microarray
در نشریات گروه بیوتکنولوژی و ژنتیک گیاهی-
برنج، به عنوان غذای اصلی قشر وسیعی از مردم دنیا، نقشی مهم و استراتژیک در سراسر جهان ایفا می کند. در فرآیند تولید برنج، تغییر در میزان عناصر در دسترس این گیاه از جمله نیتروژن، می تواند عملکرد این گیاه را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهد. نیتروژن با تاثیر قابل توجه بر فرآیندهای مختلف فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی در سلول های گیاهی، نقش مهمی در تولید برنج ایفا می کند و بر رشد، نمو و عملکرد آن تاثیر می گذارد. با توجه به اهمیت نقش نیتروژن، هدف از این تحقیق، شناسایی ژن ها، مطالعه مسیرهای بیولوژیکی و برهمکنش های پروتئین-پروتئین مهم در برنج در واکنش به تنش کمبود نیتروژن بود. در این راستا مجموعه داده بیان ریزآرایه از پایگاه داده NCBI استخراج و ژن های با بیان متفاوت بین تیمار شاهد و شرایط تنش شناسایی شد. عملکردهای مولکولی و مسیرها و فرآیندهای بیولوژیکی مرتبط با این ژن ها با استفاده از ابزار برخط DAVID مورد بررسی و شناسایی قرار گرفت. به کمک نرم افزار Cytoscape پس از ترسیم شبکه ژنی، تعداد ده ژن به عنوان ژن های کلیدی در شبکه، انتخاب شدند. نتایج حاصل از پژوهش نشان داد فرآیند مواجهه و پاسخ گیاه به تنش در ساعات ابتدایی اعمال تنش، شامل مسیرهای سیگنال دهی و تولید آمینواسیدها است. در شرایط کمبود نیتروژن در خاک، بیان ژن های دخیل در فرآیند انتقال یون آهن و بیوسنتز آمینواسیدها به طور معنی داری افزایش می یابد. سنتز ناقل های یون آهن در فرآیند فتوسنتز برگ گیاه دخیل بوده و به نحوی موجب ایجاد تعادل و پایداری تولیدات فتوسنتزی می شود و باعث تغییر در خصوصیات مورفولوژی و عملکرد گیاه می شود. انتظار می رود که از این ژن های کلیدی، بتوان در برنامه های به نژادی در مقابله با تنش کمبود نیتروژن استفاده کرد.
کلید واژگان: آنالیز بیوانفورماتیکی، بیان ژن، انتقال دهنده یون آهن، ریزآرایه، شبکه برهمکنش پروتئین-پروتئینRice, as the primary food source for a large portion of the global population, holds significant strategic importance worldwide. Variations in the availability of elements such as nitrogen can greatly impact rice production. Nitrogen is crucial for rice growth, development, and performance by influencing various physiological and biochemical processes in plant cells. Considering the importance of the role of nitrogen, the aim of this research was to identify key genes, study biological pathways, and analyze important protein-protein interactions in rice under nitrogen deficiency stress. In this regard microarray expression data sets were extracted from the NCBI database, and differentially expressed genes between control and stress conditions were identified. Using DAVID online tools, the molecular functions, pathways, and biological processes related to these genes were investigated. Cytoscape software was used to construct a gene network, and ten key genes were identified. The study revealed that signaling pathways and amino acid production are prominently activated in the initial hours of nitrogen stress. Under nitrogen deficiency, the expression of genes involved in iron ion transport and amino acid biosynthesis significantly increases. The synthesis of iron ion transporters is crucial for photosynthesis in plant leaves, contributing to the balance and stability of photosynthetic products and leading to changes in the plant's morphological characteristics and performance. It is expected that these key genes can be used in breeding programs to deal with nitrogen deficiency stress.
Keywords: Bioinformatics Analysis, Gene Expression, Iron Ion Transporter, Microarray, Protein-Protein Network -
تنش دمای بالا به عنوان یک چالش محیطی، رشد و نمو گیاهان را محدود می کند. گیاهان مکانیسم های مختلفی را برای پاسخ به تنش گرما توسعه داده اند. در پژوهش حاضر جهت شناخت جنبه های مولکولی و بررسی عملکردی تحمل گرمایی، داده های ریزآرایه پروفایل بیانی تنش گرما گیاهچه های آرابیدوپسیس با شماره دسترسی GSE63128 از پایگاه داده ی GEO دریافت و مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از کنترل کیفیت و نرمال سازی داده ها، از بسته ی Limma برای ارزیابی ژن هایی با بیان افتراقی استفاده شد. تعداد 7780 ژن با بیان افتراقی در سطح معنی داری 01/0 و 2|log2Fold change| > شناسایی شدند که در مراحل بعدی به بررسی دسته بندی هستی شناسی، مسیرهای KEGG، شبکه برهم کنش پروتیین/پروتیین و ژن های کلیدی بالقوه آن ها با استفاده از روش های بیوانفورماتیکی پرداخته شد . مشخص شد که در فرآیند بیولوژیکی، مهم ترین عبارت ها برای ژن هایی با بیان افتراقی پاسخ دهنده به تنش گرما مربوط به تنظیم رونویسی، فرایندهای اکسیداسیون/احیا و پاسخ به هورمون آبسزیک اسید می باشند. همچنین بر اساس بررسی مسیرهای متابولیکی در پایگاه داده ی KEGG، مسیرهای انتقال سیگنالی هورمون های گیاهی، بیوسنتز متابولیت های ثانویه و متابولیسم گلیسروفسفولیپیدها تحت تاثیر تنش گرما قرار گرفتند. از بین ژن های کلیدی شناسایی شده با درجه ارتباط بالا در ماژول ها، ژن های ARF5/MP، TIR1 به عنوان گیرنده اکسین، WOL به عنوان گیرنده مسیر سایتوکنین، SDP1L ژن موثر در تجزیه تری آسیل گلیسرول، LPAAT2/4 ژن های موثر در بیوسنتز فسفولیپیدها و ژن های موثر در بیوسنتز پرولین (P5CS1 و P5CS2) به عنوان ژن هایی که نقش کلیدی در پاسخ به تنش گرما دارند، معرفی شدند. بررسی عملکرد این ژن ها مشخص کرد که پاسخ های سازگاری به تنش گرما عمدتا به تنظیم رشد مریستم انتهای ساقه و ریشه، رشد هیپوکوتیل، توسعه بافت های آوندی، فعال سازی پروتیین های شوک گرمایی، تغییر ترکیب لیپیدهای غشاء و تنظیم اکسیداسیون/احیا سلولی مربوط می شود. از این رو برنامه های اصلاحی جهت تقویت تحمل به گرما بایستی از طریق دست کاری اجزای دخیل در این مسیرها صورت گیرد.
