شناسایی ملکولی و بررسی خصوصیات برخی پپتیدهای ضدمیکروبیKnottin از گیاه خردل سفید (.Sinapis alba L)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فارماکوگنوزی و بیوکنولوژی دارویی، دانشکده داروسازی، دانشگاه علوم پزشکی لرستان، خرم آباد، ایران

2 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

10.22034/pgr.2025.2082488.1028
چکیده
پپتیدهای ضدمیکروبی (AMPs) گروه متنوعی از ملکول‌های زیستی با وزن مولکولی پایین هستند که به‌عنوان خط دفاعی اولیه سیستم ایمنی ذاتی در برابر عفونت‌ها توسط همه موجودات پرسلولی تولید می‌شوند. در گیاهان این پپتیدها تنوع زیستی بالایی دارند و دارای چندین خانواده می‌باشند و به دو صورت دائمی و القایی در پاسخ به تنش‌های محیطی تولید می‌شوند. پپتیدهای ضدمیکروبی نوتین (Knottin) دسته‌‌ای از پپتیدهایی غنی از سیستئین هستند که در گیاهان، حیوانات و حشرات یافت می‌شوند. این مطالعه با هدف شناسایی و بررسی خصوصیات برخی از پپتیدهای ضدمیکروبیKnottin  از گیاه خردل سفید (Sinapis alba L.) انجام شد. در این پژوهش، توالی‌های ژنی هفت پپتید ضدمیکروبی Knottin از گیاه خردل سفید با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیکی و آزمایشگاهی پیش‌بینی و شناسایی گردید. بدین صورت که در مرحله اول، با استفاده از روش‌های بیوانفورماتیکی، توالی کدکننده پپتیدهای مورد نظر از ترنسکریپتوم گیاه خردل سفید پیش‌بینی شد. در مرحله بعد، توالی کد کننده این پپتید ها با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) جداسازی و شناسایی شدند. سپس محصولات PCR توالی‌یابی شده با استفاده از ابزارهای مختلف بیوانفورماتیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج خصوصیات فیزیکوشیمیایی هفت Knottin گیاه خردل سفید، شناسایی شده، وزن مولکولی بین 92/9 تا 05/11 کیلودالتون، pH ایزوالکتریک 46/4 تا 89/7، شاخص ناپایداری 06/38 تا 9/63، شاخص آلیفاتیک 36/62 تا 82/81 و GRAVY 249/0- تا 18/0 را برای آن‌ها پیش‌بینی کرد. همچنین مشخص شد که پپتیدهای Knottin گیاه خردل سفید در ساختار خود دارای چهار پیوند دی‌سولفیدی درون‌مولکولی هستند که از طریق اتصال هشت اسیدآمینه‌ی سیستئین محافظت شده شکل گرفته و باعث می‌شود این پپتید ساختار ویژه‌ و پایداری داشته باشد. همچنین آنالیزهای بیوانفورماتیکی نشان داد که تمامی Knottin گیاه خردل سفید به‌طور بالقوه دارای خاصیت ضدمیکروبی هستند. با توجه به اینکه گیاهان انواع مختلفی از پپتیدهای ضدمیکروبی تولید می‌کنند و روش‌های خالص‌سازی می‌تواند بسیار پیچیده، پر هزینه و زمان‌بر باشد، می‌توان با استفاده از ابزارهای مختلف بیوانفورماتیک آن‌ها را شناسایی، طراحی و به روش شیمیایی سنتز و یا به ‌صورت نوترکیب تولید کرد تا پس از اعتبارسنجی از طریق آزمایش‌های بیشتر، می‌تواند یک پتانسیل درمانی امیدوارکننده برای توسعه به عنوان عوامل ضد میکروبی جدید علیه پاتوژن‌های مقاوم به دارو باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Andersson, M., Boman, A. and Boman, H. (2003). Ascaris nematodes from pig and human make three anti-bacterial peptides: isolation of cecropin P1 and two ASABF peptides. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS, 60(3): 599-606. https://doi.org/10.1007/s000180300051
Arguelles, J., Lee, J., Cardenas, L.V., Govind, S. and Singh, S. (2023). In silico analysis of a Drosophila parasitoid venom peptide reveals prevalence of the cation-polar-cation clip motif in knottin proteins. Pathogens, 12(1): 143. https://doi.org/10.3390/pathogens12010143
Attah, F.A., Lawal, B.A., Yusuf, A.B., Adedeji, O.J., Folahan, J.T., Akhigbe, K.O., Roy, T., Lawal, A.A., Ogah, N.B. and Olorundare, O.E. (2022). Nutritional and pharmaceutical applications of under-explored knottin peptide-rich phytomedicines. Plants, 11(23): 3271. https://doi.org/10.3390/plants11233271
Bahar, A.A. and Ren, D. (2013). Antimicrobial peptides. Pharmaceuticals, 6(12): 1543-1575. https://doi.org/10.3390/ph6121543
Brogden, K.A. (2005). Antimicrobial peptides: pore formers or metabolic inhibitors in bacteria? Nature reviews microbiology, 3(3): 238-250. https://doi.org/10.1038/nrmicro1098
