پژوهش‌های سلولی و مولکولی (مجله زیست شناسی ایران)
تجزیه و تحلیل آماری پپتیدهای ضدسرطان گیاهی با استفاده از محیطR
نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
گروه زیستشناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
چکیده
به رغم پیشرفتهای چشمگیر در زمینه درمان سرطان، علاقه به طراحی داروهای جدید افزایش یافتهاست. برخی از پپتیدهای گیاهی طیف گستردهای از فعالیتهای سیتوتوکسیک را در برابر سلولهای سرطانی نشان میدهند. هدف این مطالعه تجزیه و تحلیل آماری پپتیدهای ضدسرطان گیاهی شناخته شده و همچنین یافتن مهمترین ویژگیهای مشترک بین آنها بود. در این راستا لیستی از پپتیدهای ضدسرطان گیاهی موجود در پایگاه داده (The Antimicrobial Peptide Database) تهیه و اطلاعات مربوط به هر پپتید استخراج شد. آنالیزهای آماری در محیط نرمافزار R Studio صورت گرفت. نتایج بیانگر آن بود که 55 مورد ثبت شده اغلب از نظر تاکسونومی متعلق به رده Malpighiales بودند. تقریباً 44 درصد پپتیدها طولی در بازه 25 الی 30 اسیدآمینه داشتند. هیستیدین و متیونین کمترین فراوانی را در بین اسیدآمینههای تشکیلدهنده پپتیدها داشتند. سیستئین، سرین و گلیسین فراوانترین اسیدآمینهها بودند. 91 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه اسیدی و 71 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه بازی داشتند. شارژ خالص 76 درصد پپتیدها بین 2- الی 2 بود. 64 درصد پپتیدها اندکس بومن کمتر از 1 داشتند. پایین بودن این اندکس نشانگر هیدروفوبیسیتی بالای این پپتیدها و افزایش احتمال برهمکنش آنها با سایر پروتیینهاست. همچنین مهمترین ساختار سه بعدی شناخته شده برای پپتیدهای ضدسرطان گیاهی حضور 3 پل دیسولفیدی بود. بنابراین تولیدکنندگان و طراحان دارو میتوانند با استفاده از این ویژگیها که از آنالیزهای آماری پیشرفته استخراج میشوند، نسبت به سنتز یا کشف داروهای موثر جدید با اثرات جانبی کمتر اقدام نمایند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Statistical analysis of plant anticancer peptides using the R environment
نویسندگان [English]
- Leila Zarandi-Miandoab
- Elahe Zade-Hoseingoli
Department of Biology, Faculty of Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University
چکیده [English]
Despite significant advances in cancer treatment, interest in the design of new drugs has increased. Some plant peptides show a wide range of cytotoxic activity against cancer cells. The purpose of this study was to investigate the recognition of plant anti-cancer peptides and also to find the most important common features among them. In this regard, a list of the antimicrobial peptides and information about each peptide was extracted. Statistical analyzes were performed using R Studio software. The results showed 55 plant anticancer peptides were taxonomically belonging to the Malpighiales. Approximately length of 44% of peptides was in the range of 25 to 30 amino acids. Histidine and methionine had the lowest abundance among peptide amino acids. Cysteine, serine and glycine were the most abundant amino acids. 91% of peptides had less than 10 acidic amino acids and 71% peptides had less than 10 basic amino acids. A pure charge of 76% peptides was between 2 and -2. 64% of peptides had a Bowman index of less than 1. The low index indicates high hydrophobicity of these peptides and increases their chances for interaction with other proteins. Also, the most important three-dimensional structure of plant anti-cancer peptides was the presence of 3 di-sulfide bridges. Therefore, pharmaceutical manufacturers and drug designers can use these features extracted from advanced statistical analyzes to synthesize or discover new effective drugs with less side effects.
کلیدواژه‌ها [English]
- Keywords: Plant anticancer peptides
- Statistical analysis
- R studio environment
تجزیه و تحلیل آماری پپتیدهای ضدسرطان گیاهی با استفاده از محیطR
لیلا زرندی میاندوآب* و الهه زادهحسینقلی
ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، دانشکده علوم پایه، گروه زیستشناسی
تاریخ دریافت: 17/9/97 تاریخ پذیرش: 23/10/97
چکیده
به رغم پیشرفتهای چشمگیر در زمینه درمان سرطان، علاقه به طراحی داروهای جدید افزایش یافتهاست. برخی از پپتیدهای گیاهی طیف گستردهای از فعالیتهای سیتوتوکسیک را در برابر سلولهای سرطانی نشان میدهند. هدف این مطالعه تجزیه و تحلیل آماری پپتیدهای ضدسرطان گیاهی شناخته شده و همچنین یافتن مهمترین ویژگیهای مشترک بین آنها بود. در این راستا لیستی از پپتیدهای ضدسرطان گیاهی موجود در پایگاه داده (The Antimicrobial Peptide Database) تهیه و اطلاعات مربوط به هر پپتید استخراج شد. آنالیزهای آماری در محیط نرمافزار R Studio صورت گرفت. نتایج بیانگر آن بود که 55 مورد ثبت شده اغلب از نظر تاکسونومی متعلق به رده Malpighiales بودند. تقریباً 44 درصد پپتیدها طولی در بازه 25 الی 30 اسیدآمینه داشتند. هیستیدین و متیونین کمترین فراوانی را در بین اسیدآمینههای تشکیلدهنده پپتیدها داشتند. سیستئین، سرین و گلیسین فراوانترین اسیدآمینهها بودند. 91 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه اسیدی و 71 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه بازی داشتند. شارژ خالص 76 درصد پپتیدها بین 2- الی 2 بود. 64 درصد پپتیدها اندکس بومن کمتر از 1 داشتند. پایین بودن این اندکس نشانگر هیدروفوبیسیتی بالای این پپتیدها و افزایش احتمال برهمکنش آنها با سایر پروتیینهاست. همچنین مهمترین ساختار سه بعدی شناخته شده برای پپتیدهای ضدسرطان گیاهی حضور 3 پل دیسولفیدی بود. بنابراین تولیدکنندگان و طراحان دارو میتوانند با استفاده از این ویژگیها که از آنالیزهای آماری پیشرفته استخراج میشوند، نسبت به سنتز یا کشف داروهای موثر جدید با اثرات جانبی کمتر اقدام نمایند.
