KR20100091289A - NEW OAT β-GLUCOSIDASE MUTANTS WITH IMPROVED SUBSTRATE SPECIFICITY BY A MODIFICATION OF AGLYCONE BINDING SITE AND A METHOD OF MANUFACTURING THEM - Google Patents

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KR20100091289A
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An oat beta-glucosidase mutant containing mutated AsGlu1 is provided to improve specificity to flavonoid-beta-glucoside substrate. CONSTITUTION: A mutated AsGlu1 of AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W has improved specificity to flavonoid substrate by mutation of aglycon binding site. A mutated beta-glucosidase includes the mutated AsGlu1 of AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W. The flavonoid substrate is isoflavon, flanonone, flavonol, or flavone. The isoflavon is genistin, daidzin, or glycitin. The flanonone is naringenin-7Glc. The flavonol is kaempferol-7-Glc or quercetin-3-Glc.

Description

아글리콘 결합 부위의 변형으로 향상된 기질 특이성을 갖는 신규한 귀리 β-글루코시다아제 변이체 및 이를 수득하는 방법{New oat β-glucosidase mutants with improved substrate specificity by a modification of aglycone binding site and a method of manufacturing them}Novel oat β-glucosidase mutants with improved substrate specificity by a modification of aglycone binding site and a method of manufacturing them }

본 발명은 아글리콘 결합 부위의 변형으로 향상된 기질 특이성(substrate specificity)을 갖는, 귀리 β-글루코시다아제의 AsGlu1 아단위 변이체 및 이러한 변이체를 포함하는 귀리 β-글루코시다아제 변이체에 관계한다. 또한, 본 발명은 이들 변이체를 수득하는 방법에 관계한다.The present invention, oat β with improved substrate specificity (substrate specificity) to the deformation of the aglycone-binding site-relates to-glucosidase variant-containing oat β-glucosidase of AsGlu1 subunit variants and this variant. The present invention also relates to a method of obtaining these variants.

폴리페놀 화합물(polyphenolic compound)은 식물 내에 가장 많이 존재하는 물질 중의 하나로 일반적으로 식물들의 2차 대사 작용에 의한 산물로 생성되며 주로 당(glycoside)에 부착된 형태로 존재하나 경우에 따라 아글리콘(aglycone) 형태로도 존재한다 (Karakaya, 2004). 최근 폴리페놀 화합물이 주목받고 있는 이유는 생체내에서 산화를 방지하는 기능, 즉, 항산화 기능뿐만 아니라 항돌연변이, 항암 및 항염증 활성 등을 가지고 있어 건강 유지와 질병 예방 등에 기여할 것으로 기대되기 때문이다 (Grimmer et al., 1992; Hollman and Katan, 1997; Parr and Bolwell, 2000). 또한, 폴리페놀 화합물은 콜레스테롤이 소화관으로 흡수되는 것을 막아주기 때문에 혈중 콜레스테롤의 수치를 낮게 해주는 기능도 한다 (Bose et al., 2008).Polyphenolic compounds (polyphenolic compounds) are one of the most abundant substances in plants and are generally produced by the secondary metabolism of plants and are mainly attached to sugar (glycoside), but in some cases aglycone (Karakaya, 2004). The reason why polyphenol compounds are attracting attention in recent years is that they have anti-oxidation function, that is, anti-mutation, anti-cancer and anti-inflammatory activity in vivo, and are expected to contribute to maintaining health and preventing diseases ( Grimmer et al. , 1992; Hollman and Katan, 1997; Parr and Bolwell, 2000). In addition, polyphenolic compounds act to lower blood cholesterol levels by preventing cholesterol from being absorbed into the digestive tract (Bose et al. , 2008).

플라보노이드(flavonoid)의 종류Types of Flavonoids

플라보노이드는 폴리페놀 화합물 중에서 가장 큰 그룹으로, 과일과 채소 등에서 담황색 또는 노란색을 띠는 색소 화합물이다. 플라보노이드는 '비타민 P' 라고도 불리며, 특히, 과일(사과, 레몬, 오렌지), 야채(토마토, 양배추, 감자, 양파), 음료(차, 포도주), 식물의 줄기나 뿌리의 껍질, 화분 등에 널리 분포되어 있으며 식품의 색과 향에 중요한 영향을 주는 수용성의 화학물질이다 (Bravo, 1998). 이들은 두 개의 방향족환이 세 개의 탄소사슬을 매개하여 결합한 디페닐 프로판(diphenyl propane)(C6-C3-C6)을 기본 골격으로 가지고 있으며, 여러 당류와 에테르 결합을 통해 글루코시드(glucoside; 일명, 배당체) 형태로 존재하는 경우가 많다 (Karakaya, 2004). 플라보노이드의 A 고리와 B 고리는 각각 다른 합성 경로에 의해 생성되며 구조적으로 A 고리는 5, 7번 위치에, B 고리는 4', 3' 4' 혹은 3' 4' 5' 위치에 수산기(-OH)로 치환된다 (Croft, 1998).Flavonoids are the largest group of polyphenol compounds and are pale yellow or yellow pigment compounds in fruits and vegetables. Flavonoids are also called 'vitamin P' and are widely distributed in fruits (apples, lemons, oranges), vegetables (tomatoes, cabbage, potatoes, onions), beverages (tea, wine), shells of plant stems and roots, and pollen. It is a water soluble chemical that has an important effect on the color and flavor of food (Bravo, 1998). They have diphenyl propane (C 6 -C 3 -C 6 ), in which two aromatic rings are bonded through three carbon chains, as base skeletons, and glucoside (also known as glucoside; And glycosides) (Karakaya, 2004). The A and B rings of flavonoids are produced by different synthetic pathways, respectively, and the A ring is structurally located at position 5 and 7, and the B ring is located at position 4 ', 3' 4 'or 3' 4 '5'. OH) (Croft, 1998).

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플라보노이드의 기본 구조Basic structure of flavonoids

플라보노이드는 헤테로환(heterocyclic) C-고리의 변화에 따라 플라본(flavone), 플라보놀(flavonol), 플라바논(flavanone), 플라바놀(flavanol), 안토시아니딘(anthocyanidin), 이소플라본(isoflavone)의 6가지로 구분할 수 있으며(도 1), 이러한 플라보노이드 하위분류(subclass)에 속하는 약 5,000종 이상의 화합물들이 동정되었다 (Harbourne, 1993). 플라보노이드는 동물에는 비교적 적고 식물의 잎, 꽃, 뿌리, 열매, 줄기 등에 많이 존재하는데, 특히 건조된 녹차 잎의 경우에 플라보노이드가 녹차 잎 무게의 30% 정도 함유되어 있다 (Wang et al., 2000). 식물에서 플라보노이드의 형성은 종 다양성뿐만 아니라 광 조건, 발아 숙성도, 저장 등을 포함한 다양한 요소에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 방울토마토(cherry tomato)는 일반 토마토보다 6배가 넘는 퀘르세틴(quercetin)을 함유하고 있는데, 이는 플라보놀이 토마토 과피에 합성 저장되고, 크기가 작은 종이 단단한 과피를 가지는 특성으로 인한 것이다 (Duthie and Crozier, 2000). 또한, 사과에서 도 종에 따라서 프로시아니딘(procyanidin) 함량이 현저하게 차이가 난다 (Hammerstone et al., 2000). 플라보노이드는 식물 내에서 대부분 당과 결합된 배당체 형태로 존재하며, 일인당 하루 섭취량이 약 23∼1000 ㎎ 정도로 다양하게 추정되고 있다 (Kuhnan, 1976; Hertog et al., 1993; Leth and Justesen, 1998).Flavonoids are flavones, flavonols, flavanones, flavanols, anthocyanidins, isoflavones according to the heterocyclic C-ring. It can be divided into six (Fig. 1), and more than 5,000 compounds belonging to this flavonoid subclass has been identified (Harbourne, 1993). Flavonoids are relatively small in animals and present in many plant leaves, flowers, roots, fruits, and stems. Especially, dried green tea leaves contain about 30% of the weight of green tea leaves (Wang et al., 2000). . The formation of flavonoids in plants is influenced not only by species diversity but also by various factors, including light conditions, germination maturation, storage, and so on. Cherry tomatoes, for example, contain six times more quercetin than regular tomatoes, due to the properties of flavonols that are synthesized in tomato skin and have a small size of hard skin ( Duthie and Crozier, 2000). In addition, there is a marked difference in procyanidin content in apples depending on the species (Hammerstone et al., 2000). Flavonoids exist in the form of glycosides, most of which are combined with sugars in plants, and are estimated to vary from about 23 to 1000 mg per person per day (Kuhnan, 1976; Hertog et al. , 1993; Leth and Justesen, 1998).

플라보노이드의 기능Flavonoid Function

자연계에는 다양한 β-글루코시드가 존재하고 글루코오스가 제거된 활성형 아글리콘은 다양한 약물 활성을 가지고 있다(표 1). 그 중에서도 플라보노이드는 항산화 능력의 범위가 넓은 물질로 알려져 있다. 지용성 항산화제로서 널리 알려져 있는 비타민 E는 세포의 지용성 부분(세포막)에서만 활성산소 제거 작용을 하고, 수용성 비타민의 대표 성분인 비타민 C는 세포의 수용성 부분(세포의 안과 밖)에서 활성산소를 제거한다 (Janisch et al., 2005). 반면, 플라보노이드는 그 종류가 많고 수용성과 지용성, 또는 그 중간 정도 되는 것 등 다양하기 때문에 세포의 여러 부분에서 항산화 기능을 발휘할 수 있는 장점이 있다 (Birt et al., 2001)In nature, there are various β -glucosides and glucose-free active aglycones have various drug activities (Table 1). Among them, flavonoids are known to have a wide range of antioxidant capacity. Vitamin E, widely known as a fat-soluble antioxidant, removes free radicals only from the fat-soluble part of the cell (cell membrane), while vitamin C, a representative component of water-soluble vitamins, removes free radicals from the water-soluble part of the cell (inside and outside of the cell). (Janisch et al. , 2005). Flavonoids, on the other hand, have many advantages, such as water solubility, fat solubility, or intermediate levels, which can exert antioxidant functions in various parts of cells (Birt et al. , 2001).

Figure 112009008003037-PAT00002
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일반적으로, '항산화 작용'이란 인체 혹은 피부에서 노화나 질병을 야기하는 산화 물질의 대표 성분들의 작용을 억제하거나 무력화시키는 것을 말한다. 산화 물질에는 안정한 산소분자가 불안정화된 형태인 산소 라디칼, 지질 성분의 산화 형태인 과산화지질 산화물, 수산화 라디칼 등 다양한 자유기(free group)를 가지는 것들이 있는데, 항산화제는 이들을 제거해 주는 효과를 가진 성분들을 일컫는다 (Miller, 1994). 이러한 항산화 작용을 할 수 있는 퀘르세틴, 루틴(rutin)과 같은 플라보노이드는 여러 유해한 중금속을 차단하는 금속 킬레이트로 작용하며, 특히 피론(pyrone) 고리 위의 4-케토 그룹과 B 고리를 가진 플라보노이드가 유효한 항산화제로서 작용한다 (Thompson et al., 1976; Park et al., 1998).In general, the term 'antioxidative action' refers to inhibiting or incapacitating the action of representative components of oxidizing substances that cause aging or disease in the human body or skin. Oxidizing materials include oxygen radicals in which stable oxygen molecules are destabilized, lipid peroxides in oxidation forms of lipid components, and hydroxyl radicals. There are various free groups such as antioxidants. (Miller, 1994). Flavonoids such as quercetin and rutin, which can act as antioxidants, act as metal chelates that block many harmful heavy metals. Especially, 4-keto groups on the pyrone rings and flavonoids with B rings are effective antioxidants. Act as an agent (Thompson et al. , 1976; Park et al. , 1998).

최근, 플라보노이드는 신체 내에서 항바이러스, 항히스타민, 항산화, 모세혈관 투과 억제, 혈압 강하, 살충, 간세포 보호, 혈당 강하 등의 작용을 하며, 특이한 부작용이 없는 것으로 보고되었다 (Hollman and Katan, 1997; Parr and Bolwell, 2000). 또한, 암 발생의 위험을 줄이고 모든 질병의 원인이 되는 생체내 산화 작용을 억제한다는 사실이 알려지면서 플라보노이드 물질의 개발 및 활용에 관한 관심이 지속적으로 커져가고 있다. 플라보노이드가 인간에게 여러 가지 효과를 보인다는 연구 결과는 많이 있었지만 소수의 대표적인 플라보노이드들에 대해서만 연구가 진행되어져 왔다 (Larkin et al., 2008). 콩류에 함유된 제니스테인 (Sakai and Kogiso, 2008), 사과와 양파에서 많이 발견되는 퀘르세틴 (Slimestad et al., 2007), 붉은 포도주와 포도씨 추출물, 소나무 껍질에 풍부한 프로안토시아니딘(proanthocyanidin) (Sovak, 2001), 녹차에서 발견되는 카테킨(catechin) (Babu and Liu, 2008), 밀감류에서 발견되는 루틴과 헤스페리딘(hesperidine) (Benavente-Garcia and Castillo, 2008) 등이 대표적인 플라보노이드 성분들이다.Recently, flavonoids have been reported to act as antiviral, antihistamine, antioxidant, inhibit capillary permeation, lower blood pressure, insecticide, hepatocyte protection, lower blood sugar, etc. in the body (Hollman and Katan, 1997; Parr) and Bolwell, 2000). In addition, there is a growing interest in the development and utilization of flavonoid materials as it is known that it reduces the risk of cancer and inhibits the oxidation in vivo that causes all diseases. Many studies have shown that flavonoids have various effects on humans, but only a few representative flavonoids have been studied (Larkin et al. , 2008). Genistein in beans (Sakai and Kogiso, 2008), quercetin (Slimestad et al., 2007) found in apples and onions, red wine and grape seed extract, and proanthocyanidin, abundant in pine bark (Sovak) , 2001), catechins found in green tea (Babu and Liu, 2008), rutin and hesperidine found in citrus (Benavente-Garcia and Castillo, 2008) are representative flavonoids.

최근의 연구 결과에서 비만과 당뇨에 걸린 쥐들에게 cacao liquor 프로안토시아니딘을 섭취시킨 결과, 혈당 수치가 현저하게 감소하는 것으로 보고되었다 (Tomaru et al., 2007). 프로안토시아니딘은 항산화 특성을 지닌 플라보노이드의 일종으로 약 72%의 폴리페놀이 함유되어 있다. 이러한 결과는 플라보노이드가 혈당 수치를 감소시키는 효과가 있음을 제시하였다. 또한, 녹차와 홍차에 들어있는 플라보노이드가 폐암을 예방한다고 보고되었다 (Cui et al., 2008). 매일 과일과 야채를 먹거나 홍차와 녹차를 마시는 인간의 폐암 위험이 낮은데, 이는 음식을 통한 플라보노이드의 섭취량이 증가하였기 때문이다. 또한, 가장 예방 효과가 높은 플라보노이드는 카테킨(딸기, 녹차, 홍차), 캠프페롤(사과), 퀘르세틴(콩, 양파, 사과) 등인 것으로 밝혀졌다.Recent studies have reported a significant decrease in blood glucose levels after taking cacao liquor proanthocyanidins in obese and diabetic rats (Tomaru et al., 2007). Proanthocyanidins are an antioxidant flavonoid that contains about 72% polyphenols. These results suggested that flavonoids have an effect on reducing blood sugar levels. In addition, flavonoids in green tea and black tea have been reported to prevent lung cancer (Cui et al., 2008). People who eat fruits and vegetables daily or drink black tea and green tea are at lower risk for lung cancer because of the increased intake of flavonoids from food. In addition, the most prophylactic flavonoids were found to be catechins (strawberry, green tea, black tea), camphorol (apple), quercetin (soybean, onion, apple) and the like.

골다공증 및 암을 포함하는 여러 질병의 발병률이 콩 기반의 전통 장류 식품을 섭취하는 동양인에게서 낮다는 사실이 알려져 있다 (Hirayama et al., 1982). 그 이후 콩에 함유된 이소플라본들이 골다공증, 유방암, 전립선암 등의 저해에 중요한 역할을 한다는 것이 보고되어지면서 (Kennedy, 1995; Xu et al., 1996), 이들에 대한 연구가 활발히 진행되어져 왔다. 대두는 제니스테인, 다이드제인(daidzein), 글리시테인(glycitein) 등의 이소플라보노이드를 0.1-0.3% 함유하는 데, 이들의 대부분(80% 이상)은 배당체(β-D-glucoside) 형태로 존재하고, 그 중에서 제니스테인(4,5,7-트리하이드록시 이소플라본)과 그 배당체인 제니스틴(제니스테인-7-β-D-글루코피라노시드)이 55% 이상을 차지한다 (Murphy et al., 1982). 제니스테인은 여성호르몬인 에스트로겐(estrogen)과 구조가 유사하여 피토에스트로겐(phytoestrogen)으로 불리며, 50-60대 여성들에게서 많이 나타나는 폐경기 증후군을 억제하고, 칼슘의 재흡수를 방해하는 파골 산(osteoclast acid)의 분비를 억제함으로써 골다공증 및 백혈병의 발병을 억제하는 효과가 있다 (Blair, et al., 1996). 즉, 에스트로겐과 경쟁적으로 작용하여 에스트로겐 과다에 의해 나타나는 유방암과 전립선암을 억제한다.It is known that the incidence of several diseases, including osteoporosis and cancer, is low in Asians who consume soy-based traditional Jang food (Hirayama et al. , 1982). Since then, it has been reported that soy isoflavones play an important role in the inhibition of osteoporosis, breast cancer and prostate cancer (Kennedy, 1995; Xu et al. , 1996). Soybeans contain 0.1-0.3% of isoflavonoids such as Genistein, Daidzein, Glycitein, and most of them (more than 80%) are present in glycosides ( β- D-glucoside). Among them, genistein (4,5,7-trihydroxy isoflavone) and its glycoside, genistin (genistein-7- β -D-glucopyranoside), account for 55% or more (Murphy et al., 1982). Genistein is called phytoestrogen because it is similar in structure to the female hormone estrogen.It suppresses menopausal syndrome, which is common in women in their 50s and 60s, and inhibits calcium resorption. Inhibiting secretion has the effect of inhibiting the development of osteoporosis and leukemia (Blair, et al. , 1996). In other words, it works competitively with estrogens to inhibit breast and prostate cancers caused by excess estrogens.

ββ -글루코시다아제의 기능과 특성Glucosidase Functions and Characteristics

β-글루코시다아제(β-D-glucoside glucohydrolases; EC 3.2.1.21)는 대장균, 곰팡이, 포유동물, 식물 등 모든 생명체에서 아릴-, 알킬-β-글루코시드, 셀로비오스(cellobiose) 등의 다양한 기질을 가수분해하는 동질효소로 존재한다 (Woodward and Wiseman, 1982). 그 기능도 매우 다양하여 곰팡이나 대장균에서는 셀룰로오스(cellulose) 또는 셀로비오스(cellobiose)의 분해와 같은 생체물질 전환(biomass conversion)에서 중요한 역할을 하고 (Wood and Bhat, 1988), 인간에서 발견되는 리소좀(lysosomal) β-글루코시다아제들은 가우셔병(Gaucher's disease)과 연관된다 (Beutler, 1992). 특히 식물에서는 옥신(auxin), 지베렐린(gibberellin), 사이토키닌(cytokinin) 등의 β-글루코시드를 가수분해하여 식물 호르몬(phytohormone)을 활성화시키거나 (Estruch et al., 1991), 시안화(cyanogenic) 글루코시드를 가수분해하여 HCN을 발생시킴으로서 방어 작용에 관여한다 (Poulton, 1988). 식물 β-글루코시다아제는 해충에 대한 방어 기작 (Bell, 1981; Poluton, 1990), 식물 호르몬 활성화 (Brzobohaty et al., 1993), 리그닌화 (Dharmawardhana, 1995), 그리고 세포벽 이화 작용 (Leah et al., 1995) 등에서 중요한 역할을 한다. β-glucosidase (β -D-glucoside glucohydrolases; EC 3.2.1.21) is produced in E. coli, fungi, mammals, aryl from all living things such as plants -, alkyl-β-glucoside, cells, various substrates such as agarobiose (cellobiose) As an isoenzyme that hydrolyzes (Woodward and Wiseman, 1982). Their functions are so diverse that they play an important role in biomass conversion, such as degradation of cellulose or cellobiose in fungi and E. coli (Wood and Bhat, 1988), and lysosomes found in humans (Wood and Bhat, 1988). lysosomal β -glucosidase is associated with Gaucher's disease (Beutler, 1992). In particular, plants hydrolyze β -glucosides such as auxin, gibberellin, and cytokinin to activate phytohormones (Estruch et al., 1991), or cyanogenic. Hydrolysis of glucosides to generate HCN (Poulton, 1988). Plant β -glucosidase is a protective mechanism against pests (Bell, 1981; Poluton, 1990), plant hormone activation (Brzobohaty et al., 1993), lignination (Dharmawardhana, 1995), and cell wall catabolism (Leah et al). , 1995).

