بررسی اثر ضدباکتریایی پروتئین لاکتوپراکسیداز و پپتیدهای آن بر روی برخی از باکتری‌های مولد ورم پستان گاوشیری با داکینگ مولکولی

موسوی, زهرا; ازغندی, مرجان; طهمورث پور, مجتبی; محمدی, فهیمه

doi:10.22092/vj.2019.124829.1548

بررسی اثر ضدباکتریایی پروتئین لاکتوپراکسیداز و پپتیدهای آن بر روی برخی از باکتری‌های مولد ورم پستان گاوشیری با داکینگ مولکولی

نوع مقاله : مقاله کامل

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری ژنتیک و اصلاح نژاد دام، گروه علوم دامی، دانشگاه فردوسی مشهد

² عضو هیأت علمی گروه علوم دامی، دانشگاه فردوسی مشهد

10.22092/vj.2019.124829.1548

چکیده

متاسفانه استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها برای درمان بیماری ورم پستان دام منجر به ایجاد اثرات جانبی نامطلوبی شده است. از جایگزین‌های آنتی‌بیوتیک می‌توان به پروتئین‌های ضد میکروبی نظیر لاکتوپراکسیداز اشاره کرد. هدف از این پژوهش پیش‌بینی پپتیدهای پروتئین لاکتوپراکسیداز و مقایسه‌ی آن‌ها در گونه‌های انسان، شتر، گوسفند، بز، گاومیش و گاو و بررسی خواص ضد باکتریایی آن در برابر باکتری‌های Staphylococcus aureus و Escherichia coli مولد ورم پستان از طریق داکینگ مولکولی است. از این رو، خواص فیزیکوشیمیایی پروتئین لاکتوپراکسیداز و پپتیدهای زیست‌فعال حاصل از آن با استفاده از نرم‌افزار CLC Main Workbench 5 بررسی و سپس ساختار سوم آن برای شتر و انسان از طریق نرم‌افزار Swiss-Model پیش‌بینی شد. در ادامه پپتیدهای این پروتئین پیش‌بینی و در نهایت برهمکنش‌های پروتئین لاکتوپراکسیداز و پپتیدهای حاصل از آن با پروتئین‌های سطحی دو باکتری مذکور با استفاده از نرم‌افزار آنلاین ClusPro2.0 صورت گرفت. نتایج داکینگ مولکولی نشان داد که مناسب‌ترین موقعیت اتصال که در آن پروتئین لاکتوپراکسیداز حاصله با منفی‌ترین انرژی به پروتئین سطحی غشاء این دو باکتری متصل شده است، به ترتیب مربوط به گاو و بز می‌باشد. بررسی بیوانفورماتیکی هفت پپتید حاصل از این پروتئین نیز نشان داد که پپتید شماره‌ی سه مربوط به گاو، بز، گاومیش، گوسفند عملکرد بهتری در اتصال و تخریب پروتئین سطحی غشاء این دو باکتری داشته و با انرژی اتصال منفی تری نسبت به فرم کامل پروتئین لاکتوپراکسیداز به این باکتری‌ها متصل شده است. امید است بتوان در آینده از این پپتیدها به‌عنوان جایگزینی مناسب برای آنتی‌بیوتیک‌ها در بخش درمان بیماری ورم پستان استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.24235407.1399.33.2.12.9

عنوان مقاله [English]

Antibacterial effect of lactoperoxidase protein and its peptides on some bacteria causing mastitis in dairy cattle by molecular docking method.

نویسندگان [English]

Z. Mousavi ¹
M. Azghandi ¹
M. Tahmourespour ²
F. Mohammadi ¹

¹ Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

² Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

چکیده [English]

