Comparative whole genome sequencing and bioinformatic analysis of afreeze-thaw stress-resistant, industrial Saccharomyces cerevisiae strain
Donma-erime stresine dirençli bir endüstriyel Saccharomyces cerevisiae suşunun karşılaştırmalı tüm genom dizileme ve biyoinformatik analizi
- Tez No: 737560
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Genetik, Biotechnology, Genetics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
Maya hücreleri; bilimsel araştırma, tıp, gıda ve tarım gibi birçok alanda insanlığa uzun süredir çeşitli faydalar sağlamaktadır. Özellikle Saccharomyces cerevisiae mayası, protein biyokatalizörlerinin ekspresyonu, ilaç ve beslenme için önemli olan kimyasalların ve küçük moleküler ağırlıklı bileşiklerin sentezlenmesi için çoklu enzim yollarında kullanılır. Fonksiyonel genomik ve sistem biyolojisindeki gelişmeler nedeniyle, S. cerevisiae şu anda ökaryotik biyoloji ve insan hastalıklarının incelenmesi için birincil model organizmadır. Saccharomyces cerevisiae tek hücreli bir ökaryottur ve ökaryotlarda yaygın olarak bulunan hücre altı organellerine sahiptir. S. cerevisiae, klasik bir ökaryotik hücre döngüsüne sahiptir (G1, S, G2 ve M dahil). Genetik, biyokimya ve fizyoloji araştırmalarındaki boşlukları ve gereksinimleri doldurmak için farklı S. cerevisiae türleri oluşturulmuştur. CEN.PK ailesi endüstriyel biyoteknoloji araştırmalarında sıklıkla kullanılırken, S288c türünden türetilen BY türü ailesi esas olarak genetik çalışmalarda kullanılmaktadır.Maya, insan genomunda çok sayıda ortolog gen içerir. Mayadaki bazı genlerin ekspresyonu incelenerek daha karmaşık ökaryotlardaki mekanizma anlaşılabilir. S. cerevisiae oldukça gelişmiş homolog rekombinasyona sahiptir ve genlerin temel nakavt (knock-out) işlemine katkıda bulunur. Ayrıca, S. cerevisiae, canlı organizmalarda strese tepki genlerinin rolünü anlamak için önemli bir modeldir. S. cerevisiae hücreleri, metal toksisitesi, büyüme sırasında ısı veya soğuk şoku, temel besin sınırlamaları, hiperozmotik veya hipoozmotik basınç ve etanol toksisitesi gibi farklı çevresel stres koşulları yaşayabilir. Bu stres koşullarının üstesinden gelmek için, genel veya spesifik stres tepkisi ve koruma programları aracılığıyla stres sinyallerini ve bu sinyallere verilen tepkileri saptamak üzere S. cerevisiae hücreleri geliştirilmiştir. Kriyoprezervasyon, çeşitli canlı hücrelerin uzun süreli saklama yöntemidir. Ancak bu yöntem, hücrelerde ölümcül hasara neden olan dondurma ve çözme işlemlerini içerir. Donma-çözülme stres koşulları altında hücreler birden fazla stres türüne maruz kalırlar. Bunlar ; donma sırasında soğuk, dehidrasyon, ozmotik, buz kristali oluşumu ve çözülme sırasında oksidatif stres. Bu nedenle, donma-çözülme toleranslı organizmaların elde edilmesi ve tüm donma-çözülme tolerans mekanizmalarının incelenmesi önemlidir. Mayalar -80 °C'de hızla dondurulduklarında hayatta kalma oranı yüksek olan organizmalardır. Bununla birlikte, genellikle -20 °C'de ticari ürünlere uygulanır ve hücrelere yüksek oranda zarar verir, özellikle hücreler için öldürücüdür. S. cerevisiae'deki donma-çözülme stresinin uygulamaları, donma-çözülme stresinin etkilerinin üstesinden gelmek için bu çapraz dirençlerin indüklenmesiyle ilgilidir. Gen ekspresyon seviyelerindeki ek mekanizmaların, çoklu stres toleransları ve donma-çözülme stres toleransları elde etmek için donma-çözülme maruziyeti sırasında tetiklendiği ve korunduğu düşünülmektedir. Metabolik mühendislik; metabolik, gen düzenleyici ve sinyal ağlarını içeren hücresel ağların modifikasyonları ile hücrenin enzimatik, taşıma ve düzenleyici işlevlerinin manipülasyonu yoluyla, metabolitlerin ve hücresel aktivitelerin geliştirilmiş üretimi olarak tanımlanır. Metabolik mühendislik stratejileri, rasyonel mühendislik ve tersine metabolik mühendislik olarak iki gruba ayrılabilir. Evrimsel mühendislik, yüksek çevresel tolerans ve ürün veriminin iyileştirilmesi gibi özelliklerini geliştirerek istenen fenotipi elde etmek için biyolojik araştırmalarda kullanılan yaygın bir stratejidir. Evrimsel mühendislik, rastgele yöntemlere dayanması bakımından metabolik mühendislikten farklıdır; yani, genetik modifikasyonlar yönlendirilmez. Ploidi, bir hücredeki tam kromozom setlerinin sayısıdır; bu, otozomal ve psödootozomal genler için olası alellerin sayısı anlamına gelir. Birçok ökaryotik canlıda iki takım kromozom (diploid) veya ikiden fazla kromozom takımı (poliploid) bulunur. Bitkilerin, hayvanların ve mantarların evrimi sırasında, antik tüm genom duplikasyonu (WGD) veya hibridizasyon olayları sıklıkla diploid ve poliploid durumlarla sonuçlanır. Artan kromozom setleri, gelişim, hücresel stres, hastalık ve evrim, poliploidiye neden olur. Mantar krallığına ait olan mayalar, hem haploid