β-글루코시다아제의 촉매 반응은 반응 산물인 환원당의 아노머 배치(anomeric configuration)가 반응 전후에 그대로 유지되는 이중 치환(double displacement) 기작으로 일어난다 (Burmeister et al., 1997). β-글루코시다아제의 활성 부위에는 두 개의 카르복실산염(carboxylate)(glutamate/aspartate)이 촉매 부위(catalytic site)를 구성하고 있는데, 하나는 [180TFNEP184] 산/염기 반응으로 작용하고, 다른 하나는 [397Y(I/V)TENG401] 친핵체(nucleophile)로 작용한다. 그 기작은 일반적인 산/염기 촉매 반응으로 두 단계로 진행된다. 첫 번째 단계에서는 산 촉매에 의해 기질에 양성자첨가반응(protonation)이 진행되며, 이때 당 고리(sugar ring)의 반대쪽에 존재하고 있는 효소의 카르복실산염 기에 의해 공격을 받게 되어, 아글리콘 부분이 제거되고 아노머 배치가 역전된 공유 글리코실-효소 중간체(covalent glycosyl-enzyme intermediate)가 형성된다. 두 번째 단계에서는 물 분자에 의해 글리코실-효소가 가수 분해되어 기질 상태의 배지를 갖는 글루코오스 형으로 떨어져 나가게 된다. Catalytic reaction of β -glucosidase occurs through a double displacement mechanism in which the anomeric configuration of the reducing product, the reaction product, is maintained before and after the reaction (Burmeister et al. , 1997). At the active site of β -glucosidase, two carboxylates (glutamate / aspartate) constitute a catalytic site, one acting as an acid / base reaction [ 180 TFNEP 184 ] One acts as a [ 397 Y (I / V) TENG 401 ] nucleophile. The mechanism proceeds in two stages with a typical acid / base catalysis. In the first step, protonation is carried out to the substrate by an acid catalyst, which is attacked by the carboxylate group of the enzyme on the opposite side of the sugar ring, thus removing the aglycone portion. And a covalent glycosyl-enzyme intermediate is formed, with the anomeric batch reversed. In the second step, the glycosyl-enzyme is hydrolyzed by the water molecule to fall off into the glucose form with the substrate medium.

따라서 다양한 기질에 대한 효소 특이성은 효소의 기질 결합 부위 (aglycone binding site)에 의하여 결정되며, 아글리콘의 종류에 따라 다양한 형태의 β-글루코시다아제로 존재한다. Therefore, enzyme specificity for various substrates is determined by the enzyme binding site (aglycone binding site), and exists in various forms of β-glucosidase depending on the type of aglycone.

인간의 소장뿐만 아니라 포유동물의 간, 신장 등에는 폭넓은 특이성의 세포질(cytosolic) β-글루코시다아제(CBG)가 풍부하게 존재한다. 인간 세포질 β-글루코시다아제(hCBG)는 피토에스트로겐(phytoestrogen), 간단한 페놀 화합물, 시아노겐(cyanogen)의 β-글루코시드를 포함하는 식이 생체이물(dietary xenobiotic) β-글루코시드와 다양한 아릴-β-글루코시드를 가수분해하였다 (Daniels et al., 1981). 이들은 7-연쇄된 플라보노이드 글루코시드 기질(이소플라본, 플라보놀, 플라본, 플라보논)에 대한 높은 특이성을 보였다 (Berrin et al., 2002). 이와 같은 특성 때문에 hCBG가 생체이물(xenobiotic) 대사과정에 관여할 것으로 생각되었으나 아직 생체내 기능은 알려져 있지 않다. 식물 내생세균(endophytic bacteria)(슈도모나스(Pseudomonas) ZD-8)에서 이러한 7-연쇄된 이소플라본과 플라본 글루코시드에 대해 특이성을 보이는 이소플라본 공액된 가수분해 β-글루코시다아제(ICHG)가 동정되었다 (Yang et al., 2004). 또한, 인간의 소장에 존재하는 락타아제 필로리진 가수분해효소(lactase phlorizin hydrolase, LPH) (EC 3.2.1.23과 62)는 플라보놀과 이소플라본 글루코시드를 가수분해하였다 (Day et al., 2000), In addition to the human small intestine, there are abundant cytosolic β -glucosidase (CBG) of a wide range of specificity in the liver, kidney and the like of mammals. Let human cytosolic β- gluconate dehydratase (hCBG) are phytoestrogens (phytoestrogen), simple phenolic compounds, cyanogen (cyanogen) of β - glucoside diet containing xenobiotic (dietary xenobiotic) β - glucoside and various aryl - β -Glucosides were hydrolyzed (Daniels et al., 1981). They showed high specificity for 7-chain flavonoid glucoside substrates (isoflavones, flavonols, flavones, flavonones) (Berrin et al., 2002). Due to these characteristics, hCBG was thought to be involved in xenobiotic metabolism, but its in vivo function is not yet known. Plant endophytic bacteria ( Pseudomonas ZD-8) have been identified for isoflavone conjugated hydrolysis β -glucosidase (ICHG) that is specific for these 7-chain isoflavones and flavone glucosides. (Yang et al., 2004). In addition, lactase phlorizin hydrolase (LPH) (EC 3.2.1.23 and 62) present in the human small intestine hydrolyzed flavonol and isoflavone glucosides (Day et al., 2000),

식물 β-글루코시다아제는 아미노산 서열에 따라 분류하면 69개의 글리코실 가수분해효소(glycosyl hydrolase)(EC 3.2.x.x) 계통 중에서 계통 1에 속한다. 계통 1 글루코시다아제는 (β/α)8 배럴(barrel) 형태의 단백질 3차 구조를 형성하는데, β/α 단위 사이에 서로 다른 2차 구조가 삽입되어 있고, 가닥(strand)의 C-말단과 나선(helix)의 N-말단을 연결하는 루프(loop)의 길이가 나선의 C-말단과 가닥의 N-말단을 연결하는 루프의 길이보다 대체적으로 길다. 그리고 6번의 가닥과 6번 나선을 연결하는 루프의 길이가 다양한데, 이 부분이 기질과 결합하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려지고 있다 (Sanz-Aparicio et al., 1998). Plant β -glucosidase belongs to line 1 of the 69 glycosyl hydrolase (EC 3.2.xx) lines classified according to amino acid sequence. Line 1 glucosidase forms a ( β / α ) 8 barrel form of protein tertiary structure, in which different secondary structures are inserted between the β / α units and the C-terminus of the strand. The length of the loop connecting the N-terminus of the helix and the helix is generally longer than the length of the loop connecting the C-terminus of the helix and the N-terminus of the strand. The lengths of the loops connecting the 6 strands and the 6 helix vary, which is known to play an important role in binding to the substrate (Sanz-Aparicio et al ., 1998).

식물에서 밝혀진 이들 β-글루코시다아제들은 다양한 올리고머(oligomer)를 형성하는데, 이들의 크리스탈 구조를 살펴보면 1PBG, 락토코커스 락티스(Lactococcus lactis) 포스포-β-갈락토시다아제(phospho-β-galactosidase)는 모노머(monomer)를 형성하고 (Wiesmann et al., 1995), 1E1E, 옥수수(Zea mays) β-글루코시다아제; 1CBG, 화이트 클로버(white clover)(Trifolium repens) 라나마레이스linamarase); 1MYR, 화이트 머스타드(white mustard)(Sinapis alba) 미로시나아제(myrosinase)는 다이머(dimer)를 형성하고 (Czjzek et al., 2001; Barrett et al., 1995; Burmeister et al., 1997), 1GOW, 술폴로부스 솔파타리쿠스(Sulfolobus solfataricus) β-글루코시다아제; 1QVB, 써모스패라 아그레간스(Thermosphaera aggregans) β-글루코시다아제는 테트라머(tetramer)를 형성하고 (Aguilar et al., 1997; Chi et al., 1999), 1BGA, 바실러스 폴리믹사(Bacillus polymyxa) β-글루코시다아제는 옥타머(octamer)를 형성한다 (Sanz-Aparicio et al., 1998). 특히 술포로버스 솔파타리쿠스(Sulfolobus solfataricus)의 β-글루코시다아제(1GOW)는 1, 3, 4번 배럴 사이에 있는 루프가 이합체화(dimerization)에 관여하고, 7번 배럴 사이에 있는 루프와 C-말단이 이온 결합과 수소 결합을 하고 있으며, C-말단이 전체 단백질의 구조적 안정성에서 중요한 역할을 하고 있다. 또한, 여러 개의 올리고머들이 중첩된 형태로도 존재하는데, 파라고무나무(para rubber tree)(Heviea brasiliens)와 카사바(cassava)(Manihot esculenta)의 리나마레이스는 모노머 아단위(monomer subunit)들이 중첩되어 있다 (Selmar et al., 1987; Sermsuvityawong et al., 1995). 1QOX, 바실루스 설쿨란스 종 알칼로필루스(Bacillus circulans sp. alkalophilus) β-글루코시다아제는 옥타머 아단위(octamer subunit)들이 중첩되어 크리스탈 형성시에 긴 사슬을 만들게 되는데 (Hakulinen et al., 2000), 그 구조는 5번 배럴과 5번 나선 사이에 루프와 6 · 7번 나선 간의 이온 결합과 수소 결합이 이합체화에 관여하고, 이 4개의 다이머들이 7 · 8번 배럴 사이에 루프 간의 이온 결합 및 1번 배럴과 1번 나선 사이에 루프와 C-말단 그리고 N-말단에서의 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)에 의해 옥타머를 형성한다. 그리고 크리스탈 상태에서만 2 · 3번 나선 간의 이온 결합이 형성되어 긴 사슬 모양을 이룬다. These β shown in a plant-glucosidase are used to form a variety of oligomers (oligomer), look at the crystal structure thereof 1PBG, Lactococcus lactis (Lactococcus lactis) phospho-β-galactosidase -galactosidase phospho- ) Forms monomers (Wiesmann et al ., 1995), 1E1E, maize ( Zea mays ) β -glucosidase; 1 CBG, white clover ( Trifolium repens ) lanamar race linamarase; 1MYR, white mustard ( Sinapis alba ) myrosinase forms dimers (Czjzek et al ., 2001; Barrett et al ., 1995; Burmeister et al ., 1997), 1 GOW Sulfolobus solfataricus β -glucosidase; 1QVB, Thermosphaera aggregans β -glucosidase forms tetramers (Aguilar et al ., 1997; Chi et al ., 1999), 1BGA, Bacillus polymyxa β -glucosidase forms an octamer (Sanz-Aparicio et al ., 1998). In particular, β -glucosidase (1GOW) of Sulfolobus solfataricus ( Sulfolobus solfataricus ) is involved in the dimerization of loops between barrels 1, 3 and 4, and loops between barrels 7 and 7. The C-terminus has ionic and hydrogen bonds, and the C-terminus plays an important role in the structural stability of the entire protein. In addition, several oligomers exist in an overlapped form, and linarace of para rubber tree ( Heviea brasiliens ) and cassava ( Manihot esculenta ) are composed of monomer subunits. (Selmar et al ., 1987; Sermsuvityawong et al ., 1995). 1QOX, Bacillus circulans sp. Alkalophilus β -glucosidase, when octamer subunits overlap, forms long chains during crystal formation (Hakulinen et al ., 2000 The structure shows that the ionic bonds and hydrogen bonds between the loops and helixes 6 and 7 between the barrels 5 and 5 are involved in the dimerization, and these four dimers are the ionic bonds between the loops between the barrels 7 and 8. And octamers between the barrel 1 and the helix by hydrophobic interaction at the loop, C-terminus and N-terminus. In the crystalline state, ionic bonds between the 2 and 3 helices form a long chain.

귀리 oat ββ -글루코시다아제의 구조와 기능Structure and Function of Glucosidase

귀리 β-글루코시다아제는 엽록소에서 섬유소가 사방으로 뻗어 있는 스트로마센터(stromacentre)라는 모양으로 동정되었다 (Gunning et al., 1965). 이러한 구조는 앞에서 언급한 식물 β-글루코시다아제와는 전혀 다른 분자량이 수천만에 이르는 독특한 섬유상 단백질 모양의 긴 소섬유 멀티머(fibrillar multimer) 구조를 가지고 있다 (Kim et al., 1998, 2000). 이것은 스테로이드 사포닌(steroid saponin)계의 아베나코시드(avenacoside)를 분해하여 26-데스글루코아베나코시드(26-desglucoavenacoside)로 전환시키며, 곰팡이의 생장을 저해하는 기능을 가진다 (Nisius, 1988). 즉 엽록소에 존재하는 귀리 β-글루코시다아제가 액포에 위치하는 기질에 작용하는 것은 병원균의 침입에 의해 식물 조직이 파괴되었을 때 일어나는 반응으로 생각되고, 귀리 β-글루코시다아제의 생체내 기능은 식물의 방어 기작에 관여하는 것으로 알려져 있다.Oat β -glucosidase has been identified in the form of a stromacentre, in which cellulose extends in all directions (Gunning et al ., 1965). This structure has a unique fibrous protein-like long fibrillar multimer structure with a molecular weight of tens of millions of completely different from the aforementioned plant β -glucosidase (Kim et al ., 1998, 2000). It breaks down the steroid saponin-based avenacoside and converts it to 26-desglucoavenacoside, which inhibits mold growth (Nisius, 1988). I.e. the presence of oats for the chlorophyll β - glucosidase is not applied to the substrate which is located in the vacuole is considered as the reaction takes place when the plant tissue destroyed by the invasion of pathogens, oat β - glucosidase in vivo function of plants It is known to be involved in the defense mechanism of the.

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귀리 β-글루코시다아제에 의한 아베나코시드 B의 26-데스글루코아베나코시드 B로의 가수분해. Hydrolysis of Avenacoside B to 26-Desglucovenacoside B by Oat β -Glucosidase.

귀리 β-글루코시다아제의 이러한 긴 소섬유 멀티머는 타입 I과 타입 II 두 가지 동질효소로 구성되어 있다. 냉동-전자 단층촬영(cryo-electron tomography)을 이용한 선행 연구에서 귀리 β-글루코시다아제의 소섬유 멀티머와 그 기본 단위인 헥사머(hexamer)의 구조가 밝혀졌는데, 상기 헥사머의 4차 구조는 6개의 모노머로 이루어진 도넛(donut)형 고리 구조이고, 상기 고리는 2개의 트라이머(trimer)가 중첩되어 3-폴드(fold) 대칭(symmetry)을 형성한다(도 2). 각 모노머는 60 kDa 단백질로 AsGlu1과 AsGlu2 아단위로 이루어져 있고, 타입 I의 기본 단위는 호모-헥사머(homo-hexamer)(AsGlu1)로 이루어져 있고, 타입 II는 헤테로-헥사머(hetero-hexamer)(AsGlu1과 AsGlu2)로 이루어져 있다 (Kim et al., 1996). 그리고 이들 구조가 중첩되어 거대한 멀티머를 형성하여 엽록소에서 독특한 스트로마센터(stromacentre) 구조를 나타낸다 (Nisius and Ruppel, 1987). 이들 단백질은 매우 안정한 형태로 존재하나, 타입 I이 타입 II보다 더욱 안정하고, 타입 I은 초생엽에서, 타입 II는 자엽에서만 기관 특이적으로 발현된다 (Kim et al., 1996, 1998). 그러나 AsGlu1과 AsGlu2의 각각의 유전자를 대장균에서 발현시켰을 때 AsGlu1은 효소 활성이 있는 타입 I의 멀티머를 형성하는 반면, AsGlu2는 다이머만을 형성하였다. 이는 AsGlu1이 멀티머를 형성하는데 중요한 기능을 하고 있음을 의미한다 (Kim et al., 2000). This long fibrillar multimer of oat β -glucosidase consists of two isozymes of type I and type II. Previous studies using cryo-electron tomography revealed the structure of small-fiber multimers of oat β -glucosidase and hexamers, the basic units of hexamers. Is a donut-shaped ring structure consisting of six monomers, in which the two trimers overlap to form a three-fold symmetry (FIG. 2). Each monomer is a 60 kDa protein consisting of AsGlu1 and AsGlu2 subunits, the basic unit of type I consists of homo-hexamer (AsGlu1), and type II is hetero-hexamer. (AsGlu1 and AsGlu2) (Kim et al ., 1996). And these structures overlap to form giant multimers, representing a unique stromacentre structure in chlorophyll (Nisius and Ruppel, 1987). These proteins exist in a very stable form, but type I is more stable than type II, type I is expressed in herbaceous leaves and type II is organ specific only in cotyledon (Kim et al ., 1996, 1998). However, when AsGlu1 and AsGlu2 genes were expressed in Escherichia coli, AsGlu1 formed a type I multimer with enzymatic activity, whereas AsGlu2 formed only a dimer. This means that AsGlu1 plays an important role in forming multimers (Kim et. al ., 2000).

식물의 이소플라보노이드, 트리테르페노이드 사포닌(triterpenoid saponin), 스테로이드 사포닌 등은 불활성 형태의 β-글루코시드로 존재하는 경우가 많은데, 특정 β-글루코시다아제의 가수분해를 통해 글루코오스를 제거하면 활성형 아글리콘이 생산된다. 예를 들어, 글루코시드가 결합된 비활성 형태인 제니스틴은 그 자체로는 활성이 없고 체내로 흡수가 잘 되지 않기 때문에, 글루코시드를 제거하여 활성형 제니스테인으로 바꾸어 주는 작용이 필수적인데, 이 과정에 관여하는 것이 기질 특이성을 가지는 β-글루코시다아제이다. 최근 장내에 존재하는 β-글루코시다아제가 제니스틴을 제니스테인으로 변환시킨다는 연구 결과가 발표되었으나 (Day et al., 1998; Izumi et al., 2000), 효소 활성이 매우 낮아 다량의 제니스틴을 이용하기에는 어려움이 있었다. 따라서, 제니스틴을 효율적으로 가수분해할 수 있는 β-글루코시다아제 β-글루코시다아제의 개발이 절실하다고 할 수 있다.Plant isoflavonoids, triterpenoid saponins, and steroid saponins are often present in the inactive form of β -glucoside. When glucose is removed through hydrolysis of certain β -glucosidase, the active form Aglycone is produced. For example, since inactive form of glucoside is inactive and does not absorb well in the body, it is essential to remove glucoside and convert it into active genistein. Is β -glucosidase with substrate specificity. Recently, studies have shown that β -glucosidase in the intestine converts genistin to genistein (Day et al ., 1998; Izumi et al ., 2000). There was this. Therefore, effective to hydrolyze the β that the genistin - it can be said that the glucosidase development is imperative in-β-glucosidase.

귀리 β-글루코시다아제는 분자량이 수천만에 이르는 소섬유 멀티머 구조를 형성함으로써 안정성을 유지하며 (Nisius, 1988), 멀티머 형성에 관여하는 부분을 변화시키지 않는 이상 아미노산을 치환하더라도 멀티머 구조와 효소 활성을 유지하는 기능성 소재이다. 귀리 β-글루코시다아제는 ρ-니트로페닐-β-D-글루코피라노시드와 ρ-니트로페닐-β-D-갈락토피라노시드를 가수분해하지만 ρ-니트로페닐-α-D-글루코피라노시드를 분해하지 못하는 전형적인 β-글루코시다아제 활성을 가지고 있다. 특히 제니스틴은 생체내 기질인 아베나코시드와 기질 유사성이 있는데, 이 두 기질에 대한 귀리 β-글루코시다아제의 효소 활성은 K m 값이 약 25배의 차이를 보이긴 하지만 (Kim et al., 2005), 이는 다른 β-글루코시다아제에 비하여 상당히 높은 효소 활성이다 (표 2).Oat β -glucosidase maintains stability by forming small-fiber multimer structures with molecular weights of tens of millions (Nisius, 1988). It is a functional material that maintains enzyme activity. Oat β-glucosidase is ρ-nitrophenyl-β -D- glucopyranoside and ρ-nitrophenyl-decomposing β -D- galacto pyrano seed singer but ρ-nitrophenyl-α -D- gluconic nose It has a typical β -glucosidase activity that does not degrade lanoxide. In particular, Genistin has a substrate similarity to the in vivo substrate avenacoside, although the enzyme activity of oat β -glucosidase on the two substrates differs in about 25-fold K m values (Kim et al ., 2005), which is a significantly higher enzymatic activity compared to other β -glucosidases (Table 2).

