티는 대부분 효소의 주쇄와 수소 결합하여 안정화되는 반면, 이인산(diphosphate) 모이어티는 Arg152 잔기와 수소 결합을 형성한다. Deoxyribose phosphate 모이어티는 주쇄의 Lys84 뿐만 아니라 측쇄의 Ser85 및 Ser86과 강력한 수소 결합 네트워크를 형성한다. 또한, 아데닌 링은 포켓 깊숙이 위치하며 측쇄의 Ser57, Asp62 및 Arg152 에 의해 안정화된다. CoA 결합에 관련된 대부분의 잔기는 Asp62 잔기를 제외하고 하나의 단량체에 의해 제공된다. The CoA binding site is located at the interface of the BcACT1 dimer. According to FIG. 5D, in the dimer, one monomer mainly contributes to the formation of sites and the other monomer provides structural assistance. The pantothenic acid moiety of CoA is mostly stabilized by hydrogen bonding with the main chain of the enzyme, whereas the diphosphate moiety forms a hydrogen bond with the Arg152 residue. The deoxyribose phosphate moiety forms a strong hydrogen bond network with Lys84 of the main chain as well as Ser85 and Ser86 of the side chain. In addition, the adenine ring is located deep in the pocket and is stabilized by Ser57, Asp62 and Arg152 of the side chains. Most of the residues involved in CoA binding are provided by one monomer with the exception of the Asp62 residue.

CoA 결합에 관련된 잔기를 확인하기 위해 위에서 언급한 잔기를 알라닌으로 대체하고 변이체의 활성을 야생형의 활성과 비교하였다. 도 5E에 따르면, BcACT1 S85A, BcACT1 S86A 및 BcACT1 R152A 변이체는 활성이 극적으로 감소하거나 거의 완전한 손실을 나타냈으며, 상기 잔기들이 이인산염 및 인산염 부분의 안정화에 중요하다는 것을 확인했다. 대조적으로, Lys84에서 알라닌으로의 변이는 효소 활성에 영향을 미치지 않았으므로 Lys84의 측쇄가 인산염 부분의 안정화에 관여하지 않는다는 결론을 내렸다. 놀랍게도 BcACT1 S57A 및 BcACT1 D62A 변이체는 BcACT1 WT에 비해 극적으로 증가된 활성(각각 약 5 배 및 9 배)을 나타내었다. Ser57 및 Asp62 잔기를 알라닌으로 대체하면 구조적으로 아데닌 고리에 대한 결합 부위가 최적화되었을 수 있다(도 5F). To identify residues involved in CoA binding, the above-mentioned residues were replaced with alanine, and the activity of the mutant was compared with that of the wild type. According to Figure 5E, BcACT1 S85A, BcACT1 S86A and BcACT1 R152A mutants showed a dramatic decrease or almost complete loss of activity, confirming that these residues are important for stabilization of the diphosphate and phosphate moieties. In contrast, the Lys84 to alanine mutation did not affect the enzyme activity, thus concluding that the side chain of Lys84 is not involved in the stabilization of the phosphate moiety. Surprisingly, the BcACT1 S57A and BcACT1 D62A mutants exhibited dramatically increased activity (approximately 5-fold and 9-fold, respectively) compared to BcACT1 WT. Replacing the Ser57 and Asp62 residues with alanine may structurally optimize the binding site for the adenine ring ( FIG. 5F ).