Cammue, B., De Bolle, M., Terras, F., Proost, P., Van Damme, J., Rees, S.B., Vanderleyden, J. and Broekaert, W.F. (1992). Isolation and characterization of a novel class of plant antimicrobial peptides form Mirabilis jalapa L. seeds. Journal of Biological Chemistry, 267(4): 2228-2233. https://doi.org/10.1016/S0021-9258(18)45866-8
Chiche, L., Heitz, A., Gelly, J.C., Gracy, J., Chau, P.T., Ha, P.T., Hernandez, J.F. and Le-Nguyen, D. (2004). Squash inhibitors: from structural motifs to macrocyclic knottins. Current Protein and Peptide Science, 5(5): 341-349. https://doi.org/10.2174/1389203043379477
Cools, T.L., Struyfs, C., Cammue, B.P. and Thevissen, K. (2017). Antifungal plant defensins: increased insight in their mode of action as a basis for their use to combat fungal infections. Future microbiology, 12(5): 441-454. https://doi.org/10.2217/fmb-2016-0181
De Bolle, M.F., Osborn, R.W., Goderis, I.J., Noe, L., Acland, D., Hart, C.A., Torrekens, S., Van Leuven, F. and Broekaert, W.F. (1996). Antimicrobial peptides from Mirabilis jalapa and Amaranthus caudatus: expression, processing, localization and biological activity in transgenic tobacco. Plant molecular biology, 31(5): 993-1008. https://doi.org/10.1007/BF00040718
Egorov, T.A., Odintsova, T.I., Pukhalsky, V.A. and Grishin, E.V. (2005). Diversity of wheat anti-microbial peptides. Peptides, 26(11): 2064-2073. https://doi.org/10.1016/j.peptides.2005.03.007
Elsbach, P. (2003). What is the real role of antimicrobial polypeptides that can mediate several other inflammatory responses? The Journal of clinical investigation, 111(11): 1643-1645. https://doi.org/10.1172/JCI200318761
Gao, G.H., Liu, W., Dai, J.X., Wang, J.F., Hu, Z., Zhang, Y. and Wang, D.C. (2001). Solution structure of PAFP-S: a new knottin-type antifungal peptide from the seeds of Phytolacca americana. Biochemistry, 40(37): 10973-10978. https://doi.org/10.1021/bi010167k
Hammami, R., Ben Hamida, J., Vergoten, G. and Fliss, I. (2009). PhytAMP: a database dedicated to antimicrobial plant peptides. Nucleic acids research, 37(suppl_1): D963-D968. https://doi.org/10.1093/nar/gkn655
Han, X., Zhou, T., Hu, X., Zhu, Y., Shi, Z., Chen, S., Liu, Y., Weng, X., Zhang, F. and Wu, S. (2023). Discovery and characterization of MaK: a novel knottin antimicrobial peptide from Monochamus alternatus. International Journal of Molecular Sciences, 24(24): 17565. https://doi.org/10.3390/ijms242417565
Hancock, R.E. and Sahl, H.G. (2006). Antimicrobial and host-defense peptides as new anti-infective therapeutic strategies. Nature biotechnology, 24(12): 1551-1557. https://doi.org/10.1038/nbt1267
Holaskova, E., Galuszka, P., Frebort, I. and Oz, M.T. (2015). Antimicrobial peptide production and plant-based expression systems for medical and agricultural biotechnology. Biotechnology advances, 33(6): 1005-1023. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2015.03.007
Hwang, J.S., Lee, J.Y., Hwang, B.M., Nam, S.H., Yun, E.Y., Kim, S.R. and Lee, D.G. (2010). Isolation and characterization of psacotheasin, a novel knottin-type antimicrobial peptide, from Psacothea hilaris. Journal of microbiology and biotechnology, 20(4): 708-711. https://doi.org/10.4014/jmb.1002.02003
Ireland, D.C., Colgrave, M.L., Nguyencong, P., Daly, N.L. and Craik, D.J. (2006). Discovery and characterization of a linear cyclotide from Viola odorata: implications for the processing of circular proteins. Journal of molecular biology, 357(5): 1522-1535. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2006.01.051
Kang, X., Dong, F., Shi, C., Liu, S., Sun, J., Chen, J., Li, H., Xu, H., Lao, X. and Zheng, H. (2019). DRAMP 2.0, an updated data repository of antimicrobial peptides. Scientific data, 6(1): 148. https://doi.org/10.1038/s41597-019-0154-y
Kintzing, J.R. and Cochran, J.R. (2016). Engineered knottin peptides as diagnostics, therapeutics, and drug delivery vehicles. Current opinion in chemical biology, 34: 143-150. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2016.08.022