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이런 이유로, 귀리 β-글루코시다아제의 기질 특이성을 변화시킴으로써 식물 내에 다량 존재하는 다양한 종류의 배당체 플라보노이드-β-글루코시드들을 더욱 효과적으로 가수분해할 수 있는 신규한 β-글루코시다아제 변이체의 개발이 요구된다. For this reason, there is a need for the development of novel β -glucosidase variants capable of more effectively hydrolyzing the various types of glycoside flavonoid- β -glucosides present in large quantities in plants by changing the substrate specificity of oat β -glucosidase. do.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위하여, 야생형 귀리 β-글루코시다아제(glucosidase)의 AsGlu1 아단위(subunit)에서 아글리콘 결합 부위(aglycon binding site)를 분석하고 확인하며, 특정 부위 돌연변이유발(site-directed mutagenesis)로 아글리콘 결합 부위를 변형하여 플라보노이드 기질에 대한 특이성 을 변화시키고, 이러한 기질에 대한 특이성이 향상된 AsGlu1 변이체(mutant)를 분리하는 작업을 수행하였다.In order to solve the above problems, the present inventors analyze and confirm the aglycon binding site in the AsGlu1 subunit of wild type oat β -glucosidase, and site specific mutagenesis. -directed mutagenesis was used to modify the aglycone binding site to change the specificity for flavonoid substrates and to isolate AsGlu1 mutants with enhanced specificity for these substrates.

이런 작업을 통하여, 본 발명자들은 하기의 AsGlu1S186V, AsGlu1H197F와 AsGlu1F371W 변이체가 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성을 나타내고, 결과로써 상기 플라보노이드 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된다는 것을 확인하였다: Through this work, the inventors have confirmed that the following AsGlu1S186V, AsGlu1H197F and AsGlu1F371W variants exhibit improved specificity for flavonoid substrates, and as a result, the hydrolysis efficiency for the flavonoid substrates is improved:

AsGlu1S186V: AsGlu1 아단위에서 Ser186 → Val로 치환됨.AsGlu1S186V: Substituted Ser 186 → Val in the AsGlu1 subunit.

AsGlu1H197F: AsGlu1 아단위에서 His197 Phe로 치환됨.AsGlu1H197F: His 197 → in AsGlu1 subunit Substituted with Phe.

AsGlu1F371W: AsGlu1 아단위에서 Phe371 → Trp로 치환됨.AsGlu1F371W: Substituted by Phe 371 → Trp in the AsGlu1 subunit.

이러한 결과에 기초하여, 본 발명에서는 아글리콘 결합 부위(aglycon binding site)의 변형으로 플라보노이드 기질에 대한 특이성이 향상된, AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, 또는 AsGlu1F371W에서 선택되는 AsGlu1 변이체를 안출한다.Based on these results, the present invention devises AsGlu1 variants selected from AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W, in which the aglycon binding site is modified to improve specificity for flavonoid substrates.

또한, 본 발명에서는 AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, 또는 AsGlu1F371W에서 선택되는 AsGlu1 변이체를 포함하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제(glucosidase) 변이체를 안출한다.In addition, the present invention provides an oat β -glucosidase variant with improved specificity for the flavonoid substrate, including AsGlu1 variant selected from AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W.

이에 더하여, 본 발명에서는 아글리콘 결합 부위의 변형으로 플라보노이드 기질에 대한 특이성이 향상된 AsGlu1 변이체를 수득하는 방법을 안출하는데, 상기 방법은 아래의 단계를 포함한다:In addition, the present invention contemplates a method for obtaining AsGlu1 variants with improved specificity for flavonoid substrates by modification of the aglycone binding site, the method comprising the following steps:

a). 야생형 귀리 β-글루코시다아제의 AsGlu1 아단위에서 아글리콘 결합 부위를 확인하는 단계;a). Identifying an aglycone binding site in the AsGlu1 subunit of wild type oat β -glucosidase;

b). a) 단계에서 확인된 아글리콘 결합 부위 내에서 최소한 하나의 아미노산 잔기를 특정 부위 돌연변이유발(site-directed mutagenesis)로 치환하는 단계;b). replacing at least one amino acid residue with a site-directed mutagenesis in the aglycone binding site identified in step a);

c). b) 단계에서 치환된 변이체에서 기질 특이성을 확인하는 단계;c). identifying substrate specificity in the variant substituted in step b);

d). 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성을 나타내는 변이체를 분리하는 단계, 여기서, b) 단계에서 아미노산 잔기는 극성 잔기 Ser186, Phe371, 또는 His197에서 선택된다.d). Isolating variants exhibiting improved specificity for the flavonoid substrate, wherein in step b) the amino acid residue is selected from the polar residues Ser186, Phe371, or His197.

본 발명에서, 플라보노이드 기질에는 이소플라본(isoflavon), 플라보논(Flavonone), 플라보놀(Flavonol), 또는 플라본(Flavone)이 포함되지만 이들에 국한되지 않는다. 본 발명에서 이소플라본에는 제니스틴(genistin), 다이드진(daidzin), 또는 글리시틴(glycitin)이 포함되지만 이들에 국한되지 않는다. 플라보논에는 나린제닌(naringenin)-7-Glc가 포함되지만 이들에 국한되지 않는다. 플라보놀은 캠프페롤(kaempferol)-7-Glc 또는 퀘르세틴(quercetin)-3-Glc가 포함되지만 이들에 국한되지 않는다. 플라본에는 아피제닌(apigenin)-7-Glc가 포함되지만 이들에 국한되지 않는다.In the present invention, flavonoid substrates include, but are not limited to, isoflavon, flavonone, flavonol, or flavone. In the present invention, isoflavones include, but are not limited to, genistin, didzin, or glycidin. Flavonones include, but are not limited to naringenin-7-Glc. Flavonols include, but are not limited to, kaempferol-7-Glc or quercetin-3-Glc. Flavones include, but are not limited to, apigenin-7-Glc.

본 발명에 따른 AsGlu1 변이체 및 이들 AsGlu1 변이체를 포함하는 귀리 β- 글루코시다아제 변이체는 식물 내에 다량 존재하는 다양한 종류의 배당체 플라보노이드-β-글루코시드 기질에 대한 향상된 특이성으로, 상기 플라보노이드 기질을 더욱 효과적으로 가수분해할 수 있다. AsGlu1 variants according to the present invention and oat β -glucosidase variants comprising these AsGlu1 variants have improved specificity for various types of glycoside flavonoid- β -glucoside substrates present in large quantities in plants, which more effectively hydrolyze the flavonoid substrates. Can be disassembled.

실험 방법Experiment method

1. 재료1. Material

1.1 시약1.1 Reagent

유전자 조작에 필요한 효소인 pfu DNA 중합효소(polymerase)는 Stratagene(La Jolla, CA, USA)에서, EcoRⅠ, HindⅢ, T4 DNA 리가아제(ligase)는 Fermentas Inc.(Hanover, MD, USA)와 Promega(Madison, WI, USA)에서, 효소 활성 검정에 필요한 MUGlc는 Sigma(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. Pfu DNA polymerase, an enzyme required for genetic engineering, is used in Stratagene (La Jolla, Calif., USA), while Eco Ri, Hind III, and T4 DNA ligase are used in conjunction with Fermentas Inc. (Hanover, MD, USA). In Promega (Madison, WI, USA), the MUGlc required for the enzyme activity assay was purchased from Sigma (St. Louis, MO, USA).

TLC를 위한 TLC 평판(20×20㎝, 실리카 젤 60, F254, 0.25 ㎜), 메탄올, 클로로포름, 아세톤, 아세트산은 Merck Co.(Darmastade, Germany)에서, ρ-아니스알데히드(anisaldehyde)는 Fluka Co.(St. Louis, MO, USA)에서, 황산은 Fisher Scientific Co.(Fair Lawn, New Jersy, USA)에서 각각 구입하였다.TLC plates for TLC (20 × 20 cm, silica gel 60, F254, 0.25 mm), methanol, chloroform, acetone, acetic acid were obtained from Merck Co. (Darmastade, Germany), and ρ -anisaldehyde was obtained from Fluka Co. (St. Louis, MO, USA), sulfuric acid was purchased from Fisher Scientific Co. (Fair Lawn, New Jersy, USA) respectively.

재조합 단백질의 분리를 위한 HA 칼럼 크로마토그래피(column chromatography)에 사용되는 HA는 본 실험실에서 조제한 것을 사용하였다. 분리에 사용된 트리스-염기(tris-base)와 단백질 침전에 사용된 황산암모늄(ammonium sulfate)은 USB Corporation(Cleveland, OH, USA)에서 구입하였으며, 그 외에 완충액, 전기영동에 사용되는 모든 시약은 Sigma와 Bio-Rad Biochemical(Richmond, Califonia, USA)에서 구입하였다.HA used for HA column chromatography for separation of recombinant proteins was prepared in the laboratory. Tris-base used for separation and ammonium sulfate used for protein precipitation were purchased from USB Corporation (Cleveland, OH, USA). All other reagents used for buffer and electrophoresis were It was purchased from Sigma and Bio-Rad Biochemical (Richmond, Califonia, USA).

효소 활성 검정에 사용된 헥소키나아제(hexokinase), 글루코오스-6-인산염 탈수소효소는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)에서 추출된 것으로 MP Biomedicals(Solon, OH 44139, USA)에서, 아데노신 5'-삼인산염, NADP, MgCl2, PGO 효소는 Sigma(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.The hexokinase and glucose-6-phosphate dehydrogenases used in the enzyme activity assay were extracted from Saccharomyces cerevisiae and adenosine 5 'from MP Biomedicals (Solon, OH 44139, USA). Triphosphate, NADP, MgCl 2 , PGO enzymes were purchased from Sigma (St. Louis, MO, USA).

1.2 균주 및 플라스미드1.2 strains and plasmids

형질전환 및 플라스미드 증식을 위한 숙주는 대장균(Escherichia coli) DH5α [ψ80dlac ΔM15, recA, endA, gyrA, thi-1, hsdR(rk -, mk +), supE, relA, deoR, Δ(lacZAY-argF)U169]를 사용하였다. 재조합 단백질 생산을 위한 숙주로는 Invitrogen(Carlsbad, California, USA)에서 구입한 BL21 star(DE3)[F-omp-hsdSB gal dcm rne131 (DE3)]을 사용하였다. 그리고 단백질을 대장균에서 발현시키기 위한 벡터로는 pET24a(Novagen)를 사용하였다.Transformant and the host for the plasmid propagation is E. coli (Escherichia coli) DH5α [ψ80 dlac ΔM15, rec A, end A, gyr A, thi -1, hsd R (r k -, m k +), sup E, rel A , deo R, Δ ( lac ZAY- arg F) U169] were used. As a host for recombinant protein production, BL21 star (DE3) [ F - omp - hsd SB gal dcm rne131 (DE3) ) purchased from Invitrogen (Carlsbad, California, USA) was used. And pET24a (Novagen) was used as a vector for expressing the protein in E. coli.

1.3 귀리의 재배1.3 Cultivation of Oats

귀리 종자(Avena sativa L.cv. Gary)는 선행 연구에서 New York Seed Improvement Cooperative, Inc.(Ithaca, NY)에서 구입된 것을 사용하였다. 우선 귀리 종자를 충분히 씻어준 후, 28℃의 암상에서 1시간 동안 침지하여 두었다가 젖은 질석이 고르게 까린 알루미늄 판(40×55 ㎝)에 일정하게 뿌리고 종자가 보이지 않을 정도로 질석을 덮었다. 27~28℃의 암상에서 습도를 잘 유지하면서 매일 일정량의 물을 뿌려 주어 4~5일간 자라도록 하였다. 종자가 발아하여 5 ㎝ 정도 자랐을 때 유묘의 상단 2~3 ㎝(초엽(coleoptile) 부분)을 수확하여 시료로 사용하였다.Oat seeds (Avaena sativa L.cv. Gary) used those purchased from New York Seed Improvement Cooperative, Inc. (Ithaca, NY) in a previous study. First, the oat seeds were sufficiently washed, soaked for 1 hour in a rock at 28 ° C., and then sprinkled uniformly on an aluminum plate (40 × 55 cm) covered with wet vermiculite, and covered with vermiculite so that the seeds were not visible. Maintaining good humidity in the rock at 27 ~ 28 ℃, sprayed a certain amount of water every day to grow for 4 ~ 5 days. When the seeds germinated and grew about 5 cm, the top 2-3 cm (coleoptile) of the seedlings were harvested and used as a sample.

1.4 효소학적 특성을 위해 사용된 기질1.4 Substrates Used for Enzymatic Properties

변이 단백질의 효소학적 특성을 규명하기 위해 사용된 in vivo 기질인 아베나코시드는 귀리 유묘로부터 직접 분리하였으며, in vitro 기질인 ρNPG는 Sigma(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다.Avenacoside, an in vivo substrate used to characterize the enzymatic properties of the mutant protein, was directly isolated from oat seedlings, and ρ NPG, an in vitro substrate, was purchased from Sigma (St. Louis, MO, USA).

플라보노이드 글루코시드들은 이소플라본인 제니스테인-7-Glc · 다이드제인-7-Glc · 글리시테인-7-Glc, 플라보논인 나린제닌-7-Glc, 플라보놀인 캠프페롤-3-Glc · 퀘르세틴-3-Glc, 플라본인 아피제닌-7-Glc를 사용하였다. 이소플라본은 LC Laboratories(Woburn, MA, USA)에서 직접 구입하였으며, 나린제닌-7-Glc, 캠프페롤-3-Glc, 아피제닌-7-Glc는 안중훈 교수님(건국대학교 분자생명공학과)으로부터 분양받아 사용하였다.Flavonoid glucosides are isoflavones, genistein-7-Glc, dydzein-7-Glc, glycidin-7-Glc, flavonone naringenin-7-Glc, flavonol camphorol-3-Glc · quercetin 3-Glc, the flavone Apigenin-7-Glc was used. Isoflavones were purchased directly from LC Laboratories (Woburn, MA, USA). Naringenin-7-Glc, Camperol-3-Glc, and Apigenin-7-Glc were purchased from Prof. Ahn Joong-hoon (Department of Molecular Biotechnology, Konkuk University). Used.

2. 귀리 2. Oats ββ -글루코시다아제의 모델링Modeling of glucosidase

AsGlu1의 모델링은 3차 구조가 규명된 옥수수 β-글루코시다아제(PDB 1E1E)를 주형으로 ExPASY Proteomics server()에서 SWISS-MODEL 프로그램을 이용하여 수행하였다. 이때 Deep View 프로그램을 사용하여 그 구조를 나타내었다.Modeling of AsGlu1 was performed using SWISS-MODEL program in ExPASY Proteomics server () with a template of maize β -glucosidase (PDB 1E1E) whose tertiary structure was identified. At this time, the structure is shown using Deep View program.

3. 변이된 3. Mutated ββ -글루코시다아제의 발현Expression of glucosidase

3.1 프라이머의 제작 및 도메인 스와핑과 특정 부위 돌연변이유발3.1 Primer Construction and Domain Swapping and Site-Specific Mutagenesis

도메인 스와핑(domain swapping)은 AsGlu2의 기준으로 103 · 193 · 221 · 425 · 458 · 477 · 496번째의 아미노산 위치에서 C-말단 부위를 AsGlu1로 각각 치환하였다. 이를 위해 AsGlu1과 AsGlu2의 cDNA에서 아미노산이 바뀌지 않도록 프 라이머를 제작하여 PCR을 수행하였다(표 3). 즉, 키메라 cDNA의 N-말단 부위는 AsGlu2를 주형으로 센스 프라이머(Glu2-SP)와 스와핑 안티센스 프라이머(SW-AP)를, C-말단 부위는 AsGlu1을 주형으로 스와핑 센스 프라이머(SW-SP)와 안티센스 프라이머(Glu1-AP)를 사용하여 두 개의 단편을 만들었다. 이렇게 만들어진 단편들을 주형으로 센스(Glu2-SP)와 안티센스 프라이머(Glu1-AP)를 사용하여 전장(full-length)의 키메라 cDNA를 제조하였다.As for domain swapping, the C-terminal sites were replaced with AsGlu1 at amino acid positions 103, 193, 221, 425, 458, 477, and 496th based on AsGlu2. For this purpose, PCR was performed by preparing a primer so that amino acids were not changed in cGNAs of AsGlu1 and AsGlu2 (Table 3). That is, the N-terminal portion of the chimeric cDNA is a AsGlu2 template, and a sense primer (Glu2-SP) and a swapping antisense primer (SW-AP), and the C-terminal portion is a AsGlu1 template, and a swapping sense primer (SW-SP) Two fragments were made using antisense primers (Glu1-AP). The fragments thus prepared were made of full-length chimeric cDNA using sense (Glu2-SP) and antisense primer (Glu1-AP) as templates.

본 발명에 따른 변이된 β-글루코시다아제는 중복 신장(overlap extension) PCR을 이용한 특정 부위 돌연변이유발을 통해 제조하였다. 치환하고자 하는 아미노산은 기질 결합의 특이성 결정에 중요한 곳인 아글리콘 결합 부위이었다. 따라서 AsGlu1 (β/α)8 배럴 구조의 β 4/α 4 사이의 (Ser186, His197), β 6/α 6 사이의 (Phe371)에 해당하는 아미노산으로 다음과 같이 치환하였다.Mutated β -glucosidase according to the present invention was prepared through specific site mutagenesis using overlap extension PCR. The amino acid to be substituted was an aglycone binding site which is important for determining the specificity of substrate binding. Therefore, amino acids corresponding to β 4 / α 4 (Ser 186 , His 197 ) and β 6 / α 6 (Phe 371 ) of AsGlu1 ( β / α ) 8- barrel structure were substituted as follows.

AsGlu1의 야생형 서열:Wild type sequence of AsGlu1:

Figure 112009008003037-PAT00005
Figure 112009008003037-PAT00005

AsGlu1의 Ser186 → Val : S186VSer 186 from AsGlu1 → Val: S186V

His197 → Phe : H197FHis 197 → Phe: H197F

Phe371 → Trp : F371WPhe 371 → Trp: F371W

앞에서와 동일하게 아미노산이 치환될 부위를 중심으로 돌연변이유발(mutagenesis) 프라이머(E495K · E183D · S186V · H197F · F371W-SP, -AP; 표 3)를 이용하여 N-말단과 C-말단 부위를 만든 후, 두 개의 단편을 겹치게 하여 전장의 변이 cDNA를 제조하였다. 변이 cDNA의 유전자 확인은 제노텍(주)에서 염기서열분석(sequencing)을 통해 확인하였다.N-terminal and C-terminal sites were made using mutagenesis primers (E495K, E183D, S186V, H197F, F371W-SP, -AP; Table 3) around the sites where amino acids were to be substituted. Later, the two fragments were overlapped to produce full length mutated cDNA. Genetic identification of the mutant cDNA was confirmed by sequencing at Genotech.

Figure 112009008003037-PAT00006
Figure 112009008003037-PAT00006

*밑줄로 표시된 잔기는 돌연변이 부위를 지시한다. * Underlined residues indicate mutation sites.

3.2 발현 벡터 제조 및 발현 숙주 BL21 star(DE3)으로의 형질전환3.2 Expression Vector Preparation and Transformation into Expression Host BL21 star (DE3)

제조된 cDNA를 EcoRⅠ과 HindⅢ의 제한 효소를 이용하여 pET 24a 벡터에 결찰하였다. 결찰 반응액을 DH5α에 형질전환시킨 후, 알칼리성 용해(alkaline lysis) 방법으로 플라스미드를 분리하여 삽입된 유전자의 크기를 확인하였다. 이를 단백질 발현 숙주인 BL21 star(DE3)에 형질전환시켰다.The prepared cDNA was ligated to the pET 24a vector using restriction enzymes of Eco Ri and Hind III. After transfection of the ligation reaction solution in DH5 α, it was confirmed the size of the gene inserted into the plasmid in a way to remove the soluble alkaline (alkaline lysis). This was transformed into BL21 star (DE3), a protein expression host.

