عنوان

تجزيه بیوانفورماتیكی پروتئین¬های درگیر در تحمل جو به تنش خشكی

پ۲۷۶۱۷

per

تجزيه بیوانفورماتیكی پروتئین¬های درگیر در تحمل جو به تنش خشكی

مهسا سپه پور

کشاورزی

۱۴۰۱

۱۰۷ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

به نژادی و بیوتكنولوژی گیاهی

۱۴۰۱/۰۶/۳۰

جو به دلیل وجود اجزای حیاتی بیوشیمیایی، چهارمین غله دانه ریز مهم بعد از ذرت، گندم و برنج می‌باشد. این گیاه در برابر خشکی مقاوم است و بنابراین در آب و هوایی که آب، سبب محدود کردن تولید غلات می‌شود، جو می‌تواند بیشترین محصول را تولید کند. تنش خشکی یک محدودیت شدید محیطی برای بهره¬وری گیاهان است. سازوکار¬های زیادی برای مقابله با شرایط تنش‌زا مانند خشکی وجود دارد که از جمله مهم‌ترین این سازوکارها می‌توان به تنظیم بیان ژن در سطح پروتئین اشاره کرد. تغییر بیان پروتئین¬ها در گروتغییرات فیزیکی و شیمیایی آنها مثل نیمه عمر، شاخص پایداری، نقطه ایزوالکتریک، ضریب خاموشی، نقطه ایزوالکتریک و غیره است. همچنین شناسایی الگوهاو دمین¬های پروتئینی، پیش بینی تغییرات در ساختار فضایی و کنش پروتئین¬ها را امکان پذیر می¬سازد. در این پژوهش تعدادي از پروتئين‌هاي جو كه در مسیر های بیوشیمیایی مرتبط با تنش خشکی دخيل هستند و قبلاً با رهیافت¬های امیک شناسايي شده‌اند، انتخاب و جهت بررسي بيوانفورماتيكي مورد استفاده قرار گرفتند. تجزیه خصوصیات فیزیکوشیمایی پروتئین¬ها با نرم افزارProtParam ، شناسایی نواحی درون غشایی با برنامه¬های TMHMM و Protscale، پیدا کردن شباهت توالی¬های پروتئینی با BLAST، بررسی تغییرات پس از ترجمه با نرم افزار ScanProSite، شناسایی دمین های پروتئینی با برنامه های InterproScan، CDDو Motif_scan، همردیفی چندگانه پروتئین¬های مشابه با برنامه T-coffee انجام شد. از میان 17 پروتئین مرتبط با تنش خشکی در گیاه جو 16 پروتئین دارای نیمه عمر بیش از 20 ساعت در سلول بودند. این پروتئین¬ها دارای وزن مولکولی 93/5 تا 91/65 کیلو دالتون بوده و 9 پروتئین شاخص ناپایداری کمتر از40 داشته و پایدار برآورد شدند. بررسی وضعیت قرارگیری این پروتئین-ها در سلول با استفاده از دو نرم افزار TMHMM و Protscale، مشخص کرد که از بین پروتئین¬های درگیر در تنش خشکی گیاه جو در این مطالعه پروتئین¬های HVA22، Low temperature-induced، Epidermal patterning factor-like، Putative syntaxin-related و Putative cyclic nucleotide and calmodulin-regulated ion channel پروتئین¬های به شدت آبگریز هستند که بخش عمده ساختار آنها در داخل غشا قرار می¬گیرد. از بین این 17 پروتئین، 4 پروتئین انتخاب و برای شناسایی الگوها، دمین¬ها، ساختار و عملکرد با استفاده از دو نرم افزار ScanProSite و CDD مورد تجزیه تحلیل قرار گرفتند. یکی از این پروتئین¬ها، Low temperature-induced دارای دمینی با نام Proteolipid membrane potential modulator بود که در عملکرد¬های مولکولی و فرآیند¬های بیولوژیکی به عنوان پروتئین درون غشایی نقش دارد. برای پروتئین ZFP16-1 یک دمین با عنوان C2H2-type zinc finger شناسایی شد که نقش مهمی در بسیاری از عملکردهای سلولی از جمله تنظیم رونویسی، اتصال RNA، تنظیم مرگ برنامه ریزی شده سلولی و برهمکنش¬های پروتئین-پروتئین دارند. برای پروتئین Dehydration responsive element binding که پروتئین¬های اتصال دهنده عنصر پاسخگو به کم آبی است دو دمین با عناوین DNA-binding domain in plant proteins such as APETALA2 and EREBPs و Uncharacterized protein [Function unknown] شناسایی شدند که در مکانیسم¬های مولکولی و فرآیند¬های بیولوژیکی نقش دارد. برای پروتئین Putative cyclic nucleotide and calmodulin-regulated ion channel چهار دمین با نام¬های effector domain of the CAP family of transcription factors، Voltage-dependent potassium channel، CRISPR/Cas system-associated protein Csx1 و terminase ATPase subunit شناسایی شد که در عملکرد¬های مولکولی کانال یونی نقش دارد. در بررسی تشابه پروتئین¬های مورد مطالعه با پروتئین¬های شناخته شده در پایگاه¬های اطلاعاتی پروتئینی جهت شناخت بهتر عملکرد و ساختار پروتئینی مشخص شد که پروتئین¬های HVA22، BLT4، HvZFP16-1 و AP2/EREBP-like به ترتیب بیشترین شباهت را با HVA22 isoform X1، Protein BLT4، zinc finger protein ZAT12 و dehydration responsive element binding protein 1 در گیاه جو دارند. با انتخاب 25 توالی جهت شناسایی بلوک¬های حفاظت شده و رسم درخت فیلوژنتیک، برای پروتئین BLT4 بلوک حفاظت شده¬ای با عنوان PLANT_LTP شناسایی شد که در پل¬های دی سولفیدی قادر به تسهیل انتقال فسفولیپیدها و سایر چربی¬ها از طریق غشاها هستند و در بیوژنز غشاء نقش مهمی ایفا می¬کنند. پروتئین¬های موجود در درخت فیلوژنتیک این پروتئین از نظر عملکرد¬های مولکولی و فرآیند¬های بیولوژیکی در انتقال و پیوند لیپیدی نقش یکسان داشتند. برای پروتئین HvZFP16-1 یک بلوک حفاظت شده با حدود 22 اسیدآمینه با عنوان AP2_ERF شناسایی شد که در رشد و نمو گیاه و در پاسخ به شرایط تنش زیستی و غیر زیستی در گیاهان نقش دارد.

