SUPERVISOR
Azar Shahpiri,Aghafakhr Mirlohi
آذر شاه پیری (استاد راهنما) اقافخر میرلوحی فلاورجانی (استاد مشاور)
STUDENT
Ehsan Shaykholeslam
احسان شیخ الاسلام اصفهانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Characterization of Enzymes Involved in Rice (Oryza sativa L.) NADPH/ Thioredoxin System
An NADP/thioredoxin system (NTS), consisting of NADPH, NADP-thioredoxin reductase (NTR), and thioredoxin h (Trxh) plays a posttranslational regulatory role by reducing disulfide bonds in target proteins involved in different cellular processes. In contrast with prokaryotic and mammalian cells, plants have a complex NTR/Trx system comprising several Trx h and NTR isoforms. Therefore, one important question to be addressed is whether there is specificity in the interactions between different NTR and Trxh isoforms. Through search in rice ( oryza sativa L.) genome database we identified nine potential genes encoding Trxh and four potential genes encoding NTR. The recombinant forms of two isoforms of OsNTR (OsNTR1 and OsNTR2) and three isoforms of Trx h (OsTrx1, OsTrx20 and OsTrx23) were heterologously produced in E. coli as His-tag proteins in considerable amounts and then purifed using affinity chromatography. This enabled us to analyze in vitro interaction between different isoforms of NTR and Trxh from the same organism. To this end the kinetic parameters of OsNTRs towards three isoforms of OsTrx were determined using DTNB assay. The results of this assay showed that in contrast to OsTrx1 and OsTrx23, the isoform OsTrx20 was not reduced by OsNTR. Both OsNTR1 and OsNTR2 had five times more affinity towards OsTrx1 than OsTrx23. The amount of k cat however was almost similar towards both OsTrx isoforms. These results indicate that there is specificity in interaction of NTR and Trx isofroms in NTS .Furthermore, to test whether OsTrx isoforms can be reduced by glutathione (GSH), the reduction of insulin, was measured in the presence of GSH and each Trx isoform. OsTrx20 was efficiently reduced by GSH indicating that glutathione system may be responsible for reduction of OsTrx20. In addition, in the present study the tolerance of cells expressing recombinant proteins in response to oxidative stresses such as H 2 O 2 and ethanol were compared with control by plotting their growth curve. In comparison to OsNTR2, the expression of OsNTR1 yielded more growth in the presence of H 2 O 2 and ethanol. Moreover, the strains overexpressing OsTrx23 and OsTrx1 showed higher tolerance compared to OsTrx20 in the presence of H 2 O 2 , respectively, whereas the tolerance to ethanol did not differ significantly among these strains. We also for first time prepared the strains which were able to co-express OsNTR1 with each OsTrx isoform after induction with IPTG. To this end, the PCR products including promoter, ribosome binding site and the gene encoding each OsTrx isoform were ligated to plasmid pET-28a containing gene OsNTR1. Therefore three constructs containing genes encoding OsNTR1/OsTrx1, OsNTR1/OsTrx20 and OsNTR1/OsTrx23 were produced and transferred to E. coli . The preparation of these starins enabled us to analyze the interaction of OsNTR1 with each OsTrx isoform in vivo . Among these strains, tolerance of strain coexpressing OsNTR1/OsTrx1 in response to H 2 O 2 was higher than the strains expressing OsNTR1 or OsTrx1 solely. This result indicates that OsNTR1 has higher interaction towards OsTrx1 in vivo which corresponds to the results of in vitro assay. Key Words: Rice, NTR/Thioredoxin System, Kinetic Parameters, Glutathione, Oxidative Stress, Co-expression.