واژههای کلیدی: پپتیدهای ضدسرطان گیاهی، تجزیه و تحلیلآماری، محیط R Studio
* نویسنده مسئول، تلفن: 04133816856 ، پست الکترونیکی: ac.zarandi@azaruniv.ac.ir
مقدمه
سرطان بیماری مهلک و بزرگترین معضل بهداشتی نسل بشر امروزی است. علیرغم پیشرفتهای چشمگیر در زمینه پزشکی، در قرن 21 سرطان بیش از سایر علل منجر به مرگ و میر میشود و احتمالاً تعداد قربانیان تا سال 2030 به حدود 21 میلیون نفر خواهد رسید (13). تکثیر غیرکنترل شدهء سلول طبیعی باعث ایجاد بیثباتی ژنتیکی و تغییرات ناخواستهای میشود که در نهایت سلول طبیعی را به یک سلول بدخیم تبدیل میکند. به تعبیر دیگر انباشت تغییرات ژنی و بیثباتی کروموزومی در پاسخ به آسیب DNA سلولی منجر به سرطان میشود (19). درمان موثر انواع تهدیدکننده سرطان تاکنون موفق نبودهاست. همچنین علاقه به طراحی داروهای جدید به علت افزایش مقاومت سلولهای سرطانی به داروهای ضدسرطان فعلی افزایش یافتهاست. یافتن راهکار فعال و پویا برای درمان سرطان اولویت پژوهش دانشمندان علوم پایه، علوم پزشکی، داروسازان، متخصصین بیوتکنولوژی، ژنتیک و البته سیاستگزاران عرصه بهداشت جوامع بشری است (14). با توجه به اینکه بشر راهحل اغلب مشکلات خویش را در ارتباط با محیط طبیعی اطراف خود یافتهاست، بهنظر میرسد گیاهان میتوانند مخزن باارزشی برای درمان سرطان باشند. اغلب راههای فعلی کنترل و احتمالاً درمان سرطان تهاجمی هستند. به کاربستن اغلب چنین درمانهایی با عوارض جانبی ناخواسته فراوانی همراه است. این در حالی است که بهنظر میرسد گیاهان و محصولات مشتق شده گیاهی مزایایی همچون ساده، ایمن، کمتر سمی، کم هزینه، سریع و سازگار با محیط زیست را در مقایسه با روشهای معمول درمان سرطان دارند. جستجو برای یافتن کاندیداهای بالقوه که بتوانند رشد سلولهای سرطانی را بدون عوارض جانبی کُند یا مهار کنند از بین مواد و ترکیبات گیاهی (Phytochemicals) نشان میدهد که تعدادی از ترکیبات گیاهی از جمله (Taxanes و Colchicine) (8; 13; 22) و همچنین برخی پپتیدهای گیاهی این قابلیت را دارند. تا جایی که در حدود 60درصد داروهای ضدسرطان موجود، بصورت مستقیم یا غیرمستقیم از سلسله گیاهی مشتق شدهاند. مطالعات اخیر حاکی از آن است که تعدادی از پپتیدهای ضدمیکروبی (Anti-Microbial Peptides) طیف گستردهای از فعالیتهای سیتوتوکسیک را در برابر سلولهای سرطانی دارا هستند.
پپتید به ترکیبات با بیش از دو اسیدآمینه که با پیوند پپتیدی به هم متصل شدهاند گفته میشود که به فراوانی در همه موجودات زنده وجود دارند. هزاران پپتید از جانوران، گیاهان و میکروارگانیسمها استخراج شدهاند (16). در اوایل دهه 1990پپتیدهای کوتاه (در حدود 30 اسیدآمینه) که با و یا بدون نیاز به انرژی قادر به عبور از غشاهای سلولی بودند، کشف شدند که اغلب بار مثبت داشتند ولی تعدادی پپتید آنیونی یا هیدروفوب نیز در بین آنها وجود داشت. ویژگی دوگانهدوستی اگرچه دیده میشود ولی برای ورود به سلول ضروری نیست (2). علیرغم پیشرفتهای بسیار در مورد کشف پپتیدهای ضدسرطان هنوز هم جستجوی آنها از منابع زیستی جدید مورد توجه دانشمندان علوم پزشکی و دارویی است (7; 14). به عنوان مثال جستجوی پپتیدهای ضدسرطان پستان از موکوس ترشحی حلزون آفریقایی موفقیتآمیز بودهاست (25). مزایای پپتیدها در مقایسه با سایر ترکیبات شیمیایی این است که بسیار انتخابی، با کارآیی بالا و از مسیرهای متنوعی عمل میکنند، نسبتاً امن هستند، به خوبی تحمل میشوند، وزن مولکولی کم، ساختار نسبتاً ساده، آنتیژنیسیتی و عملکرد نامطلوب کم دارند و آسان جذب میشوند (16). بنابراین در طراحی و ساخت پپتیدهای ضدسرطان باید به چندین ویژگی فوقالعاده آنها مانند اندازه کوچک، فعالیت بالا، ایمونوژنز کم، سازگاری خوب، تنوع توالی و تعداد زیاد سایتهای قابل تغییر و دستکاری روی توالی توجه کرد. با این حال، پایداری کم و نیمهعمر کوتاه پپتیدها موانع اصلی برای کاربرد هستند (12; 18). اخیراً دانشمندان سعی در جمعآوری و طبقهبندی اطلاعات موجود در این زمینه دارند تا بتوانند بر پایه اطلاعات موجود مسیر یافتن داروهای جدید و موثر را بهتر و سریعتر بپیمایند (23). بهنظر میرسد استفاده از پپتیدهای گیاهی دارای فعالیت ضدسرطانی بالا و پایدار در سرم به علت کاربرد آسان خوراکی گزینه مناسبی در موارد بالینی باشند. از نظر ساختار شیمیایی پپتیدها