SUPERVISOR
Azar Shahpiri,Aghafakhr Mirlohi
آذر شاه پیری (استاد راهنما) اقافخر میرلوحی فلاورجانی (استاد مشاور)
STUDENT
Soheila Ahmadi kafrudi
سهیلا احمدی کفرودی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Assessment of Cadmium Binding Ability of N-terminal Cysteine-rich Region of Rice Metallothionein Type 1 (OsMTI-1b) by Deletion of C-terminal Cystein-rich Region
Metallothioneins (MTs) are a Cys-rich protein with low molecular wight (5-10 KDa) that can bind heavy metals via the thiol groups of Cys residues. More studies on plant MTs has been limited on the investigation of expression of these genes in various tissues. So far a little researches on role and structure of MTs has been done. The aim of this study was elimination the carboxy- terminal from OsMTI-1b isoform belong to type 1 rice MT and production of mutant form of N-OsMTI-1b and investigation of effect of that on tolerance of cadmium’s and nickel’s stress compared to its wild type ( OsMTI-1b ). For production N-OsMTI-1b gene fragment from OsMTI-1b gene, specific primer was designed and N-OsMTI-1b gene was amplified by PCR. The Amplified fragment was cloned in pET41a expression vector. The Colony was confirmed by sequencing and then the producing construct was transferred into expression host, Escherichia coli Rosetta (DE3). By inducing of protein production by Isopropyl-?-D-thiogalactopyranoside (IPTG), the considerable amount of GST-N-OsMTI-1b protein produced. The tolerance of strains, producing GST-OsMTI-1b and GST-N-OsMTI-1b protein, to heavy metals were investigated by plotting their growth curve in presence of CdCl 2 and NiCl 2 salts and by measurement of the amount of decreased metals in culture medium by using atomic adsorption spectroscopy (AAS). Recombinants proteins were purified and the metal-binding ability of GST-N-OsMTI-1b protein was compared to its wild form (GST-OsMTI-1b). Comparison of metal-binding ability was performed by investigation of spectroscopic characteristics and reaction with Elman reagent. The results of growth curve of mutated strain to metals showed that the tolerance of bacteria cells to Cd and Ni increased due to the expression of GST-N-OsMTI-1b protein. The measurement of amount of decreased metal from culture medium using atomic adsorption spectroscopy showed that the mutated strain can absorb 7.4% of Cd and 3.63% of Ni from culture medium. Amount of absorbed Cd and Ni in the strain ,producing GST-OsMTI-1b protein, were 11.71% and 8.21% respectively. Comparisons of amount of absorbed metal on two strains have shown that the metal absorption capacity in strain, producing GST-N-OsMTI-1b protein, Due to elimination of carboxy- terminal was low. Investigation of binding capability of GST-N-OsMTI-1b protein to Cd and Ni in in vitro condition were performed by reaction of mutated protein which producing in presence and absence of metal with Elman reagent. The results showed that the initial rate of reaction of Elman reagent with Apo GST-N-OsMTI-1b protein was more than protein containing Cd and Ni. But due to low amount of free thiol groups, this rate was lower than GST-OsMTI-1b protein. These results showed that the GST-N-OsMTI-1b protein can absorb these two metals. Apo proteins were prepared by acidification method and then these proteins were exposed to Cd and Ni. Reaction of these proteins with Elman reagent confirmed that obtained results from in vitro condition . Also study on spectroscopic characteristics of mutant protein confirmed results of absorption of Cd and Ni by this protein. Generally the results showed that the mutated protein even without of carboxy- terminal can bind to metal. These results indicated that the amino- terminal independently of carboxy- terminal can bind to metal. Keyword : Rice, Metallothionein, Heavy Metals, Elman Reagent, Protein Expression