3.3 대장균에서 변이 단백질의 발현 및 추출3.3 Expression and Extraction of Mutant Proteins in Escherichia Coli

대장균 콜로니를 50 ㎍/㎖의 카나마이신(kanamycin)이 들어있는 3 ㎖ LB 배지에 접종하고 37℃에서 A600이 0.4-0.6이 될 때까지 배양한 후, 최종 농도가 1mM이 되도록 IPTG를 첨가하고 25℃에서 12시간 동안 발현을 유도하였다. 원심분리하여 균주들을 침강시킨 후, 용해 완충액(lysis buffer)(50 mM Tris-HCl, 2 mM EDTA, 4 mM β-메르캅토에탄올, 5% 글리세롤, pH 8.0)에 현탁하고 초음파장치(ultrasonicator)로 초음파 마쇄하고 10,000×g, 4℃에서 10분간 원심분리하였다. 이렇게 얻은 총 세포 추출물(total cell extract, T), 가용성 세포 용해물(soluble cell lysate, S) 그리고 불용성 세포 용해물(insoluble cell lysate, I)을 전기영동 시료로 사용하였다.E. coli colonies were inoculated in 3 ml LB medium containing 50 μg / ml kanamycin and incubated at 37 ° C. until A 600 became 0.4-0.6, then IPTG was added to a final concentration of 1 mM and 25 Expression was induced at 12 ° C. for 12 hours. After centrifugation, the strains were allowed to settle, and then suspended in a lysis buffer (50 mM Tris-HCl, 2 mM EDTA, 4 mM β -mercaptoethanol, 5% glycerol, pH 8.0) and an ultrasonic device (ultrasonicator). Ultrasonic grinding and centrifugation for 10 minutes at 10,000 x g, 4 ℃. Total cell extract (T), soluble cell lysate (S) and insoluble cell lysate (I) thus obtained were used as electrophoretic samples.

3.4 SDS-PAGE를 통한 변이 단백질의 발현 확인3.4 Expression of Mutant Proteins via SDS-PAGE

앞에서 분리된 추출물들을 SDS-폴리아크릴아마이드 겔 전기영동(SDS-PAGE)으로 확인하였다. SDS-PAGE는 단백질 시료에 SDS-시료 완충액[0.5 M Tris-Cl, pH 6.8, 10%(w/v) SDS, 50%(v/v) 글리세롤, 14.4 mM β-메르캅토에탄올, 0.05%(w/v) 브로모페놀 블루(bromophenol blue)]을 넣고 3분간 끓인 후, Laemmli (1970)의 방법에 따라 10% 젤에서 수행하였다. 전기영동 완충액[0.025 M Tris-Cl, pH 8.3, 0.195 M 글리신, 0.1%(w/v) SDS]을 사용하여 15 mA에서 3시간 동안 수행한 후, 염색 용액[0.1%(w/v) Coomassie brilliant blue R-250, 40%(v/v) 메탄올, 10%(v/v) 빙초산(glacial acetic acid)]으로 1시간 동안 염색한 다음, 탈색 용액[30%(v/v) 메탄올, 10%(v/v) 아세트산, 1%(v/v) 글리세롤]으로 탈색시킴으로써 변이 단백질의 발현을 확인하였다.Extracts previously isolated were identified by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). SDS-PAGE was added to protein samples in SDS-sample buffer [0.5 M Tris-Cl, pH 6.8, 10% (w / v) SDS, 50% (v / v) glycerol, 14.4 mM β -mercaptoethanol, 0.05% ( w / v) bromophenol blue] was added and boiled for 3 minutes, followed by a 10% gel according to the method of Laemmli (1970). After electrophoresis buffer [0.025 M Tris-Cl, pH 8.3, 0.195 M glycine, 0.1% (w / v) SDS] for 3 hours at 15 mA, staining solution [0.1% (w / v) Coomassie brilliant blue R-250, 40% (v / v) methanol, 10% (v / v) glacial acetic acid] for 1 hour, then bleach solution [30% (v / v) methanol, 10 Expression of the mutant protein was confirmed by decolorization with% (v / v) acetic acid, 1% (v / v) glycerol].

3.5 Native-PAGE와 Zymogram을 통한 효소 활성 검정3.5 Enzyme Activity Assay through Native-PAGE and Zymogram

Native-PAGE는 6% 젤을 사용하여 Laemmli (1970)의 방법에 따라, SDS와 β-메르캅토에탄올을 사용하지 않고 실시하였다. 5 mA의 일정한 전류에서 약 6시간 동안 저온실에서 전기영동하였다. SDS-PAGE에서와 마찬가지로 Coomassie 염색을 통해 변이 단백질들의 멀티머 형성의 유무를 확인하였다. 또한, 변이 단백질의 효소 활성을 측정하기 위하여 전기 영동한 젤을 구연산염 완충액(pH 5.5)에 10분 간격으로 3번 교체한 후, 기질의 최종 농도가 2 mM이 되도록 MUGlc을 첨가하여 상온에서 반응시켰다. 장파장의 UV 광을 조사하여 확인하였다.Native-PAGE was performed using SDS and β -mercaptoethanol according to the method of Laemmli (1970) using a 6% gel. Electrophoresis was carried out in a cold room for about 6 hours at a constant current of 5 mA. As in SDS-PAGE, Coomassie staining confirmed the presence of multimer formation of the mutant proteins. In addition, in order to measure the enzymatic activity of the mutant protein, the electrophoresis gel was replaced with citrate buffer (pH 5.5) three times at 10 minute intervals, and then reacted at room temperature by adding MUGlc so that the final concentration of the substrate was 2 mM. . Long wavelength UV light was confirmed by irradiation.

4. 변이된 4. Mutated ββ -글루코시다아제의 분리 정제-Purification of Glucosidase

4.1 변이 단백질의 발현 및 부분 정제4.1 Expression and Partial Purification of Mutant Proteins

대장균 콜로니를 50 ㎍/㎖의 카나마이신(kanamycin)이 들어 있는 3 ㎖ LB 배지에 접종하고 37℃에서 A600이 0.6-1.0이 될 때까지 배양한다. 배양된 균주를 동일한 항생제가 들어 있는 800 ㎖ LB 배지에 흡광도가 0.02가 되도록 접종한다. 이를 A600이 0.4-0.6이 될 때까지 배양한 후, 최종 농도가 1 mM이 되도록 IPTG를 첨가하고 25℃에서 12시간 동안 발현을 유도한다. 5,000×g, 4℃에서 10분간 원심분리하여 균주들을 침강시킨 후, 80 ㎖의 용해 완충액(50 mM Tris-HCl, 2 mM EDTA, 4 mM β-메르캅토에탄올, 5% 글리세롤, pH 8.0)에 현탁하고 25 ㎍/㎖이 되도록 리소자임(lysozyme)을 넣어 4℃에서 천천히 교반하면서 3시간 동안 반응시켰다. 초음파장치로 5분간 초음파 마쇄하고 10,000×g에서 20분간 원심분리하여 모은 상등액에 100 ㎖당 25 g의 황산암모늄(ammonium sulfate)을 천천히 녹이고 30분간 교반하였다. 반응이 끝난 후, 10,000×g에서 20분간 원심분리하여 얻은 침전물을 용해 완충액에 다시 녹였다. 침전물 현탁액은 Tris 완충액(50 mM Tris-HCl, 5 mM EDTA, 14 mM β-메르캅토에탄올, pH 7.8)을 이용하여 2시간 동안 투석하였으며 이를 HA 칼럼 크로마토그래피에 사용하였다.E. coli colonies are inoculated in 3 ml LB medium containing 50 μg / ml kanamycin and incubated at 37 ° C. until A 600 is 0.6-1.0. The cultured strains are inoculated in 800 ml LB medium containing the same antibiotics with an absorbance of 0.02. After incubation until A 600 is 0.4-0.6, IPTG is added to a final concentration of 1 mM and expression is induced at 25 ° C. for 12 hours. The cells were allowed to settle by centrifugation at 5,000 × g, 4 ° C. for 10 minutes, and then in 80 ml of lysis buffer (50 mM Tris-HCl, 2 mM EDTA, 4 mM β -mercaptoethanol, 5% glycerol, pH 8.0). Suspension was added to lysozyme (25 ㎍ / ㎖) to react for 3 hours while stirring slowly at 4 ℃. Ultrasonic grinding was performed by an ultrasonic device for 5 minutes, and centrifuged at 10,000 × g for 20 minutes, 25 g of ammonium sulfate per 100 ml was slowly dissolved and stirred for 30 minutes. After the reaction, the precipitate obtained by centrifugation at 10,000 x g for 20 minutes was dissolved in the lysis buffer again. The precipitate suspension was dialyzed for 2 hours using Tris buffer (50 mM Tris-HCl, 5 mM EDTA, 14 mM β -mercaptoethanol, pH 7.8) and used for HA column chromatography.

4.2 HA 칼럼 크로마토그래피4.2 HA column chromatography

증류수로 평형시킨 HA 칼럼(2.1×5.8 ㎝)에 앞서 준비된 상등액을 시간당 15 ㎖의 유속으로 단백질을 흡착시켰다. 그리고 칼럼 부피의 5배에 해당하는 Tris 완충액으로 씻어준 다음, 5 mM KPB(5 mM 인산칼륨 완충액, 5 mM EDTA, 14 mM β-메르캅토에탄올, pH 7.8)와 20 mM KPB를 사용하여 농도 구배의 방법으로 시간당 15 ㎖의 유속으로 단백질을 용출시켰다.The supernatant prepared prior to the HA column (2.1 x 5.8 cm) equilibrated with distilled water was adsorbed protein at a flow rate of 15 ml per hour. After washing with Tris buffer corresponding to 5 times the column volume, concentration gradient was performed using 5 mM KPB (5 mM potassium phosphate buffer, 5 mM EDTA, 14 mM β -mercaptoethanol, pH 7.8) and 20 mM KPB. Protein was eluted at a flow rate of 15 ml per hour by the method.

4.3 변이된 β-글루코시다아제의 활성 검정4.3 Activity Assay for Modified β -Glucosidase

분리된 β-글루코시다아제의 활성을 검정하기 위하여 기질로 ρNPG를 사용하였으며 Nisius와 Ruppel (1987)의 방법에 따라, 구연산염 완충액(pH 5.5)에서 반응을 수행하였다. 효소의 농도는 0.01 ㎍/㎖이 되도록 하고 기질의 농도는 10 mM로 하여 30℃에서 15분간 반응시켰다. 반응을 중지시키기 위하여 1 M Na2CO3을 동량으로 첨가하고, 반응 산물인 ρ-니트로페놀의 양을 405nm(ε=18,500 M-1cm-1)에서 측정하여 활성을 검정하였다. 젤 상에서 효소의 활성은 상기 3.5에서와 동일한 방법으로 수행하였다.In order to assay the activity of the isolated β -glucosidase, ρ NPG was used as a substrate and the reaction was performed in citrate buffer (pH 5.5) according to the method of Nisius and Ruppel (1987). The enzyme concentration was 0.01 μg / ml and the substrate concentration was 10 mM, followed by reaction at 30 ° C. for 15 minutes. To stop the reaction, 1 M Na 2 CO 3 was added in the same amount, and the activity was assayed by measuring the amount of the reaction product ρ -nitrophenol at 405 nm (ε = 18,500 M −1 cm −1 ). The activity of the enzyme on the gel was carried out in the same manner as in 3.5 above.

5. 5. In vivoIn vivo 기질(avenacoside)의 분리 Isolation of the avenacoside

β-글루코시다아제의 in vivo 기질을 분리하기 위하여 암상에서 4일간 자란 귀리 유묘의 상단을 3 ㎝ 길이로 잘라 시료로 사용하였다. In order to isolate the in vivo substrate of β -glucosidase, the top of oat seedlings grown on cancer for 4 days was cut into 3 cm in length and used as a sample.

아베나코시드(avenacoside)를 분리하기 위해 시료 3배 부피의 메탄올을 첨가하고 Warning blender에서 3분간 분쇄한 후, 30분간 천천히 교반하였다 (Nisius, 1988). 5,000×g에서 15분간 원심분리한 후, 상등액을 두 겹의 Miracloth로 거르고 증발시켰다. 증발된 상등액은 다시 TLC 용매인 CHCl3:CH3OH:H2O=70:35:5.5(by vol)에 녹였다.To separate avenacosides, three times the volume of methanol was added, triturated in a Warning blender for 3 minutes, and stirred slowly for 30 minutes (Nisius, 1988). After centrifugation at 5,000 × g for 15 minutes, the supernatant was filtered through two layers of Miracloth and evaporated. The evaporated supernatant was again dissolved in TLC solvent CHCl 3 : CH 3 OH: H 2 O = 70: 35: 5.5 (by vol).

26-데스글루코아베나코시드는 아베나코시드에서 글루코오스가 제거된 형태로 분리하기 위하여 시료 1배 부피의 물을 첨가하고 Warning blender에서 3분간 분쇄한 후, 1시간 동안 천천히 교반하였다. 그 후 시료 3배 부피의 메탄올을 첨가하고 Warning blender에서 다시 3분간 분쇄하고 30분간 교반하였다. 이를 5,000×g에서 15분간 원심분리한 후, 상등액을 두 겹의 Miracloth로 거르고 증발시켰다. 증발된 상등액은 아베나코시드에서와 동일한 TLC 용매에 녹였다.In order to separate 26-desglucobenacoside into a glucose-free form from avenacoside, 1-fold volume of water was added, triturated in a Warning blender for 3 minutes, and then stirred slowly for 1 hour. Thereafter, three times the volume of methanol was added, and the mixture was ground again for 3 minutes in a Warning blender and stirred for 30 minutes. After centrifugation at 5,000 × g for 15 minutes, the supernatant was filtered through two layers of Miracloth and evaporated. The evaporated supernatant was dissolved in the same TLC solvent as in avenacoside.

이렇게 각각 분리된 추출물은 실리카 젤 60 플레이트에서 TLC를 수행하였다. 스테로이드 계열만 염색이 되는 ρ-아니스알데히드/황산/아세트산(1/1/48)을 뿌리고 130℃에서 5분간 방치한 후, 아베나코시드 추출물의 띠(band)를 확인하였다. 아베나코시드 추출물에서 나타나는 여러 개의 띠를 각각 추출하고 β-글루코시다아제와 반응하여 생성되는 띠의 위치를 26-데스글루코아베나코시드 추출물에서와 비교하여 아베나코시드 A와 B의 위치를 확인하였다. 정확한 위치가 확인된 아베나코시드 A와 B를 실리카 젤에서 다시 추출하고, 분리된 글루코오스의 양을 효소학적 방법으로 정량하였다.The extracts thus separated were subjected to TLC on a silica gel 60 plate. After spraying ρ -anisaldehyde / sulfuric acid / acetic acid (1/1/48), which is only stained with steroids, and allowed to stand at 130 ° C. for 5 minutes, a band of avenacoside extract was confirmed. The locations of avenacosides A and B were identified by extracting each of the bands from the avenacoside extract and comparing the locations of the bands produced by reaction with β -glucosidase with those of the 26-desglucovenacoside extract. . The exact location of the Abenacosides A and B was extracted again from the silica gel, and the amount of glucose isolated was quantified by enzymatic method.

6. 변이된 6. Mutated ββ -글루코시다아제의 안정성 검정-Stable Assay of Glucosidase

6.1 온도에 대한 안정성6.1 Stability Over Temperature

기질로는 ρNPG를 이용하였고 상기 4.3에서 제시된 방법에 따라 수행하였다. 즉, 구연산염 완충액(pH 5.5)에서 30℃에서 15분간 반응시킨 후, 같은 부피의 1 M Na2CO3을 첨가하여 반응을 중지시키고 반응 산물인 ρ-니트로페놀의 양을 405nm에서 측정하였다. Ρ NPG was used as the substrate and was performed according to the method given in 4.3 above. That is, after reacting for 15 minutes at 30 ° C. in citrate buffer (pH 5.5), an equal volume of 1 M Na 2 CO 3 was added to stop the reaction, and the amount of ρ -nitrophenol as a reaction product was measured at 405 nm.

변이 단백질의 최적 온도는 20-60℃의 범위에서 효소 활성을 측정함으로서 확인하였다. 온도에 대한 안정성은 먼저, β-글루코시다아제 효소를 각각 다른 온도(20-60℃)에서 30분간 방치하고, 기질 첨가후 상기 제시된 방법에 따라 효소 활성을 측정함으로써 확인하였다.The optimal temperature of the mutant protein was confirmed by measuring enzyme activity in the range of 20-60 ° C. The stability to temperature was confirmed by first leaving the β -glucosidase enzyme at different temperatures (20-60 ° C.) for 30 minutes and measuring the enzyme activity according to the method given above after substrate addition.

6.2 pH에 대한 안정성6.2 Stability to pH

변이 단백질의 최적 pH는 3.0-11.0의 범위에서 효소 활성을 측정함으로서 확인하였다. 이때, 각 pH에 대한 완충액으로는 3.0-5.5 범위의 경우에 구연산염 완충액, 6.0-8.0 범위의 경우에 인산염 완충액, 8.5-11.0 범위의 경우에 글리신-NaOH 완충액을 사용하였다. 완충액을 제외하고 동일한 조건에서 pH에 대한 활성을 검정하였다. pH에 대한 안정성은 먼저, β-글루코시다아제 효소를 30℃에서 2시간 동안 각각 다른 완충액(pH 3.0-11.0)에 방치하고, 기질 첨가후 상기 제시된 방법으로 활성을 측정함으로써 확인하였다.The optimal pH of the mutant protein was confirmed by measuring enzyme activity in the range of 3.0-11.0. At this time, citrate buffer in the range 3.0-5.5, phosphate buffer in the range 6.0-8.0, glycine-NaOH buffer in the range 8.5-11.0 was used as the buffer for each pH. The activity against pH was assayed under the same conditions except buffer. Stability to pH was first confirmed by leaving the β -glucosidase enzyme in different buffers (pH 3.0-11.0) for 2 hours at 30 ° C. and measuring activity by the method given above after substrate addition.

6.3 다양한 화학물질에 대한 활성 변화6.3 Changes in activity for various chemicals

변이 단백질의 다양한 화학물질에 대한 활성의 변화를 확인하였다. 사용한 물질은 MgCl2, CuSO4, ZnSO4, MnCl2, AgNO3, IAA, β-메르캅토에탄올, 디티오트레이톨(dithiothreitol)이었다. 기질로는 ρNPG를 사용하였고, 이들 물질을 최종 농도 1 mM로 각각 첨가하여 효소 활성의 변화를 확인하였다.Changes in activity for various chemicals of variant proteins were identified. Materials used were MgCl 2 , CuSO 4 , ZnSO 4 , MnCl 2 , AgNO 3 , IAA, β -mercaptoethanol, dithiothreitol. As the substrate, ρ NPG was used, and these substances were added at a final concentration of 1 mM to confirm changes in enzyme activity.

7. 변이된 7. Mutated ββ -글루코시다아제의 효소학적 특성-Enzymatic properties of glucosidase

7.1 In vivo/in vitro 기질에 대한 특성7.1 Properties for In vivo / in vitro Substrates

변형 β-글루코시다아제의 동역학을 측정하기 위하여 in vivo 기질인 아베나코시드를 사용하였고 가수분해를 통해 유리되는 글루코오스의 양을 연속적으로 측정하기 위하여 헥소키나아제와 글루코오스-6-인산염 탈수소효소를 이용하는 결합 검사(coupled assay) 방법을 사용하였다 (Duerksen and Halvorson, 1958). 아베나코시드 A와 B를 1:2의 비율로 혼합하여 사용하였고 Nisius (1988)의 방법에 따라, KPB 완충액(pH 6.8)에 0.7 ㎎ NADP, 1.5 ㎎ ATP, 1 ㎎ MgSO4, 2U 헥소키나아제, 1U 글루코오스-6-인산염 탈수소효소를 넣고 반응을 수행하였다. 효소 농도는 0.1 ㎍/㎖이 되도록 하였으며 기질의 농도는 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 μM을 사용하였고 30℃에서 반응시킨 후, A340(NADPH의 소광 계수(extinction coefficient): 6,200 M-1·㎝-1)에서 3분간 연속적으로 활성 변화를 측정하였다. 그 결과로부터 Lineweaver-Bulk 이중 역수 도시(double reciprocal plot)를 이용하여 효소의 K m V max 값을 측정하였다 (Lineweaver and Burk, 1934).Avenacoside, an in vivo substrate, was used to measure the kinetics of modified β -glucosidase and binding using hexokinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase to continuously measure the amount of glucose released through hydrolysis. A coupled assay method was used (Duerksen and Halvorson, 1958). Abenacosides A and B were mixed at a ratio of 1: 2 and, according to Nisius (1988), 0.7 mg NADP, 1.5 mg ATP, 1 mg MgSO 4 , 2U hexokinase, in KPB buffer (pH 6.8), 1 U glucose-6-phosphate dehydrogenase was added and the reaction was performed. The enzyme concentration was 0.1 μg / ml and the substrate concentration was 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 μM, and after reaction at 30 ° C., A 340 (extinction coefficient of NADPH: 6,200 M −1 · cm −1 ) and the activity change was measured continuously for 3 minutes. From the results were determined the K m and V max values of the enzyme using the Lineweaver-Bulk double reciprocal shown (double reciprocal plot) (Lineweaver and Burk, 1934).