سیستم تیوردوکسین وابسته به NADPH (NTS) که متشکل از NADPH، تیوردوکسینردوکتاز وابسته به NADPH (NTR) و تیوردوکسین h (Trxh) میباشد، با احیای باندهای دیسولفیدی در پروتئینهای هدف درگیر در فرآیندهای مختلف سلولی، دارای یک نقش تنظیمی پس از ترجمه در سلول است. بر خلاف سلولهای پروکاریوت و پستانداران، گیاهان یک سیستم NTR/Trx پیچیده شامل چندین ایزوفرم NTR و Trxh دارند. بنابراین سؤال مهمی که باید پاسخ داده شود این است که آیا برهمکنش بین ایزوفرمهای مختلف NTR و Trxh اختصاصی است یا خیر. با جستجو در پایگاه اطلاعاتی ژنوم برنج ( Oryza sativsa L.)، ما نه ژن بالقوه که Trxh را رمز میکنند و چهار ژن بالقوه که NTR را رمز میکنند شناسایی کردیم. فرمهای تراریخت دو ایزوفرم OsNTR (OsNTR1 و OsNTR2) و سه ایزوفرم OsTrxh (OsTrx1، OsTrx20 و OsTrx23) به طور دگرساخت در باکتری E.coli به صورت پروتئینهای His-tag با مقادیر قابل توجه تولید و سپس با استفاده از کروماتوگرافی جذبی خالصسازی شد. این کار امکان بررسی برهمکنش ivitro بین ایزوفرمهای مختلف NTR و Trxh از یک موجود زنده را فراهم ساخت. به این منظور، پارامترهای کینتیکی OsNTRها در برهمکنش با سه ایزوفرم OsTrx با استفاده از آزمون DTNB تعیین شد. نتایج این آزمون نشان داد که بر خلاف OsTrx1 و OsTrx23، ایزوفرم OsTrx20 توسط OsNTR احیاء نشد. هر دوی OsNTR1 و OsNTR2 پنج برابر تمایل بیشتری به OsTrx1 نسبت به OsTrx23 داشتند. با این حال مقدار k cat برای هر دو ایزوفرم OsTrx تقریباً مشابه بود. این نتایج نشان میدهد که برهمکنش ایزوفرمهای NTR و Trx در NTS اختصاصی است. به علاوه، برای بررسی امکان احیای ایزوفرمهای OsTrx توسط گلوتاتیون (GSH)، احیای انسولین در حضور GSH و هر یک از ایزوفرمهای OsTrx اندازهگیری شد. OsTrx20 به طور مؤثری توسط GSH احیاء شد که نشان میدهد احتمالاً سیستم گلوتاتیون مسئول احیای OsTrx20 است. همچنین، در مطالعهی حاضر تحمل سلولهای بیانکنندهی پروتئینهای تراریخت در پاسخ به تنشهای اکسیداتیو مانند H 2 O 2 و اتانول نسبت به شاهد از طریق رسم نمودار رشد آنها مقایسه شد. در مقایسه با سویههای بیانکنندهی OsNTR2، سویههای بیانکنندهی OsNTR1 میزان رشد بیشتری در حضور H 2 O 2 و اتانول داشتند. علاوه بر این، سویههای بیشبیانکنندهی OsTrx23 و OsTrx1 به ترتیب در مقایسه با OsTrx20 میزان تحمل بیشتری در حضور H 2 O 2 نشان دادند، در حالی که میزان تحمل اتانول تفاوت قابل ملاحظهای بین این سویهها نداشت. ما همچنین برای اولین بار سویههایی تولید کردیم که پس از تلقیح IPTG قادر به بیان همزمان OsNTR1 با هر یک از ایزوفرمهای OsTrx بود. برای این منظور محصولهای PCR تولید شده متشکل از پروموتر، جایگاه اتصال ریبوزوم و هر یک از ژنهای رمزکنندهی ایزوفرمهای OsTrx به پلاسمید pET-28a حاوی ژن OsNTR1 الحاق شد. به این ترتیب سه ساختواره حاوی ژنهای رمزکنندهی OsNTR1/OsTrx1، OsNTR1/OsTrx20 و OsNTR1/OsTrx23 تولید و به باکتری E.coli انتقال داده شد. آمادهسازی این سویهها ما را قادر ساخت تا در محیط ivivo به بررسی برهمکنش OsNTR1 با هر یک از ایزوفرمهای OsTrx بپردازیم. از بین این سویهها، تحمل سویهی همبیانی OsNTR1/OsTrx1 در پاسخ به تنش H 2 O 2 بیشتر از سویههای بیانکنندهی OsNTR1 یا OsTrx1 تنها بود. این نتایج نشان میدهد که OsNTR1 برهمکنش بالاتری با OsTrx1 در محیط ivivo دارد که در توافق با نتایج آزمونهای ivitro است. کلمات کلیدی : برنج، سیستم NTR/Trx، پارامترهای کینتیکی، گلوتاتیون، تنش اکسیداتیو، بیان همزمان.