قابل تقسیم به دو گروه خطی و حلقوی میباشند. اغلب پپتیدهای جداشده از گیاهان حلقوی هستند و سیکلوپپتید نامیده میشوند. در مقایسه با پپتیدهای خطی، سیکلوپپتیدها قابلیت بیشتری برای فعالیتهای زیستی نشان میدهند که احتمالاً بدلیل شکل و وضعیت پایدارشان در نتیجۀ ساختار حلقوی آنها میباشد (16). در اغلب مطالعات مروری در این زمینه توجهی به پپتیدهای درمانی با منشاء گیاهی نشدهاست (2; 7; 14; 25) بنابراین نویسندگان این مقاله سعی در معطوف کردن توجه محققین به پتانسیل بالای این نوع پپتیدها برای اهداف درمانی دارند. هدف این مطالعه تجزیه و تحلیل آماری پیشرفته پپتیدهای ضدسرطان گیاهی شناختهشده و همچنین یافتن مهمترین ویژگیهای مشترک بین آنها بود. در این راستا، تلاش شد از طریق بررسی جامع تمام پپتیدهای شناختهشده گیاهی (تا دسامبر 2018) به چارچوبی مشترک برای بهرهگیری مستقیم و یا الگوبرداری جهت طراحی داروی ضدسرطان، دست یافت. چنین پپتیدهایی به تنهایی یا در ترکیب با سایر داروهای متعارف میتوانند یک راهکار درمانی امیدبخش در درمان سرطان در نظر گرفته شوند.
مواد و روشها
جهت دستیابی به ترادف پپتیدهای موجود گیاهی که ویژگیهای ضدسرطان از خود نشان میدهند، به سایت پایگاه داده پپتیدهای ضدمیکروبی The Antimicrobial Peptide Database (APD) به آدرس http://aps.unmc.edu/AP/main.php مراجعه شد. اطلاعات این پایگاه برای اولین بار در سال 2003 بصورت آنلاین ارائه شدهاست و ارتقاء آن به نسخههای بعدی به ترتیب در سالهای 2009 و 2015 انجام شده است (29). در این مطالعه از اطلاعات نسخهی سوم با نام APD3 استفاده شد که (تا زمان انجام پژوهش در دسامبر 2018) حاوی اطلاعات مربوط به 2169 پپتید ضدباکتریایی، 172 پپتید ضدویروسی، 959 پپتید ضدقارچی و80 پپتید ضدانگلی است. در مجموع 185 مورد از این پپتیدها دارای تاثیرات ضدسرطانی بودند که از میان آنها پپتیدهای با منابع تولید گیاهی به تعداد 55 پپتید، استخراج و در مطالعه حاضر مورد بررسی قرار گرفتند (جدول 1). تجزیه و تحلیل آماری دادهها و اطلاعات مربوط به پپتیدها و همچنین رسم نمودارها با استفاده از نرم افزار RStudio انجام شد (24). همچنین جهت بررسی درجه یا میزان حفاظتشدگی اسیدهایآمینه در توالی پپتیدهای مورد مطالعه با استفاده از نرمافزار MUSCLE اقدام به همردیفی 50 توالی بدست آمده گردید. 5 پپتید که طولی کمتر از 14 اسیدآمینه داشتند مورد همردیفی قرار نگرفتند. نتیجه حاصله به Mview ارسال شد و نتیجه به صورت فایل تصویری ارائه گردید.
جدول 1- مشخصات پپتیدهای ضد سرطان گیاهی مورد آنالیز
|
APD ID |
Name/Class |
Sequence |
|
|
1 |
AP00236 |
Pyrularia thionin |
KSCCRNTWARNCYNVCRLPGTISREICAKKCDCKIISGTTCPSDYPK |
|
2 |
AP00532 |
Lunatusin (plants, ZZHp, BWQ) |
KTCENLADTFRGPCFATSNC |
|
3 |
AP00553 |
Sesquin (defensins, plants, ZZHp; BWQ) |
KTCENLADTY |
|
4 |
AP00984 |
TPP3 (defensins; 4S=S; UCSS1a; plants; BBMm) |
QICKAPSQTFPGLCFMDSSCRKYCIKEKFTGGHCSKLQRKCLCTKPC |
|
5 |
AP01026 |
Varv peptide A (Varv A, kalata S; cyclotides; plants; XXC; 3S=S, UCBB1b; ) |
GLPVCGETCVGGTCNTPGCSCSWPVCTRN |
|
6 |
AP01031 |
Varv peptide F (Varv F, cyclotides; plants; XXC; 3S=S, UCBB1b; plants) |
GVPICGETCTLGTCYTAGCSCSWPVCTRN |
|
7 |
AP01036 |
Cycloviolacin O2 (CyO2; cyclotides; plants; XXC; 3S=S, UCBB1b; ZZP) |
GIPCGESCVWIPCISSAIGCSCKSKVCYRN |
|
8 |
AP01121 |
Vibi E (plant cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GIPCAESCVWIPCTVTALIGCGCSNKVCYN |
|
9 |
AP01123 |
Vibi G (plant cyclotides; plants;3S=S, UCBB1b; XXC) |
GTFPCGESCVFIPCLTSAIGCSCKSKVCYKN |
|
10 |
AP01124 |
Vibi H (plant cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GLLPCAESCVYIPCLTTVIGCSCKSKVCYKN |
|
11 |
AP01277 |
Viscotoxin A3 (VtA3, thionins; UCSS1a; plants, BBMmMOA; 3S=S) |
KSCCPNTTGRNIYNACRLTGAPRPTCAKLSGCKIISGSTCPSDYPK |
|
12 |
AP01278 |
Viscotoxin 1-PS (Vt1-PS, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCPNTTGRNIYNTCRFGGGSREVCARISGCKIISASTCPSDYPK |
|
13 |
AP01279 |
Viscotoxin A1 (VtA1, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCPNTTGRNIYNTCRLTGSSRETCAKLSGCKIISASTCPSNYPK |