상기 BcACT1 S57A 및 BcACT1 D62A 두 변이의 조합이 효소 활동에 어떻게 영향을 미치는지 조사하였다. 도 5E에 따르면, BcACT1 S57A/D62A 변이체는 BcACT1WT에 비해 활성이 10 배 증가하였으며, 이는 Ser57 및 Asp62 잔기의 이중 돌연변이가 아데닌 고리 결합 부위의 최적화에서 시너지 효과를 가져 왔음을 시사한다. (도 5F 참조)How the combination of the two mutations BcACT1 S57A and BcACT1 D62A affects enzyme activity was investigated. According to Fig. 5E, the BcACT1 S57A/D62A mutant showed a 10-fold increase in activity compared to BcACT1WT, suggesting that double mutation of Ser57 and Asp62 residues resulted in a synergistic effect in the optimization of the adenine ring binding site. (See Fig. 5F)

실시예 4: BcACT1의 뉴클레오티드 독립적 조절(nucleotide-independent regulation)을 위한 구조적 기초(structural basis)Example 4: Structural basis for nucleotide-independent regulation of BcACT1

일부 ACT는 GDP 또는 ADP 뉴클레오티드에 의해 조절되는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, NmACT는 GDP에 의해 조절되는 반면 HsACT는 ADP/ATP에 의해 조절된다. BcACT1이 GDP 또는 ADP에 의해 조절되는지 확인하기 위해 GDP 및 ADP 분자를 추가하여 활성 분석을 수행했다. 그러나 첨가된 뉴클레오티드 농도에 관계없이 BcACT1의 효소 활성의 변화는 관찰되지 않았다 (도 6A).Some ACTs are known to be regulated by GDP or ADP nucleotides. For example, NmACT is regulated by GDP whereas HsACT is regulated by ADP/ATP. To determine whether BcACT1 is regulated by GDP or ADP, we performed an activity assay by adding GDP and ADP molecules. However, no change in the enzymatic activity of BcACT1 was observed regardless of the added nucleotide concentration ( FIG. 6A ).

이러한 결과는 NmACT 및 HsACT와 달리 BcACT1이 GDP 또는 ADP에 의해 조절되지 않음을 나타낸다. BcACT1의 뉴클레오티드 독립적 조절의 구조적 기초를 조사하기 위해 BcACT1의 구조를 다른 ACT 동족체(homologue)의 구조와 비교했다. 전체 구조와 활성 부위는 일반적으로 보존되어 있었으나 뉴클레오티드 결합 부위에서 실질적인 구조적 차이가 관찰되었다. NmACT 및 HsACT에서 뉴클레오타이드 결합 부위는 이량체 계면(dimer interface)에 위치하며 주로 두 단량체의 추가적인 α2 나선으로 구성되었다. NmACT에 결합된 GDP 분자는 Arg5, Asn81, Arg93, Ser109, Tyr111, Arg138, Lys141, Asp155 및 Ser157의 잔기와 직접 상호 작용한다. HsACT에 결합된 ADP 분자는 Ser238, Asn252, Arg264, Arg312 및 Arg313의 잔기에 의해 안정화된다. 그러나 BcACT1의 구조를 NmACT 및 HsACT의 뉴클레오티드 복합체의 구조와 중첩시키면 BcACT1에서 최적화된 뉴클레오티드 결합 부위를 확인할 수 없었다 (도 6의 B, C, F).These results indicate that, unlike NmACT and HsACT, BcACT1 is not regulated by GDP or ADP. To investigate the structural basis of nucleotide-independent regulation of BcACT1, the structure of BcACT1 was compared with that of other ACT homologues. The overall structure and active site were generally conserved, but substantial structural differences were observed in the nucleotide binding site. In NmACT and HsACT, the nucleotide binding site is located at the dimer interface and mainly consists of an additional α2 helix of two monomers. GDP molecules bound to NmACT interact directly with residues of Arg5, Asn81, Arg93, Ser109, Tyr111, Arg138, Lys141, Asp155 and Ser157. ADP molecules bound to HsACT are stabilized by residues of Ser238, Asn252, Arg264, Arg312 and Arg313. However, when the structure of BcACT1 was overlapped with the structure of the nucleotide complex of NmACT and HsACT, the optimized nucleotide binding site in BcACT1 could not be confirmed (B, C, F of FIG. 6).