hem de diploid formlarda bulunabilirler. Poliploid mayalar ise oldukça yaygındır. Allopoliploid hücreler, yakından ilişkili ancak aynı olmayan türlerden iki veya daha fazla hücre bir araya geldiğinde oluşur. Öploidi, hücrelerin, karakteristik dairesel haploid sayısının tam bir katı olan bir kromozomal sayıya sahip olduğu durumu ifade eder. Mayalarda poliploidi ve anöploidi yaygın olarak görüldüğünden, değişken kromozom sayıları belirli durumlarda faydalı olabilecek özellikler ortaya çıkarır. Sonuç olarak, farklı ploidi seviyelerine sahip hücrelerin fizyolojisi ve uygunluğu farklılık gösterebilir. Biyoinformatik, hesaplamalı analiz kullanarak biyolojik verilerden bilgi keşfini yönlendiren oldukça disiplinler arası bir alandır. Günümüzde biyoinformatik, çoğu yaşam bilimi araştırmasının önemli bir parçası haline gelmiştir. Moleküler biyolojinin merkezi dogmasına göre, gen ekspresyonu, DNA dizisinin bir gen ürününe veya RNA'ya kopyalandığı süreçtir. Mikrodizi ve daha yakın zamanda RNA dizilimi (RNA dizilimi), gen fonksiyonlarını araştırmak, düzenleyici kalıpları ortaya çıkarmak, birlikte ifadeyi incelemek ve varsayılan belirteçleri belirlemek dahil olmak üzere çeşitli bağlamlarda uygulanan gen ekspresyon seviyelerini ölçmek için yaygın olarak kullanılmıştır. Bu tezde, endüstriyel suş Saccharomyces cerevisiae suşu R625 ve R625'ten evrimsel mühendislik yöntemiyle elde edilmiş olan donma-çözülme stresine dirençli Saccharomyces cerevisiae P8 suşu arasındaki ploidi ve genomik farklılıklar analiz edilmiştir. Böylelikle ploidi ve donma-çözülme stres direncinin karmaşık moleküler mekanizmaları aydınlatılmaya çalışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Yeasts have been around for thousands of years; they have benefited people in many fields such as science, medicine, food and agriculture. In particular, Saccharomyces cerevisiae is used in multi-enzyme pathways for the expression of protein biocatalysts and to synthesize chemicals and small molecular weight compounds important for medicine and nutrition. Due to these advances, S. cerevisiae is currently the primary model organism for the study of eukaryotic biology and human diseases. S. cerevisiae is a unicellular eukaryote. It has 16 chromosomes with subcellular organelles containing and these organelles commonly found in eukaryotes. S. cerevisiae has a classical eukaryotic cell cycle (including G1, S, G2, and M). Different strains of S. cerevisiae have been established to fill the gaps and requirements in genetic, biochemistry and physiology research. The CEN.PK family is frequently used in industrial biotechnology research, while the BY strain family derived from the S288c strain is mainly used in genetic studies. Yeast contains a large number of orthologous genes in the human genome. By examining the expression of some genes in yeast, the mechanism in more complex eukaryotes can be understood. S. cerevisiae has highly developed homologous recombination and contributes to the basic knockout operation of genes. Furthermore, S. cerevisiae is an important model for understanding the role of stress response genes in living organisms. S. cerevisiae cells can experience different environmental stress conditions such as metal toxicity, heat or cold shock during growth, essential nutrient limitations, hyperosmotic or hypoosmotic pressure, and ethanol toxicity. To overcome these stress conditions, S. cerevisiae cells have been developed to detect stress signals and respond to these signals through general or specific stress response and protection programs. Cryopreservation is a long-term storage method of various living cells, and the freeze-thaw tensile strength is important in cryopreservation. However, this method includes freezing and thawing processes that cause fatal damage to cells. Under freeze-thaw stress conditions, cells are exposed to more than one type of stress. These are; cold during freezing, dehydration, osmotic, ice crystal formation and oxidative stress during thawing. Therefore, it is important to obtain freeze-thaw tolerant organisms and to examine all freeze-thaw tolerance mechanisms. Yeasts are organisms that have a high survival rate when rapidly frozen at -80 °C. However, it is usually applied to commercial products at -20 °C and is highly damaging to cells, predominantly lethal to cells. Applications of freeze-thaw stress in S. cerevisiae are concerned with inducing this cross-resistance to overcome the effects of freeze-thaw stress. Additional mechanisms at gene expression levels are thought to be triggered and maintained during freeze-thaw exposure to achieve multiple stress tolerances and freeze-thaw stress tolerances. Metabolic engineering; it is defined as enhanced production