کلید واژگان: آرابیدوپسیس، تنش گرما، ریزآرایه، ژن های کلیدی، مسیرهای متابولیکیJournal of Genetics, Volume:18 Issue: 2, 2023, PP 199 -210High-temperature stress is an environmental challenge limiting plant productivity and growth. Plants have evolved various mechanisms to respond to heat stress. In this study, to explore the molecular aspects and functional analysis of heat tolerance, the microarray data of the expression profile of heat stress in Arabidopsis seedlings were retrieved from the gene expression omnibus database (GEO) database with accession number GSE103398. After quality control and data normalization, the Limma package was used to assess the differentially expressed genes (DEGs). The 7780 heat responsive DEGs were identified with the criteria of p-value <0.01 and |log2Fold change| > 2 which were further analyzed by bioinformatics tools for gene ontology (GO) classification, KEGG pathways analysis, protein-protein interaction networks and potential hob genes. For the biological process (BP), the most enriched GO terms in heat stress responsive DEGs were related to the regulation of transcription, oxidation-reduction process and response to abscisic acid. Based on the KEGG enrichment metabolic pathway, plant hormone signal transduction, biosynthesis of secondary metabolites and glycerophospholipid metabolism pathways were found to be majorly affected under heat stress. Among the identified candidate–hub genes with high connectivity in modules, Auxin Response Factor 5/MONOPTROS (ARF5/MP), TIR1 (transport inhibitor response1) as auxin receptor, Arabidopsis Histidine Kinase 4 (AHK4)/ WOL(Wooden Leg) as cytokinin receptor, SDP1-LIKE (Sugar –dependent1 –like) involved in TAG degradation, 2-lysophosphatidic acid transferase 2/4 (LPAT2/4) involved in TAG biosynthesis and pyrroline-5-carboxylate synthetase1/2 (P5CS1/2) involved in proline biosynthesis were introduced as genes playing critical roles in responding to heat stress. Function analysis of the hob genes disclosed that the acclimatization responses to heat stress were mainly associated with control of root and shoot apical meristem activity, hypocotyl elongation, vascular tissues development, heat shock protein activation, changes in the membrane lipid composition and cellular redox homeostasis. Therefore, breeding strategies must be developed to enhance heat tolerance by manipulating the components involved in these pathways.
Keywords: Arabidopsis, Heat stress, Microarray, Hob genes, Metabolic pathways -
اهداف
تنشهای محیطی مانند خشکی، افزایش دما، شوری و افزایش CO2 تهدیدی جدی برای کشاورزی پایدار است. تنش خشکی از مهمترین تنشهای غیر زیستی در برنج است که باعث کاهش عملکرد محصول میشود. تحقیقات متعددی به صورت جداگانه برای شناسایی سازوکار مولکولی پاسخ گیاه به تنش خشکی انجام شده است. بنابراین فراتحلیل میتواند با ادغام نتایج مطالعات متعدد مرتبط، منجر به درک بهتر سازوکارهای تحمل به تنش خشکی شود.
مواد و روشها:
در این راستا، چهار سری داده ریزآرایه با کیفیت مناسب برنج تحت تنش خشکی و شرایط طبیعی انتخاب شد و سپس توسط بسته limma نرمافزار R آنالیز شد. جهت فراتحلیل از بسته meta RNAseq و روش Fisher برای یکی کردن p-valueهای حاصل از تجزیه انفرادی دادههای مورد بررسی استفاده شد. ژنهای متفاوت بیان شونده فراتحلیل دارای افزایش و کاهش بیان تحت تنش خشکی شناسایی شد. سپس هستیشناسی ژن (ژن آنتولوژی)، شناسایی ژنهای مرکزی یا هاب و آنالیز شبکه هم بیانی انجام شد. نتایج حاصل با آزمایش real-time quantitative PCR در رقم برنج هاشمی حساس و رقم بومی متحمل به تنش کمبود آب در شرایط درون شیشهای با تیمار PEG ارزیابی گردید.
یافته ها:
از نتایج مطالعه حاضر 578 ژن با افزایش بیان و 660 ژن با کاهش بیان بدست آمد. تجزیه و تحلیل هستیشناسی ژن(GO) سازوکارهای پاسخ به خشکی را نشان داد و ترسیم شبکه برهمکنش پروتیین-پروتیین مشخص کرد که ژن های مرکزی متفاوت بیان شونده دارای کاهش بیان تحت تنش خشکی حاصل از این مطالعه عمدتا مربوط به فرایند فتوسنتز و ژن های مرکزی متفاوت بیان شونده دارای افزایش بیان تحت تنش خشکی عمدتا مربوط به تحمل تنش شامل ژن های HSP، LEAs، PP2Cs هستند. در نهایت، داده های به دست آمده از این فراتحلیل با real-time quantitative PCR بر روی ژنهای پراکسیداز 47، OsDSSR1، homeobox-leucine zipper protein و یک ژن ناشناخته تایید شد. این یافتهها به طور قابل توجهی درک ما را از مسیر تنش خشکی بهبود میدهد. شناسایی ژنهای مرکزی در این مطالعه میتواند برای به دست آوردن یک نمای کلی از ژنهای مرکزی که نقش مهمی در پاسخ به تنش خشکی در برنج دارند، موثر باشد.
نتیجه گیری:
شناسایی ژنهای پایین دست ژن مرکزی میتواند در تهیه برنج متحمل به تنش خشکی از طریق روشهای اصلاحی کلاسیک با هرمیسازی این ژنها یا از طریق دستکاری ژنوم کمک نماید و تحمل به تنش خشکی را افزایش دهد و در نتیجه منجر به کشاورزی پایدار شود.
