بررسی بیوانفورماتیکی نقش جایگاه آمینو اسیدی 134 در اختصاصیت سوبسترای آنزیم دی هیدروفلاونول 4-ریدوکتاز دخیل در بیوسنتز آنتوسیانین ها

نوع مقاله: علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران

2 دانشگاه تهران، دانشکده کشاورزی، گروه بیوتکنولوژی

چکیده

رنگ گیاهان اساسا ناشی از سه دسته ترکیبات فلاونوئید ها، کاروتنوئید ها و بتالین ها می باشد. فلاونوئید ها و بطور خاص آنتوسیانین ها رنگریزه های اصلی گل ها، میوه ها و بذر هستند. سه آنتوسیانین سیانیدین، پلارگونیدین و دلفینیدین آنتوسیانین های اصلی در گیاهان می باشند. مسیر بیوسنتزی منتهی به آنتوسیانین ها در بین گونه های مختلف بخوبی محافظت شده است. آنزیم دی هیدروفلاونول 4-ریدوکتاز یکی از آنزیم های کلیدی در مسیر بیوسنتزی آنتوسیانین ها است که دی هیدرو فلاونول ها را به لئوکوآنتوسیانیدین های مربوطه تبدیل می کند. برای بررسی نقش جایگاه آمینو اسیدی 134 آنزیم دی هیدروفلاونول 4-ریدوکتاز در تعیین اختصاصیت سوبسترای آنزیم در گونه های مختلف، توالی های آمینو اسیدی این آنزیم را از پایگاه های اطلاعاتی جمع آوری کرده و مورد تجزیه و تحلیل قرار داده ایم. نتایج هم ردیفی چندگانه آمینو اسیدی نشان داد که توالی آمینو اسیدی آنزیم دی هیدروفلاونول 4-ریدوکتاز در بین گونه های مختلف محافظت شده می باشد. در دو گونه از گونه های مورد بررسی هیچکدام از اسید آمینه های محافظت شده آسپارژین و آسپارتیک اسید در این جایگاه وجود نداشته است. نتایج ما به وضوح نشان داده که این جایگاه به تنهایی نمی تواند مسئول تعیین اختصاصیت آنزیم دی هیدروفلاونول 4-ریدوکتاز باشد و جایگاه های آمینو اسیدی مجاور جایگاه 134نیز ممکن است در این تعیین اختصاصیت سهیم باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Bioinformatical study of 134th amino acid position role on substrate specificity of dihydroflavonol 4-reductase in anthocyanins biosynthesis

نویسندگان [English]

  • M Naghavi 1
  • R Sarvestanir 2
1 Dept. of Biotechnology, Agricultural & Natural Resources College, University of Tehran
2 Dept. of Biotechnology, Agricultural & Natural Resources College, University of Tehran,
چکیده [English]

Plant colors are basically three categories of flavonoid, carotenoid and betalains. Flavonoid and in particular anthocyanins are main colored pigments of flower, fruits and seeds. Biosynthetic pathway leading to biosynthesis of anthocyanin among species is well conserved. One of the key enzymez in anthocyanins biosynthesis pathway is dihydroflavonol 4-reductase which converts dihydroflavonols into their leucoanthocyanidins. In order to investigate the role of 134th amino acid position on substrate specificity determination of dihydroflavonol 4-reductase enzyme, different amino acid sequences of this enzyme have been collected from database and analyzed. Multiple amino acid sequence alignment showed that the amino acid sequence of this enzyme is protected among different species. In two studied species neither of two conserved amino acid including aspargine and aspartic acid at this position was found. Our results clearly indicate that this position cannot alone-responsible for determinate substrate specificity of dihydroflavonol 4-reductase enzyme, and lateral positions of 134th residue maybe are involved in this determining substrate specificity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anthocyanins
  • substrate specificity
  • 134th position and dihydroflavonol 4-reductase
 
 

Beld M, Martin C, Huits H, Stuitje AR, Gerats AGM (1989) Flavonoid   synthesis in Petunia hybrida: partial characterization of dihydroflavonol-4-reductase genes. Plant Mol. Biol. 13: 491-502.

Brenda WS (2002) Biosynthesis of flavonoids and effects of stress. Curr Opin Plant Biol. 126: 485–493.

Daiponmak W, Theerakulpisut P, Thanonkao P, Vanavichit A, Prathepha P (2010) Changes of anthocyanin cyanidin-3-glucoside content and antioxidant activity in Thai rice varieties under salinity stress. Science Asia. 36: 286-291.

Davies KM, Schwinn KE, Deroles SC, Manson DG, Lewis DH, Bloor SJ, Bradley JM (2003) Enhancing anthocyanin production by altering competition for substrate between flavonol synthase and dihydroflavonol 4-reductase. Euphytica. 131: 259-268.

Guo J, Han W, Wang MH (2008) Ultraviolet and environmental stresses involved in the induction and regulation of anthocyanin biosynthesis: A review. Afr J Biotechnol. 7: 4966-4972.

Holton TA, Cornish EC (1995) Genetics and Biochemistry of Anthocyanin Biosynthesis. The Plant Cell. 7:. 1995.

