Characterization as well as prediction of the secondary and tertiary structure of hypothetical proteins from their amino acid sequences uploaded in databases by in silico approach are the critical issues in computational biology. Severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus (SARS-CoV), which is responsible for pneumonia alike diseases, possesses a wide range of proteins of which many are still uncharacterized. The current study was conducted to reveal the physicochemical characteristics and structures of an uncharacterized protein Q6S8D9_SARS of SARS-CoV. Following the common flowchart of characterizing a hypothetical protein, several sophisticated computerized tools e.g., ExPASy Protparam, CD Search, SOPMA, PSIPRED, HHpred, etc. were employed to discover the functions and structures of Q6S8D9_SARS. After delineating the secondary and tertiary structures of the protein, some quality evaluating tools e.g., PROCHECK, ProSA-web etc. were performed to assess the structures and later the active site was identified also by CASTp v.3.0. The protein contains more negatively charged residues than positively charged residues and a high aliphatic index value which make the protein more stable. The 2D and 3D structures modeled by several bioinformatics tools ensured that the proteins had domain in it which indicated it was functional protein having the ability to trouble host antiviral inflammatory cytokine and interferon production pathways. Moreover, active site was found in the protein where ligand could bind. The study was aimed to unveil the features and structures of an uncharacterized protein of SARS-CoV which can be a therapeutic target for development of vaccines against the virus. Further research are needed to accomplish the task.
Minh Tri Nguyen;Seul-Ah Kim;Ya-Yun Cheng;Sung Hoon Hong;Yong-Su Jin;Nam Soo Han
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제33권9호
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pp.1228-1237
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2023
The CRISPR-Cas system has emerged as the most efficient genome editing technique for a wide range of cells. Delivery of the Cas9-sgRNA ribonucleoprotein complex (Cas9 RNP) has gained popularity. The objective of this study was to develop a quantitative polymerase chain reaction (qPCR)-based assay to quantify the double-strand break reaction mediated by Cas9 RNP. To accomplish this, the dextransucrase gene (dsr) from Leuconostoc citreum was selected as the target DNA. The Cas9 protein was produced using recombinant Escherichia coli BL21, and two sgRNAs were synthesized through in vitro transcription to facilitate binding with the dsr gene. Under optimized in vitro conditions, the 2.6 kb dsr DNA was specifically cleaved into 1.1 and 1.5 kb fragments by both Cas9-sgRNA365 and Cas9-sgRNA433. By monitoring changes in dsr concentration using qPCR, the endonuclease activities of the two Cas9 RNPs were measured, and their efficiencies were compared. Specifically, the specific activities of dsr365RNP and dsr433RNP were 28.74 and 34.48 (unit/㎍ RNP), respectively. The versatility of this method was also verified using different target genes, uracil phosphoribosyl transferase (upp) gene, of Bifidobacterium bifidum and specific sgRNAs. The assay method was also utilized to determine the impact of high electrical field on Cas9 RNP activity during an efficient electroporation process. Overall, the results demonstrated that the qPCR-based method is an effective tool for measuring the endonuclease activity of Cas9 RNP.
Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is the causative agent of tuberculosis, one of the most deadly infections in humans. The emergence of multidrug-resistant and extensively drug-resistant Mtb strains presents a global challenge. Mtb has shown resistance to many frontline antibiotics, including rifampicin, kanamycin, isoniazid, and capreomycin. The only licensed vaccine, Bacille Calmette-Guerin, does not efficiently protect against adult pulmonary tuberculosis. Therefore, it is urgently necessary to develop new vaccines to prevent infections caused by these strains. We used a subtractive proteomics approach on 23 virulent Mtb strains and identified a conserved membrane protein (MmpL4, NP_214964.1) as both a potential drug target and vaccine candidate. MmpL4 is a non-homologous essential protein in the host and is involved in the pathogen-specific pathway. Furthermore, MmpL4 shows no homology with anti-targets and has limited homology to human gut microflora, potentially reducing the likelihood of adverse effects and cross-reactivity if therapeutics specific to this protein are developed. Subsequently, we constructed a highly soluble, safe, antigenic, and stable multi-subunit vaccine from the MmpL4 protein using immunoinformatics. Molecular dynamics simulations revealed the stability of the vaccine-bound Tolllike receptor-4 complex on a nanosecond scale, and immune simulations indicated strong primary and secondary immune responses in the host. Therefore, our study identifies a new target that could expedite the design of effective therapeutics, and the designed vaccine should be validated. Future directions include an extensive molecular interaction analysis, in silico cloning, wet-lab experiments, and evaluation and comparison of the designed candidate as both a DNA vaccine and protein vaccine.
