بررسی بیوانفورماتیکی ژن آسیل کریر پروتئین (ACP) در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها

نوع مقاله: علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده مهندسی انرژی و فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه بیوتکنولوژی گیاهی، دانشکده علوم زیستی و زیست‌فناوری دانشگاه شهید بهشتی; پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران

3 دانشجوی دکتری اصلاح نباتات، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

مسیر بیوسنتز اسید چرب یکی از مسیرهای مهم در بدن اکثر موجودات (پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها) است که آنزیم Acyl carrier protein (ACP) نقش مهمی در مسیر بیوسنتز اسید چرب دارد. هدف از این مطالعه آنالیز in silico و فیلوژنتیکی ژن ACP است. با آنالیز های بیشتر مشخص شد که ژنACP در پروکاریوت‌ها دارای 4 اگزون و 3 اینترون و 2mRNA و در یوکاریوت‌ها دارای 13 اگزون، 12 اینترون و 9 mRNA است. این پروتئین در یوکاریوت‌های گیاهی دارای هدف‌گیری میتوکندریایی و در پروکاریوت به مناطقی غیر از میتوکندری هدف‌گیری می‌شود و جزو پروتئین‌های ترشحی نیز نمی‌باشد. نتایج همردیفی چندگانه با استفاده از T-coffee نشان داد که ژن ACP در بین گونه‌های باکتریایی محافظت شده‌تر از گونه‌های گیاهی می‌باشد. آنالیز فیلوژنتیکی پروتئین ACP در پروکاریوت‌ها مشخص کرد که به جز یک خوشه، در بقیه‌ی موارد باکتری‌های گرم مثبت در یک خوشه و باکتری‌های گرم منفی در خوشه‌ی دیگر قرار گرفتند. در یوکاریوت‌ها گونه‌های مختلف گیاهی به طور پراکنده در خوشه‌های مختلف قرار می‌گیرند و نتایج کلاستربندی در یوکاریوت‌ها ربطی به گونه‌ی موجود ندارد. بعلاوه در بررسی همزمان پروتئین ACP در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها مشخص شد که یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها در بعضی خوشه‌ها کنار همدیگر قرار می‌گیرند که ناشی از شباهت توالی این پروتئین در این گونه‌ها می‌باشد. مقایسه ساختار ثانویه پروتئین در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها نشان داد که تعداد صفحات آلفا و بتا در پروکاریوت‌ها در مقایسه با یوکاریوت بیشتر است. مدل‌سازی سه بعدی این پروتئین در گندم (به عنوان نماینده یوکاریوت‌ها) و باکتری Clostridioides difficile 630 (به عنوان نماینده پروکاریوت‌ها) به روش همولوژی مدلینگ و با استفاده از پایگاه داده Swiss Model پس از انتخاب الگوی مناسب با میزان شباهت بالا که از پایگاه داده PDB استخراج شدند، انجام گرفت. جهت اعتبارسنجی ساختاری مدل ترسیم شده سه بعدی و آنالیز استرئوشیمیایی، نمودار راماچاندران ترسیم و زوایای دی‌هیدرال محاسبه شدند. نتایج ارزیابی کیفیت ساختاری نشان داد که مدل‌های پیشنهادی دارای کیفیت و پایداری مناسبی می‌باشند. مطالعه ساختار پروتئین می‌تواند به درک عملکرد پروتئین کمک کند و بررسی جزئیات ساختار آن می‌تواند در مطالعات جایگاه فعال پروتئین و داکینگ سودمند باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Bioinformatic analysis of Acyl Carier Protein (ACP) in eukaryotes and prokaryotes

نویسندگان [English]

  • Masoumeh Fallah Ziarani 1
  • Masoud Tohidfar 2
  • Zahra Aminfar 3
1 Ph.D. student of Plant Biotechnology, Department of Plant Biotechnology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Plant Biotechnology & Life Science, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran; Biotechnolgy Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Karaj, Iran.
3 Ph.D. Student of Plant Breeding, Department of Agronomy and Plant Breeding, University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده [English]

The biosynthesis pathway of fatty acids is one of the important pathways in the body of most organisms that an enzyme Acyl carrier protein (ACP) plays an important role in it. The purpose of this study is phylogenetic and in silico analysis of gene ACP. More analysis indicate that ACP gene has 4 exons, 3 introns and and 2 mRNA in prokaryotes and 13 exons, 12 introns and 9 mRNA in eukaryotes. This protein has target mitochondrial in plant eukaryotes and non-mitochondrial target in prokaryotes and it is not also included of secreted proteins. The results of multiple alignments by T-Coffee server showed that the ACP genes between bacterial species are more protected than plant species. Phylogenetic analysis of ACP proteins in prokaryotes is revealed that except for a cluster, in other case Gram-positive bacteria are in one cluster and gram-negative bacteria are in another cluster. In eukaryotes, different plant species are scattered in different clusters. These results indicated that clustering in eukaryotes are not relate to species. In addition, the study of ACP proteins in eukaryotes and prokaryotes revealed that both eukaryotes and prokaryotes are placed together in some clusters that is due to the similarities of sequences in species. Comparison of the secondary structure of the protein in eukaryotes and prokaryotes showed that the number of alpha and beta sheets in prokaryotes are more than of eukaryotes. Three-dimensional modeling of this protein was done by homology modeling using Swiss Model database in wheat (as representative of eukaryotic) and bacteria Clostridioides difficile 630 (as represented prokaryotes). The best templates were extracted with high similarity from PDB database. To validation of modeled structure and esterochemical analysis, Ramachandran plot was drawn and dihydral angles were calculated. Structural quality evaluation results showed that the proposed models are good quality and stability. The study of protein structure may help to understand protein function and the details of its structure can be useful in studies of the active site of the protein and docking.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Phylogenetic Analysis
  • ACP gene
  • alighnment
  • eukaryote
  • prokaryot
Ali S, Morteza R, Mansour E (2014) Designing predictive models to determine the structure of the acyl carrier protein enzyme. Journal of qom university of medical sciences. 13-20.