그리고 in vitro 기질인 ρNPG의 경우 KPB 완충액(pH 6.8)에서 1 ㎍/㎖의 효소 농도를 사용하였고 기질의 농도는 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 3, 5, 7 mM로 달리하여 30℃에서 반응시킨 후, A400(ρ-니트로페놀의 소광 계수, pH 6.8: 9,600 M-1·㎝-1)에서 3분간 연속적으로 활성 변화를 측정하였다. 그 결과로부터 Lineweaver-Bulk 이중 역수 도시를 이용하여 효소의 K m V max 값을 측정하였다.In the case of ρ NPG, which is an in vitro substrate, enzyme concentration of 1 ㎍ / ml was used in KPB buffer (pH 6.8), and the concentration of substrate was 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 3, 5, 7 mM. after reaction at ℃, a 400 -: to measure the change in activity for 3 minutes continuously (ρ-nitrophenol extinction coefficient, pH 6.8 of 9,600 M -1 · ㎝ -1). As a result, the K m and V max values of the enzyme using the Lineweaver-Bulk shown were determined from double reciprocal.

7.2 플라보노이드 글루코시드에 대한 특성7.2 Properties for Flavonoid Glucosides

플라보노이드 글루코시드는 이소플라본인 제니스테인-7-글루코시드 · 다이드제인-7-글루코시드 · 글리시테인-7-글루코시드, 플라보논인 나린제닌-7-글루코시드, 플라보놀인 캠프페롤-3-글루코시드 · 퀘르세틴-3-글루코시드, 플라본인 아피제닌-7 -글루코시드를 사용하였다. 캠프페롤-3-글루코시드는 메탄올에 녹였고, 그 외 나머지 글루코시드는 모두 DMSO에 녹여 사용하였다.Flavonoid glucosides are genistein-7-glucoside, isoflavone, diadin-7-glucoside, glycidin-7-glucoside, naringenin-7-glucoside, flavonone, camperol-3- Glucoside Quercetin-3-glucoside and flavone apigenin-7-glucoside were used. Camperol-3-glucoside was dissolved in methanol, and all other glucosides were dissolved in DMSO.

이 경우에도, 기질로부터 가수분해되어 유리되는 글루코오스의 양을 연속적으로 측정하기 위하여 결합 검사(coupled assay) 방법을 사용하였다. KPB 완충액(pH 6.8)에 0.7 ㎎ NADP, 1.5 ㎎ ATP, 1 ㎎ MgSO4, 2U 헥소키나아제, 1U 글루코오스-6-인산염 탈수소효소를 넣고 반응을 수행하였다. 효소 농도는 1 ㎍/㎖이 되도록 하였으며 기질의 농도는 이소플라본과 퀘르세틴-3-글루코시드는 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200 μM을 사용하였고, 나린제닌-7-글루코시드, 캠프페롤-3-글루코시드, 아피제닌-7-글루코시드의 경우 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 μM을 사용하였다. 30℃에서 반응시킨 후, A340(NADPH의 소광 계수: 6,200 M-1·㎝-1)에서 3분간 연속적으로 활성 변화를 측정하였고, 그 결과로부터 Lineweaver-Bulk 이중 역수 도시를 이용하여 효소의 K m V max 값을 측정하였다.Even in this case, a coupled assay method was used to continuously measure the amount of glucose hydrolyzed and released from the substrate. 0.7 mg NADP, 1.5 mg ATP, 1 mg MgSO 4 , 2U hexokinase, 1U glucose-6-phosphate dehydrogenase were added to KPB buffer (pH 6.8). Enzyme concentration was 1 μg / ml and substrate concentrations of isoflavone and quercetin-3-glucoside were 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200 μM, and naringenin-7-glucoside, cAMP. For perol-3-glucoside, apigenin-7-glucoside, 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 μM was used. After reacting at 30 ° C., the activity change was measured continuously for 3 minutes at A 340 (quenching coefficient of NADPH: 6,200 M −1 · cm −1 ), and from the result, the K of the enzyme was determined using the Lineweaver-Bulk double inverse plot. m and V max values were measured.

8. 단백질 정량8. Protein Quantitation

단백질의 양은 Coomassie brilliant blue G-250을 사용한 Coomassie-blue 단백질 분석법 (Bradford, 1976)으로 정량하였고, 표준 단백질로 BSA를 사용하였다.The amount of protein was quantified by Coomassie-blue protein assay (Bradford, 1976) using Coomassie brilliant blue G-250, and BSA was used as a standard protein.

실험 결과Experiment result

1. 도메인 스와핑과 특정 부위 돌연변이유발을 통한 멀티머 형성에 관련된 부위 동정Identification of sites involved in multimer formation through domain swapping and site-specific mutagenesis

귀리 β-글루코시다아제의 아단위인 AsGlu1과 AsGlu2는 510개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 이들 서열은 90%의 동질성을 나타내며 매우 유사하다(도 3). 이들 아미노산 서열로부터 분석한 단백질의 2차 구조는 글루코시드 가수분해효소(hydrolase) 계통 1의 전형적인 (β/α)8 배럴을 형성하고 있다. 그러나 이들 유전자를 각각 대장균에 발현시켰을 때, AsGlu1은 타입 I의 호모멀티머(homomultimer)를 형성하나, AsGlu2는 호모다이머(homodimer)를 형성한다. 그리고 AsGlu1과 AsGlu2를 동시에 발현시킨 경우에만 타입 II의 헤테로멀티머(heteromultimer)를 형성한다 (Kim et al., 2000). 특히 타입 I의 호모멀티머와 달리, 타입 II의 헤테로멀티머는 대부분 헤테로헥사머(heterohexamer)로 존재하고, 이들 헥사머가 중첩된 멀티머를 형성하지만 고분자량의 멀티머는 형성하지 못한다. 이러한 결과는 AsGlu1이 멀티머 형성에 중요한 기능을 하는 부위임을 의미한다.The subunits of oat β -glucosidase, AsGlu1 and AsGlu2, consist of 510 amino acids and these sequences show 90% identity and are very similar (FIG. 3). The secondary structure of the protein analyzed from these amino acid sequences forms a ( β / α ) 8 barrel typical of the glucoside hydrolase strain 1. However, when each of these genes is expressed in E. coli, AsGlu1 forms a homomultimer of type I, whereas AsGlu2 forms a homodimer. And only when AsGlu1 and AsGlu2 are expressed at the same time, a type II heteromultimer is formed (Kim et. al ., 2000). In particular, unlike type I homomultimers, type II heteromultimers mostly exist as heterohexamers, which form overlapping multimers but not high molecular weight multimers. These results indicate that AsGlu1 is an important site for multimer formation.

AsGlu1과 AsGlu2는 아미노산 서열에서 높은 동질성을 가지고 있음에도 불구하고 구조적인 차이가 존재하기 때문에 서로 다른 아미노산으로 치환되어 있는 부위가 멀티머 형성에 관련되어 있을 것이다. 그러나 AsGlu1과 AsGlu2의 아미노산 서열 비교에서 그 변화가 있는 부위는 일부분에 국한되어져 있는 것이 아니라, 아미노산 전체에 분포되어져 있다(도 3). 따라서 호모다이머 만을 형성하는 AsGlu2를 이용하여 각기 다른 도메인에 해당하는 부위를 AsGlu1로 치환하여 멀티머 형성에 관여하는 아미노산을 규명하고자 하였다.Although AsGlu1 and AsGlu2 have high homogeneity in the amino acid sequence, structural differences exist so that sites substituted with different amino acids may be involved in multimer formation. However, in the comparison of the amino acid sequences of AsGlu1 and AsGlu2, the site of change is not limited to a part but is distributed throughout the amino acid (FIG. 3). Therefore, we tried to identify amino acids involved in multimer formation by substituting AsGlu1 for different domains using AsGlu2 forming homodimer only.

도메인 스와핑은 AsGlu1과 AsGlu2의 cDNA에서 아미노산이 바뀌지 않고 제한 효소 부위가 추가되도록 프라이머를 제작하여 수행하였다. AsGlu2의 기준으로 103, 193, 221, 425, 458, 477, 496번째의 아미노산 위치에서 각각 치환하였다. 치환된 cDNA는 pET24a 벡터로 클로닝하여 발현 숙주인 BL21 star(DE3)를 이용해 재조합 단백질로 발현시켰다.Domain swapping was performed by constructing primers such that restriction enzyme sites were added without changing the amino acids in the cDNAs of AsGlu1 and AsGlu2. AsGlu2 was substituted at 103, 193, 221, 425, 458, 477, and 496th amino acid positions, respectively. The substituted cDNA was cloned into pET24a vector and expressed as recombinant protein using BL21 star (DE3), an expression host.

치환된 β-글루코시다아제들은 모두 효소 활성을 가진 수용성 단백질로 발현되었다. 그 중에서 103번 아미노산의 위치에서 AsGlu1로 치환된 SW-1부터 477번에서 치환된 SW-6까지 모두 멀티머를 형성하였으나 496번에서 치환된 SW-7은 다이머를 형성하였다. 이는 AsGlu2의 멀티머 형성에 관여하는 부위는 AsGlu2를 기준으로 477에서 495 아미노산 사이임을 알 수 있었다. 이 부위의 AsGlu1과 AsGlu2의 아미노산 서열을 비교해 보면, AsGlu2를 기준으로 495번째 아미노산이다. 이 아미노산은 AsGlu2에서 글루타민산염(Glu, E), AsGlu1에서는 리신(Lys, K)으로 서로 다른 전하를 가지고 있으므로 멀티머 형성에 중요한 역할을 하는 아미노산으로 생각되었다.The substituted β -glucosidases were all expressed as water soluble proteins with enzymatic activity. Among them, a multimer was formed from SW-1 substituted with AsGlu1 at amino acid position 103 to SW-6 substituted at 477, but SW-7 substituted at 496 formed a dimer. The site involved in the multimer formation of AsGlu2 was found to be between 477 and 495 amino acids based on AsGlu2. Comparing the amino acid sequences of AsGlu1 and AsGlu2 in this region, it is the 495th amino acid based on AsGlu2. This amino acid is thought to be an amino acid that plays an important role in multimer formation because it has different charges from AsGlu2 to glutamate (Glu, E) and AsGlu1 to lysine (Lys, K).

따라서 상기 아미노산을 특정 부위 돌연변이유발을 통해 AsGlu2의 495번 아미노산인 글루타민산염(E)을 리신(K)으로 치환한 AsGlu2 E495K 변이체를 제조하였다. 발현된 변이체는 AsGlu1과 유사하게 멀티머를 형성하였다. 이는 AsGlu2를 기준으로 495번 아미노산의 차이에 의해 헥사머 및 멀티머의 형성 능력이 달라짐을 암시한다.Accordingly, the AsGlu2 E495K variant was prepared by replacing glutamate (E), amino acid 495 of AsGlu2 with lysine (K), through specific site mutagenesis. The expressed variants formed multimers similar to AsGlu1. This suggests that the formation ability of hexamers and multimers is altered by differences in amino acid 495 relative to AsGlu2.

2. 귀리 2. Oats ββ -글루코시다아제 멀티머의 효소학적 특성Enzymatic Properties of Glucosidase Multimers

아베나코시드 A와 B의 분리는 귀리 유묘를 메탄올로 추출한 후, 스테로이드만 염색하는 ρ-아니스알데히드/황산/아세트산(1:1:48)(v:v:v)을 사용하여 TLC를 수행함으로써 아베나코시드 A와 B의 위치를 확인하였고, 이를 실리카 젤로부터 추출하고 정제하였다. 이와 같이 분리된 아베나코시드 A와 B를 in vivo 기질로 사용하였다.Separation of avenacosides A and B was performed by extracting oat seedlings with methanol and then performing TLC using ρ -anisaldehyde / sulfuric acid / acetic acid (1: 1: 48) (v: v: v), which only stains steroids. The locations of avenacosides A and B were confirmed, which were extracted from silica gel and purified. Avenacosides A and B thus separated were used as substrates in vivo .

Figure 112009008003037-PAT00007
Figure 112009008003037-PAT00007

귀리 β-글루코시다아제에 의한 아베나코시드의 26-데스글루코아베나코시드로의 가수분해의 박막 크로마토그래피 결과. Thin layer chromatography results of hydrolysis of avenacoside to 26-desglucovenacoside by oat β -glucosidase.

β-글루코시다아제 멀티머의 활성은 앞서 추출된 아베나코시드 A와 B를 사용하여 측정하였다. 아베나코시드를 이용한 활성 측정에서 직접적 생산물인 26-데스글루코아베나코시드의 양을 측정하기 어렵기 때문에 연속적인 변화량을 측정하기 위한 결합 검사(coupled assay) 방법을 이용하였다 (Duerksen and Halvorson, 1958). 즉, 방출된 글루코오스가 헥소키나아제와 글루코오스-6-인산염 탈수소효소의 기질로 사용되고, 그 결과 생성되는 NADPH의 양을 측정하여 간접적으로 β-글루코시다아제에 의해 방출된 글루코오스의 양을 측정하였다. 연속적인 변화량을 pH 6.8에서 측정하여 동역학 변수(kinetic parameter)[K m (기질 친화성), k cat (대사 전환수), k cat /K m (촉매 효율)]를 결정하였다.The activity of β -glucosidase multimer was measured using Avenacocside A and B extracted previously. In the activity measurement using avenacoside, it was difficult to measure the amount of 26-desglucovenacoside, which is a direct product, and thus a coupled assay method was used to measure continuous changes (Duerksen and Halvorson, 1958). . That is, the released glucose was used as a substrate for hexokinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase, and the amount of NADPH produced as a result was measured to indirectly measure the amount of glucose released by β -glucosidase. Continuous changes were measured at pH 6.8 to determine kinetic parameters [ K m (substrate affinity), k cat (metabolism), k cat / K m (catalyst efficiency)].

멀티머를 형성하는 AsGlu1은 K m 이 0.017 mM이며, 다이머를 형성하는 AsGlu2의 K m 은 AsGlu1보다 약 3.3배 높게 나타났다(표 4). 그러나 AsGlu2 E495K 변이체 멀티머는 0.037 mM로 멀티머 형성에 의해 K m 이 감소되는 것을 볼 수 있었다. k cat 의 경우 AsGlu1, AsGlu2 그리고 AsGlu2 E495K는 거의 유사하여 멀티머와 다이머 간의 큰 변화가 관찰되지 않았다. 그리고 k cat /K m 즉, 촉매 효율(catalytic efficiency)은 AsGlu1이 AsGlu2보다 약 3배 높으며, AsGlu2 E495K가 AsGlu2보다 약 1.6배 높게 나타났다. 이러한 결과는 β-글루코시다아제가 멀티머를 형성할수록 기질에 대한 친화성이 높아져 기질을 더욱 효율적으로 가수분해할 수 있음을 보여준다.AsGlu1 to form a multi-Merced is K m is 0.017 mM, the K m AsGlu2 to form the dimer was higher about 3.3 times than AsGlu1 (Table 4). However, AsGlu2 E495K variant multimer was found to decrease K m by multimer formation to 0.037 mM. For k cat , AsGlu1, AsGlu2 and AsGlu2 E495K were almost similar, so no significant change between multimer and dimer was observed. In other words, k cat / K m, that is, the catalytic efficiency (Calytic efficiency) AsGlu1 is about 3 times higher than AsGlu2, AsGlu2 E495K was about 1.6 times higher than AsGlu2. These results show that the more the β -glucosidase forms a multimer, the higher the affinity for the substrate, so that the substrate can be more efficiently hydrolyzed.

또한, in vivo 기질을 이용한 β-글루코시다아제 멀티머의 특성이 in vitro 기질에서도 동일한 특성을 나타내는지 확인하기 위하여 ρNPG를 이용한 활성을 측정하였다. AsGlu1, AsGlu2, AsGlu2 E495K에 대한 K m 이 각각 4.1, 10.3, 5.2 mM로 다이머의 K m 이 높게 나타났으며, 멀티머 형성에 의해 K m 이 감소되었다. k cat 의 경우 AsGlu2는 2.0(s-1)이나, AsGlu2 E495K는 AsGlu1과 유사하게 1.05(s-1)로 k cat 가 약간 감소하였다. 또한, 촉매 효율은 AsGlu1이 AsGlu2보다 약 1.6배 높았으며, AsGlu2 E495K는 AsGlu2보다 약 1.1배 정도 높았다. 즉, β-글루코시다아제의 in vivo, in vitro 기질에 대한 특성에서 다이머보다 멀티머의 기질 친화성이 더욱 높다는 것을 확인할 수 있다.In addition, the activity of ρ NPG was measured to confirm whether the properties of β -glucosidase multimers using in vivo substrates showed the same characteristics in in vitro substrates. The K m of AsGlu1, AsGlu2, and AsGlu2 E495K was 4.1, 10.3, and 5.2 mM, respectively, and the K m of the dimer was high, and K m was decreased by the multimer formation. For k cat is AsGlu2 2.0 (s -1) or, AsGlu2 E495K is the k cat was reduced slightly to 1.05 (s -1) In analogy to AsGlu1. AsGlu1 was 1.6 times higher than AsGlu2, and AsGlu2 E495K was about 1.1 times higher than AsGlu2. That is, it can be seen that the substrate affinity of the multimer is higher than that of the dimer in the properties of β -glucosidase in vivo and in vitro substrate.

Figure 112009008003037-PAT00008
Figure 112009008003037-PAT00008

3. 귀리 3. Oats ββ -글루코시다아제의 아글리콘 결합 부위 동정Identification of Aglycone Binding Sites of Glucosidase

식물 β-글루코시다아제의 구조는 옥수수에서 X-선 결정학을 통해 잘 밝혀져 있다 (Czjzek et al., 2001). 옥수수 β-글루코시다아제(ZmGlu1)의 크리스탈 구조를 주형으로 SWISS-MODEL 프로그램을 이용하여 귀리 β-글루코시다아제(AsGlu1)의 모형 구조를 예측하였다. 앞서 아미노산 서열에서 알 수 있는 바와 같이, 전형적인 (β/α)8 배럴 구조이고(도 3), C-말단과 N-말단은 서로 근접하게 위치하고, β-가닥은 내부에만 분포되어 있고, α-나선은 β-가닥을 둘러싸면서 외부에 노출되어 위치하고 있다. 그리고 효소 활성 부위의 촉매 부위(catalytic site)인 2개의 글루타민산염(Glu183, Glu399)은 내부에 분포된 4번, 7번 β-가닥에 위치함을 알 수 있었다.The structure of plant β -glucosidase is well documented through X-ray crystallography in maize (Czjzek et al ., 2001). The model structure of oat β -glucosidase (AsGlu1) was predicted using SWISS-MODEL program using the crystal structure of maize β -glucosidase (ZmGlu1) as a template. As can be seen from the amino acid sequence above, a typical ( β / α ) 8 barrel structure (FIG. 3), the C- and N-terminus are located close to each other, the β -strands are distributed only inside, and α- The helix is exposed to the outside, surrounding the β -strand. The two glutamate salts (Glu 183 and Glu 399 ), which are catalytic sites of the enzyme active site, were located in β -strands 4 and 7 distributed therein.

Figure 112009008003037-PAT00009
Figure 112009008003037-PAT00009

AsGlu1 모노머의 3차 구조, 여기서 E183과 E399는 근접 위치하는 촉매 글루타민산염을 지시한다. Tertiary structure of the AsGlu1 monomer, wherein E183 and E399 indicate the catalytic glutamate in close proximity.

