Nhân tố phiên mã yếu tố nhân Y (NF-Y) tham gia vào nhiều quá trình sinh học trong sinh vật nhân chuẩn. Trong nghiên cứu này, khả năng tương tác giữa các tiểu phần NF-Y, cũng như tương quan biểu hiện của NF-Y với các nhân tố phiên mã khác được phân tích trên cây sắn (Manihot esculenta Crantz.).
BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ DOI: 10.15625/vap.2020.00053 PHÂN TÍCH TƯƠNG TÁC PROTEIN VÀ MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN GIỮA CÁC YẾU TỐ NHÂN Y Ở CÂY SẮN (Manihot esculenta Crantz.) BẰNG CƠNG CỤ TIN SINH HỌC *Lê Thị Ngọc Quỳnh Tóm tắt: Nhân tố phiên mã yếu tố nhân Y (NF-Y) tham gia vào nhiều trình sinh học sinh vật nhân chuẩn Nghiên cứu tương tác protein - protein mức độ biểu gen tương quan lẫn NF-Y với nhận tố phiên mã khác có ý nghĩa quan trọng việc dự đốn chức gen Trong nghiên cứu này, khả tương tác tiểu phần NF-Y, tương quan biểu NF-Y với nhân tố phiên mã khác phân tích sắn (Manihot esculenta Crantz.) Trong đó, dạng kết hợp tạo nên dạng tam hợp tiểu phần MeNF-Y gồm MeNF-YA9/MeNF-YB8/MeNF-YC12, MeNF-YC9, MeNFYC8 hay MeNF-YC2 Các tương tác protein có tỷ số dự đốn cao thuộc nhóm tương tác MeNF-YB MeNF-YC, tương tự kết công bố nhiều loài thực vật khác Khai thác liệu hệ phiên mã sắn nhiều mẫu mô quan khác cho thấy MeNF-YA9 có mối tương quan với gen CONSTANS (MeCO1) Kết nghiên cứu mở nhiều dẫn liệu quan trọng cho hướng nghiên cứu chức MeNF-Y q trình sinh học thực vật Từ khóa: Biểu gen, sắn, nhân tố phiên mã, tương tác protein, yếu tố nhân Y MỞ ĐẦU Yếu tố nhân Y (NF-Y) biết đến protein hoạt hóa nhân heme hay yếu tố liên kết với hộp CCAAT, nhân tố điều hịa phiên mã có mặt hầu hết loài sinh vật nhân thực Nhân tố điều hịa phiên mã NF-Y bảo tồn chứa tiểu phần, NF-YA/B/C (Nardini et al., 2013) Các tiểu phần chứa trình tự đặc hiệu liên kết với yếu tố cis, hộp CCAAT có mặt vùng promoter sinh vật nhân thực (Nardini et al., 2013) Một tiểu phần NF-Y đơn độc khơng thể tham gia điều hịa phiên mã Các tiểu phần thực chức dạng nhị hợp tam hợp (Zhao et al., 2017) Nghiên cứu gần vài nhân tố phiên mã kết hợp với dạng nhị hợp NF-YB-YC để tạo thành dạng tam hợp NF-YB-YC-TF thay cho dạng tam hợp truyền thống NFYB-YC-YA Cả dạng tam hợp liên kết với vùng promoter gen đích để tham gia điều hịa biểu gen (Zhao et al., 2017) Cụ thể, để điều hòa thời gian hoa Arabidopsis thaliana, CONSTANS (CO) tiểu phần NF-YA gắn với phức hợp NF-YB-YC để liên kết với promoter gen FLOWER LOCUS T (FT) Trong nhiều loài thực vật, biểu gen CO NF-YA có mối tương quan để Trường Đại học Thủy lợi Email: ngocquynhle@tlu.edu.vn 424 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM hình thành nên dạng tam hợp NF-YB-YC-CO NF-YB-YC-YA điều hòa phiên mã FT (Quan et al., 2018; Zhao et al., 2017) Trong công bố gần đây, ngày nhiều gen NF-Y nghiên cứu nơng nghiệp có giá trị cao đậu