Brown AK, Sridharan S, Kremer L, Lindenberg S, Dover LG, Sacchettini JC, Besra GS (2005) Probing the mechanism of the Mycobacterium tuberculosis beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase III mtFabH: factors influencing catalysis and substrate specificity. J. Biol. Chem. 18: 54-63.

Burge C. Karlin S (1997) Prediction of complete gene structures in human genomic DNA. J Mol. Biol. 268: 78- 94.

Cao H (2011) Structure-function analysis of diacyl-glycerol acyitransferase sequences from 70 organism. BMC Researxh Notes. 4: 249-279.

Carlson CS, Thomas DJ, Eberle MA, Swanson JE, Livingston RJ, Rieder MJ, Nickerson DA (2005) Genomic regions exhibiting positive selection identified from dense genotype data. Genome Research. 13: 120-131.

Ferguson AA, Jiang N, Pack M (2011) Recycling and reshaping genes through GC-biased acquisition. Mobile Genetic Elements. 15: 2134- 2141.

Guex N, Peitsch MC (1997) SWISS‐MODEL and the Swiss‐Pdb Viewer: an environment for comparative protein modeling. Electrophoresis. 18(15): 2714-2723.

Hamblin MT, Thompson EE, Rienzo D (2002) Complex signatures of natural selection at the Duffy blood group locus. A. The American Journal of Human Genetics. 25: 1605-1612.

Hongkai Bi, Lei Zhu JJ, John EC (2016) A biotin biosynthesis gene restricted to helicobacter. Science reports. 10.1038: 35-49.

Huang G, Zhang L, Birch RG (2000) Characterization of the acyl carrier protein gene and the fab gene locus in Xanthomonas albilineans. FEMS. Microbiol. Lett. 19: 35-49.

Kiyohito Y, Mikako H, Ryuji H, Takumi A, Hidetoshi O, Yoshitaka O, Tadashi N, Satoru S, Akio U, Naoki M (2016) Bacterial long- chain polyunsaturated fatty acid: their biosynthetic genes, and practical use. Marine drugs. 10.3390: 277-281.

Kremer L, Nampoothiri KM, Lesjean S, Dover LG, Graham S, Betts J, Brennan PJ, Minnikin DE, Locht C (2001) Biochemical characterization of acyl carrier protein (ACPM) and malonyl-CoA: ACPM transacylase (mtFabD), two major components of Mycobacterium tuberculosis fatty acid synthase II. Besra, G.S. J. Biol. Chem. 7: 101-115.

Labadorf A, Link A, Rogers MF (2010) Genome-wide analysis of alternative splicing in chlamydomonas reinhardtii. BMCGenomics. 11: 114- 124.

Lovell SC, Davis IW, Arendall WB, de Bakker PI, Word JM, Prisant MG, Richardson DC (2003) Structure validation by Cα geometry: ϕ, ψ and Cβ deviation. Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. 50(3): 437-450.

Mandal MN, Santha IM, Lodha ML, Mehta SL (2000) Cloning of acyl-acyl carrier protein (ACP) thioesterase gene from Brassica juncea. Biochem. Soc. Trans. 7: 89-98.

Misumi C, Yoshida Y, Nishida K (2011) Genone analyses and its significance in four unicellular algaeand Thalassiosira pseunana. J. Plant. Res. 121: 3-17.

Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Couch GS, Greenblatt DM, Meng EC, Ferrin TE (2004). UCSF Chimera-a visualization system for exploratory research and analysis. Journal of Computational Chemistry. 25(13): 1605-1612.

Rawlings M, Cronan JE (1992) The gene encoding Escherichia coli acyl carrier protein lies within a cluster of fatty acid biosynthetic genes. J. Biol. Chem. 21: 78-90.

Schwede T, Kopp J, Guex N, Peitsch MC (2003) SWISS-MODEL: an automated protein homology-modeling server. Nucleic Acids Research. 31: 3381-3385.

Williams AH, Immormino RM, Gewirth DT, Raetz CR (2006) Structure of UDP-N-acetylglucosamine acyltransferase with a bound antibacterial pentadecapeptide. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 12: 188-199.