کلید واژگان: فراتحلیل، ریزآرایه، تنش خشکی، ژنهای هاب یا مرکزی، کشاورزی پایدارObjectiveEnvironmental stresses such as drought, high temperature, salinity and high CO2 are a serious threat to sustainable agriculture. Drought stress is one of the most important abiotic stresses in rice, which causes a decrease in crop yield. Several researches have been carried out separately to clarify the molecular mechanism of plant response to drought stress. Therefore, meta-analysis can lead to a better understanding of drought stress tolerance mechanisms by integrating the results of several related studies.
Materials and MethodsIn this regard, four series of good quality microarray data of rice under drought stress and normal condition were selected and then analyzed by R software limma packages. For meta-analysis were used of meta-RNAseq package and Fisher's method to combine p-values obtained from individual data analysis. Up and down regulated meta-analysis genes under drought stress were identified. Then, Gene ontology, hub genes and Co-expression network analysis were performed. The results were evaluated using real-time quantitative PCR test in Hashemi rice as sensitive variety and native rice as tolerant variety to water deficit stress in vitro with PEG treatment.
ResultsThe results of present study, 578 up-regulated genes and 660 down-regulated genes were obtained. Gene ontology (GO) analysis showed drought response mechanisms and drawing the protein-protein interaction network revealed that the down regulated hub genes under drought stress is mainly related to photosynthesis process and up regulated hub genes under drought stress mainly related to stress tolerance including HSP, LEAs, PP2Cs genes. Finally, the data obtained from the present meta-analysis were confirmed by real-time quantitative PCR on peroxidase 47, OsDSSR1, homeobox-leucine zipper protein and an unknown gene. These findings significantly improve our understanding of drought stress pathway. Identification of hub genes in this study can be effective to obtain an overview of hub genes that play an important role in response to drought stress in rice.
ConclusionIdentifying downstream of hub genes can help in the production of drought-tolerant rice through classical breeding methods by pyramiding genes or genome manipulation and increase tolerance to drought stress.The result will lead to sustainable agriculture.
Keywords: meta-analysis, Microarray, Drought stress, hub genes, Sustainable Agriculture -
گیاهان قادرند از طریق به خاطر سپردن تنش گرمای قبلی (پرایمینگ)، نسبت به تنش های کشنده بعدی (برگشتی) تحمل گرمایی بدست آورند. اثر پرایمینگ که برای ساعت ها، روزها یا حتی نسل ها پس از تنش گرمایی برگشتی حفظ می شود، حافظه تنش گرمایی نامیده می شود. هدف از این مطالعه شناسایی ژن های کلیدی موثر در استقرار و تداوم حافظه تنش گرمایی است. در این مطالعه، داده های ریزآرایه پروفایل بیانی نمونه های آرابیدوپسیس از بانک داده های (Gene expression omnibus) GEO جمع آوری و ژن هایی با بیان افتراقی بر مبنای فعالیت بیشتر رونویسی شان تحت تنش برگشتی نسبت به تنش اول (مقایسه تیماری P+T/P) و همچنین القاء بیان پایدار تا 52 ساعت پس از فراغت از تنش (فاز حافظه) شناسایی شدند. سپس ژن های شناسایی شده به وسیله ابزارهای بیوانفورماتیک جهت دسته بندی هستی شناسی (Gene Ontology) و شبکه های برهم کنش پروتیینی (Protein-protein interaction networks) مورد بررسی قرار گرفتند. بررسی هستی شناسی عبارت ها نشان داد که ژن هایی با بیان افزایشی عمدتا با پاسخ سلولی و خوگیری به گرما و تاخوردگی پروتیین مرتبط بودند. از طریق خوشه بندی شبکه برهم کنش پروتیینی در عبارت مربوط به "پاسخ به گرما "در مقایسه تیماری P+T/P، تعدادی از ژن های کلیدی موثر در استقرار حافظه تنش گرما نظیر HSP70T-2،HSP90 ، HSP60، AR192، HSP70، BIP2، J2، CLPB4، HOP3، HSP101، HSFA3، ROF1، HSFA2، HSP70B، CLPB3، MBF1C، FES1A شناسایی شدند. همچنین بر اساس تداوم بیان افتراقی ژن ها تا 52 ساعت پس از فراغت از تنش اول (فاز پرایمینگ) مشخص شد ژن هایی که در پایداری حافظه تنش گرما دخیل هستند عمدتا متعلق به اعضای خانواده پروتیین های شوک گرمایی کوچک (sHSPs) نظیر HSP17.6، HSP21، HSP17.6II، HAS32، HSP17.4، HSP18.2 و HSP22 بودند. علاوه بر این، در بررسی مسیرهای زیستی از طریق پایگاهKEGG (دانشنامه ژن ها و ژنوم های کیوتو) مشخص شد که ژن های حافظه تنش گرما عمدتا در مسیرهای پردازش پروتیین در شبکه اندوپلاسمی و فسفریلاسیون اکسیداتیو نقش داشتند. همچنین بررسی عناصر تنظیمی سیس در ناحیه پروموتری ژن های حافظه تنش نشان داد که خانواده فاکتورهای رونویسی bZIP، AP2;B3;RAV، MYB/SANT، HD-ZIP و GATA; tify دارای بیشترین جایگاه اتصال در ناحیه بالادست ژن های مذکور بودند. در مجموع این یافته ها اطلاعات مفیدی در خصوص آنالیز عملکردی و تنظیمی ژن های موثر در استقرار و تداوم حافظه تنش گرمایی و برهم کنش شبکه های پروتیینی آن ها ارایه داد که می توان از آنها در راستای بهبود ظرفیت تحمل گیاه تحت تنش شدید گرما استفاده کرد.کلید واژگان: آرابیدوپسیس، پرایمینگ دمایی، ریز آرایه، شبکه برهم کنش پروتئینی، حافظه تنش گرماییPlants are able to acquire thermotolerance to the subsequent lethal stress through memorizing previous heat stress (HS) (Priming). A priming effect that can be sustained for several hours, days, or even generations after reverse heat stress, is called heat stress memory. The aim of this study was to identify effective key genes in establishing and maintaining heat stess memory. To achieve this, microarray data of the expression profile of Arabidopsis samples were retrieved from the GEO (Gene expression omnibus) database and differentially expressed genes (DEGs) were identified based on their higher transcriptional activation following recurring stress (in P+T/P treatment comparison) and their sustained induction even 52 hours after stress relief (during memory phase).The identified genes were further analyzed by bioinformatics tools for gene ontology (GO) classification and protein-protein interaction (PPI) networks. GO terms analysis disclosed that the up-regulated DEGs were mainly associated with cellular response to heat, heat acclimation and protein folding. By clustering of PPI networks in the term related to response to heat (in P+T/P treatment comparison), several candidate genes involved in thermomemory were identified including HSP70T-2, HSP91, AR192, HSP60, HSP70, BIP2, J2, CLPB4, HOP3, HSP101, ROF1, HSFA3, HSFA2, HSP70B, CLPB3, FES1A, MBF1C. Also, based on the sustained differential expression of genes even 52 hours after the priming phase, it was determined that genes responsible for maintaining heat stress memory were mainly members of the small heat shock protein family (sHSPs) such as HSP17.6, HSP21, HSP17.6II, HAS32, HSP17.4, HSP18.2 and HSP22. KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genome) pathway analysis revealed that the HS memory genes were mainly involved in protein processing in the endoplasmic reticulum (ER) and oxidative phosphorylation. Furthermore, the analysis of cis-regulatory elements in the promoter regions of the thermomemory genes revealed that the transcription factors families of bZIP, AP2;B3;RAV, MYB/SANT, HD-ZIP and GATA; tify had the highest binding sites in their upstream regions. In summary, these findings provide useful information about functional and regulatory analysis of genes involved in the establishment and maintenance of heat stress memory, as well as their protein network interactions. This information can be used to improve the heat tolerance capacity of plants under extreme heat stress.Keywords: Arabidopsis, Heat stress memory, Microarray, Protein interaction network, Thermopriming
-
تنش شوری به عنوان یکی از عوامل محیطی مهم کاهش دهنده رشد و عملکرد گیاهان زراعی است. شناسایی اجزای اصلی و کلیدی درگیر در شبکه های پاسخ به تنش در تولید ارقام متحمل گندم و جو از طریق مهندسی ژنتیک و اصلاح مولکولی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در پژوهش اصلی حاضر به منظور شناسایی ژن ها و سازوکار های حفظ شده دخیل در پاسخ به تنش شوری در گیاهان گندم، جو و گیاه مدل آرابیدوپسیس، داده های ریزآرایه مربوط به دو گونه تک لپه، گندم (دو سری داده) و جو (دو سری داده) با سطوح مختلف شوری و گیاه مدل دو لپه آرابیدوپسیس (یک سری داده) در بافت برگ تجزیه و تحلیل شدند. این داده ها از سایت NCBI قسمتGEO استخراج شدند. به منظور پیدا کردن ژن های مشترک پاسخ دهنده در سه گونه گیاهی مورد بررسی، اورتولوگ آرابیدوپسیسی ژن های پاسخ دهنده به شوری در دو گیاه گندم و جو با استفاده از BLASTx در مقابل بانک اطلاعاتی پروتیینی آرابیدوپسیس تعیین شدند. ترسیم نمودارVenn بین 208 ژن پاسخ دهنده در جو، 1336 ژن پاسخ دهنده در گندم و 4527 ژن پاسخ دهنده در آرابیدوپسیس، منجر به شناسایی 25 ژن مشترک پاسخ دهنده به تنش شوری شد. بررسی عملکرد ژن های مذکور نشان داد که این ژن ها به طور حفاظت شده از طریق مشارکت در مسیرهای مرتبط با سیگنال دهی تنش، هموستازی یونی، هموستازی گونه های اکسیژن فعال، حفاظت اسمزی، هموستازی انرژی و لیگینی شدن در پاسخ سه گیاه مورد مطالعه به تنش شوری نقش دارند. مدل پیشنهادی نشان دهنده نحوه مداخله ژن های مذکور در مسیرهای پاسخ به تنش ارایه شد.
کلید واژگان: تنش شوری، ژن های حفاظت شده، ریزآرایه، تک لپه، دولپهSalt stress is one of the important environmental factors that adversely affects plant growth and yield. Identification of key components involved in the stress response networks is the important task in development of tolerant varieties through genetic engineering and molecular breeding programs. Here, we have performed comprehensive bioinformatics analysis to identify conserved genes and mechanisms involving in salt stress response across monocots, wheat and barley and dicot Arabidopsis. The microarray data were retrieved from GEO dataset at NCBI, which were already generated through experiments on the leaves of mentioned species under various stress conditions. Arabidopsis orthologues of salt responsive genes from wheat and barley were recognized by performing BLASTx compared with Arabidopsis protein database. We identified 208, 1336, and 4527 salt responsive genes from barley, wheat, and Arabidopsis, respectively, where 25 genes were common and considered as conserved salt responsive genes among species. The conserved genes are involved in stress signaling, ion homeostasis of ions, reactive oxygen species homeostasis, and energy, osmoprotectant mechanisms, and cell wall lignification pathways by exposing to salt stress in the three species. The theoretical gene co-expression network during signaling pathway was also presented in the salt stress condition.
Keywords: Salt Stress, Microarray, Conserved Genes, Monocot, Dicot -
سرطان یکی از مهم ترین علت های مرگ و میر در جهان است. در بیشتر موارد اگر این بیماری زودتر شناسایی شود قابل درمان است. یکی از روش های تشخیص سرطان استفاده از داده های ریزآرایه است که بر خلاف روش تصویربرداری، اشعه های مضر برای انسان در آن وجود ندارد. ریزآرایه ها دارای ژن های بسیار زیادی هستند که باعث پیچیده و زمان بر شدن تحلیل می شوند بنابراین انتخاب ژن های مفید یکی از گام های اساسی در تشخیص این بیماری است. روش پیشنهادی در این مقاله دارای دو فاز اصلی است که فاز اول آن انتخاب ژن های موثر است. در فاز بعدی، عمل تشخیص بیماری از ژن های انتخاب شده توسط فاز اول انجام می گیرد. در گذشته الگوریتم های زیادی مانند Ridge برای این منظور ارایه شده است که با توجه به نتایج به دست آمده از آزمایش ها، دقت روش پیشنهادی این مقاله نسبت به آن ها برتری دارد. در این مقاله از مجموعه داده لوکیمیا و سرطان روده به عنوان ورودی و ارزیابی روش پیشنهادی استفاده شده است. دقت روش پیشنهادی جهت تعیین مکان ژن ها و تشخیص نوع سرطان لوکیمیا و سرطان روده به ترتیب 62/97% و 31/92% است. نتایج به دست آمده از این روش نسبت به دیگر روش های موجود از نظر دقت در مجموعه داده لوکیمیا 38/2% و در مجموعه داده سرطان روده 61/5% بهبود یافته است؛ همچنین نسبت به آزمایش های بیولوژی از دسترسی آسان تر و هزینه کمتری برخوردار است.