|
14 |
AP01280 |
Viscotoxin C (Viscotoxin C1, VtC1, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCPNTTGRNIYNTCRFAGGSRERCAKLSGCKIISASTCPSDYPK |
|
15 |
AP01281 |
Viscotoxin A2 (VtA2, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCPNTTGRNIYNTCRFGGGSRQVCASLSGCKIISASTCPSDYPK |
|
16 |
AP01282 |
Viscotoxin B (VtB, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCPNTTGRNIYNTCRLGGGSRERCASLSGCKIISASTCPSDYPK |
|
17 |
AP01284 |
Viscotoxin B2 (VtB2, thionins; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KSCCKNTTGRNIYNTCRFAGGSRERCAKLSGCKIISASTCPSDYPK |
|
18 |
AP01342 |
Cn-AMP1 (C. nucifera antimicrobial peptide 1, plants) |
SVAGRAQGM |
|
19 |
AP01343 |
Cn-AMP2 (C. nucifera antimicrobial peptide 2, plants) |
TESYFVFSVGM |
|
20 |
AP01774 |
Cliotide T1 (cT1; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants; Other possible AMPs? Cliotide T5, Cliotide T6, Cliotide T8, Cliotide T9, Cliotide T11) |
GIPCGESCVFIPCITGAIGCSCKSKVCYRN |
|
21 |
AP01775 |
Cliotide T2 (cT2; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants; Others: cT5, cT6, cT7, cT8, cT9, cT10, cT11, cT12) |
GEFLKCGESCVQGECYTPGCSCDWPICKKN |
|
22 |
AP01776 |
Cliotide T3 (cT3; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GLPTCGETCTLGTCYVPDCSCSWPICMKN |
|
23 |
AP01777 |
Cliotide T4 (cT4; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GIPCGESCVFIPCITAAIGCSCKSKVCYRN |
|
24 |
AP01784 |
Vaby A (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC; other AMPs?: Vaby B; VabyC; and VabyE) |
GLPVCGETCAGGTCNTPGCSCSWPICTRN |
|
25 |
AP01785 |
Vaby D (cyclotides; plants; 3S=S; XXC, UCBB1b;) |
GLPVCGETCFGGTCNTPGCTCDPWPVCTRN |
|
26 |
AP01805 |
Cr-ACP1 (C. revoluta anticancer peptide 1, plants) |
AWKLFDDGV |
|
27 |
AP01806 |
Viba 15 (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GLPVCGETCVGGTCNTPGCACSWPVCTRN |
|
28 |
AP01807 |
Viba17 (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GLPVCGETCVGGTCNTPGCGCSWPVCTRN |
|
29 |
AP01808 |
Viphi A (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GSIPCGESCVFIPCISSVIGCACKSKVCYKN |
|
30 |
AP01809 |
Viphi D (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GIPCGESCVFIPCISSVIGCSCSSKVCYRN |
|
31 |
AP01810 |
Viphi E (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GSIPCGESCVFIPCISAVIGCSCSNKVCYKN |
|
32 |
AP01811 |
Viphi F (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GSIPCGESCVFIPCISAIIGCSCSSKVCYKN |
|
33 |
AP01812 |
Viphi G (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GSIPCEGSCVFIPCISAIIGCSCSNKVCYKN |
|
34 |
AP01813 |
Mram 8 (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GIPCGESCVFIPCLTSAIDCSCKSKVCYRN |
|
35 |
AP01983 |
Psyle A (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC. Other AMPs? psyle B, D, F ) |
GIACGESCVFLGCFIPGCSCKSKVCYFN |
|
36 |
AP01984 |
Psyle E (cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GVIPCGESCVFIPCISSVLGCSCKNKVCYRD |
|
37 |
AP01985 |
Psyle C (uncyclotides; UCSS1a; 3S=S, plants) |
KLCGETCFKFKCYTPGCSCSYPFCK |
|
38 |
AP01986 |
hybrid peptide of melittin and protamine. |
GDACGETCFTGICFTAGCSCNPWPTCTRN |
|
39 |
AP01987 |
ChaC2 (chassatide C2, cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC; Variants: chaC2A, XXO) |
GIPCAESCVWIPPCTITALMGCSCKNNVCYNN |
|
40 |
AP01988 |
ChaC4 (chassatide C4, cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GASCGETCFTGICFTAGCSCNPWPTCTRN |
|
41 |
AP01989 |
ChaC7 (chassatide C7, uncyclotides; UCSS1a; 3S=S, plants) |
IPCGESCVWIPCITAIAGCSCKNKVCYT |
|
42 |
AP01990 |
ChaC8 (chassatide C8, uncyclotides; UCSS1a; 3S=S, plants) |
AIPCGESCVWIPCISTVIGCSCSNKVCYR |
|
43 |
AP01991 |
ChaC10 (chassatide C10, cyclotides; plants; 3S=S, UCBB1b; XXC) |
