تحلیل بیوانفورماتیکی خانواده عامل رونویسی شوک حرارتی (HSFs) در گیاه کاملینا (Camelina sativa)

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: کاملینا (Camelina sativa) یکی از قدیمی‎ ترین گیاهان زراعی خانواده براسیکا است که با نام ‎های کتان کاذب و کتان وحشی شناخته می‎ شود. کاملینا یک نمونه از روغن‎ های باارزش و با کیفیت بالای گیاهی است که پتانسیل بالایی را برای کاربرد در صنایع گوناگون جهت تولید محصولات مفید دارد. مشابه سایر گونه های گیاهی، گیاه کاملینا در طول دوره رویشی خود با تنش های محیطی و غیر محیطی متعددی مواجه می شود. بررسی الگوهای تنظیمی ژن ها و شبکه های ژنی مرتبط با سیگنال دهی و پاسخ به این تنش ها می تواند به درک بهتر مکانیسم های تحمل به تنش در این گیاهان کمک کند. یکی از خانواده ‎های فاکتورهای رونویسی که به ایجاد پاسخ مناسب در برابر تنش‎ های زیست‎ محیطی کمک می کند، فاکتورهای شوک حرارتی (Heat Shock Factor) هستند. اصولا افزایش تجمع HSPها برای بقای سلول هایی که تحت تاثیر تنش های مختلف محیطی قرار دارند، ضروری است. با این ‎حال، اطلاعات بیوانفورماتیکی مربوط به ژن های فاکتور شوک حرارتی (HSF) در کاملینا تاکنون گزارش نشده است. بنابر این، این مطالعه با هدف شناسایی و تجزیه و تحلیل ساختار ژنی، حفاظت شدگی موتیف ها و دومین ها، و همچنین ساختار سه بعدی پروتئین های HSF در گیاه کاملینا انجام شد. مواد و روش ‎ها : در این مطالعه، برای شناسایی و تحلیل خانواده ژنی HSF در گیاه C. sativa، منابع توالی های ژنومی و پروتئینی از پایگاه NCBI  دریافت شد. ابتدا، آنالیز tBLASTN با استفاده از توالی های پروتئینی HSF گیاه مدل آرابیدوپسیس به ‎عنوان ورودی، در توالی ژنومی کاملینا انجام شد. پس از حذف توالی های تکراری، حضور دمین های اختصاصی با نرم افزار InterProScan  تایید شد. به منظور پوشش جامع تر، جستجوی دمین با ابزار HMMER v۳.۰ بر اساس پروفایل دمین HSF اخذ شده از  PFAM با کد دسترسیPF۰۰۴۴۷  بر روی پروتئوم C. sativa نیز اجرا شد. رکوردهای تکراری ادغام و توالی های ناقص حذف گردیدند. الگوی اگزون-اینترون این ژن ها با استفاده از برنامه TBtools بررسی و ویژگی های فیزیکوشیمیایی پروتئین ها با ابزار ProtParam محاسبه گردید. برای شناسایی موتیف های حفاظت شده، برنامهMEME  به ‎کار رفت. پیش بینی مکان سلولی پروتئین ها به ‎وسیله ابزار WoLF PSORT  انجام شد. تجزیه و تحلیل فیلوژنتیکی با استفاده از نرم افزار ClustalW انجام و درخت فیلوژنتیکی با MEGA ۱۲.۰  بر مبنای روش حداکثر درستنمایی با آزمون بوت استرپ ترسیم شد. در نهایت، ساختار سه بعدی پروتئین ها نیز با استفاده Phayre ۲.۰ از پایگاه داده PDB پیش بینی گردید و برهم کنش های پروتئینی با پایگاه STRING  تحلیل شدند. یافته ‎ها: طبق نتایج پژوهش برمبنای مدل HMM در ابزار HAMMER، تعداد ۱۳۷ ایزوفرم از توالی های پروتئینی حامل دمین HSFs در گیاه کاملینا شناسایی گردید که پس از حذف نسخه های ایزوفرم، تعداد ۹۶ جایگاه ژنی تعیین شدند. در نهایت، در بررسی روابط فیلوژنتیکی این توالی ‎ها با تعداد ۲۱ پروتئین خانواده ژنی آرابیدوپسیس تالیانا، تعداد ۶۴ توالی پروتئینی برای خانواده ژنی HSF گیاه کاملینا