کلید واژگان: استخراج ویژگی، ریزآرایه، سرطان روده، لوکیمیا، شبکه عصبی LSTMJournal of Genetics, Volume:17 Issue: 2, 2022, PP 137 -147Cancer is one of the leading causes of death in the world. In most cases, it can be treated if the disease is detected earlier. One way to diagnose cancer is to use microarray data, which, unlike imaging, does not contain harmful rays to humans. Microarrays have many genes that complicate and take time to analyse, so selecting useful genes is one of the key steps in diagnosing the disease. The proposed method in this paper has two main phases, the first of which is the selection of effective genes. In the next phase, the disease is diagnosed from the selected genes by the first phase. In the past, many algorithms such as Ridge have been proposed for this purpose, which according to the results of experiments, the accuracy of the method proposed in this paper is superior to them. In this paper, leukaemia and colon cancer datasets are used as input and evaluation of the proposed method. The precision of the proposed method for locating genes and diagnosing leukaemia and colorectal cancer is 97.62% and 92.31%, respectively. The results obtained from this method compared to other existing methods in terms of precision in the leukaemia dataset 2.39% and in the colorectal cancer dataset 5.62% improved; It is also easier to access and less expensive than biological experiments.
Keywords: Feature Extraction, Microarray, Colon Cancer, Leukaemia, LSTM neural network -
هدف
گیاهان اغلب در معرض انواع تنش های محیطی مانند خشکی و شوری قرار می گیرند که منجر به تنش اسمزی در گیاه می شود و در نهایت سبب کاهش رشد و بهره وری محصول می گردد. شناسایی ژن های موثر در سطوح مختلف تنش اسمزی می تواند در یافتن ژن های موثر در تحمل گیاه به تنش های محیطی بسیار کمک کند. از این رو هدف از این مطالعه، شناسایی ژن های کلیدی و بسیار موثر گیاه مدل آرابیدوپسیس در تنش اسمزی و معرفی آن ها در راستای به نژادی گیاهان زراعی در شرایط تنش های محیطی است.
مواد و روش هادر این مطالعه داده های میکروآرایه آرابیدوپسیس که به مدت 5/1، 3، 12 و 24 ساعت در معرض تنش اسمزی ناشی از مانیتول قرار داشتند، توسط ابزار آنلاین GEO2R به طور جداگانه آنالیز شدند. ژن های دارای بیان معنادار مشخص شدند و مهم ترین ژن ها در هر سطح تنش با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیکی تعیین شدند. سپس ژن های کلیدی موثر در تنش اسمزی شناسایی شدند و برهمکنش پروتیینی و فرآیندهای بیولوژیکی آن ها مورد بررسی و بحث قرار گرفت.
یافته هادر ساعات 5/1، 3، 12 و 24 ساعت پس از تنش به ترتیب 26، 79، 138 و 184 ژن دارای بیان معنادار بودند. براساس آنالیز شبکه پروتیینی و بررسی فرآیندهای بیولوژیکی ژن های SDA1،CRK11 ،CYP81F2 ،EDA39 ،PLA2A،T1K7_24 ، F6N7_24،AT2G25735 و MRH10_18 به عنوان ژن های کلیدی بسیار موثر در سطوح مختلف تنش اسمزی گزارش شدند. نتایج آنالیز عملکرد مولکولی ژن های کلیدی نشان داد که این ژن ها در پاسخ به تنش اکسیداتیو، پاسخ به کمبود اکسیژن، تنظیم حرکت روزنه ها، پاسخ فوق حساسیت، پاسخ به کیتین، مقاومت سیستمیک القایی، فرآیند بیوسنتزی ایندول گلوکوزینولات، پاسخ دفاعی بوسیله رسوب کالوز در دیواره سلولی، پاسخ به یون کادمیوم، فرآیندهای بیوسنتزی فیتوکلاتین، انتقال آرسنیت، پاسخ دفاعی در برابر باکتری، حشرات، قارچ ها و ویروس ها و فرآیندهای بیولوژیکی مرتبط با تنش های محیطی نقش بسیار مهمی ایفا می کنند.
نتیجه گیریبه نظر می رسد از ژن های کلیدی معرفی شده در این پژوهش می توان در راستای به نژادی گیاهان زراعی در شرایط تنش های محیطی که سبب تنش اسمزی در گیاهان می شود، بهره برد.
کلید واژگان: برهمکنش پروتئینی، فوق حساسیت، میکروآرایه، CYP81F2ObjectivePlants are often exposed to a variety of environmental stresses such as drought and salinity, which leads to osmotic stress in the plant and ultimately reduces crop growth and productivity. Identification of effective genes at different treatments of osmotic stress can be very helpful in finding genes that are effective in tolerating plant stresses. Therefore, the aim of this study was to identify the hub genes of Arabidopsis model plant in osmotic stress and to introduce them for crop breeding under environmental stresses .
Materials and MethodsIn this study, Arabidopsis microarray data that were exposed to mannitol-induced osmotic stress for 1.5, 3, 12 and 24 hours were analyzed separately by GEO2R online tool. Genes with significant expression were identified and the most important genes at each stress level were identified using bioinformatics tools. Then, the hub genes in osmotic stress were identified and their protein interactions and biological processes were studied and discussed .