Unfortunately, using the antibiotics to treat mastitis is increasing in which leads to undesirable side effects. One of the antibiotics alternatives with high potential are antimicrobial proteins like lactoperoxidase. The aim of this study was to predict the peptides of lactoperoxidase protein and compare them in six different species (human, camel, sheep, goat, buffalo and cattle) and also investigate its antibacterial properties against Staphylococcus aureus and Escherichia coli strains through Molecular docking. The study of physicochemical properties of the lactoperoxidase protein and the derived bioactive peptides has been done using the CLC Main Workbench 5 software. The Swiss-model server was applied to predict the third (three-dimensional) structure of lactoperoxidase protein for camel and human. The peptides of lactoperoxidase protein were predicted and ultimately, the interactions of this protein and its derived peptides with the outer membrane proteins of the mentioned names were survived using ClusPro2.0 online software. The results of the position and energy of bonding assessment using molecular docking show that the most suitable binding location, in which the derived lactoperoxidase protein is bound to the outer membrane proteins of bactria membrane, with the lowest energy, related to cattle and goat, respectively. Bioinformatics study of the seven derived peptides from this protein showed that the third peptide of cattle, goat, buffalo, and sheep has a better performance in binding and degrading the outer membrane protein of these bacteria. These peptides can be proposed as replacement antibiotics for the treatment of mastitis in the future.

کلیدواژه‌ها [English]