Mutation breeding is useful for improving agronomic characteristics of various crops. In this study, we constructed soybean Mutant Diversity Pool (MDP) from 1,695 gamma-irradiated mutants through two selection phases over M1 to M12 generations; we selected 523 mutant lines exhibiting at least 30% superior agricultural characteristics, and, second, we eliminated redundant morphological phenotypes in the M12 generation. Finally, we constructed 208 MDP lines and investigated 11 agronomic traits. We then assessed the genetic diversity and inter-relationships of these MDP lines using target region amplification polymorphism (TRAP) markers. Among the different TRAP primer combinations, polymorphism levels and PIC values averaged 59.71% and 0.15, respectively. Dendrogram and population structure analyses divided the MDP lines into four major groups. According to an analysis of AMOVA, the percentage of inter-population variation among mutants was 11.320 (20.6%), whereas mutant inter-population variation ranged from 0.231 (0.4%) to 14.324 (26.1%). Overall, the genetic similarity of each cultivar and its mutants were higher than within other mutant populations. In an analysis of the genome-wide association study (GWAS) using based on the genotyping-by-sequencing (GBS), we detected 66 SNPs located on 13 different chromosomes were found to be highly associated with four agronomic traits: days of flowering (33 SNPs), flower color (16 SNPs), node number (6 SNPs), and seed coat color (11 SNPs). These results are consistent with those previously reported for other genetic resource populations, including natural accessions and recombinant inbred line. Our observations suggest that genomic changes in mutant individuals induced by gamma rays occurred at the same loci as those of natural soybean population. This study has demonstrated that the integration of GBS and GWAS can serve as a powerful complementary approach to gamma-ray mutation for the dissection of complex traits in soybean.
This study aimed to isolate and identify L-(+)-lactic acid-producing bacteria from tree barks collected in Thailand and evaluate the potential strain as probiotics. Twelve strains were isolated and characterized phenotypically and genotypically. The strains exhibited a rod-shaped morphology, high-temperature tolerance, and the ability to ferment different sugars into lactic acid. Based on 16S rRNA gene analysis, all strains were identified as belonging to Weizmannia coagulans. Among the isolated strains, BKMTCR2-2 demonstrated exceptional lactic acid production, with 96.41% optical purity, 2.33 g/l of lactic acid production, 1.44 g/g of lactic acid yield (per gram of glucose consumption), and 0.0049 g/l/h of lactic acid productivity. This strain also displayed a wide range of pH tolerance, suggesting suitability for the human gastrointestinal tract and potential probiotic applications. The whole-genome sequence of BKMTCR2-2 was assembled using a hybridization approach that combined long and short reads. The genomic analysis confirmed its identification as W. coagulans and safety assessments revealed its non-pathogenic attribute compared to type strains and commercial probiotic strains. Furthermore, this strain exhibited resilience to acidic and bile conditions, along with the presence of potential probiotic-related genes and metabolic capabilities. These findings suggest that BKMTCR2-2 holds promise as a safe and effective probiotic strain with significant lactic acid production capabilities.