tương (Glycine max (L.) Merr.), cà chua (Solanum lycopersicum L.), Citrus sinensis (L.) Osbeck and citrus clementina Hort ex Tan, lúa mì (Triticum aestivum L.) hay sắn (Manihot esculenta Crantz.) (Quach et al., 2015; Li et al., 2016; Chu Đức Hà, 2017; Duc Ha Chu, 2017; Chu Đức Hà, 2019) Các gen NF-Y tham gia vào nhiều trình phát triển thực vật, tham gia vào trình phản ứng sinh lý quang hợp, chống chịu lại điều kiện bất lợi (Liu & Howell, 2010) Sắn có giá trị kinh tế cao nông nghiệp Đặc biệt, Việt Nam, sắn trồng ưu tiên phát triển Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Trong nghiên cứu gần đây, họ gen mã hóa cho tiểu phần NF-YA/YB/YC sắn công bố (Chu Đức Hà, 2017; Duc Ha Chu, 2017; Chu Đức Hà, 2019) Tuy nhiên, chưa có công bố tương tác tiềm tiểu phần NF-Y sắn Dữ liệu hệ phiên mã sắn điều kiện thường công bố Tuy chưa có phân tích mức độ biểu khác thành viên NF-Y tiềm mức độ biểu gen FT CO, gen có biểu theo quang chu kỳ, tham gia điều khiển thời gian hoa Trong nghiên cứu này, dựa vào trình tự NF-Y công bố sắn, tương tác protein tiểu phần để hình thành nên dạng nhị hợp, tam hợp dự đoán Thêm vào đó, mức độ biểu gen NF-Y, CO FT phân tích để tìm mối liên hệ tương quan lẫn Nghiên cứu góp phần tăng cường hiểu biết mối tương tác protein tiểu phần NF-YA, NF-YB NF-YC, mối liên hệ mức độ biểu NF-Y với CO FT DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dữ liệu nghiên cứu Toàn liệu 11, 17 14 thành viên ba họ MeNF-YA, -YB YC giống sắn khai thác dựa công bố gần (Chu Đức Hà, 2017; Duc Ha Chu, 2017; Chu Đức Hà, 2019) Đồng thời, liệu nghiên cứu họ gen FT (gồm 10 thành viên) gen CO (gồm thành viên) sắn khai thác sử dụng dựa vào nghiên cứu trước (Adeyemo, 2009; Chu Đức Hà, 2018) Phương pháp nghiên cứu Phân tích tương tác protein - protein Mạng lưới tương tác protein - protein (protein-protein interaction, PPI) tiểu phần MeNF-Y xây dựng dựa phần mềm STRING (https://string-db.org/) (Szklarczyk et al., 2016) Hệ số tương tác mạng lưới PPI ghi nhận giá trị 0,4 - 0,7 (trung bình), 0,7 - 0,9 (cao) > 0,9 (cao nhất) tương ứng với mức độ tin cậy từ phép phân tích tương tác (Szklarczyk et al., 2016) PHẦN I NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 425 Xây dựng mơ hình cấu trúc 3D Dựa vào trình tự axit amin, cấu trúc 3D phân tử protein MeNF-Y xác định có tương tác cao với tiểu phần khác xây dựng phần mềm Phyre2 Mức độ tin cậy độ che phủ chọn mức giá trị cao để tăng độ xác cho dự đốn (Kelley et al., 2015) Phân tích biểu gen mô sắn Dữ liệu biểu gen liên quan nghiên cứu khai thác dựa hệ phiên mã mô quan khác sắn công bố (GEO accession: GSE82279) (Wilson et al., 2017) Biểu đồ nhiệt (heatmap) thể mức độ phiên mã gen MeNF-Y có tương tác với nhau, biểu diễn thông qua công cụ gplots, phần mềm R (R-project.org) Số liệu dùng vẽ biểu đồ nhiệt chuyển dạng log2-RPKM để đảm bảo