Mastitis
Peptide
Bioinformatics
Molecular Docking

مراجع

1. بلوئی راجر و ادموندسون پیتر. 2010. کنترل ورم پستان در گله‌های گاو شیری. تهران: پرتو واقعه.
2. Aarestrup, F.M., F. Bager, N.E. Jensen, M. Madsen, A. Meyling and H.C. Wegener. 1998. Surveillance of antimicrobial resistance in bacteria isolated from food animals to antimicrobial growth promoters and related therapeutic agents in Denmark. Apmis, 106 (1-6): 606-622.
3. Banks, J.G. and R.G. Board. 1985. Preservation by the Lactoperoxidase system (LP‐S) of a contaminated infant milk formula. Letters in Applied Microbiology, 1 (5): 81-85.
4. Barkema, H.W., M.J. Green, A.J. Bradley and R.N. Zadoks. 2009. Invited review: The role of contagious disease in udder health. Journal of dairy science, 92 (10): 4717-4729.
5. Bolourchi, M., D.M. MOKHBER, R. Kasravi, E.A. MOGHIMI and P. Hovareshti. 2008. An estimation of national average of milk somatic cell count and production losses due to subclinical mastitis in commercial dairy herds in Iran. Journal of Veterinary Research, 63: 263-266.
6. Boscolo, B., S.S. Leal, E.M. Ghibaudi and C.M. Gomes. 2007. Lactoperoxidase folding and catalysis relies on the stabilization of the α-helix rich core domain: A thermal unfolding study. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 1774 (9): 1164-1172.
7. Brogden, K.A. 2005. Antimicrobial peptides: pore formers or metabolic inhibitors in bacteria?. Nature reviews microbiology, 3 (3): 238.
8. Brown, K.L. and R.E. Hancock. 2006. Cationic host defense (antimicrobial) peptides. Current opinion in immunology, 18 (1): 24-30.
9. Castanon, J.I.R. 2007. History of the use of antibiotic as growth promoters in European poultry feeds. Poultry science, 86 (11): 2466-2471.
10. Dathe, M., H. Nikolenko, J. Klose and M. Bienert. 2004. Cyclization increases the antimicrobial activity and selectivity of arginine-and tryptophan-containing hexapeptides. Biochemistry, 43 (28): 9140-9150.
11. Deslouches, B., S.M Phadke, V. Lazarevic, M. Cascio, K. Islam, R.C. Montelaro and T.A. Mietzner. 2005. De novo generation of cationic antimicrobial peptides: influence of length and tryptophan substitution on antimicrobial activity. Antimicrobial agents and chemotherapy, 49 (1): 316-322
12. Elliot, R.M., J.C. McLay, M.J. Kennedy and R.S. Simmonds. 2004. Inhibition of foodborne bacteria by the lactoperoxidase system in a beef cube system. International journal of food microbiology, 91 (1): 73-81.
13. Güler, L., Ü. Ok, K. Gündüz, Y. Gülcü and H.H. Hadimli. 2005. Antimicrobial susceptibility and coagulase gene typing of Staphylococcus aureus isolated from bovine clinical mastitis cases in Turkey. Journal of dairy science, 88 (9): 3149-3154.
14. Guthrie, W.G. 1992. A novel adaptation of a naturally occurring antimicrobial system for cosmetic protection. SOFW-Journal, 118: 556–562.
15. Jones, G. and P. Willett. 1995. Docking small-molecule ligands into active sites. Current opinion in biotechnology, 6 (6): 652-656.
16. Kamau, D.N., S. Doores and K.M. Pruitt. 1990. Antibacterial activity of the lactoperoxidase system against Listeria monocytogenes and Staphylococcus aureus in milk. Journal of Food Protection, 53 (12): 1010-1014.
17. Kouzayaha, A., M. Nasir, R. Buchet. 2009. Antimicrobial Peptides and Their Use in Medicine Phys. Chem B,113:7012-9.
18. Lata, S., B.K. Sharma and G.P.S Raghava. 2007. Analysis and prediction of antibacterial peptides. BMC bioinformatics, 8 (1): 263.
19. Liu, Y., J. Luo, C. Xu, F. Ren, C. Peng, G. Wu and J.Zhao. 2000. Purification, characterization, and molecular cloning of the gene of a seed-specific antimicrobial protein from pokeweed. Plant Physiology, 122 (4):1015-1024.
20. Nam, H.M., S.K. Lim, H.M. Kang, J.M. Kim, J.S. Moon, K.C. Jang, Y.S. Joo and S.C Jung. 2009. Prevalence and antimicrobial susceptibility of gram-negative bacteria isolated from bovine mastitis between 2003 and 2008 in Korea. Journal of dairy science, 92 (5): 2020-2026.
21. Paul, K.G. and P.I. Ohlsson. 1985. The chemical structure of lactoperoxidase. The Lactoperoxidase System, Chemistry and Biological Significance, 15-30.
22. Ramet, J. P. 2000. Current research and application of the enzyme lactoperoxidase in France. 1999. In Proceedings of the second annual meeting of the lactoperoxidase group of experts, Rome, Italy. pp. 10–13.
23. Seifu, E., E.M. Buys and E.F. Donkin. 2005. Significance of the lactoperoxidase system in the dairy industry and its potential applications: a review. Trends in Food Science & Technology, 16 (4): 137-154.
24. Shafer, W.M., F. Hubalek, M. Huang and J. Pohl. 1996. Bactericidal activity of a synthetic peptide (CG 117-136) of human lysosomal cathepsin G is dependent on arginine content. Infection and immunity, 64 (11): 4842-4845.
25. Silva, J.P., R. Appelberg and F.M. Gama. 2016. Antimicrobial peptides as novel anti-tuberculosis therapeutics. Biotechnology advances, 34(5): 924-940.
26. Sinha, M., S. Kaushik, P. Kaur, S. Sharma and T.P. Singh. 2013. Antimicrobial lactoferrin peptides: the hidden players in the protective function of a multifunctional protein. International journal of peptides, 2013.
27. Stanton, T. B. 2013. A call for antibiotic alternatives research. Trends in Microbiology, 21 (3): 111-113.‏
28. Tam, J. P., Y. A. Lu and J. L. Yang. 2002. Antimicrobial dendrimeric peptides. Eur. J. Biochem. 269: 923-932.
29. Van Hooijdonk, A.C., K.D. Kussendrager and J.M. Steijns. 2000. In vivo antimicrobial and antiviral activity of components in bovine milk and colostrum involved in non-specific defence. British Journal of Nutrition, 84 (S1):127-134.
30. Vizioli, J. and M. Salzet. 2003. Antimicrobial peptides: new weapons to control parasitic infections. Journal of Trends in Parasitology, 18.
31. Vogel, H. J., D. J. Schibli, W. G. Jing, E. M. Lohmeier-Vogel, R. F. Epand and R. M. Epand. 2002. towards a structure-function analysis of bovine lactoferricin and related tryptophan- and arginine-containing peptides. Biochemistry and Cell Biology, 80 (1): 49-63.
32. Wang, Y., Y. Zhang, W.H. Lee, X. Yang and Y. Zhang. 2016. Novel peptides from skins of amphibians showed broad spectrum antimicrobial activities. Chemical biology & drug design, 87 (3): 419-424.
33. Wolfson, L.M. and S.S. Sumner. 1993. Antibacterial activity of the lactoperoxidase system: a review. Journal of Food Protection, 56 (10): 887-892.
34. Yang, L., T.A. Harroun, T.M. Weiss, L. Ding and H.W. Huang. 2001. Barrel-stave model or toroidal model? A case study on melittin pores. Biophysical journal, 81 (3): 1475-1485.