Li, C.Y., Rehm, F.B., Yap, K., Zdenek, C.N., Harding, M.D., Fry, B.G., Durek, T., Craik, D.J. and de Veer, S.J. (2022). Cystine knot peptides with tuneable activity and mechanism. Angewandte Chemie, 134(19): e202200951. https://doi.org/10.1002/ange.202200951
Li, J., Hu, S., Jian, W., Xie, C. and Yang, X. (2021). Plant antimicrobial peptides: structures, functions, and applications. Botanical Studies, 62(1): 5. https://doi.org/10.1186/s40529-021-00312-x
Li, J., Koh, J.J., Liu, S., Lakshminarayanan, R., Verma, C.S. and Beuerman, R.W. (2017). Membrane active antimicrobial peptides: translating mechanistic insights to design. Frontiers in neuroscience, 11: 73. https://doi.org/10.3389/fnins.2017.00073
Lima, A.M., Azevedo, M.I., Sousa, L.M., Oliveira, N.S., Andrade, C.R., Freitas, C.D. and Souza, P.F. (2022). Plant antimicrobial peptides: An overview about classification, toxicity and clinical applications. International journal of biological macromolecules, 214: 10-21. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.06.043
Lohner, K. (2009). New strategies for novel antibiotics: peptides targeting bacterial cell membranes. General physiology and biophysics, 28(2): 105-116. https://doi.org/10.4149/gpb_2009_02_105
Maiti, S., Purakayastha, S. and Ghosh, B. (2007). Thermal characterization of mustard straw and stalk in nitrogen at different heating rates. Fuel, 86(10-11): 1513-1518. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.11.016
McDonald, N.Q. and Hendrickson, W.A. (1993). A structural superfamily of growth factors containing a cystine knot motif. Cell, 73(3): 421-424. https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90127-C
Mir Drikvand, R., Sohrabi, S.S., Sohrabi, S.M. and Samiee, K. (2022). Identification, isolation and expression study of the huain gene family in barley. Plant Genetic Research, 8(2), 83-102 (In Persian). http://dx.doi.org/10.52547/pgr.8.2.7
Mookherjee, N., Anderson, M.A., Haagsman, H.P. and Davidson, D.J. (2020). Antimicrobial host defence peptides: functions and clinical potential. Nature reviews Drug discovery, 19(5): 311-332. https://doi.org/10.1038/s41573-019-0058-8
Moore, S.J. and Cochran, J.R. (2012). Engineering knottins as novel binding agents. In Methods in enzymology (Vol. 503, pp. 223-251). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-396962-0.00009-4
Moore, S.J., Leung, C.L. and Cochran, J.R. (2012). Knottins: disulfide-bonded therapeutic and diagnostic peptides. Drug Discovery Today: Technologies, 9(1): e3-e11. https://doi.org/10.1016/j.ddtec.2011.07.003
Mylne, J.S., Chan, L.Y., Chanson, A.H., Daly, N.L., Schaefer, H., Bailey, T.L., Nguyencong, P., Cascales, L. and Craik, D.J. (2012). Cyclic peptides arising by evolutionary parallelism via asparaginyl-endopeptidase-mediated biosynthesis. The Plant Cell, 24(7): 2765-2778. https://doi.org/10.1105/tpc.112.099085
Nguyen, L.T., Haney, E.F. and Vogel, H.J. (2011). The expanding scope of antimicrobial peptide structures and their modes of action. Trends in biotechnology, 29(9): 464-472. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2011.05.001
Nguyen, P.Q., Luu, T.T., Bai, Y., Nguyen, G.K., Pervushin, K. and Tam, J.P. (2015). Allotides: proline-rich cystine knot α-amylase inhibitors from Allamanda cathartica. Journal of natural products, 78(4): 695-704. https://doi.org/10.1021/np500866c
Nguyen, P.Q., Wang, S., Kumar, A., Yap, L.J., Luu, T.T., Lescar, J. and Tam, J.P. (2014). Discovery and characterization of pseudocyclic cystine‐knot α‐amylase inhibitors with high resistance to heat and proteolytic degradation. The FEBS journal, 281(19): 4351-4366. https://doi.org/10.1111/febs.12939
Organization, W.H. (2014). Antimicrobial resistance: global report on surveillance. World Health Organization.
