SUPERVISOR
Azar Shahpiri,Masoud Bahar
آذر شاه پیری (استاد راهنما) مسعود بهار (استاد مشاور)
STUDENT
Rahim Malekzadeh
رحیم ملک زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Assessment of Cadmium Binding Ability of C-terminal Cysteine-rich Region of Rice Metallothionein Type 1 (OsMTI-1b) by Deletion of N-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 gene expression analysis 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 amino- terminal from OsMTI-1b isoform belonging to type P1 rice MT and production of mutant form of C-OsMTI-1b and investigation of effect of that on tolerance of cadmium, nickel, zinc and copper stress compared to its wild type ( OsMTI-1b ). For production C-OsMTI-1b gene fragment from OsMTI-1b gene, specific primer was designed and C-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 strain Rosetta (DE3). By inducing of protein production by Isopropyl-?-D-thiogalactopyranoside (IPTG), the considerable amount of GST-C-OsMTI-1b protein produced. The tolerance of strains, producing GST-OsMTI-1b, GST-N-OsMTI-1b and GST-C-OsMTI-1b protein, to heavy metals were investigated by plotting their growth curve in presence of CdCl2.H2O, NiCl2.6H2O, ZnSO4.7H2O and CuSO4 salts and by measurement of the amount of decreased of cadmium in culture medium by using atomic adsorption spectroscopy (AAS). Recombinants proteins were purified and the metal-binding ability of GST-C-OsMTI-1b protein was compared to its wild form (GST-OsMTI-1b) and GST-N-OsMTI form. Comparison of metal-binding ability was performed by investigation of spectroscopic characteristics and reaction with Ellman's reagent. The results of growth curve of mutated strain to metals showed that the tolerance of bacteria cells to Cd, Ni, Zn and Cu increased due to the expression of GST-C-OsMTI-1b protein. The measurement of amount of decreased cadmium metal from culture medium using atomic adsorption spectroscopy showed that the mutated strain can absorb 4.63 ppm of Cd from culture medium. Amount of absorbed Cd in the producing GST-OsMTI-1b and GST-N-OsMTI-1b proteins, were 4.93 and 2.44 ppm respectively. Comparisons of amount of absorbed metal on these strains have shown that the metal absorption capacity in strain, producing GST-C-OsMTI-1b protein, Due to more compact structure of this mutant, its near to strain producing GST-OsMTI-1b protein. Investigation of binding capability of GST-C-OsMTI-1b protein to Cd, Ni and Zn in in vitro condition were performed by reaction of mutated protein with Ellman's reagent.So, Apo proteins were prepared by acidification method and then these proteins were exposed to to saturated concentrations of Cd, Ni and Zn ions. The results showed that the initial rate of reaction of Ellman's reagent with apo GST-C-OsMTI-1b protein was more than protein containing Cd, Ni and Zn. These results showed that the GST-C-OsMTI-1b protein can absorb these metals. Also study on spectroscopic characteristics of mutant protein confirmed results of absorption of Cd, Ni, Zn and Cu by this protein. Generally the results showed that the mutated protein even without of amino- terminal can bind to metal. These results suggest that the C-terminal Cys-rich region in of OsMTI-1b can bind metals independent of N-terminal. Keywords : Rice, Metallothionein, terminal Cys-rich region, binding ability
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 متالوتیونین 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 متالوتیونین ها صورت گرفته است. تحقیق حاضر با هدف حذف انتهای آمینی از ایزوفرم OsMTI - 1b متعلق به تیپ P1 متالوتیونین برنج و تولید فرم موتاسیون یافته C - OsMTI - 1b و بررسی نقش آن در ایجاد تحمل به تنش فلزات کادمیوم، نیکل، روی و مس، در مقایسه با فرم طبیعی آن ( OsMTI - 1b ) انجام شد. به منظور تولید قطعه ژنی C - 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-C-OsMTI-1b تولید شد. تحمل سویه های بیان کننده ی پروتئین های GST-OsMTI-1b، GST-N-OsMTI-1b و GST-C-OsMTI-1b به فلزات سنگین کادمیوم و نیکل، و فلزات ضروری روی و مس، از طریق ترسیم منحنی رشد باکتری ها در حضور نمک های CdCl 2 .H 2 O ، NiCl 2 .6H 2 O، ZnSO 4 .7H 2 O و CuSO 4 تعیین شد. همچنین اندازهگیری میزان کاهش فلز کادمیوم 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، نیکل، روی و مس، در مقایسه با فرم GST-OsMTI-1b و GST-N-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-C-OsMTI-1b موجب افزایش تحمل سلول های باکتری به فلزات کادمیوم، نیکل، روی و مس می شود. اندازه گیری میزان فلز کاهش یافته از محیط کشت توسط طیف سنجی جذب اتمی نشان داد سویه ی موتاسیون یافته قادر است ppm 63/4 از فلز کادمیوم را در محیط کشت جذب کند، که این میزان برای سویه بیان کننده پروتئین کامل GST-OsMTI-1b و GST-N-OsMTI-1b، به ترتیب ppm 93/4 و 44/2 بود. مقایسه مقدار فلز جذب شده در این سویه ها نشان داد که میزان جذب فلز در سویه بیان کننده پروتئین GST-C-OsMTI-1b، تقریباً برابر با سویه بیان کننده پروتئین GST-OsMTI-1b می باشد. این امر می تواند به دلیل ایجاد ساختار فشرده تر حاصل از حذف انتهای آمینی 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 غلظت اشباع از یون های کادمیوم، نیکل و روی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که سرعت اولیه واکنش معرف المن با پروتئین در فرم بدون فلز بیشتر از پروتئین های حاوی کادمیوم، نیکل و روی بود، که این موضوع بیانگر جذب این فلزات توسط پروتئین می باشد. همچنین بررسی تغییر در الگوی جذب نور پروتئین موتاسیون یافته نتایج جذب کادمیوم، نیکل، روی و مس را توسط این پروتئین تائید کرد. به طور کلی نتایج بدست آمده، فعالیت پروتئین موتاسیون یافته را در جذب فلز حتی بدون انتهایی آمینی تأیید می کند؛ که این موضوع بیانگر قابلیت اتصال انتهای کربوکسی غنی از سیستئین OsMTI-1b ، به طور مستقل از انتهای آمینی به فلز می باشد.