GEYCGESCYLIPCFTPGCYCVSRQCVNKN |
|
44 |
AP01992 |
ChaC11 (chassatide C11, uncyclotides; UCSS1a; 3S=S, plants. Variants: chaC11A, XXO) |
IPCGESCVWIPCISGMFGCSCKDKVCYS |
|
45 |
AP02325 |
Cliotide T7 (CT7; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GIPCGESCVFIPCTVTALLGCSCKDKVCYKN |
|
46 |
AP02326 |
Cliotide T10 (CT10; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GVPCAESCVWIPCTVTALLGCSCKDKVCYLN |
|
47 |
AP02327 |
Cliotide T12 (CT12; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GIPCGESCVYIPCTVTALLGCSCKDKVCYKN |
|
48 |
AP02328 |
Cliotide T19 (CT19; cyclotides; XXC; 3S=S, UCBB1b; Fabaceae, plants) |
GSVIKCGESCLLGKCYTPGCTCSRPICKKD |
|
49 |
AP02329 |
Lunasin (plants) |
SKWQHQQDSCRKQLQGVNLTPCEKHIMEKIQGRGDDDDDDDDD |
|
50 |
AP02332 |
PaDef (P. americana defensin; plants; UCSS1a; 4S=S) |
CETPSKHFNGLCIRSSNCASVCHGEHFTDGRCQGVRRRCMCLKPC |
|
51 |
AP02340 |
Cyclosaplin (cyclic peptides; plants; XXC, UCBB1a) |
RLGDGCTR |
|
52 |
AP02657 |
Vigno 5 (cyclotides, plants; 3S=S, XXC; UCBB1b. More AMPs? Vigno 1-4, 6-10) |
GLPLCGETCVGGTCNTPGCSCGWPVCVRN |
|
53 |
AP02659 |
DC1 (dissusa cyclotide 1, plants; 3S=S, XXC; UCBB1b) |
GAFLKCGESCVYLPCLTTVVGCSCQNSVCYRD |
|
54 |
AP02660 |
DC2 (dissusa cyclotide 2, plants; 3S=S, XXC; UCBB1b) |
GAVPCGETCVYLPCITPDIGCSCQNKVCYRD |
|
55 |
AP02661 |
DC3 (dissusa cyclotide 3, plants; 3S=S, XXC; UCBB1b) |
GTSCGETCVLLPCLSSVLGCTCQNKRCYKD |
نتایج و بحث
|
Santalaceae Solanaceae |
نتایج بررسی جامع آماری 55 پپتید گیاهی دارای اثرات ضدسرطانی اثبات شده نشان داد که از نظر تاکسونومی اغلب پپتیدها متعلق به رده Malpighiales بودند. رده Malpighiales از بزرگترین ردههای گیاهان گلدار میباشد که 8/7 درصد کل دولپهایها را از بید تا بنفشه و کاکائو شامل میشود. بعد از این رده، ردههای Gentianales، Fabales و Santalales در رتبههای بعدی قرارداشتند. همچنین راسته Violaceae (بنفشه) بیشترین سهم را در برخورداری از پپتیدهای ضدسرطان به خود اختصاص داد (شکل 1).
شکل 1- پراکندگی حضور پپتیدهای گیاهی در بین راستههای مختلف گیاهان.
قابلتوجه اینکه همه قسمتهای بنفشهها (ریشه، ساقه، برگ، گل و دانه) دارای اثر ضدسرطانی بودند. راستههای Rubiaceae، Fabaceae و Santalaceae در رتبههای بعدی قرار داشتند. انواع نخود و لوبیا، Chassalia chartacea ، برخی انواع دارواش، قهوه وحشی، آب نارگیل سبز، میوه آووکادو و Hedyotis diffusa(گیاه دارویی چینی) قادر به مهار انواع تومور و سرطان بودند.
سیکلوپپتیدهای گیاهی را میتوان به دو گروه عمده تقسیم کرد. گروه اول سیکلوپپتیدهایی که کمتر از 14 اسیدآمینه دارند و بند دیسولفیدی نیز ندارند. این گروه از پپتیدها در خانوادههای متعلق به راستههای Caryophyllaceae و Rhamnaceae فراواناند. ظاهراً پپتیدهای ردیفهای 8، 18، 19، 26 و 51 از این نوع پپتیدها هستند (جدول 1). گروه دیگر سیکلوپپتیدها شامل سیکلوتیدهای اخیراً کشف شدهای هستند که متعلق به خانواده بزرگی از مینیپروتیینها میباشند. 28 الی 37 اسیدآمینه با پیوندهای دیسولفیدی دارند و مانند پروتیینهای درشت به ساختار سوم نیز میروند. سیکلوتیدها بصورت قابلملاحظهای پایدارند و در مقابل دناتوره شدن دمایی، شیمیایی و تیمارهای آنزیمی مقاومند. سیکلوتیدها در گیاهان راستههای Rubiaceae، Violaceae و Cucurbitaceae بهفراوانی یافت میشوند و Violaceae تنها راستهای است که همه گونههای آن و بویژه جنس Viola دارای پپتیدهای ضدسرطان میباشند. از برخی گیاهان دیگر مثل پاپاور Papaver و
Viscum album L. پپتیدهای خطی با خاصیت ضدتومور جداشدهاست (16). با توجه به اهمیت لزوم استفاده از پپتیدهای پایدار با نیمهعمر طولانیتر، ویژگیهای پپتیدهای حلقوی گیاهی و تمرکز روی آنها میتواند مفید باشد.
تقریبا 44 درصد پپتیدها طولی در بازه 25 الی 30 اسیدآمینه داشتند (شکل 2). وزن مولکولی میانگین پپتیدهای مورد مطالعه (ضد سرطان) در حدود 3 کیلودالتون میباشد. ولی پپتیدهایی با حدود 50 اسیدآمینه هم در زمره پپتیدهای ضدسرطان گیاهی قرار گرفتهاند (10). اغلب پپتیدهای ضدمیکروب گیاهی وزنی در حدود 2 الی 10 کیلودالتون دارند.