최근 β-글루코시다아제의 기질 특이성에 관여하는 부위에 관한 연구가 활발히 진행되었다 (Verdoucq et al., 2003, 2004). 그 중, ZmGlu1에서 기질과 결합된 공동-크리스탈(co-crystal) 구조(PDB 1E1E, 1E1F)를 통해 기질 특이성에 관여하는 부위가 동정되었고, 특히 기질에 대한 글루코오스 결합 부위와 아글리콘 결합 부위가 각각 분리되어져 존재하는 것으로 알려졌다. 따라서 상기 AsGlu1 모형 구조를 ZmGlu1 크리스탈 구조와 비교하여 AsGlu1의 기질 특이성에 관여하는 부위를 동정하고자 하였다. 먼저 효소 활성 부위 중에서, 촉매 부위는 ZmGlu1과 AsGlu1에서 동일하게 존재하였다(ZmGlu1에서 Glu191 · Glu406, AsGlu1에서 Glu183 · Glu399)(도 4). 그리고 기질에 대한 글루코오스 결합 부위도 ZmGlu1과 AsGlu1에서 동일하게 나타났다(ZmGlu1에서 Gln38 · His142 · Asn190 · Trp457 · Glu464 · Trp465, 귀리에서 Gln33 · His137 · Asn182 · Trp450 · Glu457 · Trp458)(도 4A, B).Recently, studies have been actively conducted on sites involved in substrate specificity of β -glucosidase (Verdoucq et al ., 2003, 2004). Among them, the sites involved in substrate specificity were identified through co-crystal structures (PDB 1E1E, 1E1F) bound to the substrate in ZmGlu1, and in particular, the glucose binding site and the aglycone binding site for the substrate were respectively identified. It is known to exist in isolation. Therefore, the AsGlu1 model structure was compared with the ZmGlu1 crystal structure to identify sites involved in substrate specificity of AsGlu1. First, among the enzyme active sites, the catalytic sites were the same in ZmGlu1 and AsGlu1 (Glu 191 · Glu 406 in ZmGlu1, Glu 183 · Glu 399 in AsGlu1) (FIG. 4). Glucose binding sites to substrate were also the same in ZmGlu1 and AsGlu1 (Gln 38 in ZmGlu1, His 142 , Asn 190 , Trp 457 , Glu 464 , Trp 465 , Oat 33 , His 137 , Asn 182 , Trp 450 Glu Trp 457 · 458) (Fig. 4A, B).

그러나 아글리콘 결합 부위는 ZmGlu1과 AsGlu1에서 서로 다르게 나타났다. ZmGlu1의 경우에는 슬롯(slot)과 같은 소수성 포켓(hydrophobic pocket)을 형성하고 있는데, 이러한 포켓의 한쪽에는 Phe198 · Phe205 · Phe466로, 반대편에는 Trp378로 구성되어 있고, 이에 상응하는 AsGlu1의 아미노산은 Leu190 · His197 · Ser459와 Phe371이다(도 4A, B). 즉, AsGlu1에서 아글리콘 결합 부위는 ZmGlu1에 비해 더 열려져 있는데, 이러한 구조는 아베나코시드가 ZmGlu1의 기질인 DIMBOA-글루코시드보다 크다는 사실과 일치한다. 이들의 구조를 측면에서 관찰했을 때, AsGlu1이 ZmGlu1에 비해 아글리콘 결합 부위가 상대적으로 외부로 노출되어져 있었다. 이러한 결과로부터, β-글루코시다아제의 기질 특이성은 기질의 아글리콘 특성에 의해 결정되어진다는 것을 확인할 수 있었다.However, the aglycone binding sites were different in ZmGlu1 and AsGlu1. ZmGlu1 forms a hydrophobic pocket such as a slot, one of which is Phe 198 · Phe 205 · Phe 466 and the other is Trp 378 and the corresponding AsGlu1 The amino acids are Leu 190. His 197. Ser 459 and Phe 371 (FIG. 4A, B). That is, the aglycone binding site in AsGlu1 is more open than ZmGlu1, and this structure is consistent with the fact that avenacoside is larger than DIMBOA-glucoside, which is the substrate of ZmGlu1. When these structures were observed from the side, AsGlu1 was exposed to the outside of the aglycone binding site relatively compared with ZmGlu1. From these results, it was confirmed that the substrate specificity of β -glucosidase was determined by the aglycone properties of the substrate.

즉, 귀리 β-글루코시다아제 내에서 아글리콘 결합 부위의 소수성을 변화시키고 아글리콘 결합 부위의 공간을 변화시킴으로써 다양한 글루코시드에 대한 기질 친화성을 높일 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 옥수수 β-글루코시다아제(ZmGlu1)와 수수(sorghum) β-글루코시다아제(ShDhr1)는 70% 이상 아미노산 서열이 유사한데(도 5), ShDhr1은 기질 특이성이 좁고 ZmGlu1은 기질 특이성이 넓음에도 불구하고 ShDhr1의 기질인 듀린(dhurrin)을 가수분해하지 못한다(표 1). 그러나 ZmGlu1의 C-말단 부위를 ShDhr1의 기질 결합 부위인 C-말단의 일부분(F466S, A467S, Y473F)으로 치환하면 기질 특이성이 변하여 듀린을 가수분해할 수 있었다. 또한, 두 효소의 아글리콘 결합 부위를 특정 부위 돌연변이유발시킨 결과, (β/α)8 배럴 구조 중에서 β 4/α 4 사이 루프(ZmGlu1의 Phe198, Phe205), β 5 시트(ShDhr의 Asn259, Phe261), β 6/α 6 나선을 연결하는 루프(ZmGlu1의 Trp378) 및 C-말단 부위의 β 8/α 8 사이(ZmGlu1의 Phe466)가 기질 결합에 중요한 부위로 나타났다(도 5).In other words, the possibility of increasing substrate affinity for various glucosides by changing the hydrophobicity of the aglycone binding site and the space of the aglycone binding site in oat β -glucosidase. Corn β -glucosidase (ZmGlu1) and sorghum β -glucosidase (ShDhr1) have a similar amino acid sequence of at least 70% (FIG. 5), although ShDhr1 has a narrow substrate specificity and ZmGlu1 has a broad substrate specificity. And cannot hydrolyze the durin, the substrate of ShDhr1 (Table 1). However, substituting the C-terminus of ZmGlu1 with a portion of the C-terminus (F466S, A467S, Y473F), which is the substrate binding site of ShDhr1, could change the substrate specificity to hydrolyze Durin. In addition, mutagenesis of the aglycone binding sites of the two enzymes resulted in a β 4 / α 4 loop (ZmGlu1 Phe 198 , Phe 205 ) and β 5 sheets (ShDhr Asn) in the ( β / α ) 8 barrel structure. 259 , Phe 261 ), a loop connecting the β 6 / α 6 helix (Trp 378 of ZmGlu1) and β 8 / α 8 at the C-terminal site (Phe 466 of ZmGlu1) appeared to be important sites for substrate binding (FIG. 5).

사람의 세포질 β-글루코시다아제(hCBG)는 생체내 기능이 아직 알려져 있지 않다. 이 효소는 피토에스트로겐, 간단한 페놀 화합물, 시아노겐의 β-글루코시드를 포함하는 식이 생체이물(dietary xenobiotic) β-글루코시드와 아릴-β-글루코시드(β-D-푸코시드, β-D-글루코시드, β-D-갈락토시드, β-L-자일로시드)에 대하여 약한 효소 활성을 가지고 있다. hCBG에서 아글리콘 결합 부위의 Val168을 Try로 치환시켰을 때, 이소플라보노이드 β-글루코시드에 대한 효소 활성이 5배 이상 감소하였는데, 이는 아글리콘 결합 부위의 변형을 통해 기질 특이성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.Human cytoplasmic β -glucosidase (hCBG) is not yet known in vivo. The enzyme phytoestrogens, simple phenolic compounds, β of the cyanogen-expression xenobiotic comprising the glucoside (dietary xenobiotic) β-glucoside and aryl-β-glucoside -D- Foucault seed, β -D- Glucoside, β -D-galactosid, β- L-xyloxide) and weak enzymatic activity. When Val 168 of the aglycone binding site was replaced with Try in hCBG, the enzymatic activity of the isoflavonoid β -glucoside was reduced by more than five times, suggesting that modification of the aglycone binding site can improve substrate specificity. Suggest.

이와 같은 결과를 바탕으로, 귀리 β-글루코시다아제 내에 존재하는 아글리콘 결합 부위는 (β/α)8 배럴 구조의 β 4/α 4 사이 루프에 있는 Leu190 · Ser186 · His197, β 5 시트상의 Asp254 · Met256, β 6/α 6 사이 루프에 있는 Phe371 및 C-말단 β 8/α 8 사이의 Ser459로 예상되었다(도 4C, D).Based on these results, the aglycone binding site present in oat β -glucosidase is Leu 190 · Ser 186 · His 197 , β 5 in the loop between β 4 / α 4 of ( β / α ) 8 barrel structure. Asp 254 · Met 256 on the sheet, Phe 371 in the loop between β 6 / α 6 and Ser 459 between the C-terminal β 8 / α 8 were expected (FIG. 4C, D).

4. 특정 부위 돌연변이유발을 통한 아글리콘 결합 부위 변형4. Modification of Aglycone Binding Sites Through Specific Site Mutagenesis

다양한 플라보노이드 글루코시드에 대한 기질 특이성의 변화를 알아보기 위해 AsGlu1 모형 구조의 아글리콘 결합 부위 예상 결과에서 3곳의 중요한 부위를 선별하였다. 즉, 아글리콘 결합 부위의 소수성을 높이기 위해 β 4/α 4 사이의 루프에 있는 Ser186을 Val로 치환시켰고, 결합 부위의 크기를 좁게 하기 위해 β 6/α 6 사이의 루프에 있는 Phe371을 Trp로, 그리고 이들 두 가지 특성을 모두 바꿀 수 있는 β 4/α 4 사이의 루프에 있는 His197을 Phe205로 치환하였다(도 6). Three significant sites were selected from the predicted aglycone binding site of the AsGlu1 model structure to determine changes in substrate specificity for various flavonoid glucosides. In other words, in order to increase the hydrophobicity of the aglycone binding site, Ser 186 in the loop between β 4 / α 4 was substituted with Val. Phe 371 in the loop between β 6 / α 6 was substituted to narrow the binding site. Trp and His 197 in the loop between β 4 / α 4, which can change both of these properties, was substituted with Phe 205 (FIG. 6).

이들 변이 유전자는 중복 신장(overlapping extension) 방법을 이용한 특정 부위 돌연변이유발을 통해 제작하였다. 즉, AsGlu1을 주형으로 하여 N-말단 부위는 주형의 프라이머(SP)와 변형될 아미노산이 들어가는 프라이머(M-AP), C-말단 부위는 M-SP와 주형의 프라이머(AP)를 이용하여 PCR을 수행하였다. 이 두 단편을 주형의 프라이머(SP, AP)를 이용하여 한 번 더 PCR을 수행하여 1.5 kb 크기의 돌연변이 β-글루코시다아제 cDNA를 확보하였다(도 7). 음성 대조(negative control)는 효소 활성 부위의 촉매 부위 중의 하나인 Glu183을 Asp로 치환하여 E183D를 제작하였다.These mutant genes were constructed by mutagenesis of specific sites using overlapping extension methods. That is, asGlu1 is used as a template, the N-terminal part is PCR using a primer (SP) of the template and the amino acid to be modified (M-AP), and the C-terminal part is M-SP and a primer (AP) of the template. Was performed. These two fragments were subjected to PCR once more using the primers of the template (SP, AP) to obtain a 1.5 kb mutant β -glucosidase cDNA (FIG. 7). Negative control produced E183D by substituting Asp for Glu 183 , one of the catalytic sites of the enzyme active site.

5. 대장균에서 발현된 변이 단백질의 발현 및 분리 정제5. Expression and Purification of Mutant Protein Expressed in Escherichia Coli

이들 변이 유전자는 발현 벡터인 pET24a에 클로닝한 후, 단백질 발현 균주인 BL21 star(DE3)에 형질전환하여 1 mM IPTG에서 단백질 발현을 유도하였다. 발현된 단백질은 총 세포 추출물, 가용성 세포 용해물 그리고 불용성 세포 용해물로 나누어 SDS-PAGE를 수행하였으며, 그 결과 모두 수용성 단백질로 발현이 되는 것을 확인할 수 있었다(도 8A). 또한, 모두 구조적으로 안정한 멀티머를 형성하였다(도 8B). 그러나 in vitro 기질인 MUGlc에 대한 활성은 차이를 보였는데, 음성 대조인 E183D는 효소 활성이 없었으나 이를 제외한 다른 변이 단백질들 중에서 S186V 변이 단백질은 야생형인 AsGlu1과 비교하여 활성이 높았고, H197F와 F371W는 유사한 활성을 나타내었다(도 8C).These mutant genes were cloned into pET24a, an expression vector, and then transformed into BL21 star (DE3), a protein expression strain, to induce protein expression at 1 mM IPTG. The expressed protein was divided into total cell extracts, soluble cell lysates and insoluble cell lysates, and SDS-PAGE was performed. As a result, all of them were expressed as water-soluble proteins (FIG. 8A). In addition, all of them formed structurally stable multimers (FIG. 8B). However, the activity of MUGlc, which is an in vitro substrate, was different. The negative control E183D had no enzymatic activity, but among the other mutant proteins, the S186V mutant protein was higher than the wild type AsGlu1, and H197F and F371W Similar activity was shown (FIG. 8C).

변이 단백질들이 모두 수용성 단백질로 발현되고 효소 활성을 가진 멀티머임을 확인한 후, 효소학적 특성을 알아보기 위해 이들 변이 단백질을 HA 칼럼 크로마토그래피로 분리 정제하였다. 귀리 타입 I β-글루코시다아제가 5 mM KPB에서 용출되므로, 유사한 조건으로 인산칼륨 완충액(KPB)의 농도를 5 mM에서부터 20 mM까지 서서히 증가시키면서 용출하였다(도 9). 대장균에서 발현된 변이 단백질 역시 5 mM KPB에서 대부분 용출되었다.After confirming that all of the mutant proteins were expressed as water-soluble proteins and having a multimer having enzymatic activity, the mutant proteins were separated and purified by HA column chromatography to determine enzymatic properties. Since oat type I β -glucosidase elutes at 5 mM KPB, eluting with a slowly increasing concentration of potassium phosphate buffer (KPB) from 5 mM to 20 mM under similar conditions (FIG. 9). Mutant proteins expressed in E. coli were also mostly eluted in 5 mM KPB.

6. 본 발명에 따른 변이된 6. Modified according to the present invention ββ -글루코시다아제의 활성 검정Activity Assay of Glucosidase

분리 정제된 변이 단백질들의 활성을 검정하고자 in vitro 기질인 MUGlc에 대한 활성을 살펴보았는데, 분리 정제 이전인 세포 추출물에서 검정한 활성과 동일한 결과를 나타내었다. 즉, 효소 활성을 억제시키기 위하여 변형한 E183D는 효소 활성이 없었으며, 이를 제외한 다른 변이 단백질들 중에서 야생형인 AsGlu1과 비교하여 S186V 변이 단백질은 활성이 높았고, H197F와 F371W 변이 단백질들은 유사한 활성을 나타냈다(도 10).In order to assay the activity of the isolated and purified mutant proteins, we examined the activity of MUGlc, an in vitro substrate, and showed the same results as the assayed activity in the cell extract before separation and purification. In other words, E183D modified to inhibit the enzyme activity had no enzyme activity. Among other mutant proteins, S186V mutant protein was higher than wild type AsGlu1, and H197F and F371W mutant proteins showed similar activity. 10).

7. 본 발명에 따른 변이된 7. Modified according to the present invention ββ -글루코시다아제의 안정성-Stability of Glucosidase

첫 번째, 분리 정제된 변이 단백질들의 최적 온도는 20~60℃ 사이에서 확인하였고, 온도 안정성은 각각 다른 온도(20~60℃)에서 30분간 반응시킨 후, 기질을 첨가하여 활성을 측정하였다. 모든 효소들의 최적 온도는 35℃로 나타났는데, 최적 온도에서의 활성은 야생형과 비교하여 S186V 변이 단백질이 가장 높았고, H197F 변이 단백질은 유사하였고, F371W 변이 단백질은 가장 낮게 나타났다(도 11). 이들 효소는 30℃ 정도에서만 안정성을 보이고, 35℃ 이상에서는 약 80%의 활성을 보이지만 40℃ 이상에서는 활성이 급격히 감소하였고, 그 이상의 온도에서는 활성이 완전히 없어지는 것을 확인하였다. 또한, 이들 변이 단백질들의 온도 안정성에서 나타나는 활성의 차이는 최적 온도에서 나타나는 활성의 차이와 동일하였다.First, the optimum temperature of the separated and purified mutant proteins was confirmed between 20 ~ 60 ℃, temperature stability was reacted for 30 minutes at different temperatures (20 ~ 60 ℃), and then the activity was measured by the addition of a substrate. The optimum temperature of all enzymes was found to be 35 ° C., the activity at the optimum temperature was highest in S186V mutant protein, similar in H197F mutant protein and lowest in F371W mutant protein compared to wild type (FIG. 11). These enzymes showed stability only at about 30 ° C., showed an activity of about 80% at 35 ° C. or higher, but rapidly decreased at 40 ° C. or higher, and completely disappeared at higher temperatures. In addition, the difference in activity in the temperature stability of these mutant proteins was identical to the difference in activity at the optimum temperature.

두 번째, 최적 pH는 3.0~11.0 사이에서 확인하였고, pH 안정성은 각각 다른 pH(3.0~11.0)를 가진 완충액에서 2시간 동안 반응시킨 후, 기질을 첨가하여 활성을 측정하였다. 이들 효소의 pH에 대한 활성 프로필(activity profile)은 종 모양을 보이고, 최적 pH는 5.5로 나타났고, pH 5.5~6.5에서 가장 안정함을 확인할 수 있었다(도 12). pH에 따른 변이 단백질들의 활성 차이는 온도에 따른 활성 결과에서와 유사하게, S186V > H197F > 야생형 > F371W 변이 단백질의 순서로 활성의 차이를 보였다.Second, the optimum pH was confirmed between 3.0 and 11.0, the pH stability was reacted for 2 hours in a buffer having a different pH (3.0 ~ 11.0), and then the activity was measured by the addition of a substrate. The activity profile (activity profile) of the pH of these enzymes showed a bell shape, the optimum pH was found to be 5.5, it was confirmed that the most stable at pH 5.5 ~ 6.5 (Fig. 12). The activity difference of the mutant proteins according to pH was similar to that of the temperature-dependent activity, and showed the difference of activity in the order of S186V> H197F> wild type> F371W mutant protein.

세 번째, 다양한 화학물질에 대한 활성의 변화를 확인하였다. 야생형(AsGlu1)의 경우 이들 화학물질에 대한 활성에서 큰 변화를 나타내지 않았는데(표 5), 이는 구조적으로 매우 안정한 효소임을 지시하였다. 변이 단백질의 경우 S186V는 야생형에 비해 전체적으로 높은 활성을 보였는데, 이는 상기 활성 검정에서와 동일하게 구조적으로 효소 활성이 증가하여 이들 화학물질에 대한 활성 역시 증가하는 것으로 생각되어진다. H197F 변이 단백질은 야생형에 비해 이들 화학물질에 대한 활성이 증가하였으나 금속 킬레이터(metal chelator)와 환원제(reducing agent)들에 대해서는 특이적인 활성이 나타나지 않았다. 그리고 F371W 변이 단백질은 이들 화학물질에 대해 다소 낮은 활성을 보였다. Third, changes in activity for various chemicals were identified. Wild type (AsGlu1) showed no significant change in activity for these chemicals (Table 5), indicating that this is a structurally very stable enzyme. In the case of the mutant protein, S186V showed higher overall activity than the wild type, which is believed to increase the activity of these chemicals by structurally increasing the enzyme activity in the same manner as in the above activity assay. The H197F mutant protein increased the activity of these chemicals compared to the wild type, but showed no specific activity against metal chelators and reducing agents. And the F371W variant protein showed somewhat lower activity against these chemicals.

Figure 112009008003037-PAT00010
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이용된 반응물 농도는 1mM이었다.The reactant concentration used was 1 mM.

a반응물의 부재에서 활성은 100%로 간주되었다(특이적 활성 = 1312U/㎎) a Activity in the absence of a reactant was considered 100% (specific activity = 1312 U / mg)

8. 본 발명에 따른 변이된 8. Modified according to the present invention ββ -글루코시다아제의 효소학적 특성-Enzymatic properties of glucosidase

아베나코시드 B, ρNPG 및 다양한 플라보노이드 글루코시드를 이용하여 변이된 β-글루코시다아제의 기질 특이성을 효소학적으로 분석하였다. 연속적인 변화량을 측정하기 위해 앞에서 언급한 결합 검사(coupled assay) 방법을 이용하였으며, 이들 효소의 특이적 활성(specific activity)과 동역학 변수(kinetic parameter)를 측정하였다.The substrate specificity of the mutated β -glucosidase was enzymatically analyzed using Avenacocsid B, p NPG and various flavonoid glucosides. The combined assay method described above was used to measure continuous changes, and the specific activity and kinetic parameters of these enzymes were measured.