Epigenetic writers including DNA and histone lysine methyltransferases (DNMT and HKMT, respectively) play an initiative role in the differentiation and development of eukaryotic organisms through the spatiotemporal regulation of functional gene expressions. However, the epigenetic mechanisms have long been suspected in helminth parasites lacking the major DNA methyltransferases DNMT1 and DNMT3a/3b. Very little information on the evolutionary status of the epigenetic tools and their role in regulating chromosomal genes is currently available in the parasitic trematodes. We previously suggested the probable role of a DNMT2-like protein (CsDNMT2) as a genuine epigenetic writer in a trematode parasite Clonorchis sinensis. Here, we analyzed the phylogeny of HKMT subfamily members in the liver fluke and other platyhelminth species. The platyhelminth genomes examined conserved genes for the most of SET domain-containing HKMT and Disruptor of Telomeric Silencing 1 subfamilies, while some genes were expanded specifically in certain platyhelminth genomes. Related to the high gene dosages for HKMT activities covering differential but somewhat overlapping substrate specificities, variously methylated histones were recognized throughout the tissues/organs of C. sinensis adults. The temporal expressions of genes involved in eggshell formation were gradually decreased to their lowest levels proportionally to aging, whereas those of some epigenetic tool genes were re-boosted in the later adult stages of the parasite. Furthermore, these expression levels were significantly affected by treatment with DNMT and HKMT inhibitors. Our data strongly suggest that methylated histones are potent epigenetic markers that modulate the spatiotemporal expressions of C. sinensis genes, especially those involved in sexual reproduction.
Background: The cycle of seasonal dormancy of perennating buds is an essential adaptation of perennial plants to unfavorable winter conditions. Plant hormones are key regulators of this critical biological process, which is intricately connected with diverse internal and external factors. Recently, global warming has increased the frequency of aberrant temperature events that negatively affect the dormancy cycle of perennials. Although many studies have been conducted on the perennating organs of Panax ginseng, the molecular aspects of bud dormancy in this species remain largely unknown. Methods: In this study, the molecular physiological responses of three P. ginseng cultivars with different dormancy break phenotypes in the spring were dissected using comparative genome-wide RNA-seq and network analyses. These analyses identified a key role for abscisic acid (ABA) activity in the regulation of bud dormancy. Gene set enrichment analysis revealed that a transcriptional network comprising stress-related hormone responses made a major contribution to the maintenance of dormancy. Results: Increased expression levels of cold response and photosynthesis-related genes were associated with the transition from dormancy to active growth in perennating buds. Finally, the expression patterns of genes encoding ABA transporters, receptors (PYRs/PYLs), PROTEIN PHOSPHATASE 2Cs (PP2Cs), and DELLAs were highly correlated with different dormancy states in three P. ginseng cultivars. Conclusion: This study provides evidence that ABA and stress signaling outputs are intricately connected with a key signaling network to regulate bud dormancy under seasonal conditions in the perennial plant P. ginseng.