شکل 3 فراوانی حضور اسیدآمینههای متفاوت را در توالی پپتیدهای ضدسرطان نشان میدهد. هر اسیدآمینه ویژگیهای خاصی دارد که به زنجیره جانبی آن مربوط است و منجر به انحصاری بودن نقش هر اسیدآمینه در ساختار پروتیین میگردد. هیستیدین و متیونین کمترین فراوانی را در بین اسیدآمینههای پپتیدها داشتند. سیستئین، سرین و گلیسین فراوانترین اسیدآمینهها بودند (شکل 3). بسیاری از پپتیدهای زیست فعال با توالی اسیدآمینههای منحصر به فرد خود در یکی از سه گروه غنی از پرولین، غنی از سیستئین و یا دارای آرژینین/ لیزین قرار میگیرند.
|
شکل 2- تراکم (Density) پپتیدها بر اساس تعداد اسیدهایآمینه (Length) در هر پپتید. بیشترین فراوانی مربوط به پپتیدهای با طول 25 الی 30 اسیدآمینه است. |
|
شکل 3- فراوانی اسیدهایآمینه (طبق سیستم نامگزاری یک حرفی) در ترکیب پپتیدهای ضد سرطان گیاهی مورد مطالعه. |
نتیجه تجزیه و تحلیل فراوانی اسیدآمینههای پپتیدهای ضدسرطان گیاهی نشان میدهد ظاهراً این پپتیدها به گروه دوم تعلق دارند. پپتیدهای لیزکننده یک گروه از پپتیدها هستند که سایتهای هدف اولیه خود را بر روی غشاء سلولی قرار میدهند و فعالیتهای ضدباکتری قوی و ضدسرطان نشان میدهند. در پپتیدهای لیزکننده دارای محتوای آرژینین و لیزین بالا، این دو اسیدآمینه که نقش کلیدی اساسی در پپتید دارند، به شدت به فعالیت زیستی پپتیدها و تخریب غشاء کمک میکنند. با این حال، یک اسیدآمینه اساسی دیگر، هیستیدین است که در پپتیدهای زیست فعال به سختی یافت میشود. تا کنون فقط دو مورد از پپتیدهای ضدمیکروبی غنی از هیستیدین به نامهای هیستادین و کلاوانین معرفی شدهاند (26). هیستیدین یک اسیدآمینه قطبی است که در تشکیل پیوند هیدروژنی بهعنوان دهنده یا گیرنده پروتون شرکت میکند. در پروژههای تحقیقاتی متفاوتی که دانشمندان طی آنها درصدد سرکوب رشد سلولهای سرطانی بودند با جایگزین کردن هیستیدین به جای لیزین، موفق به افزایش فعالیت پپتید در محیطهای اسیدی شدند (17; 26; 27). در تومورهای سفت اسیدیته برونسلولی کاهش ولی اسیدیته درونسلولی افزایش مییابد (5). پپتیدهای لیزکنندهای که با تاثیر بر غشاءسلولی اقدام به انهدام سلول سرطانی میکنند باید قادر به فعالیت در محیط اسیدی باشند ولی پپتیدهایی که مکانیسمهای درون سلولی را برای انهدام به خدمت میگیرند باید بتوانند در محیط با اسیدیته بالاتر عمل نمایند. به نظر میرسد دلیل فراوانی کم هیستیدین در پپتیدهای ضد سرطان گیاهی مکانیسم عمل درون سلولی آنها باشد. ممکن است اهداف درون سلولی پپتیدهای مورد نظر، DNAو یا چاپرونینها باشند (30).
متیونین یک اسیدآمینه هیدروفوب است و ترجیح میدهد در هستههای هیدروفوب پروتیین دفن شود. همچنین زنجیره جانبی متیونین نسبتاً غیرواکنشی است و بنابراین به ندرت به طورمستقیم در عملکرد پروتیین دخالت دارد. متیونین بر خلاف اسیدآمینه آلیفاتیک، یک اتم گوگرد دارد که میتواند در اتصال به اتمها مانند فلزات دخیل باشد. درحالیکه اتم گوگرد سیستئین به یک اتم هیدروژن متصلاست و آنرا کاملاً واکنشگر نموده است. در پپتیدهای حاضر دخالت سیستئینها در شکلدهی به پلهای دیسولفیدی بوضوح مشاهده میشود (شکل 10)، ولی گوگرد متیونین به یک گروه متیل متصل است و این بدان معنیاست که نقشهایی که متیونین میتواند در عملکرد پروتیین بازی کند، بسیار محدود است. این موضوع میتواند دلیل فراوانی کم متیونین در توالی پپتیدهای ضدسرطان باشد (3). اغلب پپتیدهای لیزکننده با ایجاد تغییرات در غشاء سلولها و ایجاد منفذ به سلول وارد میشوند و از این طریق موجب مرگ سلولها میشوند. ولی Axelsen تغییرات در رونویسی چندین ژن میکروارگانیسمهای تیمار شده باcecropin A در غلظتهای کمتر از نفوذکننده به سلول را گزارش و نتیجهگیری کرد که قبل از نفوذپذیری به غشاء، اثرات متابولیک سیستمیک اتفاق میافتد (11). این کار پیشنهاد کرد که تغییرات حتی در غلظتهایی که باعث نفوذپذیری نمیشوند، رخ میدهد. همچنین نتایج لی و وانگ نیز حاکی از بالا بودن سهم اسیدآمینه لیزین، گلیسین و لوسین در ترکیب پپتیدهای ضدسرطان است (15). گلیسین یک اسیدآمینه هیدروفیل است و زنجیره جانبی ندارد. اغلب در سطح پروتیینها و در مناطق درون حلقه یا کویل (بدون ساختار ثانویه) یافت میشود. حضور گلیسین منجر به انعطافپذیری بالا در ساختار پلیپپتیدها در این مناطق منجر میشود. بنابراین فراوانی بالای آن در پپتیدهای ضدسرطان میتواند در ارتباط با این ویژگی گلیسین باشد. حدود 5/85 درصد کل پپتیدها شامل 20 الی 40 درصد از اسیدآمینههای هیدروفوب بودند (شکل4).