1) 본 발명에 따른 변이된 β-글루코시다아제의 특이적 활성1) Specific activity of the modified β -glucosidase according to the present invention

먼저, 멀티머 형성에 있어 다양한 기질에 대한 효소 활성을 살펴보면 다음과 같았다. 멀티머인 AsGlu1의 특이적 활성은 생체내 기질인 아베나코시드 B에 대해 428.87×103 unit·㎎-1로 가장 높았으며, in vitro 기질인 ρNPG에 대한 활성은 아베나코시드 B에서보다 325배 감소되어 나타났다(표 6). 플라보노이드 글루코시드의 경우, 제니스테인-7-Glc(genistin)과 아피제닌-7-Glc(apigetrin)에 대한 활성은 아베나코시드에 비해 각각 5.8배, 9.4배 낮았으나 ρNPG와 다른 플라보노이드 글루코시드에 비해 그 활성이 높았다. 그 외에 다이드제인-7-Glc(daidzin), 글리시테인-7-Glc(glycitin), 캠프페롤-3-Glc(astragalin)에 대한 활성은 거의 유사하고, 플라보노이드 글루코시드 중에서 퀘르세틴-3-Glc(isoquercitrin)에 대한 활성이 가장 낮게 나타났으며, 나린제닌-7-Glc(Prunin)에 대한 효소 활성은 없었다.First, the enzymatic activity of various substrates in multimer formation was as follows. The specific activity of the multimer AsGlu1 was highest at 428.87 × 10 3 unit · mg −1 for the in vivo substrate Avenacoside B. The activity of the in vitro substrate ρ NPG was 325 higher than that of Avenacoside B. It was found to be reduced fold (Table 6). In the case of flavonoid glucoside, the activity of genistein-7-Glc (genistin) and apigenin-7-Glc (apigetrin) was 5.8 times and 9.4 times lower than avenacoside, respectively, but compared to ρ NPG and other flavonoid glucosides. Its activity was high. In addition, the activities of Dadezin-7-Glc (daidzin), Glycithin-7-Glc (glycitin), and Camperol-3-Glc (astragalin) are almost similar, and quercetin-3-Glc in flavonoid glucoside (isoquercitrin) showed the lowest activity and no enzymatic activity against naringenin-7-Glc (Prunin).

AsGlu2와 AsGlu2 E495K 변이 단백질에서도 유사한 결과가 나타났다(표 6). 즉, 아베나코시드 B에 대한 활성은 높게 나타나고, ρNPG에 대한 활성은 아베나코시드 B에서보다 낮게 나타났다. 이소플라본인 제니스틴에 대한 활성은 AsGlu1에서와 유사한 반면, 다이드진(daidzin)과 글리시틴(glycitin)에 대한 활성은 AsGlu2 다이머가 AsGlu1 멀티머와 AsGlu2 E495K 변이 멀티머에 비해 약 2~3배 높았다. 캠프페롤-3-Glc와 아피제닌-7-Glc에 대한 활성은 다른 기질에 비해 AsGlu2에서 낮게 관찰되었지만 AsGlu2 E495K 변이 멀티머에서는 4~6배 정도 증가하였다. 또한, 퀘르세틴-3-Glc와 나린제닌-7-Glc에 대한 효소 활성은 AsGlu1에서와 동일하였다. 이러한 결과는 아베나코시드 B에 대해 높은 활성을 가지는 AsGlu1이 플라보노이드 글루코시드에 대하여 낮은 활성을 가지고 있으며, 멀티머를 형성함으로서 그 활성이 증가한다는 것을 증명하였다.Similar results were shown for AsGlu2 and AsGlu2 E495K mutant proteins (Table 6). That is, activity against avenacoside B was high and activity against ρ NPG was lower than that of avenacoside B. While the activity of isoflavone, zenithine, is similar to that of AsGlu1, the activity of diadzin and glycidin is about 2-3 times higher than that of AsGlu1 multimer and AsGlu2 E495K mutant multimer. High. The activity against camperol-3-Glc and apigenin-7-Glc was observed lower in AsGlu2 than in other substrates, but increased 4-6 fold in AsGlu2 E495K mutant multimers. In addition, the enzyme activities for quercetin-3-Glc and naringenin-7-Glc were the same as in AsGlu1. These results demonstrated that AsGlu1, which has high activity against Avenacoside B, has low activity against flavonoid glucoside, and increases its activity by forming multimers.

세 종류의 변이된 β-글루코시다아제의 활성을 AsGlu1의 활성과 비교 분석한 결과 S186V는 아베나코시드 B와 ρNPG에 대한 활성이 약 2배 정도 증가하는 반면, H197F와 F371W는 약 1~2배 정도 감소하였다. S186V의 경우 이소플라본인 제니스틴과 다이드진에 대한 활성이 약 1.6배 정도 증가하고, 글리시틴에 대한 활성이 18배 증가하여 훨씬 높은 활성을 보였다. H197F의 경우 제니스틴에 대한 활성은 유사하지만 다이드진에 대한 활성이 약 10배, 글리시틴에 대한 활성이 3.4배 정도 증가하였다. F371W의 경우 제니스틴에 대한 활성이 1.6배 감소하였고 다이드진과 글리시틴에 대한 활성이 없었다. 이들 변이된 β-글루코시다아제는 AsGlu1과 비교하여, 캠프페롤-3-Glc에 대한 활성이 감소하였고, 활성이 가장 낮았던 퀘르세틴-3-Glc에 대한 활성이 약간 증가하였다. 하지만 AsGlu1이 제니스틴에서와 유사한 활성을 나타내는 아피제닌-7-Glc에 대해서 S186V는 활성을 나타내지 않았으며, H197F와 F371W는 활성이 많이 감소하였다. 흥미롭게도, AsGlu1 및 다른 변이 단백질에서는 플라보논인 나린제닌-7-Glc에 대한 활성이 전혀 나타나지 않는 반면, S186V에서만 7.92×103 unit·㎎-1의 활성이 관찰되었다. 비록 아베나코시드 B에 대한 활성(886.33×103 unit·㎎-1)에 비해 약 112배 낮긴 하지만, AsGlu1에서 상기 기질에 대한 활성이 없는 점을 고려하면 주목할 만한 결과이다. 이들 변이된 β-글루코시다아제 중에서 Ser186을 Val로 치환하는 것은 생체내 기질뿐만 아니라 다양한 기질에 대한 높은 효소 활성을 유도하는 것으로 생각된다.As a result of comparing the activity of the three mutated β -glucosidases with that of AsGlu1, the activity of A186-Abenacoside B and ρ NPG was increased by about 2 times while that of H197F and F371W was about 1-2. Decreased by a factor of 2. In the case of S186V, the activity of isoflavones, such as zenithine and dydazine, was increased by about 1.6 times, and the activity of glycidine was increased by 18 times, showing much higher activity. In the case of H197F, the activity on genistin was similar, but the activity on dydazine was increased by about 10 times and the activity on glycidine by 3.4 times. F371W showed a 1.6-fold decrease in activity against genistin and no activity for dydzin and glycidine. These mutated β -glucosidases had decreased activity against camperol-3-Glc and slightly increased activity against quercetin-3-Glc, which was the lowest as compared to AsGlu1. However, S186V did not show activity against Apigenin-7-Glc with AsGlu1 similar activity to that of Genistin, and H197F and F371W decreased significantly. Interestingly, AsGlu1 and other mutant proteins showed no activity for the flavonone naringenin-7-Glc, while the activity of 7.92 × 10 3 unit · mg −1 was observed only in S186V. Although it is about 112 times lower than the activity against avenacoside B (886.33 × 10 3 units · mg −1 ), it is a notable result considering the lack of activity on the substrate in AsGlu1. Substitution of Ser 186 with Val among these mutated β -glucosidase is thought to induce high enzymatic activity against various substrates as well as in vivo substrates.

Figure 112009008003037-PAT00011
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2) In vivo/in vitro 기질(아베나코시드 B/ρNPG)에 대한 효소학적 특성2) Enzymatic Characterization of In vivo / in vitro Substrates (Avenacoside B / ρ NPG)

본 발명에 따른 변이된 β-글루코시다아제들은 여러 기질에 대하여 다양한 효소 활성을 나타내었다. 이에 in vivo/in vitro 기질에 대한 효소학적 특성을 조사하였다. 아베나코시드 B와 ρNPG에 대한 AsGlu1 멀티머, AsGlu2 다이머, AsGlu2 E495K 변이 멀티머의 특성은 앞서 제공되었다(표 4).The modified β -glucosidases according to the present invention exhibited various enzymatic activities against different substrates. We investigated enzymatic properties of in vivo / in vitro substrates. The properties of AsGlu1 multimers, AsGlu2 dimers, and AsGlu2 E495K mutant multimers for avenacoside B and ρ NPG were provided above (Table 4).

in vivo 기질인 아베나코시드 B에서 H197F와 F371W는 K m 이 각각 0.023과 0.030 mM로 기질에 대한 친화성이 AsGlu1과 유사하였으나, S186V는 0.109 mM로 AsGlu1 또는 다른 변이 단백질에 비해 기질 친화성이 낮음을 확인할 수 있었다(표 7). 그리고 H197F와 F371W는 k cat 가 AsGlu1에 비해 감소하였고, 그 결과 k cat /K m 이 AsGlu1보다 감소하였다. 또한, S186V 역시 k cat 가 832(s-1)로 약 2배 정도 증가하였으나 K m 이 AsGlu1보다 높아 k cat /K m 이 감소하였다. in vivo substrate of Abbe Tamara H197F and F371W of the seed B is K m is however the affinity for each of the substrates to 0.023 and 0.030 mM similar AsGlu1, S186V has a substrate affinity than AsGlu1 or other mutant proteins in 0.109 mM Low It could be confirmed (Table 7). In H197F and F371W, k cat was decreased compared to AsGlu1, and as a result, k cat / K m was decreased than AsGlu1. Also, S186V also increased k cat to 832 (s -1 ) by about 2 times, but decreased k cat / K m because K m was higher than AsGlu1.

In vitro 기질인 ρNPG에서 K m 은 AsGlu1이 4.1 mM인 반면, S186V와 H197F는 각각 1.44와 3.4 mM로 감소하였고 F371W는 8.6 mM로 약 2배 정도이었다. 즉, 이들 두 변이 단백질은 ρNPG에 대한 기질 친화성이 증가하였으나 F371W는 감소하였다. k cat 은 S186V에서 2.9(s-1)로 가장 높았으며 AsGlu1과 H197F에서 거의 유사하였고, F371W에서 가장 낮게 나타났다. 그 결과 S186V는 AsGlu1에 비해 낮은 K m 과 높은 k cat 을 나타냄으로써 k cat /K m 이 6배(상대 효율(relative efficiency), 667%) 정도 증가하였다. H197F의 경우 AsGlu1에 비해 K m 이 약간 낮으나 k cat 가 유사하여 약 1.2배 증가하였다. 반면, F371W의 경우 K m 이 증가하고 k cat 가 감소하여 k cat /K m 에 대한 상대 효율이 23%로 감소하였다. 이러한 결과로부터, 아글리콘의 크기가 큰 아베나코시드 B의 경우에 기질 인식 부위의 특성이나 그 크기의 변화로 인하여 변이된 β-글루코시다아제의 친화성과 k cat 가 감소하여 상기 기질에 대한 가수분해 효율도 감소하였음을 확인할 수 있었다. 반면, ρNPG는 아베나코시드 B에 비해 효소 활성이 낮게 나타나긴 하지만, 아글리콘의 크기가 작기 때문에 상기 기질에 대한 친화성과 k cat 가 증가하여 가수분해 효율이 증가하는 것으로 생각된다. In the in vitro substrate, ρ NPG, K m had AsGlu1 of 4.1 mM, whereas S186V and H197F decreased to 1.44 and 3.4 mM, respectively, and F371W was 8.6 mM. In other words, these two mutant proteins increased substrate affinity for ρ NPG but decreased F371W. k cat was the highest at 2.9 (s -1 ) at S186V, almost similar at AsGlu1 and H197F, and lowest at F371W. As a result, S186V showed lower K m and higher k cat than AsGlu1, resulting in a 6 times increase in k cat / K m (relative efficiency, 667%). For H197F to AsGlu1 than the K m k cat is a little low, but similar increase was about 1.2 times. On the other hand, in the case of F371W, K m increased and k cat decreased, so that the relative efficiency for k cat / K m decreased to 23%. From these results, in the case of Abenacoside B, which has a large size of aglycone, the affinity and k cat of the mutated β -glucosidase due to the change in the characteristics or the size of the substrate recognition site are reduced, thereby hydrolyzing the substrate. It was confirmed that the efficiency was also reduced. On the other hand, ρ NPG is shown to have lower enzymatic activity than avenacoside B, but due to the small size of aglycone, the affinity for the substrate and k cat are considered to increase the hydrolysis efficiency.

Figure 112009008003037-PAT00012
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3) 플라보노이드 글루코시드에 대한 효소학적 특성3) Enzymatic Properties of Flavonoid Glucoside

3-1) 이소플라본(제니스틴, 다이드진, 글리시틴)3-1) Isoflavones (Geninistin, Dydazine, Glycithin)

기질 인식 부위의 구조적 변화와 함께 특성도 변화하였을 것이라고 판단되어 다양한 플라보노이드 글루코시드에 대한 본 발명에 따른 변이된 β-글루코시다아제의 효소학적 특성을 조사하였다.It was determined that the characteristics were changed along with the structural change of the substrate recognition site, and the enzymatic properties of the modified β -glucosidase according to the present invention for various flavonoid glucosides were investigated.

첫 번째, 이소플라본의 경우 멀티머에 대한 특성을 살펴보면, 제니스틴에서 AsGlu1 멀티머와 AsGlu2 E495K 변이 멀티머의 K m 이 AsGlu2 다이머에서보다 약 4배와 2.7배 높았다(표 8). 그러나 다이드진에서는 큰 변화가 없었으며 글리시틴에서는 AsGlu1과 AsGlu2 E495K의 K m 이 AsGlu2보다 약 1.6배와 2.0배 낮았다. 제니스틴에서 k cat 은 큰 변화가 없었으나 AsGlu2의 경우 기질 친화성이 감소하여 k cat /K m 이 높게 나타났다. 다이드진과 글리시틴은 멀티머를 형성할수록 기질 친화성이 약간 증가하였으나 AsGlu2의 경우 k cat 가 감소하여 k cat /K m 이 제니스틴에서와 동일하게 높게 나타났다. 즉, 멀티머를 형성할수록 제니스틴에 대한 기질 친화성이 감소하고 글리시틴에 대해서는 증가하지만, 멀티머는 k cat 에 대한 차이로 인해 이소플라본에 대한 촉매 효율이 다이머보다 높았다.First, in the case of isoflavones, the K m of the AsGlu1 multimer and AsGlu2 E495K mutant multimer was about 4 times and 2.7 times higher than that of AsGlu2 dimer in Genistin (Table 8). However, there was no significant change in dydazine and the K m of AsGlu1 and AsGlu2 E495K was about 1.6 and 2.0 times lower than AsGlu2 in glycine. In kinistin, k cat was not changed much, but AsGlu2 showed a decreased substrate affinity, resulting in high k cat / K m . Didazine and glycidine slightly increased the substrate affinity with the formation of multimers, but as for AsGlu2, k cat decreased and k cat / K m was the same as that of Genistin. That is, as the multimer was formed, the substrate affinity for genistin decreased and increased for glycidine, but the multimer had higher catalytic efficiency for isoflavones than the dimer due to the difference in k cat .

변이된 β-글루코시다아제 중에서 S186V는 제니스틴, 다이드진, 글리시틴에 대한 K m 이 0.050, 0.062, 0.12 mM로 AsGlu1의 아베나코시드 B에 대한 K m (0.017 mM)보다 낮았지만(표 7), 다른 변이된 β-글루코시다아제에 비해 높은 기질 친화성을 보였다. 또한, k cat 가 모두 증가하여 k cat /K m 에 대한 상대 효율이 AsGlu1에 비해 각각 약 28배, 62배와 40배 증가하였다. 또한, H197F는 제니스틴에서는 K m 이 감소하고, 다이드진과 글리시틴에서는 k cat 가 증가하여 k cat /K m 에 대한 상대 효율이 AsGlu1에 비해 4.6배, 4.2배와 2.2배 증가하였다. 반면 F371W는 제니스틴에 대한 촉매 효율에 변화가 없었으며, 다이드진과 글리시틴에 대한 활성이 없었다. 이러한 결과는 S186V의 경우에 가수분해 효율이 28~62배 증가한다는 것을 증명하였는데, 이는 신규한 변이된 β-글루코시다아제 S186V의 이소플라본에 대한 기질 특이성이 향상되었음을 암시한다.Among the mutated β -glucosidase, S186V had a K m of 0.05, 0.062, 0.12 mM for geninistin, dydzin, and glycidine, which was lower than K m (0.017 mM) for Abenacoside B of AsGlu1 (Table 7). ), It showed higher substrate affinity than other mutated β -glucosidase. In addition, k cat was increased in all, and relative efficiency for k cat / K m was increased by 28 times, 62 times, and 40 times, respectively, compared to AsGlu1. In addition, H197F decreased K m in genitine and k cat increased in dydzin and glycidine, resulting in 4.6, 4.2, and 2.2 times increase in the relative efficiency of k cat / K m compared to AsGlu1. F371W, on the other hand, had no change in catalytic efficiency for genistin and no activity for dydzin and glycidine. These results demonstrated a 28-62 fold increase in hydrolysis efficiency for S186V, suggesting an improved substrate specificity for the isoflavone of the novel mutated β -glucosidase S186V.

Figure 112009008003037-PAT00013
Figure 112009008003037-PAT00013

3-2) 플라보논(나린제닌-7-Glc)3-2) Flavonone (Naringenin-7-Glc)

두 번째, 플라보논의 경우 AsGlu1을 비롯하여, S186V를 제외한 다른 변이 단백질에서 나린제닌-7-Glc에 대한 활성이 없었다(표 9). S186V는 K m 이 AsGlu1의 아베나코시드 B에서와 유사하게 0.022 mM이었으며, k cat 가 약 57배 감소된 7.4(s-1)로 나타났다. 따라서 S186V의 k cat /K m 는 340(s-1·mM-1)으로 AsGlu1의 생체 기질[23519(s-1·mM-1)]에 비해 약 70배 낮았지만, AsGlu1에서 상기 기질에 대한 활성이 없다는 점을 고려할 때 상당히 주목할 만한 결과이다. 또한, 높은 기질 친화성으로 인해, 촉매 효율이 이소플라본을 제외하고 다른 플라보노이드 글루코시드에서보다 높았다. 이러한 결과는 S186V 변이 단백질에서 나린제닌-7-Glc에 대한 기질 특이성이 새로이 형성되었음을 암시한다.Second, flavonones had no activity against naringenin-7-Glc in other mutant proteins except S186V, including AsGlu1 (Table 9). S186V showed K m of 0.022 mM, similar to that of Avenacoside B of AsGlu1, and k cat decreased by about 57-fold to 7.4 (s -1 ). Thus, k cat / K m of the S186V 340 (s -1 · mM -1) to AsGlu1 biological substrate [23519 (s -1 · mM -1 )] of about 70-fold natatjiman, activity for the substrate in comparison to AsGlu1 Considering the absence of this, the results are quite noteworthy. In addition, due to the high substrate affinity, the catalytic efficiency was higher than in other flavonoid glucosides except isoflavones. These results suggest that a new substrate specificity for naringenin-7-Glc was formed in the S186V variant protein.

Figure 112009008003037-PAT00014
Figure 112009008003037-PAT00014

3-3) 플라보놀(캠프페롤-7-Glc, 퀘르세틴-3-Glc)3-3) flavonols (camphorol-7-Glc, quercetin-3-Glc)

세 번째, 플라보놀의 경우 캠프페롤-3-Glc와 퀘르세틴-3-Glc에서 AsGlu1과 AsGlu2 E495K의 K m k cat 가 AsGlu2에서보다 높게 나타났다(표 10). 즉, 멀티머를 형성할수록 이들 기질에 대한 친화성이 감소한다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 AsGlu2의 촉매 효율이 AsGlu1에 비해 약 2배 정도 높고 멀티머를 형성하는 AsGlu2 E495K는 AsGlu1과 유사하였다. 이는 플라보놀에 대한 다이머의 촉매 효율이 더욱 높다는 것을 시사한다.Third, it was in the case of the flavonols quercetin and camp Ferrol -3-Glc-Glc at -3 AsGlu1 and AsGlu2 E495K K m and k cat is higher than in AsGlu2 (Table 10). In other words, it was confirmed that the affinity for these substrates decreased as the multimer was formed. Therefore, AsGlu2 was about 2 times higher than AsGlu1, and AsGlu2 E495K, which forms a multimer, was similar to AsGlu1. This suggests that the catalytic efficiency of the dimer to flavonol is higher.