dạng phân phối chuẩn Đường hồi quy tuyến tính thể mối quan hệ gen thông qua phần mềm excel KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phân tích tương tác protein - protein tiểu phần MeNF-Y Để thu thập liệu tương tác protein - protein (PPI) tiểu phần MeNFY, trình tự axit amin 42 MeNF-Y phân tích qua phần mềm STRING (Szklarczyk et al., 2016) Nhằm tăng mức độ tin cậy cho phép phân tích, nghiên cứu này, tương tác với tỷ số > 0,7 ghi nhận PPI tiềm tiểu phần MeNFY (Hình 1) Kết cho thấy mạng lưới PPI hình thành từ 6/42 tiểu phần MeNF-Y báo cáo công bố gần (bao gồm MeNF-YA, MeNF-YB bốn MeNF-YC) Hình thành nên bốn phức tam hợp đầy đủ tiểu phần để thực chức gồm MeNF-YA9/MeNF-YB8/MeNF-YC12, MeNF-YC9, MeNF-YC8 hay MeNFYC2 (Hình 1) Hình Mạng lưới tương tác protein MeNF-Y Mạng lưới tương tác protein MeNF-Y xây dựng dựa vào trình tự 42 MeNF-Y cơng bố gần đây, tương tác có tỷ số > 0,7 hiển thị hình Mối nút (node) thể cho protein MeNF-Y Mỗi cạnh tương tác với tỷ số ghi cạnh.Với protein biết cấu trúc 3D hình ảnh protein xoắn biểu diễn vòng tròn.Đường nét liền thể tương tác với tỷ số cao > 0,9 426 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Bên cạnh đó, để có nhìn tổng qt MeNF-Y dự đốn có tương tác, mơ hình cấu trúc 3D phân tử dự đốn qua Phyre (Hình 2) Chuỗi xoắn α tìm thấy phần lớn cấu trúc bậc MeNF-Y, cấu trúc gấp nếp β có mặt phân tử MeNF-YA9 (chiếm 8%) (Hình 2) Hơn nữa, bốn MeNFYC: MeNF-YC2, MeNF-YC8, MeNF-YC9 MeNF-YC12 dự đoán chứa phức hợp liên kết với trình tự hộp CCAAT, trình tự quan trọng giúp NF-Y tham gia điều hòa biểu gen Đáng ý liên kết PPI với tỉ số cao > 0,9 thuộc tương tác MeNF-YB8 với MeNF-YC12, MeNF-YC9 MeNF-YC8 (Hình 1).Việc tương tác mạnh mẽ tiểu phần NF-YB NF-YC góp phần thể dạng nhị hợp NF-YB/NF-YC phổ biến trồng nói chung loài đậu gà (Cier arietium) (Chu Đức Hà, 2020) nghiên cứu sắn Trên mơ hình Arabidopsis, NFYA NF-YC tìm thấy có mặt nhân tế bào, NF-YB tìm thấy tế bào chất (Hackenberg et al., 2012) So với NF-YA NF-YC, NF-YB di chuyển vào nhân thiếu tín hiệu khu trú nhân tế bào NF-YB vào nhân tế bào sau tương tác với NF-YC (Hackenberg et al., 2012) Điều phần giúp lý giải cho việc liên kết PPI NF-YB NF-YC mạnh mẽ, để giúp hình thành dạng nhị hợp NF-YB-YC để vận chuyển vào nhân tế bào Hình Cấu trúc 3D tiểu phần MeNF-Y có tương tác (A) MeNF-YB8, (B) MeNF-YC8, (C) MeNF-YC9 (D) MeNF-YC12 Biểu gen MeNF-Y có tương tác mơ sắn Dữ liệu biểu MeNF-Y có tương tác lẫn khai thác dựa vào hệ phiên mã mô quan quan trọng sắn công bố gần (Wilson et al., 2017) Trong nghiên cứu này, thông tin mức độ phiên mã trọng khai thác dựa vào tất mô quan công bố gồm: củ, thân, gân lá, tổ chức phát sinh phôi cấu tạo soma (OES), mơ sẹo có khả phơi hóa (FEC), mơ phân sinh đỉnh rễ (RAM), mô phân sinh đỉnh chồi (SAM), cuống lá, rễ tơ, chồi nách (Hình 3) Dữ liệu mức độ biểu gen