of metabolites and cellular activities. It is done with through manipulation of the enzymatic, transport and regulatory functions of the cell by modifications of cellular networks including metabolic, gene regulatory and signaling networks using recombinant DNA technology. Metabolic engineering strategies can be divided into two groups as rational engineering and inverse metabolic engineering. Evolutionary engineering is a common strategy used in biological research to achieve the desired phenotype by improving its properties such as high environmental tolerance and improvement of product yield. Evolutionary engineering differs from metabolic engineering in that it is based on random methods; genetic modifications are not directed. Ploidy is the number of complete sets of chromosomes in a cell, which means the number of possible alleles for autosomal and pseudoautosomal genes. Many eukaryotic creatures have two sets of chromosomes (diploid) or more than two sets of chromosomes (polyploid). During the evolution of plants, animals, and fungi, ancient whole-genome duplication (WGD) or hybridization events frequently result in diploid and polyploid conditions. Increased chromosomal sets, development, cellular stress, disease, and evolution all cause polyploidy. Yeasts, which belong to the kingdom of fungi, can exist in both haploid and diploid forms. Polyploid yeasts, on the other hand, are widespread. Allopolyploid cells are formed when two or more cells from closely related but not identical species fuse together. Euploidy refers to the stance in which cells have a chromosomal number that is an integral multiple of the characteristic circum haploid number. Due to the common occurrence of polyploidy and aneuploidy in yeast, variable chromosome numbers elicit characteristics that may be beneficial in specific circumstances. As a result, the physiology and fitness of cells with different ploidy levels may differ. Bioinformatics is a highly interdisciplinary field that drives knowledge discovery from biological data using computational analysis. Today, bioinformatics is becoming an important part of most life science research. The process by which the DNA sequence of gene expression is copied into a gene product or RNA is explained by the central dogma of molecular biology. Microarray and more recently RNA sequencing; it has been widely used to measure gene expression levels. In this thesis, ploidy and genomic differences between the industrial Saccharomyces cerevisiae strain R625 and the freeze-thaw resistant evolved strain P8 obtained from R625 by evolutionary engineering were analyzed to gain insight into the complex molecular mechanisms of ploidy and freeze-thaw stress resistance.
Benzer Tezler
- Kanserde biyobelirteç tespitine yönelik somatik ve germ-line tüm genom dizileme, transkriptom profilleme ve karşılaştırmalı biyoinformatik analizleri
Whole genome and transcriptome profilling for cancer biomarker detection via comparison of somatic versus germ/line variants and its bioinformatic analysis
İBRAHİM BOGA
- Yabani nohut (Cicer reticulatum ve Cicer echinospermum) ve kültür nohut (Cicer arietinum L.) türlerinin tüm kloroplast genom sekanslama yöntemiyle kloroplast DNA dizilerinin karşılaştırılması
Comparative analysis of chloroplast DNA sequences of wild chickpea (Cicer reticulatum, Cicer echinospermum) and domestic chickpea (Cicer arietinum L.) species through whole chloroplast genome sequencing
EZGİ MEHMETOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
BiyoteknolojiEge ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMED BAHATTİN TANYOLAÇ
- Bacillus subtilis GntR ailesine ait LutR transkripsiyon faktörünün doğrudan kontrolü altındaki genlerin CHIP ve EMSA yöntemleriyle belirlenmesi
Determination of genes under the direct control of GntR-type transcriptional factor LutR in Bacillus subtilis PY79 by CHIP and EMSA methods
MURAT KEMAL AVCI
Doktora
Türkçe
2015
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYTEN KARATAŞ
- Trakya bölgesinden toplanmış Tuber excavatum örneklerinin konaklık ettiği RNA mikovirüslerinin tanımlanması ve moleküler olarak nitelendirilmesi
Identification and molecular characterization of RNA mycoviruses hosted by Tuber excavatum samples collected from Trakya region
ELİFNAZ BORA
- Comparative analysis of the molecular mechanisms of brain regeneration and glioma using zebrafish model to develop therapeutic approaches for gliomas
Beyin rejenerasyonu ve glioma moleküler mekanizmalarının zebrabalığı modeli kullanılarak gliomalarda terapötik yaklaşımlar geliştirilmesi için karşılaştırmalı olarak analizi
YELİZ DEMİRCİ
Doktora
İngilizce
2021
BiyolojiDokuz Eylül ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE GÜNEŞ ÖZHAN