대신, BcACT1은 Phe78, Phe90, Trp136, Met158 및 Leu162와 같은 소수성이고 부피가 큰(bulky) 잔기가 NmACT 및 HsACT에서 뉴클레오티드 결합에 관련된 잔기의 위치에 위치하는 것을 관찰했다.(도 6B) 이러한 소수성 잔기들은 BcACT1과 GDP 또는 ADP 분자와의 결합을 방해한다고 추측된다. 또한 추가 α2- 나선(additional α2-helix)에서 큰 구조적 차이가 관찰되었다. 뉴클레오타이드에 의해 조절되는 것으로 알려진 NmACT 및 HsACT는 뉴클레오타이드 수용을 위해 최적화된 길이와 모양의 α2-나선을 가지고 있다. (도 6E) NmACT는 24 개의 아미노산이 있는 비교적 짧은 α2- 나선을 가지고 있어 뉴클레오티드 결합을 위한 공간을 제공한다. HsACT는 29 개의 아미노산이 있는 긴 α2 나선을 가지고 있지만 나선은 구부러져(bent) 있어 짧은 α2 나선과 동일한 효과를 나타낸다. 대조적으로, BcACT1은 33 개의 아미노산이 있는 곧은 긴(straight long) α2- 나선을 가지고 있으며, 이는 뉴클레오타이드 결합을 완전히 차단하는 것으로 보인다.(도 6D) 따라서, 추가 α2-나선의 길이와 모양이 뉴클레오타이드 결합 부위의 구조를 정의하며, 뉴클레오타이드에 의한 ACT의 조절 방식(mode)를 결정하는 데 중요하다. 이러한 구조적 관찰은 뉴클레오티드 의존적 조절이 보고되지 않은 다른 ACT의 뉴클레오티드 조절 여부를 추측하게 한다. 예를 들어, MmACT는 24 개의 아미노산으로 구성된 짧은 α2 나선을 가지고 있으며 (도 6E) BcACT2와 SaACT는 각각 30 개와 34 개의 아미노산으로 구성된 곧은 긴 α2 나선을 가지고 있다 (그림 6D). 따라서 MmACT는 뉴클레오타이드로 조절되는 반면, BcACT2 및 SaACT는 그렇지 않을 수 있다.Instead, we observed that BcACT1 had hydrophobic and bulky residues such as Phe78, Phe90, Trp136, Met158 and Leu162 located at the positions of residues involved in nucleotide binding in NmACT and HsACT (Figure 6B). These hydrophobic residues It is speculated that they interfere with the binding of BcACT1 to GDP or ADP molecules. A large structural difference was also observed in the additional α2-helix. NmACT and HsACT, known to be nucleotide-regulated, have α2-helices of length and shape optimized for nucleotide accommodation. (FIG. 6E) NmACT has a relatively short α2-helix with 24 amino acids to provide space for nucleotide binding. HsACT has a long α2 helix of 29 amino acids, but the helix is bent and has the same effect as a short α2 helix. In contrast, BcACT1 has a straight long α2-helix with 33 amino acids, which appears to completely block nucleotide binding (Figure 6D). It defines the structure of the site and is important in determining the mode of regulation of ACT by nucleotides. These structural observations make it possible to speculate whether nucleotide-dependent regulation of other ACTs has not been reported. For example, MmACT has a short α2 helix of 24 amino acids (Fig. 6E) and BcACT2 and SaACT have a straight long α2 helix of 30 and 34 amino acids, respectively (Fig. 6D). Thus, MmACT may be nucleotide-regulated, whereas BcACT2 and SaACT may not.

본 연구에서는 BcACT1의 결정 구조, 효소 촉매 작용 및 기질 결합에 관련된 잔기를 규명하였다. 또한 BcACT1는 그 활성이 뉴클레오티드에 의해 조절되지 않는다는 것을 발견하였으며, 추가 α2-나선의 길이와 모양이 조절이 뉴클레오타이드 의존적인지 독립적인지 여부를 결정하는 핵심 구성임을 시사하였다.In this study, the crystal structure of BcACT1, enzyme catalysis, and residues involved in substrate binding were identified. We also found that BcACT1's activity was not regulated by nucleotides, suggesting that the length and shape of the additional α2-helix are key constructs that determine whether regulation is nucleotide-dependent or independent.