xử lý thể biểu đồ nhiệt (Hình 3) Trong biểu đồ nhiệt, màu tối thể mức độ biểu gen cao Theo đó, biểu gen mạnh quy định với RPKM > (tương đương với log2-RPKM > 1) Kết PHẦN I NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 427 cho thấy, gen MeNF-YC8, MeNF-YC9, MeNF-YC12 MeNF-YA9 biểu mạnh tất mô quan sắn Trong đó, MeNF-YC2 MeNF-YB8 có biểu mạnh OES FEC, biểu yếu mô quan khác Ở củ, thân gân lá, MeNF-YB8 gần khơng tìm thấy biểu gen (Hình 3) Hình Biểu đồ nhiệt (heatmap) thể mức độ biểu gen tiểu phần MeNF-Y mô sắn OES: Tổ chức phát sinh phôi cấu tạo soma (Somatic Organized Embryogenic Structure); FEC: Mô sẹo phơi hóa (Friable Embryogenic Callus); SAM: Mơ phân sinh đỉnh chồi (Shoot Apical Meristem) RAM: Mô phân sinh đỉnh rễ (Root Apical Meristem) Phân tích mối liên hệ biểu gen MeNF-YA9 với gen MeCO MeFT Một vài nghiên cứu nhân tố phiên mã CO ảnh hưởng tới nhận tố phiên mã khác để điều hòa biểu gen FT Nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu xem có mối liên hệ mức độ biểu gen MeNF-YA9 với MeCO MeFT có biểu mô FEC, rễ tơ, chồi nách, OES, SAM RAM Cụ thể gen MeCO: MeCO1 (Manes.02G062700) MeCO2 (Manes.01G106200)(Adeyemo 2009); gen MeFT: MeFT2 (Manes.06G008100), MeFT5 (Manes.11G161100), MeFT8 (Manes.13G008000) MeFT10 (Manes.16G019600) (Chu Đức Hà, 2018) Hệ số tương quan Pearson gen Hình MeCO1 có mối liên hệ tương quan với tiểu phần MeNF-YA9 với R2 = 0,8 Trong khi, MeCO2 MeNF-YA9 khơng có mối liên hệ với (R2 = 0,004) Các MeFT2, MeFT5, MeFT8 MeFT10 mối liên hệ mạnh mẽ với MeNF-YA9 Tiểu phần NF-YA có tương quan dương với gen CO nghiên cứu với óc chó (Juglans regia L.) Cụ thể, biểu gen JrCO2 có liên hệ với JrNF-YA11 JrNF-YA12 (Quan et al., 2018) Trong nghiên cứu này, MeCO1 có mối tương quan với biểu tiểu phần MeNF-YA9 Biểu gen FT điều hòa nhiều nhân tố phiên mã khác Các kết góp phần gợi ý CO nhân tố phiên mã khác NF-YA kết hợp với dạng nhị hợp NF-YB-YC BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 428 kích thích biểu FT (Quan et al., 2018) Tuy nhiên giả thuyết cần chứng minh nhiều thực nghiệm Hình Mối liên hệ mức độ biểu gen MeCO, MeFT với MeNF-YA mô khác sắn Mức độ biểu gen mẫu mô khác sử dụng làm số liệu để xây dựng đường hồi quy tuyến tính KẾT LUẬN Tiểu phần MeNF-YB MeNF-YC gồm MeNF-YB8/MeNF-YC12, MeNF-YC9, MeNF-YC8 hay MeNF-YC2 dự đốn tương tác với thành dạng nhị hợp Sau đó, dạng nhị hợp MeNF-YB/MeNF-YC kết hợp với tiểu phần MeNF-YA9 để tạo thành phức tam hợp để tham gia thực chức điều hoà thể Khai thác liệu hệ phiên mã mô quan cho thấy MeNF-YC8, MeNFYC9, MeNF-YC12 MeNF-YA9 có mức độ biểu mạnh tất mô quan nghiên cứu MeNF-YC2 MeNF-YB8 biểu mạnh OES FEC Cuối cùng, nghiên cứu mối tương quan mức độ biểu tiểu phần PHẦN I NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 429 MeNF-YA9 với nhân tố phiên mã khác MeCO1 Các kết nghiên cứu góp phần gợi