Beauveria bassiana (Cordycipitaceae, Hypocreales, Ascomycota) is an anamorphic fungus having a potential to be used as a biological control agent because it parasitizes a wide range of arthropod hosts including termites, aphids, beetles and many other insects. A number of bioactive secondary metabolites (SMs) have been isolated from B. bassiana and functionally verified. Among them, beauvericin and bassianolide are cyclic depsipeptides with antibiotic and insecticidal effects belonging to the enniatin family. Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) play a crucial role in the synthesis of these secondary metabolites. NRPSs are modularly organized multienzyme complexes in which each module is responsible for the elongation of proteinogenic and non-protein amino acids, as well as carboxyl and hydroxyacids. A minimum of three domains are necessary for one NRPS elongation module: an adenylation (A) domain for substrate recognition and activation; a tholation (T) domain that tethers the growing peptide chain and the incoming aminoacyl unit; and a condensation (C) domain to catalyze peptide bond formation. Some of the optional domains include epimerization (E), heterocyclization (Cy) and oxidation (Ox) domains, which may modify the enzyme-bound precursors or intermediates. In the present study, we analyzed genomes of B. bassiana and its allied species in Hypocreales to verify the distribution of NRPS-encoding genes involving biosynthesis of beauvericin and bassianolide, and to unveil the evolutionary processes of the gene clusters. Initially, we retrieved completely or partially assembled genomic sequences of fungal species belonging to Hypocreales from public databases. SM biosynthesizing genes were predicted from the selected genomes using antiSMASH program. Adenylation (A) domains were extracted from the predicted NRPS, NRPS-like and NRPS-PKS hybrid genes, and used them to construct a phylogenetic tree. Based on the preliminary results of SM biosynthetic gene prediction in B. bassiana, we analyzed the conserved gene orders of beauvericin and bassianolide biosynthetic gene clusters among the hypocrealean fungi. Reciprocal best blast hit (RBH) approach was performed to identify the regions orthologous to the biosynthetic gene cluster in the selected fungal genomes. A clear recombination pattern was recognized in the inferred A-domain tree in which A-domains in the 1st and 2nd modules of beauvericin and bassianolide synthetases were grouped in CYCLO and EAS clades, respectively, suggesting that two modules of each synthetase have evolved independently. In addition, inferred topologies were congruent with the species phylogeny of Cordycipitaceae, indicating that the gene fusion event have occurred before the species divergence. Beauvericin and bassianolide synthetases turned out to possess identical domain organization as C-A-T-C-A-NM-T-T-C. We also predicted precursors of beauvericin and bassianolide synthetases based on the extracted signature residues in A-domain core motifs. The result showed that the A-domains in the 1st module of both synthetases select D-2-hydroxyisovalerate (D-Hiv), while A-domains in the 2nd modules specifically activate L-phenylalanine (Phe) in beauvericin synthetase and leucine (Leu) in bassianolide synthetase. antiSMASH ver. 2.0 predicted 15 genes in the beauvericin biosynthetic gene cluster of the B. bassiana genome dispersed across a total length of approximately 50kb. The beauvericin biosynthetic gene cluster contains beauvericin synthetase as well as kivr gene encoding NADPH-dependent ketoisovalerate reductase which is necessary to convert 2-ketoisovalarate to D-Hiv and a gene encoding a putative Gal4-like transcriptional regulator. Our syntenic comparison showed that species in Cordycipitaceae have almost conserved beauvericin biosynthetic gene cluster although the gene order and direction were sometimes variable. It is intriguing that there is no region orthologous to beauvericin synthetase gene in Cordyceps militaris genome. It is likely that beauvericin synthetase was present in common ancestor of Cordycipitaceae but selective gene loss has occurred in several species including C. militaris. Putative bassianolide biosynthetic gene cluster consisted of 16 genes including bassianolide synthetase, cytochrome P450 monooxygenase, and putative Gal4-like transcriptional regulator genes. Our synteny analysis found that only B. bassiana possessed a bassianolide synthetase gene among the studied fungi. This result is consistent with the groupings in A-domain tree in which bassianolide synthetase gene found in B. bassiana was not grouped with NRPS genes predicted in other species. We hypothesized that bassianolide biosynthesizing cluster genes in B. bassiana are possibly acquired by horizontal gene transfer (HGT) from distantly related fungi. The present study showed that B. bassiana is the only species capable of producing both beauvericin and bassianolide. This property led to B. bassiana infect multiple hosts and to be a potential biological control agent against agricultural pests.
