Geri Dön

Transcriptomic and physiological meta-analysis of multiple stress-resistant Saccharomyces cerevisiae strains

Çoklu streslere dayanıklı Saccharomyces cerevisiae suşlarının transkriptomik ve fizyolojik meta-analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 925689
  2. Yazar: ABDULKADİR ÖZEL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR, DOÇ. DR. MEHMET BAYSAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Mikrobiyoloji, Biotechnology, Microbiology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Saccharomyces cerevisiae, yaygın olarak ekmek mayası veya bira mayası olarak bilinen, biyolojik ve biyoteknolojik araştırmalarda geniş çapta incelenen tek hücreli bir ökaryotik organizmadır. Mantarlar alemine ait olan bu maya, yaklaşık 3–4 mikrometre çapında bir boyuta sahip olup, çeşitli ortamlarda hayatta kalabilir ve hem eşeysiz hem de eşeyli üreme döngüleri sergiler. S. cerevisiae'nin 16 kromozom ve yaklaşık 6.000 genden oluşan, 12.068 kb büyüklüğündeki kompakt genomu tamamen dizilenmiş olup, ökaryotik hücre biyolojisinin anlaşılmasında önemli ilerlemeler sağlamıştır. Üstelik, diğer ökaryotlar (memeliler dâhil) ile yüksek oranda korunmuş moleküler mekanizmalara sahip olması ve protein kodlayan genlerinin yaklaşık %30'unun memelilerde homologlarının bulunması, S. cerevisiae'yi ökaryotik hücre mekanizmalarının incelenmesinde benzersiz kılar. Hızlı büyüme kapasitesi, genetik manipülasyona uygunluğu ve korunmuş moleküler yolakları, onu gen regülasyonu, apoptoz, hücre döngüsü ve stres yanıtı gibi hücresel süreçlerin araştırılmasında vazgeçilmez bir model organizma haline getirmiştir. Ayrıca,“Genel Olarak Güvenli (GRAS)”statüsü ve geniş moleküler araç kiti, bu mayanın akademik araştırmalardan endüstriyel üretime kadar geniş bir uygulama yelpazesinde önemli bir rol oynamasını sağlamıştır. S. cerevisiae'nin endüstriyel önemi, eşsiz metabolik özelliklerinden kaynaklanmaktadır ve bu da onu fırıncılık, bira üretimi ve biyoetanol üretimi gibi süreçlerde vazgeçilmez kılmaktadır.“Üret-birikim yap-tüket”metabolik stratejisi, oksijenli koşullarda bile hızlı şeker fermantasyonuna olanak tanır ve bu süreçte endüstriler için kritik öneme sahip etanol ve ikincil metabolitler üretir. Ancak, endüstriyel süreçler, S. cerevisiae'yi yüksek sıcaklık, oksidatif stres, kuruma ve tekrarlanan dondurma-çözülme döngüleri gibi zorlu çevresel koşullara maruz bırakır ve bu da güçlü stres adaptasyonu mekanizmalarını gerektirir. Bu noktada, istenen fenotipte ve endüstriyel koşullara dayanıklı maya suşlarının elde edilmesinde metabolik mühendislik yaklaşımları önemli rol oynamaktadır. Metabolik mühendislik, bir organizmanın hücresel işlevlerini ve ürün verimini artırmayı hedefleyen disiplinlerarası yaklaşımları içeren bir alandır. Rasyonel metabolik mühendislik, rekombinant DNA teknolojilerinin hedefli kullanımıyla hücresel işlevleri değiştirme veya düzenleme yaklaşımıdır. Metabolik yolaklarda yüksek düzeyde kontrol imkânı sunmasına rağmen, hücresel metabolizmanın karmaşıklığı, kapsamlı genetik bilgi gereksinimi ve klonlama süreçlerindeki teknik zorluklar nedeniyle etkinliği sınırlanabilmektedir. Tersine metabolik mühendislik yaklaşımında ise, önce istenen fenotip elde edilip ardından elde edilen fenotipe ait moleküler temeller belirlenerek bu temellerin uygun suşlara aktarılmasını sağlar. Evrimsel mühendislik