Because of the vital ingredients in its vital biochemical composition, barley is the fourth most important cereal crop after corn, wheat and rice. It is resistant to drought and hence it can produce the best crop among cereals where water is the limiting factor in their production. Drought stress is the major environmental factor limiting the productivity of crop plants. There are many mechanisms for coping with stressful conditions and regulation of gene expression at protein level is one of the most important ones. Changes in the expression of proteins owe themselves to physicochemical alterations such as half-life, stability index, isoelectric point, extinction coefficient. In addition, identification of protein patterns and domains makes it possible to predict changes in spatial structure and action of proteins. This research selected a number of barley proteins involved in the biochemical pathways related to drought stress that were previously identified using omics approaches, and utilized them for bioinformatics studies. ProtParam tool was used for analysis of the physicochemical characteristics of the proteins, TMHMM and ProtScal programs for identification of the intramembrane regions, BLAST for determination of similarities between protein sequences, ScanProsite for the study of post-translational modifications, InterProScan, CDD and Motif scan for identification of protein domains, and T-Coffee for the multiple sequence alignment of similar proteins. Among the 17 proteins related to drought stress in barley, 16 had intracellular half-lives more than 20 hours, had molecular weights ranging from 5.93 to 65.91 kDa, and 9 of them that had instability indices less than 40 were estimated to be stable. Study of the locations of these proteins within cells by using TMHMM and ProtScale programs showed that among the proteins involved in drought stress in barley the HVA22, low-temperature- induced, epidermal patterning factor-like, putative syntaxin-related , putative cyclic nucleotide-gated channel, and calmodulin-regulated ion channel proteins were strongly hydrophobic and most of their structures were inside the membranes. Four of these 17 proteins were selected, and ScanProsite and CDD were used to identify their patterns, domains, structures, and functions. One of these four proteins, the low-temperature-induced protein, had a domain named proteolipid membrane potential modulator that plays a role as intramembrane protein in molecular function and biological processes. For protein ZFP16-1, one domain named C2H2-type zinc finger was identified that has a very important role in cellular functions such as transcriptional regulation, RNA attachment, regulation of programmed cell death, and protein-protein interactions. Two domains (DNA-binding domain in plant proteins such as APETALA2 and EREBPs and Uncharacterized protein [function unknown]) were identified for dehydration responsive element binding proteins that are drought-responsive element binding proteins. These two domains play roles in molecular functions and biological processes. Four domains (voltage-dependent potassium channel, effector domain of the CAP family of transcription factors, terminase ATPase subunit, and CRRISPR/Cas system-associated protein Csx1) were identified for the putative cyclic nucleotide and calmodulin-regulated ion channel protein. These domains have roles in the molecular functions of ion channels. Investigation of similarities between the studied proteins and known proteins in protein databases for better knowing the functions and structures of proteins suggested that the HVA22, BLT4, HvZFP16-1, and AP2/EREBP-like proteins had the greatest similarities to HVA22 isoform X1, Protein BLT4, zinc finger protein ZAT12, and dehydration responsive element binding protein 1 in barley, respectively. Selection of 25 sequences to identify the conserved blocks and draw the phylogenetic tree led to the identification of a conserved block called PLANT_LTP for Protein BLT4 capable of facilitating transfer of phospholipid and other lipids through the membranes in disulfide bridges and playing an important role in membrane biogenesis. The proteins in the phylogenetic tree of this protein played identical roles with respect to molecular functions and biological processes in lipid transfer and attachment. A conserved block with about 22 amino acids called AP2_ERF was identified for the HvZFP16-1 protein that plays a role in plant growth and development in response to biotic and abiotic stresses.

Bioinformatics analysis of proteins associated in barley tolerance to drought

‏سپه پور،

‏ مهسا

تهیه کننده

‏تورچی،

‏دورانی،

‏محمود

‏ابراهیم

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز