مطالعات ساختاری، عملکردی و فیلوژنتیکی ژن‌های آنزیم کیموتریپسین در حشرات: با رویکرد بیوانفورماتیک

نوع مقاله : علمی پژوهشی -انگلیسی

نویسنده

استادیار، گروه گیاه‌پزشکی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

آنزیم ­های شبه کیموتریپسین در بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی حشرات از جمله هضم، رشد، بقاء و ایمنی نقش دارند. این آنزیم­ ها، پیوندهای پپتیدی را از انتهای کربوکسیلی اسیدهای آمینه حلقوی موجود در پروتئین ­ها هیدرولیز نموده و پپتیدهای فعال و اسیدهای آمینه مورد نیاز برای رشد و تولید مثل حشره را آزاد می ­نمایند. نظر به اهمیت نقش پروتئین ­های غذایی در بقاء و رشد حشرات، توجه بسیاری از حشره شناسان به ساختار، عملکرد، مکانیسم و میان کنش ­های آنزیم­ های گوارشی جلب می ­شود. آگاهی از خصوصیات بیوشیمیایی و ساختاری پروتئازهای حشرات می­تواند به توسعه استراتژی کنترل آفات مبتنی بر مهار کننده‌های پروتئازی اختصاصی کمک نماید. بر این اساس، مطالعۀ حاضر روی تجزیه و تحلیل ساختار و هم­ترازی توالی پروتئین، آنالیز فیلوژنتیک و همچنین ارزیابی موتیف­ های محافظت شده در گونه ‌های مختلف حشرات با استفاده از ابزارهای مختلف بیوانفورماتیک متمرکز می­ باشد. هم ترازی چندگانۀ توالی­ ها، نواحی مختلف محافظت شده و به طور ویژه حفاظت اسیدهای آمینۀ دخیل در جایگاه فعال آنزیم (هیستیدین، آسپارتیک اسید، سرین) را نشان داد و همچنین ده موتیف محافظت شده نیز با استفاده از برنامه ­های MEME و MAST، بدست آمد. نتایج مطالعات فیلوژنی نشان می­ دهد که کیموتریپسین­ های حشرات مورد مطالعه احتمالا دارای یک جد مشترک هستند. ساختارهای سه بعدی کیموتریپسین با استفاده از سرور I-TASSER پیش­ بینی شد و کیفیت مدل­ ها با استفاده از برنامه ­های PROCHECK، ERRAT و Verify-3D مورد تأیید قرار گرفت. همچنین شبکه میان­کنش­ های پروتئین – پروتئین بدست آمده از برنامۀ STRING 11، ده مسیر ارتباطی برای کیموتریپسین (.Aedes aegypti (L را ارائه نمود. به­ طور کلی، مطالعه حاضر می­ تواند چشم ­اندازی جدید جهت طراحی آفت­کش­ های آتی بر اساس مهارکننده‌ های اختصاصی آنزیم­ های گوارشی فراهم نماید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Structural, functional, and phylogenetic studies of chymotrypsin enzyme genes in insects: a bioinformatics approach

نویسنده [English]

  • S. A. Hemmati
Assistant professor, Department of Plant Protection, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Chymotrypsin-like enzymes are involved in many physiological processes of insects including digestion, development, survival, and immunity. The enzyme cleaves the peptide bonds on C-terminal of the aromatic amino acids in proteins and release active peptides as well as amino acids required for growth, reproduction, and development of the insect. Due to the importance of food proteins on insect survival and development, more fundamental entomologists are researching the structures, functions, mechanisms, and interactions of the involved digestive enzymes. Discovering biochemical and structural properties of insect proteases can help develop rational control strategy based on specific protease inhibitors. Accordingly, the present study focuses on protein structural analysis, protein sequence alignment, phylogenetic analysis as well as conserved motif assessment from various insect species using different bioinformatics tools. The multiple sequence alignment revealed different conserved stretches of amino acids along with highly conserved catalytic sites (His, Asp, Ser) and ten conserved motifs were also discovered by MEME and MAST tools. The phylogenetic data suggest that the insect chymotrypsins might share a common ancestor. The three-dimensional structures of chymotrypsins were generated by I-TASSER, and the 3D model was further verified using PROCHECK, ERRAT, and Verify-3D. The protein – protein interactions network constructed by STRING 11 provided ten enriched pathways in Aedes aegypti (L.) chymotrypsin. Totally, the present work can provide new insights for designing alternative pesticides based on specific digestive enzyme inhibitors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Insect chymotrypsin
  • Peptide Motif
  • Phylogenetic study
  • Proteinase Inhibitors
  • Pests Control

مراجع

Aluko, R.E. 2015. Amino acids, peptides, and proteins as antioxidants for food preservation. In Handbook of antioxidants for food preservation. Woodhead Publishing. pp. 105-140.
Avwioroko, O.J., Anigboro, A.A., Unachukwu, N.N., and Tonukari, N.J. 2018. Isolation, identification and in silico analysis of alpha-amylase gene of Aspergillus niger strain CSA35 obtained from cassava undergoing spoilage. Biochemistry and Biophysics Reports, 14: 35-42.
Baum, D. 2008. Reading a phylogenetic tree: the meaning of monophyletic groups. Nature Education, 1 (1): 190.
Bown, D.P., Wilkinson, H.S., and Gatehouse, J.A. 1997. Differentially regulated inhibitor-sensitive and insensitive protease genes from the phytophagous insect pest, Helicoverpa armigera, are members of complex multigene families. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 27 (7): 625-638.
Colovos, C., and Yeates, T.O. 1993. ERRAT: an empirical atom-based method for validating protein structures. Protein Science, 2 (9): 1511-1519.
De Las Rivas, J., and Fontanillo, C. 2012. Protein–protein interaction networks: unraveling the wiring of molecular machines within the cell. Briefings in Functional Genomics, 11 (6): 489-496.
Dunse, K.M., Stevens, J.A., Lay, F.T., Gaspar, Y.M., Heath, R.L., and Anderson, M.A. 2010. Coexpression of potato type I and II proteinase inhibitors gives cotton plants protection against insect damage in the field. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107 (34): 15011-15015.
Elpidina, E.N., Tsybina, T.A., Dunaevsky, Y.E., Belozersky, M.A., Zhuzhikov, D.P., and Oppert, B. 2005. A chymotrypsin-like proteinase from the midgut of Tenebrio molitor larvae. Biochimie, 87 (8): 771-779.
Gasteiger, E., Hoogland, C., Gattiker, A., Duvaud, S., Wilkins, M.R., Appel, R.D., Bairoch, A. 2005. Protein identification and analysis tools on the ExPASy server. Springer. pp. 571-607.
Geourjon, C., and Deleage, G. 1995. SOPMA: significant improvements in protein secondary structure prediction by consensus prediction from multiple alignments. Computer Applications in the Biosciences, 11 (6): 681-684.
Gouet, P., Courcelle, E., Stuart, D.I., and Metoz, F. 1999. ESPript: analysis of multiple sequence alignments in PostScript. Bioinformatics, 15 (4): 305-308.
Haginaka, J. 2012. 8.9 Chromatographic Separations and Analysis: Protein and Glycoprotein Stationary Phases. Elsevier. pp. 153-176.
Hemmati, S.A., and Mehrabadi, M. 2020. Structural ensemble-based computational analysis of trypsin enzyme genes discovered highly conserved peptide motifs in insects. Archives of Phytopathology and Plant Protection, 53 (7-8): 335-354.
Jones, D.T., Taylor, W.R., and Thornton, J.M. 1992. The rapid generation of mutation data matrices from protein sequences. Bioinformatics, 8 (3): 275-282.
Kalia, A., and Gosal, S.K. 2011. Effect of pesticide application on soil microorganisms. Archives of Agronomy and Soil Science, 57 (6): 569-596.
Krem, M.M., and Di Cera, E. 2001. Molecular markers of serine protease evolution. The EMBO Journal, 20 (12): 3036-3045.
Kumar, S., Stecher, G., and Tamura, K. 2016. MEGA7: molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets. Molecular Biology and Evolution, 33 (7): 1870-1874.
Lazarević, J., and Janković‐Tomanić, M. 2015. Dietary and phylogenetic correlates of digestive trypsin activity in insect pests. Entomologia Experimentalis et Applicata, 157 (2): 123-151.