<110> Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus and variants thereof <130> PN200311 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 170 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> BcACT1 <400> 1 Met Glu Lys Lys Phe Met Arg Glu Ser Lys Ala Ile Lys Thr Thr Arg 1 5 10 15 Val Phe Pro Asn Asp Leu Asn Asn His Gln Thr Leu Phe Gly Gly Lys 20 25 30 Leu Leu Ala Glu Ile Asp Ser Ile Ala Ser Ile Ala Ala Ala Arg His 35 40 45 Ser Arg Lys His Cys Val Thr Ala Ser Ile Asp Ser Val Asp Phe Leu 50 55 60 Thr Pro Ile His Gln Ala Asp Ser Val Cys Tyr Glu Ala Phe Val Cys 65 70 75 80 Tyr Thr Gly Lys Ser Ser Met Glu Val Phe Val Lys Val Ile Ala Glu 85 90 95 Asn Leu Leu Val Gly Glu Arg Arg Ile Ala Ala Thr Cys Phe Ile Thr 100 105 110 Phe Val Ala Leu Lys Asp Gly Lys Pro Ser Ser Val Pro Gln Val Leu 115 120 125 Pro Glu Thr Glu Glu Glu His Trp Leu His Thr Thr Gly Ser Glu Arg 130 135 140 Ala Glu Asn Arg Arg Lys Gly Arg Leu Lys Ser Lys Glu Met Ala Glu 145 150 155 160 Val Leu Thr Leu Ser Lys Pro Trp Asn Met 165 170 <210> 2 <211> 170 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> BcACT1 variant <220> <221> VARIANT <222> (57) <223> Xaa (57) = Ser or Ala <220> <221> VARIANT <222> (62) <223> Xaa (67) = Asp or Ala <400> 2 Met Glu Lys Lys Phe Met Arg Glu Ser Lys Ala Ile Lys Thr Thr Arg 1 5 10 15 Val Phe Pro Asn Asp Leu Asn Asn His Gln Thr Leu Phe Gly Gly Lys 20 25 30 Leu Leu Ala Glu Ile Asp Ser Ile Ala Ser Ile Ala Ala Ala Arg His 35 40 45 Ser Arg Lys His Cys Val Thr Ala Xaa Ile Asp Ser Val Xaa Phe Leu 50 55 60 Thr Pro Ile His Gln Ala Asp Ser Val Cys Tyr Glu Ala Phe Val Cys 65 70 75 80 Tyr Thr Gly Lys Ser Ser Met Glu Val Phe Val Lys Val Ile Ala Glu 85 90 95 Asn Leu Leu Val Gly Glu Arg Arg Ile Ala Ala Thr Cys Phe Ile Thr 100 105 110 Phe Val Ala Leu Lys Asp Gly Lys Pro Ser Ser Val Pro Gln Val Leu 115 120 125 Pro Glu Thr Glu Glu Glu His Trp Leu His Thr Thr Gly Ser Glu Arg 130 135 140 Ala Glu Asn Arg Arg Lys Gly Arg Leu Lys Ser Lys Glu Met Ala Glu 145 150 155 160 Val Leu Thr Leu Ser Lys Pro Trp Asn Met 165 170 <110> Kyungpook National University Industry-Academic Cooperation Foundation <120> Acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus and variants it <130> PN200311 <160> 2 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 170 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> BcACT1 <400> 1 Met Glu Lys Lys Phe Met Arg Glu Ser Lys Ala Ile Lys Thr Thr Arg 1 5 10 15 Val Phe Pro Asn Asp Leu Asn Asn His Gln Thr Leu Phe Gly Gly Lys 20 25 30 Leu Leu Ala Glu Ile Asp Ser Ile Ala Ser Ile Ala Ala Ala Arg His 35 40 45 Ser Arg Lys His Cys Val Thr Ala Ser Ile Asp Ser Val Asp Phe Leu 50 55 60 Thr Pro Ile His Gln Ala Asp Ser Val Cys Tyr Glu Ala Phe Val Cys 65 70 75 80 Tyr Thr Gly Lys Ser Ser Met Glu Val Phe Val Lys Val Ile Ala Glu 85 90 95 Asn Leu Leu Val Gly Glu Arg Arg Ile Ala Ala Thr Cys Phe Ile Thr 100 105 110 Phe Val Ala Leu Lys Asp Gly Lys Pro Ser Ser Val Pro Gln Val Leu 115 120 125 Pro Glu Thr Glu Glu Glu His Trp Leu His Thr Thr Gly Ser Glu Arg 130 135 140 Ala Glu Asn Arg Arg Lys Gly Arg Leu Lys Ser Lys Glu Met Ala Glu 145 150 155 160 Val Leu Thr Leu Ser Lys Pro Trp Asn Met 165 170 <210> 2 <211> 170 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> BcACT1 variant <220> <221> VARIANT <222> (57) <223> Xaa (57) = Ser or Ala <220> <221> VARIANT <222> (62) <223> Xaa (67) = Asp or Ala <400> 2 Met Glu Lys Lys Phe Met Arg Glu Ser Lys Ala Ile Lys Thr Thr Arg 1 5 10 15 Val Phe Pro Asn Asp Leu Asn Asn His Gln Thr Leu Phe Gly Gly Lys 20 25 30 Leu Leu Ala Glu Ile Asp Ser Ile Ala Ser Ile Ala Ala Ala Arg His 35 40 45 Ser Arg Lys His Cys Val Thr Ala Xaa Ile Asp Ser Val Xaa Phe Leu 50 55 60 Thr Pro Ile His Gln Ala Asp Ser Val Cys Tyr Glu Ala Phe Val Cys 65 70 75 80 Tyr Thr Gly Lys Ser Ser Met Glu Val Phe Val Lys Val Ile Ala Glu 85 90 95 Asn Leu Leu Val Gly Glu Arg Arg Ile Ala Ala Thr Cys Phe Ile Thr 100 105 110 Phe Val Ala Leu Lys Asp Gly Lys Pro Ser Ser Val Pro Gln Val Leu 115 120 125 Pro Glu Thr Glu Glu Glu His Trp Leu His Thr Thr Gly Ser Glu Arg 130 135 140 Ala Glu Asn Arg Arg Lys Gly Arg Leu Lys Ser Lys Glu Met Ala Glu 145 150 155 160 Val Leu Thr Leu Ser Lys Pro Trp Asn Met 165 170

Claims (6)

바실러스 세레우스에서 유래한 아실-CoA 티오에스터라제의 변이체로써,
서열번호 1의 아미노산 서열로 이루어진 아실-CoA 티오에스터라제의 57번째에 위치한 세린, 62번째에 위치한 아스파르트산, 또는 이들의 조합이 알라닌으로 치환된 아실-CoA 티오에스터라제 변이체.
As a variant of acyl-CoA thioesterase derived from Bacillus cereus,
An acyl-CoA thioesterase variant in which the serine at position 57, the aspartic acid at position 62, or a combination thereof is substituted with alanine of an acyl-CoA thioesterase consisting of the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
제1항에 있어서,
상기 세린, 아스파르트산, 또는 이들의 조합은 CoA의 아데닌 모이어티와 상호작용하는,
아실-CoA 티오에스터라제 변이체.
The method of claim 1,
wherein the serine, aspartic acid, or a combination thereof interacts with the adenine moiety of CoA,
Acyl-CoA thioesterase variants.
삭제delete 삭제delete 제1항의 아실-CoA 티오에스터라제 변이체를 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 포함하는 발현 벡터.An expression vector comprising a polynucleotide encoding the acyl-CoA thioesterase variant of claim 1. 제5항의 발현 벡터를 포함하는 형질전환 균주.
A transformant strain comprising the expression vector of claim 5 .
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