Pallaghy, P.K., Norton, R.S., Nielsen, K.J. and Craik, D.J. (1994). A common structural motif incorporating a cystine knot and a triple‐stranded β‐sheet in toxic and inhibitory polypeptides. Protein science, 3(10): 1833-1839. https://doi.org/10.1002/pro.5560031022
Palmer, N., Maasch, J.R., Torres, M.D. and de la Fuente-Nunez, C. (2021). Molecular dynamics for antimicrobial peptide discovery. Infection and Immunity, 89(4): 10.1128/iai. 00703-00720. https://doi.org/10.1128/IAI.00703-20
Phazang, P., Negi, N.P., Raina, M. and Kumar, D. (2020). Plant antimicrobial peptides: next-generation bioactive molecules for plant protection. In Phyto-microbiome in stress regulaion (pp. 281-293). Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-15-2576-6_14
Polanco, D.D.C. (2015). The battle against microbial pathogens: basic science, technological advances and educational programs. Microbiology Series.
Saboki Ebrahim, K.U. and Singh, B. (2011). Pathogenesis related (PR) proteins in plant defense mechanism. Sci. Against Microb. Pathog, 2: 1043-1054.
Saffar, Z., Sohrabi, S.M., Motamedi, M. and Panji, A. (2025). Identification and sequencing of defensin genes in barley (Hordeum vulgare L.): bioinformatics analysis and expression changes in response to biotic and abiotic stresses. Plant Genetic Research, 11(2), 47-64 (In Persian). https://doi.org/10.22034/pgr.2024.11.2.4
Sels, J., Mathys, J., De Coninck, B.M., Cammue, B.P. and De Bolle, M.F. (2008). Plant pathogenesis-related (PR) proteins: a focus on PR peptides. Plant physiology and biochemistry, 46(11): 941-950. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2008.06.011
Shao, F., Hu, Z., Xiong, Y.M., Huang, Q.Z., Wang, C.G., Zhu, R.H. and Wang, D.C. (1999). A new antifungal peptide from the seeds of Phytolacca americana: characterization, amino acid sequence and cDNA cloning. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Protein Structure and Molecular Enzymology, 1430(2): 262-268. https://doi.org/10.1016/S0167-4838(99)00013-8
Silverstein, K.A., Moskal Jr, W.A., Wu, H.C., Underwood, B.A., Graham, M.A., Town, C.D. and VandenBosch, K.A. (2007). Small cysteine‐rich peptides resembling antimicrobial peptides have been under‐predicted in plants. The Plant Journal, 51(2): 262-280. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03136.x
Sinha, M., Singh, R.P., Kushwaha, G.S., Iqbal, N., Singh, A., Kaushik, S., Kaur, P., Sharma, S. and Singh, T.P. (2014). Current overview of allergens of plant pathogenesis related protein families. The Scientific World Journal, 2014(1): 543195. https://doi.org/10.1155/2014/543195
Tam, J.P., Wang, S., Wong, K.H. and Tan, W.L. (2015). Antimicrobial peptides from plants. Pharmaceuticals, 8(4): 711-757. https://doi.org/10.3390/ph8040711
Tang, S.S., Prodhan, Z.H., Biswas, S.K., Le, C.F. and Sekaran, S.D. (2018). Antimicrobial peptides from different plant sources: Isolation, characterisation, and purification. Phytochemistry, 154: 94-105. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2018.07.002
Thomas, S., Karnik, S., Barai, R.S., Jayaraman, V.K. and Idicula-Thomas, S. (2010). CAMP: a useful resource for research on antimicrobial peptides. Nucleic acids research, 38(suppl_1): D774-D780. https://doi.org/10.1093/nar/gkp1021
Torres, M.D., Sothiselvam, S., Lu, T.K. and de la Fuente-Nunez, C. (2019). Peptide design principles for antimicrobial applications. Journal of molecular biology, 431(18): 3547-3567. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2018.12.015
Yeaman, M.R. and Yount, N.Y. (2003). Mechanisms of antimicrobial peptide action and resistance. Pharmacological reviews, 55(1): 27-55. https://doi.org/10.1124/pr.55.1.2
Zasloff, M. (2002). Antimicrobial peptides of multicellular organisms. nature, 415(6870): 389-395. https://doi.org/10.1038/415389a
Zeynivand, M., Ismaili, A., Sohrabi, S.S. and Armand, N. (2024). Identification, isolation and characterization of some members of the Snakin/GASA genes family in echinacea purpureae. Plant Genetic Research, 11(2), 99-118 (In Persian). https://doi.org/10.22034/pgr.2024.11.2.7