متالوتیونینها (MT) گروهی از پروتئینهای غنی از آمینواسیدهای سیستئین و با وزن مولکولی کم (5 تا 10 کیلودالتون) هستندکه می توانند از طریق گروه تیول آمینواسیدهای سیستئن به فلزات متصل شوند. بیشتر مطالعات بر روی MT ها در گیاهان به بررسی بیان این ژن ها در بافت های مختلف محدود شده است و تحقیقات اندکی تاکنون بر روی نقش و ساختار MT ها صورت گرفته است. تحقیق حاضر با هدف حذف انتهای کربوکسی از ایزوفرم OsMTI - 1b متعلق به تیپ یک MT برنج و تولید فرم موتاسیون یافته N - OsMTI - 1b و بررسی نقش آن در ایجاد تحمل به تنش فلزات کادمیوم و نیکل در مقایسه با فرم طبیعی آن ( OsMTI - 1b ) انجام شد. به منظور تولید قطعه ژنی N - OsMTI - 1b از ژن OsMTI - 1b پرایمراختصاصی طراحی و ژن مورد نظر توسط PCR تکثیر و در ناقل بیانی pET41a همسانه سازی گردید. پس از تائید صحت همسانه سازی با استفاده از توالی یابی، دستواره تولید شده به میزبان بیانی E . coli سویه ی Rosetta(DE3) منتقل شد. با القاء بیان پروتئین توسط IPTG، میزان قابل توجهی از پروتئین GST-N-OsMTI-1b تولید شد. تحمل سویه های بیان کننده ی پروتئین های GST-OsMTI-1b و GST-N-OsMTI-1b به فلزات سنگین از طریق ترسیم منحنی رشد باکتری ها در حضور نمک های CdCl 2 و NiCl 2 و هم چنین اندازهگیری میزان کاهش فلز از محیط کشت با استفاده از دستگاه طیف سنجی جذب اتمی (AAS) بررسی شد. با خالص سازی پروتئین نوترکیب، امکان بررسی تمایل و ظرفیت اتصال آن به فلزات کادمیوم و نیکل در مقایسه با فرم طبیعی GST-OsMTI-1b فراهم گردید. به این منظور از روش های مختلف شامل بررسی تغییر در الگوی جذب نور و همچنین واکنش با معرف اِلمن استفاده گردید. نتایج حاصل از بررسی منحنی رشد سویه ی موتاسیون یافته به فلزات نشان داد که بیان پروتئین GST-N-OsMTI-1b موجب افزایش تحمل سلول های باکتری به فلزات کادمیوم و نیکل می شود. اندازه گیری میزان فلز کاهش یافته از محیط کشت توسط طیف سنجی جذب اتمی نشان داد سویه ی موتاسیون یافته قادر است 4/7 % از فلز کادمیوم و 63/3 % نیکل را از محیط کشت جذب کند که این میزان برای سویه بیان کننده پروتئین کامل GST-OsMTI-1b برای کادمیوم 71/11 % و برای نیکل 22/8% بود. مقایسه مقدار فلز جذب شده در این دو سویه نشان داد که این میزان در سویه بیان کننده پروتئین GST-N-OsMTI-1b به دلیل حذف انتهای کربوکسی که موجب کاهش ظرفیت جذب فلز می شود، کمتر می باشد. برای بررسی قابلیت اتصال پروتئین GST-N-OsMTI-1b به کادمیوم و نیکل در شرایط درون سلولی از واکنش پروتئین های موتاسیون یافته تولید شده در محیط حاوی فلز و بدون فلز با معرف المن استفاده شد. نتایج نشان داد که سرعت اولیه واکنش معرف المن با پروتئین در فرم بدون فلز بیشتر از پروتئین های حاوی کادمیوم و نیکل بود که این موضوع بیانگر جذب این دو فلز توسط پروتئین می باشد ولی نسبت به پروتئین GST-OsMTI-1b این واکنش از سرعت کمتری برخوردار است که علت آن کمتر بودن گروه های تیول آزاد آن می باشد. برای بررسی واکنش المن با پروتئین هایی که به صورت مستقیم در معرض فلز قرار گرفته بودند، ابتدا فرم عاری از فلز (آپو پروتئین) آنها با استفاده از روش اسیدی کردن تولید و سپس در معرض فلزات کادمیوم و نیکل قرار گرفتند که نتایج بدست آمده در شرایط درون سلولی را تائید کردند. همچنین بررسی تغییر در الگوی جذب نور پروتئین موتاسیون یافته نتایج جذب کادمیوم و نیکل را توسط این پروتئین تائید کرد. به طور کلی نتایج بدست آمده، فعالیت پروتئین موتاسیون یافته را در جذب فلز حتی بدون انتهایی کربوکسی تأیید می کند که این موضوع بیانگر قابلیت اتصال انتهای آمینو به طور مستقل از انتهای کربوکسی به فلز می باشد. واژگان کلیدی : برنج، متالوتیونین، فلزات سنگین، معرف المن، بیان پروتئین