|
شکل 4- فراوانی پپتیدهای ضدسرطان گیاهی مورد مطالعه براساس دارابودن تعداد اسیدهایآمینه هیدروفوب (آبگریز). اغلب پپتیدها دارای 20 الی 40 اسیدآمینه آبگریز هستند. |
91 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه اسیدی (شکل 5) و 71 درصد پپتیدها کمتر از 10 اسیدآمینه بازی داشتند. تقریباً 96 درصد پپتیدها بیش از 40 درصد اسیدآمینه خنثی داشتند. اغلب پپتیدهای ضدمیکروبی گیاهی بازی هستند که نتایج سایر محققین نیز تاییدی بر این مسئله است (10; 28).
|
شکل 5- فراوانی پپتیدهای ضدسرطان گیاهی مورد مطالعه براساس دارابودن تعداد اسیدهایآمینه اسیدی. اغلب پپتیدها کمتر از 5 اسیدآمینه اسیدی دارند.
|
اولین گام برای ورود پپتید به سلول (اگر چه به طور خاص برای جذب سلولی مورد نیاز نیست)، برهمکنش الکترواستاتیک پپتید با بارهای منفی پروتئوگلیکانها و فسفولیپیدهای سطح سلول است. علاوه بر آن، بهویژه در مورد پپتیدهای دوگانهدوست اتصال به غشاء و ورود نیز مهم است که میتواند منجر به مسیرهای اندوسیتوزی یا انتقال مستقیم شود. برهمکنش با اجزای غشاء پلاسمایی، به شدت توسط تعداد بار مثبت و تراکم آن، پیوندهای هیدروژنی، اندازه و ساختار ثانویه پپتیدها کنترل میشود (2). بار مثبت پپتید به حضور اسیدآمینه آرژینین و لیزین وابسته است. وجود حدود 7 الی 15 اسیدآمینه آرژینین در این پپتیدها به عبور از غشاء سلولی کمک میکند. آبدوستی پپتید بیش از همه به حضور اسیدآمینه تریپتوفان و لیزین در ترادف پپتید وابسته است.
با استفاده از چنین اطلاعاتی در مورد ساختار پپتیدهای ضدسرطان دانشمندان قادر به دستکاری و تولید پپتیدهای جدید ضدسرطان خواهند شد. بهعنوان مثال با افزودن اسیدآمینههای باردار مثبت به انتهای آمینی پپتیدS1 انتخابگری و ضدسرطانی آنرا در موش افزایش دادند (4). شارژ خالص 76 درصد پپتیدها بین 2- الی 2 بود (شکل6).
|
شکل6- فراوانی پپتیدهای ضدسرطان گیاهی مورد مطالعه براساس شارژ خالص آنها. اغلب پپتیدها شارژ خالص در بازه 2- الی 2 دارند. |
64 درصد پپتیدها اندکس بومن کمتر از 1 داشتند (شکل 7). پایین بودن این اندکس نشانگر هیدروفوبیسیتی بالای این پپتیدها و افزایش احتمال برهمکنش آنها با سایر پروتیینهاست.
شکل 7- فراوانی پپتیدهای ضدسرطان گیاهی مورد مطالعه براساس اندیکس بومن آنها. اغلب پپتیدها اندیکس بومن کمتر از 1 دارند.
همچنین مهمترین ساختار سهبعدی شناخته شده برای پپتیدهای ضدسرطان گیاهی حضور 3 پل دیسولفیدی بود. نتایج حاصل از همردیفی و جستجوی اسیدآمینههای حفاظتشده نیز این مورد را تایید مینماید (شکل 7). حضور 6 اسید آمینه سیستئین در 70 درصد پپتیدها، نشان دهنده اهمیت تشکیل 3 پل دیسولفیدی برای قابلیت تبدیلشدن یک پپتید به پپتید ضدسرطان میباشد. بیشتر پپتیدهای ضدمیکروب گیاهی 4،6،8 و یا 12 اسیدآمینه سیستئین دارند که میتوانند پلهای دیسولفیدی تشکیل دهند. حضور این ساختار به پایداری ساختاری و ترمودینامیکی پپتید کمک میکند (10). ساختار سهبعدی تعدادی از پپتیدها هنوز شناسایی نشده بود با این وجود پپتیدهایی با ساختار ترکیبی مارپیچ-صفحه نیز در بین آنها حضور داشتند (شکل 8). لی و وانگ (2016) گزارش کردند که اغلب پپتیدهای ضدسرطان ساختار آلفا هلیکس و یا صفحه بتا دارند (15). طبق بررسیهای انجام شده این پپتیدها میتوانند هم ساختار آلفا هلیکس و هم ساختار صفحه بتا داشته باشند و ارتباط خاصی بین ساختار ثانویه پپتید و توان آن برای ورود به غشاء یافتنشده است. پلیمورفیسم ساختار ثانویه پپتیدها با این واقعیت که پپتیدها باید با محیطهای مختلف چربی ارتباط برقرار کنند و از این رو برای سازش با آن محیطها باید سازگاری پیدا کنند، همبستگی دارد (2). اغلب پپتیدهای ضدمیکروب گیاهی از ساختار 𝛽𝛼𝛽𝛽 پیروی میکنند که این وضعیت در تعداد کمی از پپتیدهای ضدسرطان دیده میشود (1و 10).
|
Combine Helix and Beta |
|
Structure is predicted |
شکل8- فراوانی انواع ساختارهای سه بعدی پپتیدهای ضد سرطان گیاهی مورد مطالعه. تقریباً نیمی از پپتیدها دارای پلهای دیسولفیدی میباشند.
51 درصد پپتیدها فقط خاصیت ضدسرطانی داشتند ولی 49 درصد علاوه بر اثر ضدسرطانی، اثرات ضدویروس، میکروب، قارچ و سلولهای پستانداران را نیز دارا بودند (شکل 9).
شکل 9- فراوانی پپتیدهای ضدسرطان گیاهی مورد مطالعه براساس اثر آنها بر سایر سلولهای زنده. بیش از نیمی از پپتیدها فقط اثر ضدسرطانی دارند ولی سایر پپتیدها بیش از دو نوع ارگانیسم زنده (پروکاریوتی و یا یوکاریوتی) را از بین می برند..
هرچند که مبنای انتخاب اولیه این پپتیدها اثرات ضدسرطانی آنها بود، ولی جالب است که این اثر سمی و کشندگی بر سلول زنده منحصر به سلولهای سرطانی نیست و سایر ارگانیسمها و انواع سلولها نیز تحت تاثیر این پپتیدها مورد آسیب و مرگ سلولی قرار میگیرند. شمار زیادی از پپتیدهایی که بهعنوان ضدمیکروب شناخته شدهاند اثرات ضدسرطانی نیز دارند مخصوصاً با ویژگی کاتیونی و آمفیپاتیک بودن (6 و 20). بهنظر میرسد هدف اولیه گیاهان جهت بیوسنتز و انباشتگی چنین پپتیدهایی در کنار متابولیتهای ثانویه، ایجاد ارتباط و برهمکنش مناسب گیاه با سایر ارگانیسمها باشد.
شکل10- نتیجه همردیفی و جستجوی اسیدآمینههای حفاظتشده در بین پپتیدهای ضدسرطان گیاهی.
پپتیدهای ضدمیکروبی جزء فراگیر و تکاملی باستانی از دفاع میزبان ذاتی هستند که تقریباً در همه اشکال حیات وجود دارند. شواهد سالهای اخیر نشان میدهد که مکانیسم عمل پپتیدهای ضدمیکروبی در محدود کردن تکثیر سلولهای سرطانی نیز موثر هستند. بنابراین علاقهمندی زیادی به توجه به آنها به عنوان عوامل جدید بیولوژیک و ایمنوتراپی در برابر سرطانهای بوجود آمده است (21).
داروهای مورد استفاده در طب چینی مانند
Foeniculum vulgare از Apiaceae از جمله مثالهای موفق پپتیدهای ضدسرطان گیاهی هستند که ترکیب ضدمیکروبی آنیونی میباشد (9). همچنین بررسی بازه زمانی کشف و معرفی پپتیدها نشان داد که اغلب پپتیدها در سالهای 2011 و 2012 کشف شدهاند.
نتیجهگیری
با توجه به این نکته که اغلب نرم افزارها و ابزارهای تجزیه و تحلیل آماری موجود قادر به جمعبندی دادههای وسیع نیستند، استفاده از محیط نرمافزار Rنویسندگان این مقاله را قادر ساخت تا بتوانند به اطلاعات طبقهبندی شدهای از ویژگیهای کیفی پپتیدهای ضدسرطان موجود گیاهی برسند. نتایج بررسی حاضر از جمله طول 25 الی 30 اسیدآمینه، فراوانی بالای سیستئین، سرین و گلیسین، قابلیت بالا در برهمکنش با سایر پروتیینها و حضور حداقل 3 بند دیسولفیدی، حاکی است که میتوان از آن به عنوان مرحله امیدبخش و موثر تحقیقاتی با آیندهای روشن یاد کرد. بهنظر میرسد پپتیدهای گیاهی به روش متفاوتی از پپتیدهای لیزکننده، سلول سرطانی را نابود می کنند. فراوانی اسیدآمینههای خنثی، فراوانی کم هیستیدین و عدم وابستگی فعالیت پپتید به اسیدیته، ساختارهای متنوع ثانویه و بالا بودن احتمال برهمکنش با سایر پروتیینها میتواند شاهدی براین مدعا باشد که پپتیدهای ضدسرطان گیاهی پس از ورود به سلول و برهمکنش با برخی بیومولکولها (احتمالا چاپرونینها، پروتیینها و شاید DNA ) مقدمات مرگ و نابودی سلول سرطانی را فراهم میآورند. روند رو به رشد سرطان و محدودیتهای مختلف در درمان متعارف شامل هزینههای بالا و سمیت بالای داروهای ضدسرطان فعلی یک چالش جدی برای بشریت محسوب میشود. محققان برای طراحی و توسعه یک جایگزین مناسب، سازگار با محیطزیست، که استحصال و استعمال آن مقرون بهصرفه باشد به فیتومولکولها رسیدهاند. در این مسیر سبز انتظار میرود یافتن مولکول معجزهگر انقلابی در درمان سرطان در دهه آینده ایجاد کند. زیست تخریبپذیری بالا و سازگاری با سیستمهای زنده باعث افزایش کارایی این فیتومولکولها در درمان سرطان میشود. این مقاله ویژگیهای عمومی پپتیدهای گیاهی را آشکار نموده و راه را برای مطالعات آینده در راستای ایجاد پپتیدهای نوترکیب با ویژگیهای چند پپتید ارایهشده در این مقاله، باز نموده است. عدم ارتباط مستقیم بین ساختار ثانویه و عملکرد پپتیدهای ضد سرطان نیز موضوع قابل توجهی است که دست طراحان دارو را در این زمینه باز می گزارد. برنامههای کاربردی برای طراحی و آزمایشات بیوتکنولوژیک تولید و استخراج، آزمودن در مرحله آزمایشگاهی، پریکلینیکی و مدل حیوانی و انسان، این پپتیدها تلاش هماهنگ دانشمندان همه علوم مرتبط را میطلبد.
', './data/cell/coversheet/741538305176.jpg'))
دوره 31، شماره 3
مهر 1397صفحه 312-324
- تاریخ دریافت: 17 آذر 1397
- تاریخ بازنگری: 11 دی 1397
- تاریخ پذیرش: 23 دی 1397