شناسایی گردید. بررسی ویژگی ‎های ساختاری و فیزیکوشیمیایی نشان داد که طول پروتئین های این خانواده در کاملینا از ۱۴۶ الی ۴۹۶ اسیدآمینه و وزن مولکولی پیش بینی شده نیز بین ۱۷/۱ کیلو دالتون تا ۵۵/۲ کیلو دالتون، نقاط ایزوالکتریک بین ۴/۷ الی ۱۰/۲ و شاخص آلیفاتیک بین ۵۸/۲۸ تا ۷۶/۵۴ متغیر بودند. برآورد شاخص ناپداری بیش از ۴۰ برای ۸۳ درصد از توالی ‎ها نشان دهنده ی این است که پروتئین در شرایط آزمایشگاهی یا درون سلولی پایداری کمتری دارد و احتمالا سبب تخریب سریع تر می‎ گردند. همچنین، منفی بودن شاخص آب گریزی (GRAVY) برای تمامی پروتئین های CsHSF بیانگر آب دوست بودن این پروتئین ‎ها است. بررسی جایگاه سلولی پروتئین های CsHSF در اندامک های سلولی نشان داد که بیشترین محل حضور این پروتئین ‎ها در هسته و سپس سیتوپلاسم بود. بر اساس نتایج درخت فیلوژنتیکی، پروتئین‎ های ScHSF در سه گروه اصلی و متفاوت طبقه بندی شدند. بررسی ساختار ژنی این گروه‎ ها بر اساس وجود یا عدم وجود اینترون نشان داد که پروتئین‎ های خانواده HSF به جز شش ژن فاقد اینترون، بقیه ژن ها حداقل دارای اینترون هایی با بیش از یک فاز بودند. وجود تفاوت در تعداد و فاز اینترون در برخی از ژن ها HSF کاملینا می تواند به دلیل حذف یا به دست آوردن اینترون در طی تکامل باشد که احتمالا سبب ایجاد یک نقش کارکردی برای این پروتئین ‎ها شده است. در بررسی ارتباط بین گروه بندی فیلوژنتیکی پروتئین های HSF و تعداد اگزون ها، مشخص شد که تمامی گروه ها توزیع مشابهی از نظر تعداد اگزون داشتند. در حالی‎که طول پروتئین ها و وزن مولکولی در هر گروه تغییرات قابل توجهی داشتند، اکثریت پروتئین ها در تمامی گروه ها تنها ۲ یا ۳ اگزون داشتند. در تمام این پروتئین‎ ها، ۱۵ موتیف حفاظت شده با طول بین ۸ تا ۵۰ آمینواسید شناسایی شدند. بر اساس بررسی ساختار دوم، پروتئین های گروه اول عمدتا دارای مارپیچ های آلفا منظم و پیوسته، گروه دوم ساختار دوم متنوع تری دارند، شامل صفحات بتا برجسته تر، کویل های گسترده تر، و نواحی نامنظم بیشتر و پروتئین ‎های گروه سوم ترکیبی از ویژگی های گروه ‎های اول و دوم را دارا هستند. علاوه بر این، نتایج برهمکنش بیانگر هماهنگی بین این پروتئین ‎ها در پاسخ به شرایط مختلف محیطی هستند. نتیجه ‎گیری: شناسایی و بررسی بیوانفورماتیکی خانواده ژنی HSFs در گیاه کاملینا منجر به شناسایی ۶۴ عضو شد که دارای ویژگی های ساختاری و عملکردی متفاوت هستند. بالا بودن تعداد اعضای این خانواده در گیاه کاملینا نسبت به سایر گیاهان احتمالا به ماهیت آلوهگزاپلوئیدی آن مرتبط است که از سه ژنوم متفاوت تشکیل شده است. آنالیز ساختار ژنی حاکی از وجود موتیف های حفاظت شده DBD و HR-A/B در تمام اعضا است که نشان دهنده عملکرد محوری آن ها در پاسخ به تنش های محیطی است. با توجه به اهمیت کاملینا به عنوان گیاه دانه روغنی مقاوم به تنش، شناسایی این ژن ها می تواند زمینه ساز برنامه های اصلاحی برای تولید ارقام با تحمل بالاتر به تنش های محیطی باشد.

کلیدواژه ها:

Allohexaploid ، Gene expression regulation ، Gene family Heat Shock Protein (HSP) ، Oilseed plant ، آلوهگزاپلوئید ، تنظیم بیان ژن ، خانواده ژنی ، گیاه روغنی ، HSP