mở nhiều hướng nghiên cứu tiềm chức MeNF-Y trình sinh học sắn TÀI LIỆU THAM KHẢO Adeyemo S., 2009 Molecular Genetic Characterization of Photoperiodic genes in Cassava (Manihot esculenta Crantz) and attempts to manipulate their expression to promote floral induction, Universität zu Köln Chu Đức Hà, Lê Thị Ngọc Quỳnh, 2020 Nghiên cứu tương tác khai thác dữa liệu biểu tiểu phấn yếu tố nhân Y loài đậu gà (Cier arietinum) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, 225 (01): 11-16 Chu Đức Hà, Lê Thị Thảo, Lê Quỳnh Mai, Phạm Thị Lý Thu, 2017 Xác định gen mã hóa Nuclear-factor-YB sắn (Manihot esculenta Crantz) công cụ tin sinh học Tạp chí Khoa học - Đại học Quốc gia Hà Nội, 33 (1S): 133-137 Chu Đức Hà, Nguyễn Đức Anh, Hoàng Thị Thao, Phạm Thị Lý Thu, Phạm Phương Thu, Chu Thùy Dương, Nguyễn Thị Thu Phương, Phạm Xuân Hội, 2019 Xác định đánh giá mức độ biểu họ gen mã hóa tiểu phần nuclear factor-YC sắn (Manihot esculenta Crantz) Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam, 61 (7): 56- 59 Chu Đức Hà, Phạm Thị Kiều Trang, Phạm Phương Thu, La Việt Hồng, Phạm Thị Lý Thu, 2018 Định danh phân tích cấu trúc họ gen liên quan đến khả hoa sắn Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam, (90): 9-12 Duc Ha Chu, Thi Thuy Tam Do, Xuan Dac Le, Thi Ly Thu Pham, 2017 Gemone-wide identification and annotation of the Nuclear-factor YA gene family in cassava (Manihot esculenta Crantz) Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, 59 (3): 39-43 Hackenberg D., Wu Y., Voigt A., Adams R., Schramm P., Grimm B., 2012 Studies on differential nuclear translocation mechanism and assembly of the three subunits of the Arabidopsis thaliana transcription factor NF-Y Molecular plant, (4): 876-888 Kelley L A., Mezulis S., Yates C M., Wass M N., Sternberg M J E., 2015 The Phyre2 web portal for protein modeling, prediction and analysis Nature Protocols, 10 (6): 845-858 Li S., Li K., Ju Z., Cao D., Fu D., Zhu H., Zhu B., Luo Y., 2016 Genome-wide analysis of tomato NF-Y factors and their role in fruit ripening BMC genomics, 17 (1): 36 Liu J.X., Howell S H., 2010 bZIP28 and NF-Y transcription factors are activated by ER stress and assemble into a transcriptional complex to regulate stress response genes in Arabidopsis The Plant Cell, 22 (3): 782-796 Nardini M., Gnesutta N., Donati G., Gatta R., Forni C., Fossati A., Vonrhein C., Moras D., Romier C., Bolognesi M., 2013 Sequence-specific transcription factor NF-Y displays histone-like DNA binding and H2B-like ubiquitination Cell, 152 (1-2): 132-143 Quach T N., Nguyen H T., Valliyodan B., Joshi T., Xu D., Nguyen H T., 2015 Genome-wide expression analysis of soybean NF-Y genes reveals potential function in development and drought response Molecular Genetics and Genomics, 290 (3): 1095-1115 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 