Fiehn O (2002) Metabolomics--the link between genotypes and phenotypes. Plant Mol. Biol. 48:155-71.

Johnson ET, Yi H, Shin B, Oh BJ, Cheong H, Choi G (1999) Cymbidium hybrida dihydroflavonol 4-reductase does not efficiently reduce dihydrokaempferol to produce orange pelargonidin-type anthocyanins. The Plant Journal. 19:81-85

Johnson ET, Ryu S, Yi H, Shin B, Cheong H, Choi G (2001) Alteration of a single amino acid changes the substrate specificity of dihydroflavonol 4-reductase.The Plant Journal 25: 325-333.

Jones P, Vogt T (2001) Glycosyltransferases in secondary plant metabolism: Tranquilizers and stimulant controllers. Planta. 213: 164-174.

Katsumoto Y, Fukuchi-Mizutani M, Fukui Y, Brugliera F, Holton TA, Karan M, Nakamura N, Yonekura-Sakakibara K, Togami J, Pigeaire A, Tao GQ, Nehra NS, Lu CY, Dyson BK, Tsuda S, Ashikari T, Kusumi T, Mason JG, Tanaka Y (2007) Engineering of the Rose Flavonoid Biosynthetic Pathway Successfully Generated Blue-Hued Flowers Accumulating Delphinidin. Plant. Cell. Physiol. 48: 1589–1600.

Koes R, Verweij W, Quattrocchio F (2005) Flavonoids: a colorful model for the regulation and evolution of biochemical pathways. Tren. Plan. Sci. 10: 236-242.

Kong JM, Chia LS, Goh NK, Chia TF, Brouillard R (2003) Analysis and biological activities of anthocyanins. Phytochemistry. 64: 923-933.

Lacombe E, Hawkins S, Van Doorsselaere J, Piquemal J, Goffner D, Poeydomenge O, Boudet AM, Grima-Pettenati J (1997) Cinnamoyl CoA reductase, the first committed enzyme of the lignin branch biosynthetic pathway: cloning, expression and phylogenetic relationships. Plant. Journal. 11: 429-41.

Liu MS, Wang F, Dong YX, Zhang XS (2005) Expression analysis of dihydroflavonol 4-reductase genes involved in anthocyanin biosynthesis in purple grains of wheat. Journal of Integrative Plant Biology. 47: 1107-1114.

Martens S, Teeri T, Forkmann G (2002). Heterologous expression of dihydroflavonol 4-reductases from various plants. FEBS. Lett. 531: 453-8.

Nakatsuka T, Abe Y, Kakizaki Y, Yamamura S, Nishihara M (2007) Production of red-flowered plants by genetic engineering of multiple flavonoid biosynthetic genes. Plant. Cell. Rep. 26: 1951–1959.

Petit P, Granier T, d'Estaintot BL, Manigand C, Bathany K, Schmitter JM, Lauvergeat V, Hamdi S, Gallois B (2007) Crystal Structure of Grape Dihydroflavonol 4-Reductase, a Key Enzyme in Flavonoid Biosynthesis. J. Mol. Biol. 368: 1345-1357.

Saito K, Yamazaki M (2002) Biochemistry and molecular biology of the late-stage of biosynthesis of anthocyanin: lessons from Perillafrutescens as a model plant. New Phytologist. 155: 9-23.

Shimada S, Takahashi K, Sato Y, Sakuta M (2004) Dihydroflavonol 4-reductase cDNA from non-anthocyanin-producing species in the caryophyllales. Plant and Cell Physiol. 45: 1290-1298.

Tanaka Y, Katsumoto Y, Brugliera F, Mason J (2005) Genetic engineering in floriculture. Plant Cell, Tiss Org Cult. 80: 1-24

Tanaka Y, Sasaki N, Ohmiya A (2008) Biosynthesis of plant pigments: anthocyanins, betalains and carotenoids. The Plant Journal. 54: 733–749.

Tanaka Y, Brugliera F, Chandler S (2009). Recent Progress in Flower Color Modification by Biotechnology Int. J. Mol. Sci. 10: 5350-5369.

Tanaka Y, Brugliera F, Kalc G, Senior M, Dyson B, Nakamura N, Katsumoto Y, Chandler S (2010) Flower color modification by engineering of the flavonoid biosynthetic pathway: Biosci. Biotechnol. Biochem. 74: 1760-1769.

Thompson JD, Higgins DG, Gibson TJ (1994) CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Res. 22: 4673-80.

To KY, Wang CK (2006) Molecular Breeding of Flower Color. Floriculture, Ornamn. Plant Biotechnol. J. 1: 300-310.

Tsuda S, Fukui Y, Nakamura N, Katsumoto Y, Yonekura-Sakakibara K, Fukuchi-Mizutani M, Ohira K, Ueyama Y, Ohkawa H, Holton TA, Kusumi T, Tanaka Y. (2004) Flower color modification of Petunia hybrida commercial varieties by metabolic engineering. Plant. Biotechnol. J. 21: 377-386.

Yu XH, Gou JY, Liu CJ (2009) BAHD superfamily of acyl-CoA dependent acyltransferases in Populus and Arabidopsis: Bioinformatics and gene expression. Plant. Mol. Biol. 70: 421-442.