본 연구는 간척지 내 재배 가능한 내염성 사료용 옥수수를 선발하기 위해 EMS를 이용하여 돌연변이 집단을 구축하고 기내 선발 방법을 통해 내염성 증진 계통을 선발하였고, 연구결과는 다음과 같다. 1. 사료용 옥수수 모본인 KS140에 다양한 조건으로 EMS를 처리하여 발아율 및 식물의 생육 상태를 조사하였고, 발아율에는 영향을 미치지 않으면서 생육에 큰 영향을 주지않는 0.5% EMS를 돌연변이 유도 적정 농도로 선정하였다. 2. 기내 선발 방법을 통해 선발된 내염성 증진 계통 140ES91 계통을 이용하여 0.5% 염분 스트레스 처리 후 표현형을 조사한 결과, 대조군인 KS140 대비 식물의 초장 및 근장의 생육이 양호하였으며, 높은 proline 함량과 기공전도도를 보였다. 따라서 염분 스트레스 시 높은 proline 함량과 기공전도도가 140ES91 계통의 증가된 내염성과 관련이 있을 것으로 판단된다. 3. 내염성 증진 140ES91 계통의 유전변이 분석을 통해 유전자 기능에 영향을 미칠 수 있는 아미노산 변이를 유발하는 39개의 변이 유전자를 확인하였고, 변이 유전자와 내염성의 관계를 증명하기 위한 유전자 기능 분석이 요구된다. 4. 기 보고된 내염성 관련 유전자들의 발현 양상을 조사한 결과 ABP9과 CIPK31 유전자는 대조군 대비 염분 스트레스 처리 전후 140ES91 계통에서 높은 발현율을 보였으며, CIPK21 유전자는 염분 스트레스 처리 후 대조군에는 발현이 감소하나 140ES91 계통에서는 발현이 유지됨을 확인하였다. 따라서 140ES91 계통에서 보이는 내염성 관련 유전자들의 높은 발현율이 140ES91 계통의 내염성에 관여할 것으로 판단된다. 5. 이상의 결과 기내 선발 방법을 통해 선발한 내염성 증진 계통은 간척지와 같은 염류집적 토양에서 작물의 안정적인 재배와 생산이 가능한 내염성 증진 품종 개발의 육종소재로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
사시나무속 수종은 생장이 빠르고 우수한 탄소흡수 능력을 보여주며, 환경정화 효과가 큰 수종으로 이상기후 및 환경오염 문제에 대응하는 기후적응성 품종개발 및 육종집단 조성에 적합하다. 따라서 유전연관지도 작성 및 양적형질 유전자좌 탐색을 통하여 포플러 육종을 신속하게 진행할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 차세대 염기서열 분석기술 방법인 genotyping-by-sequencing 기법을 이용해 인공교배 차대에 대한 고밀도 유전연관 지도를 작성하였다. 또한 사시나무의 수고와 근원경 생장 그리고 해충피해에 대한 회복력 형질을 조사하여 유전연관지도에 위치한 양적형질 유전자좌를 탐색하였다. 서울대학교 학술림에 조성된 사시나무 4년생 육종집단(오대19 × 봉현4 인공교배 차대집단)에서 수고 및 근원경 생장을 조사하였으며, 식엽성 해충인 꼬마버들재주나방 유충의 피해를 받은 후 이에 대해 회복 능력을 조사하였다. 잎 시료의 DNA 추출 후 5개 microsatellite 마커를 이용하여 유전자형을 확인하였으며 친자로 확인된 개체만을 연구재료로 사용하였다. 친자 확인이 완료된 시료의 DNA는 제한효소를 이용해 절단하였으며, 이렇게 얻은 DNA 조각들은 GBS 라이브러리로 제작하여 염기서열을 분석하였다. 분석된 결과는 Populus trichocarpa를 참조유전체로 하여 정렬하였다. 정렬된 SNP 마커는 총 58,040개였으며, 그 가운데 17,755개의 SNP 마커를 유전연관지도 작성에 사용하였다. 유전연관지도는 19개의 연관군으로 나누어졌으며, 전체 길이는 2,129.54 cM으로 나타났다. 조사된 세 가지 형질에 대한 양적형질 유전자좌 분석을 실시한 결과, 수고와 근원경 생장과 연관된 양적형질 유전자좌는 찾을 수 없었으나 전장유전체연관연구(GWAS)를 통하여 4번 연관군(염색체)에 해충피해 회복력과 관련이 있을 것으로 추정되는 유전자를 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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