430 Quan S., Niu J., Zhou L., Xu H., Ma L., Qin Y., 2018 Identification and characterization of NF-Y gene family in walnut (Juglans regia L.) BMC plant biology, 18 (1): 255 Szklarczyk D., Morris J H., Cook H., Kuhn M., Wyder S., Simonovic M., Santos A., Doncheva N T., Roth A., Bork P., 2016 The STRING database in 2017: quality-controlled protein-protein association networks, made broadly accessible Nucleic acidsresearch, 45 (D1): D362-D368 Wilson M C., Mutka A M., Hummel A W., Berry J., Chauhan R D., Vijayaraghavan A., Taylor N J., Voytas D F., Chitwood D H., Bart R S., 2017 Gene expression atlas for the food security crop cassava The New phytologist, 213 (4): 1632-1641 Zhao H., Wu D., Kong F., Lin K., Zhang H., Li G., 2017 The Arabidopsisthaliana nuclear factor Y transcription factors Frontiers in Plant Science, 7: 2045 IN SILICO ANALYSIS OFPROTEIN-PROTEIN INTERACTION AND EXPRESSION PATTERNS OF NUCLEAR FACTOR Y ON CASSAVA (Manihotesculenta Crantz.) *Le Thi Ngoc Quynh Abstract: The transcription nuclear factor Y (NF-Y) is involved in many biological processes in eukaryotes The study of protein-protein interaction and the level of gene expression correlated between NF-Y and other transcription factors are important in predicting gene function In this study, interoperability between NF-Y subsections, as well as correlation of NF-Y expression with other transcription factors were analyzed on cassava (Manihot esculenta Crantz.) In which, combined forms create the triplets among MeNF-Y sub-parts including MeNF-YA9/MeNF-YB8/MeNF-YC12, MeNF-YC9, MeNF-YC8 or MeNF-YC2 The protein interactions with the highest predictive ratios are those between MeNFYB and MeNF-YC, which is similar to the results published in many other plant species Mining of cassava transcription data on various organ tissue samples showed that MeNF-YA9 was correlated with CONSTANS gene (MeCO1) The results of this study have brought up many important data sets for the functional research directions of MeNF-Y in the biological processes of plants Keywords: Cassava, gene expression, nuclear factor Y, protein interation, transcription factor Thuyloi University Email: ngocquynhle@tlu.edu.vn ... protein MeNF -Y xác định có tương tác cao với tiểu phần khác x? ?y dựng phần mềm Phyre2 Mức độ tin c? ?y độ che phủ chọn mức giá trị cao để tăng độ xác cho dự đốn (Kelley et al., 2015) Phân tích biểu. .. TRONG SINH HỌC 427 cho th? ?y, gen MeNF-YC8, MeNF-YC9, MeNF-YC12 MeNF-YA9 biểu mạnh tất mô quan sắn Trong đó, MeNF-YC2 MeNF-YB8 có biểu mạnh OES FEC, biểu y? ??u mô quan khác Ở củ, thân gân lá, MeNF-YB8... lưới tương tác protein MeNF -Y Mạng lưới tương tác protein MeNF -Y x? ?y dựng dựa vào trình tự 42 MeNF -Y cơng bố gần đ? ?y, tương tác có tỷ số > 0,7 hiển thị hình Mối nút (node) thể cho protein MeNF-Y