플라보놀에 대한 변이된 β-글루코시다아제들의 특성은 앞서 언급된 이소플라본, 플라보논에서와는 상반되게 나타났다. 우선 다른 기질에 대해 높은 가수분해 효율을 보였던 S186V는 캠프페롤-3-Glc에서 K m k cat 가 모두 감소하였고, 퀘르세틴-3-Glc에서는 K m k cat 가 모두 증가하였다(표 10). 같은 종류의 기질임에도 서로 상반된 결과를 보였으나 촉매 효율에서는 이들 기질에 대해 AsGlu1과 큰 차이 없이 유사하였다. 그리고 S186V에 비해 효율은 낮으나 이소플라본에 대한 높은 기질 특이성을 보였던 H197F는 캠프페롤-3-Glc에 대한 활성은 없었으나, 퀘르세틴-3-Glc에서 K m k cat 가 각각 1.4와 2.5배 증가하여 결과적으로 촉매 효율이 AsGlu1에 비해 약 2배 증가하였다. 반면 이소플라본과 플라보논에 대한 활성이 없는 F371W는 플라보놀에 대한 활성이 가장 높게 나타났다. 캠프페롤-3-Glc와 퀘르세틴-3-Glc에서 K m 이 각각 0.019와 0.115 mM로 AsGlu1에 비해 모두 감소하였는데, 이는 생체 기질 또는 이소플라본에 대한 기질 친화성과 유사하였다. 그리고 캠프페롤-3-Glc와 퀘르세틴-3-Glc에 대한 k cat /K m 은 90과 10.0(s-1·mM-1)[상대 효율은 각각 306%와 313%]으로 AsGlu1에 비해 약 3배 증가하였다. 비록 상기 기질에 대한 F371W의 촉매 효율이 다른 기질에서보다 낮긴 하지만 이소플라본과 플라보논에 대한 활성이 없음을 고려할 때, F371W는 플라보놀에 대한 기질 특이성이 있는 것으로 생각된다.The properties of the mutated β -glucosidases for flavonols were in contrast to the previously mentioned isoflavones, flavonones. First, S186V, which showed high hydrolysis efficiency for other substrates, decreased both K m and k cat in camperol-3-Glc and increased both K m and k cat in quercetin-3-Glc (Table 10). Although the same type of substrates showed opposite results, the catalyst efficiencies were similar to those of AsGlu1 for these substrates. And H197F than S186V efficiency is low, but showed a high substrate specificity for isoflavones were not an activity to camp Ferrol -3-Glc, the K m and k cat are 1.4 and 2.5 times respectively at the quercetin -3-Glc As a result, the catalyst efficiency is about two times higher than AsGlu1. On the other hand, F371W, which has no activity against isoflavones and flavonones, showed the highest activity against flavonol. In camperol-3-Glc and quercetin-3-Glc, both K m decreased to 0.019 and 0.115 mM, respectively, compared to AsGlu1, which was similar to the substrate affinity for biological substrates or isoflavones. And k cat / K m for the camp Ferrol -3-Glc and quercetin -3-Glc was 90 and 10.0 (s -1 · mM -1) [ Relative efficiency of 306% and 313%, respectively; compared to about 3 to AsGlu1 Fold increased. Although F371W's catalytic efficiency for this substrate is lower than for other substrates, F371W is considered to have substrate specificity for flavonol, given its lack of activity for isoflavones and flavonones.

Figure 112009008003037-PAT00015
Figure 112009008003037-PAT00015

3-4) 플라본(아피제닌-7-Glc)3-4) Flavones (Apigenin-7-Glc)

마지막으로, 플라본인 아피제닌-7-Glc에서 AsGlu1과 AsGlu2 E495K는 K m 이 AsGlu2보다 높아 상기 기질에 대한 친화성은 감소하였으나 k cat 은 증가하였다(표 11). 그 결과 촉매 효율은 AsGlu2가 AsGlu1에 비해 약 2배 정도 높았고, 멀티머를 형성하는 AsGlu2 E495K는 AsGlu1과 비슷하였다. 이러한 결과는 플라보놀에서 나타나는 특성과 매우 유사하였다.Finally, in the flavone Apigenin-7-Glc, AsGlu1 and AsGlu2 E495K had higher K m than AsGlu2, which reduced the affinity for the substrate but increased k cat (Table 11). As a result, AsGlu2 was about 2 times higher than AsGlu1, and AsGlu2 E495K, which forms a multimer, was similar to AsGlu1. These results were very similar to those found in flavonols.

상기 기질에 대한 변이된 β-글루코시다아제들의 특성 역시 다른 기질에서와 차이를 보였다. 이소플라본과 플라보논에 대해 높은 효율을 보였던 S186V는 아피제닌-7-Glc에서 전혀 활성을 보이지 않았다. H197F는 k cat 가 비록 감소하였지만 K m 이 0.013 mM로 AsGlu1에 비해 약 32배 감소하여, 결과적으로 k cat /K m 이 100(sec-1·mM-1)[상대 효율은 330%]으로 AsGlu1에 비해 약 3배 증가하였다. 반면 F371W에서는 K m k cat 가 유사한 비율로 감소하여 촉매 효율에는 큰 변화가 없었다. 이는 앞서 기술된, 플라보놀에 대한 F371W의 기질 특이성과 상당한 차이를 보였다.The properties of the mutated β -glucosidase on the substrate were also different from those on other substrates. S186V, which showed high efficiency for isoflavones and flavonones, showed no activity at apigenin-7-Glc. H197F by k cat is reduced but even though K m is reduced by about 32-fold compared to AsGlu1 to 0.013 mM, resulting in k cat / K m is 100 (sec -1 · mM -1) AsGlu1 as Relative efficiency is 330%; It is about three times higher than. On the other hand, in F371W, K m and k cat decreased in similar proportions, so there was no significant change in catalyst efficiency. This showed a significant difference from the substrate specificity of F371W for flavonol, described above.

Figure 112009008003037-PAT00016
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결론conclusion

앞서 확인된 바와 같이, 본 발명에 따른 변이된 β-글루코시다아제들은 야생형과 비교하여 플라보노이드 글루코시드에 대한 기질 특이성이 향상되거나 적어도 동등하고, 따라서 가수분해 효율이 향상되고, 각각의 기질에 대한 독특한 특성을 나타냈다. As previously identified, the modified β -glucosidases according to the present invention have improved or at least equivalent substrate specificity for flavonoid glucosides compared to wild type, thus improving hydrolysis efficiency and unique for each substrate. Characteristics.

다시 말하면, 아글리콘 결합 부위의 극성을 바꾼 S186V 변이 단백질은 야생형과 비교하여 전반적으로 높은 기질 특이성을 나타내고, 특히 이소플라본과 플라보논에 대하여 높은 기질 특이성을 보였다. 그리고 F371W와 H197F 변이 단백질은 야생형과 비교하여, 플라보놀과 플라본에 대한 높은 기질 특이성을 보였다.In other words, the S186V mutant protein that changed the polarity of the aglycone binding site showed overall high substrate specificity compared to the wild type, especially high isoflavones and flavonones. The F371W and H197F variant proteins showed higher substrate specificities for flavonols and flavones compared to wild type.

등가물Equivalent

당업자는 통상적인 실험을 이용하여, 본 명세서에 기술된 화합물 및 이들의 제조 방법에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있을 것이다. 이들 등가물은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주되고 아래의 특허청구범위에 의해 포섭된다. 본 명세서에서, 앞서 언급된 모든 참고문헌과 간행물은 순전히 참조로서 편입된다.Those skilled in the art will be able to recognize or identify many equivalents to the compounds described herein and methods for their preparation using routine experimentation. These equivalents are considered to be within the scope of this invention and are encompassed by the following claims. In this specification, all references and publications mentioned above are incorporated by reference in their entirety.

도 1에서는 식물 플라보노이드 아글리콘의 화학 구조를 도시한다.1 shows the chemical structure of the plant flavonoid aglycone.

도 2에서는 단층촬영 차일 시리즈(tomographic tilt series)로부터 헥사머(A)와 멀티머 형태(B)의 재구축을 도시한다.2 shows the reconstruction of the hexamer A and the multimer form B from a tomographic tilt series.

도 3에서는 귀리 β-글루코시다아제의 AsGlu1과 AsGlu2 아단위의 서열 정렬을 도시한다. 이들 두 단백질 서열은 ClustalW 프로그램으로 정렬하고 ESPRIPT로 나타내었다. 서열 위쪽에 나선과 화살표는 (β/α)8 배럴 구조의 이차 구조 요소를 지시한다. 상동한 서열 영역은 배경에 제시된다. 오른편 숫자는 아미노산 서열의 위치를 나타낸다. 2개의 촉매 글루타민산염은 별표로 표시된다.3 shows the sequence alignment of AsGlu1 and AsGlu2 subunits of oat β -glucosidase. These two protein sequences were aligned with the ClustalW program and represented as ESPRIPT. Spirals and arrows above the sequence indicate the secondary structural elements of the ( β / α ) 8 barrel structure. Homologous sequence regions are shown in the background. The number on the right indicates the position of the amino acid sequence. Two catalytic glutamate salts are marked with asterisks.

도 4에서는 SWISS-MODEL 프로그램과 Deep View 프로그램으로 모형을 구성함으로써 분석된 ZmGlu1 β-글루코시다아제와 AsGlu1 β-글루코시다아제의 활성 부위를 도시한다. A: ZmGlu1 β-글루코시다아제에서 활성 부위(PDB 1E1E로부터 차용됨). B: ZmGlu1의 공지된 크리스탈 구조로부터 유래된, AsGlu1 β-글루코시다아제에서 활성 부위의 제안된 모형. 야생형(C)과 변이체(D) AsGlu1 β-글루코시다아제의 제안된 기질 결합 부위. 글루코오스 결합 잔기(Q33, H137, N182, W450, E457, W458) 및 아글리콘 결합 잔기(S186, L190, H197, D254, M256, F371, S459)가 C에 도시된다. 아글리콘 결합 부위(S186V, L190F, H197F, D254F, M256F, F371W, S459F)의 아미노산 치환은 아글리콘 결합 부위의 인근에 위치한다(D).4 shows the active sites of ZmGlu1 β -glucosidase and AsGlu1 β -glucosidase analyzed by constructing a model with the SWISS-MODEL program and the Deep View program. A: active site (borrowed from PDB 1E1E) in ZmGlu1 β -glucosidase. B: Suggested model of active site in AsGlu1 β-glucosidase, derived from the known crystal structure of ZmGlu1. Suggested substrate binding sites of wild type (C) and variant (D) AsGlu1 β -glucosidase. Glucose binding residues (Q33, H137, N182, W450, E457, W458) and aglycone binding residues (S186, L190, H197, D254, M256, F371, S459) are shown in C. Amino acid substitutions of the aglycone binding site (S186V, L190F, H197F, D254F, M256F, F371W, S459F) are located in the vicinity of the aglycone binding site (D).

도 5에서는 옥수수(ZmGlu1), 사탕수수(SbDhr1), 귀리(AsGlu1), 카사바(리나 마레이스)와 인간 세포질(hCBG) β-글루코시다아제의 아미노산 서열 비교 및 점 돌연변이(point mutation) 부위를 도시한다. β-글루코시다아제의 (β/α)8 구조의 α-나선과 β-가닥의 부분은 서열 정렬 위에 표시되고, 동일한 서열 영역은 적색 배경으로 도시된다. 아글리콘 결합 부위의 점 돌연변이 부위는 서열 정렬 아래에 표시된다. 2가지 촉매 글루타민산염은 화살표로 표시된다.Figure 5 shows the amino acid sequence comparison and point mutation sites of corn (ZmGlu1), sugar cane (SbDhr1), oats (AsGlu1), cassava (Lina Marais) and human cytoplasm (hCBG) β -glucosidase do. The portion of the α -helix and β -strand of the ( β / α ) 8 structure of β -glucosidase is shown above the sequence alignment, and the same sequence region is shown with a red background. The point mutation site of the aglycone binding site is shown below the sequence alignment. Two catalytic glutamate salts are indicated by arrows.

도 6에서는 SWISS-MODEL 프로그램과 Deep View 프로그램으로 구성된 야생형과 변이된 AsGlu1 모형의 활성 부위의 분석 결과를 도시한다. A: 야생형 AsGlu1의 가설적 아글리콘 결합 부위, B-D: AsGlu1 변이체, S186V(B), H197F(C)와 F371W(D)의 아글리콘 결합 부위의 모델링. Figure 6 shows the analysis results of the active site of the wild type and mutated AsGlu1 model consisting of SWISS-MODEL program and Deep View program. A: hypothetical aglycone binding site of wild type AsGlu1, B-D: modeling of aglycone binding sites of AsGlu1 variant, S186V (B), H197F (C) and F371W (D).

도 7에서는 귀리 β-글루코시다아제의 돌연변이유발 반응의 아가로즈 겔 전기영동을 도시한다. 귀리 β-글루코시다아제 cDNA의 특정 부위 돌연변이유발은 2가지 중복 상보성 프라이머를 이용한 중복 신장 PCR 기술에 의해 수행되었다. S186V, H197F와 F371W: 아글리콘 결합 부위 변이체; E183D: 촉매 부위 변이체.Figure 7 illustrates agarose gel electrophoresis of mutagenesis of oat β -glucosidase. Specific site mutagenesis of oat β -glucosidase cDNA was performed by redundant kidney PCR techniques using two overlapping complementary primers. S186V, H197F and F371W: aglycone binding site variants; E183D: catalytic site variants.

도 8에서는 SDS-젤(A)과 고유 젤(B)에서 변이 귀리 β-글루코시다아제의 전기영동 및 고유 젤의 활성 염색(activity staining)(C)을 도시한다. A, pET24a: 플라스미드 pET24a; pET-Glu1: 야생형 AsGlu1; pET-S186V: 변이체 AsGlu1 S186V; T: 총 세포 추출물; S: 가용성 세포 용해물; I: 불용성 세포 용해물. B, pET-S186V, -F371W: 아글리콘 결합 부위 변이체; pET-E183D: 촉매 부위 변이체. C, 고유 젤(B)은 2 mM MUGlc로 염색되었다.FIG. 8 shows electrophoresis of variant oat β -glucosidase and activity staining (C) of native gels in SDS-gel (A) and native gels (B). A, pET24a: plasmid pET24a; pET-Glu1: wild type AsGlu1; pET-S186V: variant AsGlu1 S186V; T: total cell extract; S: soluble cell lysate; I: Insoluble cell lysate. B, pET-S186V, -F371W: aglycone binding site variant; pET-E183D: catalytic site variant. C, native gel (B) was stained with 2 mM MUGlc.

도 9에서는 HA 칼럼 크로마토그래피로 정제된 귀리 β-글루코시다아제(AsGlu1)의 용해 프로필(elution profile)(A) 및 SDS-젤(B)과 고유 젤(C)에서 전기영동을 도시한다. 단백질 용액은 HA 칼럼(2.1×5.8 ㎝)에 적용하였다. 칼럼에서 흡수된 단백질은 5 mM과 20 mM 인산칼륨 완충액으로 용출하였다. (B)와 (C)에서 위쪽 숫자는 (A)에서 용리액(eluant)의 분별 번호(fraction number)를 지시한다.Figure 9 shows the elution profile (A) and electrophoresis on SDS-gel (B) and native gel (C) of oat β -glucosidase (AsGlu1) purified by HA column chromatography. Protein solution was applied to an HA column (2.1 × 5.8 cm). Proteins absorbed in the column were eluted with 5 mM and 20 mM potassium phosphate buffer. The upper digits in (B) and (C) indicate the fraction number of the eluant in (A).

도 10에서는 변이 귀리 β-글루코시다아제의 in situ 활성 염색을 도시한다. 고유 젤은 2 mM MUGlc로 염색되었다. pET-Glu1: 야생형 AsGlu1; pET-S186V와 -F371W: 아글리콘 결합 부위 변이체; pET-E183D: 촉매 부위 변이체.10 shows in situ active staining of mutant oat β -glucosidase. Native gels were stained with 2 mM MUGlc. pET-Glu1: wild type AsGlu1; pET-S186V and -F371W: aglycone binding site variants; pET-E183D: catalytic site variant.

도 11에서는 야생형과 변이된 귀리 β-글루코시다아제의 활성(A)과 안정성(B)에 대한 온도의 효과를 도시한다. 효소의 최적 온도와 열적 안정성(thermal stability)은 구연산염 완충액(pH 5.5) 내에서 다양한 온도(20-60℃)에서 효소 활성을 측정함으로써 분석하였다. 이들 효소의 열적 안정성은 이들을 다양한 온도(20-60℃)에서 30분 동안 사전-배양함으로써 결정하였다. 11 shows the effect of temperature on activity (A) and stability (B) of wild type and mutated oat β -glucosidase. The optimum temperature and thermal stability of the enzyme were analyzed by measuring enzyme activity at various temperatures (20-60 ° C.) in citrate buffer (pH 5.5). The thermal stability of these enzymes was determined by pre-incubating them for 30 minutes at various temperatures (20-60 ° C.).

도 12에서는 야생형과 변이된 귀리 β-글루코시다아제의 활성(A)과 안정성(B)에 대한 pH의 효과를 도시한다. 효소의 최적 pH는 다양한 pH(5.5-8.5)에서 효소 활성을 측정함으로써 분석하였다. 이들 효소의 pH 안정성은 30℃에서 2시간 동안 pH 5.5~8.5의 완충액에서 효소를 배양한 후, 잔여 활성(residual activity)으로부터 결정하였다.12 shows the effect of pH on activity (A) and stability (B) of wild type and mutated oat β -glucosidase. The optimum pH of the enzyme was analyzed by measuring enzyme activity at various pHs (5.5-8.5). The pH stability of these enzymes was determined from residual activity after incubating the enzymes in a buffer of pH 5.5-8.5 for 2 hours at 30 ° C.

Claims (7)

아글리콘 결합 부위(aglycon binding site)의 변형으로 플라보노이드 기질에 대한 특이성이 향상된, AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, 또는 AsGlu1F371W에서 선택되는 AsGlu1 변이체.AsGlu1 variant selected from AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W, wherein the modification of the aglycon binding site improves specificity for the flavonoid substrate. AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, 또는 AsGlu1F371W에서 선택되는 AsGlu1 변이체를 포함하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제(glucosidase) 변이체.An oat β -glucosidase variant with improved specificity for flavonoid substrates, including AsGlu1 variants selected from AsGlu1S186V, AsGlu1H197F, or AsGlu1F371W. 청구항 2에 있어서, 플라보노이드 기질은 이소플라본(isoflavon), 플라보논(Flavonone), 플라보놀(Flavonol), 또는 플라본(Flavone)에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제 변이체.The flavonoid substrate of claim 2, wherein the flavonoid substrate is selected from isoflavon, flavonone, flavonol, or flavone, with improved specificity for the flavonoid substrate. Oat β -glucosidase variant with improved hydrolysis efficiency. 청구항 3에 있어서, 이소플라본은 제니스틴(genistin), 다이드진(daidzin), 또는 글리시틴(glycitin)에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제 변이체.The hydrolysis efficiency of the substrate according to claim 3, wherein the isoflavone is selected from genistin, didzin, or glycidin. Enhanced oat β -glucosidase variant. 청구항 3에 있어서, 플라보논은 나린제닌(naringenin)-7-Glc인 것을 특징으로 하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제 변이체.The oat β -glucosidase variant of claim 3, wherein the flavonone is naringenin-7-Glc with improved specificity for the flavonoid substrate. 청구항 3에 있어서, 플라보놀은 캠프페롤(kaempferol)-7-Glc 또는 퀘르세틴(quercetin)-3-Glc에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제 변이체.The improved specificity for the flavonoid substrate, characterized in that the flavonol is selected from kaempferol-7-Glc or quercetin-3-Glc to improve the hydrolysis efficiency of the substrate. Oat β -glucosidase variant. 청구항 3에 있어서, 플라본은 아피제닌(apigenin)-7-Glc인 것을 특징으로 하는, 플라보노이드 기질에 대한 향상된 특이성으로 상기 기질에 대한 가수분해 효율이 향상된 귀리 β-글루코시다아제 변이체.The oat β -glucosidase variant of claim 3, wherein the flavone is apigenin-7-Glc with improved specificity for the flavonoid substrate.
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