Mahdavi, A., Ghadamyari, M., Sajedi, R.H., Sharifi, M., Kouchaki, B., and Greenplate, J. 2013. Identification and partial characterization of midgut proteas-es in the lesser mulberry pyralid, Glyphodes pyloalis. Journal of insect science, 13 (1): 1-11.
Parekh, V.J., Rathod, V.K., and Pandit, A.B. 2011. Substrate hydrolysis: Methods, mechanism, and industrial applications of substrate hydrolysis. Elsevier. pp. 103-118.
Peterson, A.M., Barillas-Mury, C.V., and Wells, M.A. 1994. Sequence of three cDNAs encoding an alkaline midgut trypsin from Manduca sexta. Insect Biochemistry and Molecular Biology 24 (5): 463-471.
Polgár, L. 2005. The catalytic triad of serine peptidases. Cellular and Molecular Life Sciences, 62 (19-20): 2161-2172.
Sarkar, S., Raymick, J., and Imam, S. 2016. Neuroprotective and therapeutic strategies against Parkinson’s disease: recent perspectives. International Journal of Molecular Sciences, 17 (6): 904.
Schwartz, A.S., Yu, J., Gardenour, K.R., Finley, Jr.R.L., and Ideker, T. 2009. Cost-effective strategies for completing the interactome. Nature Methods, 6 (1): 55.
Snel, B., Lehmann, G., Bork, P., and Huynen, M.A. 2000. STRING: a web-server to retrieve and display the repeatedly occurring neighborhood of a gene. Nucleic Acids Research, 28 (18): 3442-3444.
Szklarczyk, D., Franceschini, A., Wyder, S., Forslund, K., Heller, D., Huerta-Cepas, J., Simonovic, M., Roth, A., Santos, A., Tsafou, K.P., Kuhn, M., Bork, P., Jensen, L.J., and Mering, C. 2014. STRING v10: protein–protein interaction networks, integrated over the tree of life. Nucleic Acids Research, 43 (D1): D447-D452.
Terra, W.R. 2005. Biochemistry of digestion. Comprehensive molecular insect science, 171-224.
Thompson, J.D., Higgins, D.G, Gibson, T.J. 1994. CLUSTAL W: improving the sensitivity of progressive multiple sequence alignment through sequence weighting, position-specific gap penalties and weight matrix choice. Nucleic Acids Research, 22 (22): 4673-4680.
van der Meijden, E. 2015. Herbivorous Insects—A Threat for Crop Production. In Lugtenberg, B. (Eds.). Principles of plant-microbe interactions. Springer, Cham. pp. 103-114.
Wang, S., Magoulas, C., and Hickey, D.A. 1993. Isolation and characterization of a full-length trypsin-encoding cDNA clone from the lepidopteran insect, Choristoneura fumiferana. Gene, 136 (1-2): 375-376.
Yang, J., Yan, R., Roy, A., Xu, D., Poisson, J., and Zhang, Y. 2015. The I-TASSER Suite: protein structure and function prediction. Nature Methods, 12 (1): 7.
Yang, L., Mei, Y., Fang, Q., Wang, J., Yan, Z., Song, Q., Lin, Z., and Ye, G. 2017a. Identification and characterization of serine protease inhibitors in a parasitic wasp, Pteromalus puparum. Scientific Reports, 7 (1): 1-13.
Yang, L., Lin, Z., Fang, Q., Wang, J., Yan, Z., Zou, Z., Song, Q., and Ye, G. 2017b. The genomic and transcriptomic analyses of serine proteases and their homologs in an endoparasitoid, Pteromalus puparum. Developmental & Comparative Immunology, 77: 56-68.
Zhu, Y.C., and Baker, J.E. 2000. Molecular cloning and characterization of a midgut chymotrypsin‐like enzyme from the lesser grain borer, Rhyzopertha dominica. Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 43 (4): 173-184.
گیاه پزشکی
دوره 43، شماره 3
آذر 1399
صفحه 43-60

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار