با همکاری مشترک دانشگاه پیام نور و انجمن بیوتکنولوژی جمهوری اسلامی ایران

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سلولی و مولکولی دانشکده علوم و فنآوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 عضو هیئت علمی دانشکده علوم فنون و فناوری زیستی، دانشگاه شهید بهشتی.

10.30473/cb.2024.70157.1945

چکیده

گیاه پروانش (Catharanthus roseus) یکی از مهمترین گیاهان دارویی است که حاوی دو ماده‌ی ضدتوموری وین‌بلاستین و وین‌کریستین است و شناسایی ژن‌های درگیر و الگوی بیانی و اثرات ضدتوموری آنها در بافت‌های مختلف این گیاه حایز اهمیت است. است. در همین راستا، با استفاده از داده‌های بیانی (RNA-seque) RNA sequencing بافت‌های مختلف به بررسی ژن‌های با بیان افتراقی (Differential Expression Gene) و اثرات ضدتوموری آنها بصورت این سیلکو پرداخته شد. نتایج نشان داد که تعداد کل ژن‌های با بیان افتراقی در اندام‌ها بین 120 تا 1238 متغیر بود. بیشترین تعداد DEG نسبت به ریشه مربوط به برگ و کمترین آن متعلق به گل بود. در ادامه، 13 ژن مشترک بین سه اندام مختلف و 22 ژن مشترک بین برگ در برابر گل و برگ در برابر ریشه مشاهده شد که از بین آنها، 6 ژن مشترک در هر سه بافت بودند. آنالیز مستندسازی نشان داد که این ژن‌ها در مسیر بیوسنتزی دو ترکیب مهم وین‌بلاستین و وین‌کریستین نقش دارند. بیشترین بیان این ژن‌ها مربوط به برگ و کمترین آن مربوط به ریشه بود. آنالیز شبکه‌ی پروتئین مشخص کرد که تعدادی از ژن‌ها که بیشترین برهم‌کنش را با سایر ژن‌ها نشان دادند مربوط به ژن‌های مسیر بیوسنتری ترکیبات ضد توموری بودند. آنالیز داکینگ و دینامیک مولکولی نشان داد که وین‌بلاستین و وین‌کریستین ضمن اینکه برهم‌کنش خوبی به‌عنوان بازدارنده با فسفوگلیکوپروتئین (پروتئین مقاومت دارویی در سلول‌های توموری) دارند، از پایداری خوبی هم در برهم‌کنش با فسفوگلایکوپروتئین برخورار هستند. بطورکلی، ژن‌های DAT، STR، TDC، G10H، D4H، T16H2، Tryptophandecar-boxylase و Strictosidine synthase که در مسیر بیوسنتزی وین‌بلاستین و وین‌کریستین بودند، نقش موثری در اندام‌های مختلف داشتند. نتایج بدست آمده بینش‌های جدیدی در مورد مکانیسم درمان با محصولات طبیعی می‌دهد که می‌توان جهت بهبود افراد مبتلا مورد استفاده قرار داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analyzing the expression data (RNA-Seq) in Catharanthus roseus plant in order to identify key genes of the active substances (vinblastine and vincristine) in different organs (root, leaf and flower) and to investigate their anticancer effects using docking analysis and molecular dynamics.

نویسندگان [English]

  • Masoud Tohidfar 1
  • Yousef Saeedi Honar 1
  • Naser Farrokhi 2

1 Department of Cell & Molecular Biology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

2 Department of Cell & Molecular Biology, Faculty of Life Sciences and Biotechnology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Catharanthus roseus is one of the most important medicinal plants that contains two antitumor substances, vinblastine and vincristine. It is important to identify the involved genes and their expression pattern and anti-tumor effect in different tissues of this plant. By using the expression data of RNA sequencing of different tissues, differential expression genes and their antitumor effects were investigated as in silico. The results showed that the total number of differentially expressed genes in the organs varied between 120 and 1238. The highest number of DEGs compared to the root was related to the leaf and the lowest number was related to the flower. Subsequently, 13 common genes between three different organs and 22 common genes were observed between leaves versus flowers and leaves versus roots. Among them, 6 common genes were observed in all three tissues, and the annotation analysis showed that these genes are involved in the biosynthetic pathway of two important compounds, vinblastine and vincristine. The highest expression of these genes was related to leaves and the lowest was related to roots. Protein network analysis determined that a number of genes that showed the most interaction with other genes were related to the genes of the biocentric pathway of antitumor compounds. Docking and molecular dynamics analysis showed that vinblastine and vincristine, while having good interaction as inhibitors with phosphoglycoprotein (drug resistance protein in tumor cells), also have good stability in interaction with phosphoglycoprotein. Generally DAT, STR, TDC, G10H, D4H, T16H2, Tryptophandecar-boxylase and Strictosidine synthase genes that were in the biosynthesis pathway of vinblastine and vincristine had an effective role in different organs. The obtained results give new insights about the mechanism of treatment with natural products, which can be used to improve the patients.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioinformatics"
  • Catharanthus roseus"
  • gene expression"
  • vinblastine "
  • "
  • vincristine"
Anders, S., Pyl, P.T., Huber, W. (2015). HTSeq—a Python framework to work with high-throughput sequencing data. Bioinformatics, 31, 166-169. Bomzan, D., Shilpashree, H., Nagegowda,D. (2022). Agrobacterium-Mediated in Planta Transformation in Periwinkle. doi: 10.1007/978-1-0716-2349-7_22. Fatemi, F., Dadkhah, A., Honardoost, M., Ebrahimi, M., Hedayati, M., Shadnoush, M. (2007). Mechanism of drug resistant in cancer. Research in Medicine, 31, 91-97. (in Persian) Guo, X.R., Chang, B.W., Zu, Y.G., Tang, Z.H. (2014). The impacts of increased nitrate supply on Catharanthus roseus growth and alkaloid accumulations under ultraviolet-B stress. J Plant Interact 9(1), 640-646. Heijden, R., Jacobs, DI., Snoeijer, W., Hallard, D., Verpoorte, R. (2004). The Catharanthus alkaloids: pharmacognosy and biotechnology. Curr Med Chem 11(5), 607-628. Kanehisa, M., & Goto, S. (2000). KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Research, 28(1), 27-30. Loyola-Vargas, V.M., Broeckling, C.D., Badri, D.V., Vivanco, J.M. (2007). Effect of transporters on the secretion of phytochemicals by the roots of Arabidopsis thaliana. Planta 225, 301-310. Noble, R.L. (1990). The discovery of the vinca alkaloids-chemotherapeutic agents against cancer. Biochem Cell Biol, 68(12):1344-1351. Pertea, M., Kim, D., Pertea, G.M., Leek, J.T., Salzberg, S.L. (2016). Transcript-level expression analysis of RNA-seq experiments with HISAT, StringTie and Ballgown. Nat. Protoc. 11, 1650-1667. Sajjadi, E., and Hallard, Didir. (1959). Comparison of different organs of Parvanesh plant in terms of indole alkaloids production. Pajohesh Sazandegi, 13, 30-33. (in Persian) Soltani, N., Nazarian-Firouzabadi, F., Shafeinia, A., Sadr, A.S., Shirali, M. (2021). Expression analysis of some genes involved in Terpenoid Indole Alkaloids pathway in periwinkle (Catharanthus roseus) following foliar application of salicylic acid. Novin Genetic,16, 25-32. (in Persian) Sahandi Khalifeh-Kandy.A., Pazhouhandeh, M and Mohajjel-Shoja H. (2016). The effect of rolC gene the medicinal plant Catharanthus roseus. Genetic engineering and biosafety, 5, 41-50. (in Persian) Subramanian, A., Kuehn, H., Gould, J., Tamayo, P. & Mesirov, J. P. GSEA-P: A desktop application for gene set enrichment analysis. Bioinformatics 23(23), 3251-3253. Tian, T., Liu, Y., Yan, H., You, Q., Yi, X., Du, Z., Xu, W., & Su, Z. (2017). agriGO v2.0: a GO analysis toolkit for the agricultural community, 2017 update. Nucleic Acids Research, 45(W1), W122–W129. Verpoorte, R. (2004). The Catharanthus alkaloids: pharmacognosy and biotechnology. Curr Med Chem 11(5), 607-628.