ResultsThe result showed that 26, 79, 138 and 184 genes had significant expression at 1.5, 3, 12 and 24 hours after stress, respectively. Based on protein network analysis and biological processes, SDA1, CRK11, CYP81F2, EDA39, PLA2A, T1K7_24, F6N7_24, AT2G25735 and MRH10_18 genes were reported as hub genes at different levels of osmotic stress. The results of molecular function analysis of hub genes showed that these genes involved in oxidative stress, response to hypoxia, regulation stomata movement, hypersensitive response, response to chitin, induced systemic resistance, indole glucosinolate biosynthetic process, defense response by callose deposition in cell wall, response to cadmium ion, phytochelatin biosynthetic process, arsenite transport, defense response to bacteria, insects, fungi, viruses and other environmental stress responsive biological process.
ConclusionsIt seems that the key genes introduced in this study can be used to breed crops under environmental stresses that cause osmotic stress in plants.
Keywords: CYP81F2, Hypersensitivity, Microarray, Protein interaction -
تجزیه وتحلیل پاسخ ترانسکریپتوم به بیماری میوه سبز مرکبات با استفاده از داده کاویبیماری میوه سبز مرکبات مخرب ترین بیماری مرکبات در بیش تر کشورهای تولیدکننده مرکبات در سراسر جهان می باشد و باعث خسارات اقتصادی قابل توجهی در مناطق به شدت آسیب دیده می شود. به منظور شناسایی ژن هایی که احتمالا در تحمل به بیماری نقش دارند داده های ریزآرایه مربوط به ژنوتیپ های متحمل و حساس به بیماری میوه سبز مرکبات با شماره دسترسی GSE30502 از مخزن GEO پایگاه داده NCBI دریافت شدند و توسط7.6 RapidMiner Studio با هشت الگوریتم وزن دهی (Information gain، Information gain ratio، Deviation، Correlation، Chi squared statistic، Gini Index، Uncertainty و Relief) موردبررسی قرار گرفتند. پس از شناسایی پروب های کلیدی توسط الگوریتم های وزن دهی، هیت مپ و خوشه بندی سلسله مراتبی برای ارزیابی قدرت پروب های شناسایی شده در تمایز ژنوتیپ متحمل و حساس به بیماری با استفاده از ابزار تحت وب Clustvis انجام شد. تجزیه پروب ها توسط الگوریتم های وزن دهی منتج به شناسایی 145 پروب گردید. براساس هیت مپ ، تضاد قابل توجهی در بیان پروب های شناسایی شده، بین نمونه های مربوط به ژنوتیپ متحمل و نمونه های مربوط به ژنوتیپ حساس وجود داشت. هم چنین براساس خوشه بندی سلسله مراتبی، نمونه های مربوط به ژنوتیپ متحمل و ژنوتیپ حساس در خوشه های جداگانه ای قرار گرفتند. جستجو برای تعیین عوامل رونویسی و پروتیین کینازها با استفاده از سایت iTAK منجر به شناسایی پنج عامل رونویسی و چهار پروتیین کیناز مختلف گردید. به علاوه فراوانی رونوشت های ژن های درگیر در پاسخ فوق حساسیت در ژنوتیپ متحمل نسبت به ژنوتیپ حساس بیش تر بود که می تواند موید فعال بودن واکنش فوق حساسیت به عنوان یکی از راهکارهای اصلی دفاعی در برابر بیماری میوه سبز مرکبات باشد. ژن های شناسایی شده در این پژوهش، می توانند به عنوان کاندیداهای اساسی برای بررسی نقش دقیق آن ها در تحمل به بیماری میوه سبز مرکبات و هم چنین به عنوان اهداف بالقوه برای رویکردهای بیوتکنولوژیکی مورداستفاده قرار گیرند.کلید واژگان: الگوریتم های وزن دهی، ریزآرایه، ژن های تحمل به بیماری، عامل رونویسی، پروتئین کینازAnalysis of Transcriptomic Responses to Citrus Greening Disease Via Data MiningCitrus greening disease is the most destructive citrus disease in most citrus-producing countries around the world and causes significant economic losses in severely affected areas. In order to reveal the genes that may be involved in disease tolerance, microarray data of gene expression of susceptible and tolerant genotypes to citrus greening disease with accession number GSE30502 was retrieved from GEO repository database NCBI and analyzed by RapidMiner Studio 7.6 by eight weighting algorithms (Information gain, Information gain ratio, Deviation, Correlation, Chi squared statistic, Gini Index, Uncertainty, Relief). After identifying key probes by weighting algorithms, heatmap and hierarchical clustering were performed to evaluate the strength of detected probes in differentiating tolerant and susceptible genotypes using Clustvis web tool. Applying weighting algorithms resulted in the identification of 145 probes. According to the heatmap, there was a significant contrast in the expression of the identified probes between the samples of the tolerant genotype and the samples of the susceptible genotype. Also, based on hierarchical clustering, samples related to tolerant genotype and susceptible genotype were placed in separate clusters. A search to determine transcription factors and protein kinases using the iTAK site resulted in the identification of five transcription factors and four different protein kinases. Besides, the abundance of transcripts of the genes involved in hypersensitivity response were higher in the tolerant genotype than in the susceptible genotype, suggesting the activation of hypersensitivity reaction as one of the principal defense strategies against citrus greening disease. The genes identified in this study can be introduced as key candidates to investigate their exact role in citrus greening disease tolerance as well as potential targets for biotechnology approaches.Keywords: Weighting algorithms, Microarray, Disease tolerance genes, Transcription factor, Protein kinase
-
پروتئین های خانواده آنتی پورتر یون کلسیم/کاتیون (CaCA) نقش حیاتی در هموستازی یون کلسیم دارند که یک رویداد مهم در طول نمو و پاسخ دفاعی گیاه است. در مطالعه حاضر با استفاده از داده های بانک های اطلاعاتی مرتبط، 14 ژن CaCAs در ژنوم ذرت شناسایی و براساس سازماندهی ساختاری و ارتباط تکاملی آن ها با پروتئین های شناسایی شده به سه گروه CAX، CCX و MHX طبقه بندی شدند. بیشتر پروتئین های ZmCaCA دارای دو دمین Na_Ca_ex بودند. تمامی ژن های شناسایی شده دارای حداقل یک موتیف کارکردی بوده و ساختار ژنی هر زیر گروه CaCA بسیار حفاظت شده است. در پیش بینی مولکول-های miRNA واکنش گر نسبت به ژن های CaCA در ذرت 33 نوع miRNA متفاوت شناسایی شد که در تنظیم بیان پس از رونویسی 13 ژن CaCAs از طریق برش mRNA یا ممانعت از ترجمه دخالت دارند. علاوه بر این، چندین عنصر تنظیمی cis پاسخ به تنش ها و هورمون ها در پیش بر این ژن ها شناسایی شد. بیان متغیر اکثر ژن های ZmCaCA در مراحل مختلف رشد و نمو، نقش مشخص آن ها در نمو ذرت را نشان می-دهد. همچنین القاء بیان این ژن ها در پاسخ به تنش های غیر زیستی (سرما، شوری، خشکی) کارکرد دفاعی ژن های ZmCaCA را مشخص نمود. بیشترین افزایش و کاهش بیان ژن مربوط به ژن های CAX است. نتایج این مطالعه اطلاعات پایه در مورد روابط فیلوژنی و کارکردهای احتمالی ژن های CaCA ذرت را برای پژوهش های آتی فراهم می سازد.
کلید واژگان: بررسی فیلوژنتیکی، بیوانفورماتیک، پیش بر، ریزآرایهThe Ca2+/cation antiporters (CaCA) superfamily proteins play vital function in Ca2+ ion homeostasis, which is an important event during development and defense response. In the present study, using related database, 14 CaCA genes were identified in the maize genome and classified according to their structural organization and evolutionary association with the identified CAX, CCX and MHX proteins. Most of the ZmCaCA proteins had two Na_Ca_ex domains. All of the identified genes had at least one functional motif and gene structure of each CaCA subgroup is highly conserved. In the prediction of reactive miRNAs relative to CaCA genes in maize, 33 different miRNA variants were identified that regulate the expression of 13 CaCA genes through cleavage or inhibition of translation. In addition, several cis-acting regulatory elements in ZmCaCA genes were found to be related to hormones stress responses. The variable expression of most ZmCaCA genes at different stages of development indicates their distinct role in development. Expression of these genes in abiotic stresses (cold, salt, and drought) indicates their role in stress response. The greatest high expression and down regulation of gene expression is related to CAX genes. The results of this study provide basic data about phylogeny and putative function of these genes for future studies on the role of CaCA genes in maize.
Keywords: Bioinformatics, Microarray, Phylogenetic Analysis, promoter -
ایزوپرینوئیدها و مشتقات آن ها بزرگترین گروه از ترکیبات طبیعی در گیاهان هستند که از واحدهای پنج کربنه ایزوپرینیل فسفات ساخته می شوند. این واحدهای پنچ کربنه در گیاهان از طریق دو مسیر بیوسنتزی مجزا شامل مسیر موالونات (MVA) در سیتوپلاسم و مسیر متیل اریتریتول فسفات (MEP) در پلاستید، تولید می شوند. به منظور انجام متا-آنالیز ژن های دو مسیر MVA و MEP از داده های بیانی آزمایشات ریزآرایه در بافت های مختلف، مراحل نموی، تنش های زیستی و غیرزیستی در گیاه مدل آرابیدوپسیس استفاده شد. متا-آنالیز ترانسکریپتوم با استفاده از ابزار Genevestigator به عنوان یک بانک اطلاعاتی بزرگ شامل داده های ترانسکریپتوم مخازن GEO در NCBI و ArrayExpress در EBI، انجام گرفت. نتایج حاصل از متا-آنالیز نشان داد که به طور کلی رونویسی ژن های کد کننده آنزیم های دو مسیر MVA و MEP گیاهی با هم هماهنگ نیست و در بافت ها، مراحل رشدی و شرایط مختلف الگوی بیانی متفاوتی دارند. ژن های مسیر MVA بیشترین بیان را در ریشه و اندام های زایشی نشان می دهند، درحالی که ژن های مسیر MEP بیشتر در بافت های فتوسنتزی بیان می شوند. این نتایج می تواند به درک چگونگی تولید پیش سازهای ایزوپرینوئیدها از طریق دو مسیر با جایگاه متفاوت کمک کرده و همچنین سازماندهی شبکه های ژنی و تنظیم آن ها در شرایط، بافت ها و مراحل نموی مختلف را آشکار می سازد.کلید واژگان: ایزوپرینوئیدها، ترانسکریپتوم، ریزآرایه، متا-آنالیز، GenevestigatorIsoprenoids and their derivatives represent the largest group of natural compounds in plants that are biosynthesized from isoprenyl diphosphate C5 units. These C5 units generated by two distinctive biosynthetic pathways in plants including mevalonate (MVA) pathway in the cytoplasm and methylerthritol phosphate (MEP) pathway in plastids. To perform a meta-analysis of two pathways of MVA and MEP, expression data of the microarray experiments in different tissues, developmental stages, biotic and abiotic stresses were used in Arabidopsis thaliana as a model plant. The transcriptom meta-analysis was carried out using Genevestigator as a large database containing transcriptomics data of GEO in NCBI and ArrayExpress in EBI. The results of the meta-analysis showed that the transcription of genes encoding the enzymes of MVA and MEP pathway did not coordinate and they had different expression patterns in developmental stages, various tissues and conditions. MVA pathway genes show the highest expression in the roots and reproductive organs, while the MEP pathway genes are expressed in photosynthetic tissues. The results obtained here can help to understand how the underlying pathway gene networks are organized and regulated in different conditions, tissues and developmental stages.Keywords: Genevestigator, Isoprenoids, Meta-analysis, Microarray, Transcriptome
-
بازسازی شبکه های ژنی و برهم کنش پروتئینی دخیل در پاسخ به تنش خشکی در برنجبرنج یکی از ارزشمندترین محصولات کشاورزی است. یکی از تاثیرگذارترین عوامل محدود کننده این محصول استراتژیک تنش خشکی می باشد. نظر به چند ژنی بودن تحمل به خشکی، هدف پژوهش حاضر بازسازی شبکه ژنی درگیر و شناسایی ژن های کلیدی مربوطه در برنج با استفاده از تجزیه و تحلیل داده های ریزآرایه بوده است. به همین منظور با استفاده از نرم افزار تحت وب Genevestigator تمامی ژن های دارای تغییر بیان بالاتر و مساوی 5/2 و پایین تر و مساوی 5/2- در حالت تنش خشکی نسبت به شرایط نرمال در بین تمامی آزمایشات ریزآرایه انجام شده در برنج شناسایی شدند. در مجموع 101 ژن با تغییر بیان ≥5/2 و ≤5/2- شناسایی شد و شبکه تنظیم ژنی و برهم کنش پروتئینی برای آن ها رسم گردید. ژن های قطب (ژن های دارای بیشترین برهم کنش) با استفاده از 9 الگوریتم محاسباتی Cyto-Hubba در نرم افزار Cytoscape شناسایی شدند. این امر منجر به شناسایی 14 ژن غیر تکراری شد که به عنوان موثرترین ژن ها در پاسخ به تنش خشکی در نظر گرفته شدند و شبکه هم بیانی آن ها رسم گردید. بر اساس بررسی هستی شناسی ژن های دارای بیان افتراقی، ژن های هم بیان با آنها و ژن های قطب، تنظیم رونویسی از گروه های اصلی بود که نشان دهنده اهمیت عوامل رونویسی در مکانیسم تحمل به خشکی می باشد. در میان عوامل رونویسی می توان به عوامل پاسخ دهنده به تنش خشکی همچون خانواده های ژنی AP2، bZIP، WRKY، MYB و عوامل متصل شونده به عناصر پاسخ دهنده به ABA، اشاره نمود. امید است نتایج به دست آمده در راستای یافتن راهکارهایی هدفمند جهت افزایش تحمل به خشکی مفید واقع گردد.کلید واژگان: تنش غير زيستي، ريزآرايه، شبکه زيستي، ژن هاي پاسخ دهنده به خشکي، ژن قطبReconstruction of drought responsive gene and protein interaction networks in riceRice is one of the most valuable crops, and water deficiency is the most important constraint to rice production. Due to the complexity and multigenic characteristics of the drought tolerance trait, the objective of the current research were reconstruction of the involved gene networks and identification of the key genes in rice plants using microarray data analysis. To achieve the goal, all the differentially expressed genes (DEGs) with fold changes ≥.5 and ≤-2.5 at drought stress compared to normal conditions were identified among all the microarray data-series in rice using Genevestigator online tools. Totally, 101 DEGs were identified and their gene regulatory as well as protein-protein interactions (PPIs) networks was reconstructed. The hub genes (genes with the most interactions) were distinguished using nine Cyto-hubba computational algorithms on Cytoscape software. Based on the hub analysis results, 14 unique (non-redundant) genes were identified as the most effective genes in response to drought stress and their co-expression networks were constructed. According to the gene ontology analysis of the DEGs, their co-expressed genes and the hub genes, regulation of transcription were among the major groups indicating the importance of transcription factors (TFs) roles in drought tolerance mechanism. Amongst the TFs, ABA-responsive binding factors (AREBs), AP2, bZIP, WRKY and MYB gene families were observed. We hope that the obtained results would be beneficial toward finding the smart strategies for drought tolerance improvement.Keywords: Biological network, drought responsive genes, Hub gene, Microarray, Oryza sativa
-
ترانسکریپتومیکس یکی از زمینه های پیشرفته در زمینه علوم بعد از ژنومیک است. علم ترانسکریپتومیکس بر روی میزان بیان ژن ها با بررسی سطوح RNA تمرکز می کند. ترانسکریپتومیکس اطلاعات زیادی را در مورد ژنوم، ساختار ژن ها و عملکرد ژن ها فراهم می-آورد و با استفاده از این اطلاعات مکانیسم های مولکولی که در فرایندهای بیولوژیکی مختلف سلولی رخ می دهد آشکار می شود. گیاهان بعد از درک بیمارگر سیستم دفاعی خود را فعال می کنند. امروزه ترانسکریپتومیکس کاربرد وسیعی در کشاورزی پیدا کرده و با استفاده از این علم پاسخ به تنش های زیستی و غیرزیستی، بیماری های انباری و شناسایی ارقام مقاوم در بیماری شناسی گیاهی مطالعه می-شود. بررسی بیان ژن ها در زمان تنش و شناسایی ژن های دفاعی نسبت به بیمارگرها، بسیار ضروری است. نتایج تحقیقات ترانسکریپتومیکس در مورد بیان ژن، اطلاعات مرتبط به مکانیسم تحمل و مقاومت به بیمارگرهای گیاهی را افزایش داده و تولید ارقام مقاوم و متحمل از راه روش های زیست فناوری را هموارتر می سازد. روش های مختلفی جهت تجزیه پروفایل بیان ژن در گیاهان وجود دارد. روش هایی که برای مطالعه بیان ژن ها مورد استفاده قرار می گیرد به سه دسته روش های متکی بر هیبریداسیون، روش های مبتنی بر PCR و روش های متکی بر توالی یابی تقسیم می شوند. در این مقاله مروری بر روش های مطالعه بیان ژن ها و کاربردهای آن در بیماری شناسی گیاهی پرداخته می شود.کلید واژگان: ترانسکریپتومیکس، بیان ژن دفاعی، نوردرن بلات، میکرواری، Real Time PCRTranscriptomics is one of the most developed branches in the post-genomic era. Transcriptomics focuses on the gene expression at the RNA level and shows the genome wide information of gene structure and gene function in order to reveal the molecular mechanisms involved in specific biological processes. The plant activate the defense system after detect plant pathogens. Recently, transcriptomics has found wide application in agriculture, this knowledge are used for studing the biotic and abiotic stresses, storage diseases and the identification of resistant cultivars. It is essential the gene expression in times of stress. Transcriptomics studies of gene expression increase the information on the mechanisms of tolerance and resistance to plant disease. There are several techniques for analysis of gene expression profiles in plants. The methods used to study gene expression is placed into three categories based on hybridization techniques, techniques based on PCR and sequencing-based techniques can. In this article, it was review on methods to study gene expression and the its application in plant pathology.Keywords: Defense gene expression, Northern blot, Microarray, Real Time PCR, Transcriptomics
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.