ise tersine metabolik mühendislik yönteminin bir alt dalı olup, seri veya sürekli kültür koşullarında seçici baskı uygulanarak hücre popülasyonunun evrimleştirilmesi esasına dayanır. Bu yaklaşım sonucunda belirli bir strese adapte olan suşlar, kimi zaman diğer stres faktörlerine karşı da çapraz-direnç ya da hassasiyet kazanarak, ortak stres yanıt mekanizmalarının varlığını gösterir. Omik teknolojilerin ve biyoinformatik araçların gelişimiyle birlikte bu mekanizmaların karmaşıklığı çözülmeye çalışılmaktadır. Yüksek verimli genomik, transkriptomik, proteomik ve metabolomik analizler, stres karşısında hücresel tepkilere dair kapsamlı bilgiler sunar. Saccharomyces Genome Database (SGD), Yeast Resource Center Public Data Repository (YRC PDR) ve Yeast Metabolome Database (YMDB) gibi S. cerevisiae'ye özel veritabanları, bu büyük veri setlerinin anotasyonunu, analizini ve anlamlandırılmasını kolaylaştırmaktadır. Temel bileşen analizi (PCA) ve kümeleme gibi istatistiksel yöntemler, kalıpları ve ilişkileri belirleyerek stres direncinin moleküler temellerinin daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Bu çalışmada, daha önce Prof. Çakar'ın laboratuvarında evrimsel mühendislik yoluyla geliştirilen ve farklı streslere dirençli 12 evrimleşmiş maya suşundan elde edilen transkriptomik ve fizyolojik veriler üzerinde bir meta-analiz gerçekleştirilerek, S. cerevisiae'de stres direncinin moleküler ve fizyolojik mekanizmaları incelenmiştir. Diferansiyel gen ekspresyonu (DGE) analizi ile bu suşların transkriptomik profilleri referans bir maya suşuyla karşılaştırılmıştır. PCA ve k-ortalama kümeleme analizleri ile, transkriptomik verilere dayalı beş farklı küme belirlenmiştir. Optimum küme sayısı Elbow yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Bu kümeler, her gruba özgü genleri ve ekspresyon düzeyleri ortak olarak artan ve azalan genleri ortaya koymuştur. Yolak zenginleştirme analizi, stres direncine katkıda bulunan temel metabolik ve düzenleyici yolaklar hakkında bilgiler sağlamıştır. Evrimleşmiş maya suşlarının normalize edilmiş transkriptomik verilerinin PCA grafiği üzerindeki kümeleme analizleri sonucunda, beş farklı grup elde edilmiştir. Her evrimleşmiş maya suşunun transkriptomik verileri üç biyolojik tekrar kullanılarak oluşturulmuştur. Bu yüzden, evrimleşmiş maya suşlarının transkriptomik profilleri PCA grafiği üzerinde üçlü olarak gösterilmiştir. Bu biyolojik tekrarların PCA üzerinde çok yakın profile sahip olmaları, transkriptomik verilerin tutarlı bir şekilde üretildiğini ortaya koymaktadır. Kümeleme analizi sonucunda farklı streslere dirençli evrimleşmiş maya suşlarının yakın transkriptomik profiller göstermesi ve aynı grupta yer alması, stres direncinin çok genli bir temele dayandığını ve birçok stres faktörüne karşı etkili moleküler yolakların benzer olduğunu göstermiştir. PCA grafiği üzerinde yapılan kümeleme analizi sonucunda elde edilen gruplar arasında, farklılaşan genler ve yolakları bulmak adına istatistiksel karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu karşılaştırmalar sonucunda, her grup için ekspresyon değişim seviyesi diğer gruplardan önemli ölçüde farklı olan genler ve yolaklar tespit edilmiştir. Bunun sonucunda, her grup için ortak ve istatistiksel açıdan önemli genler raporlanmıştır. PCA grafiği üzerinde, koniferil aldehit ve kafein streslerine dirençli suşların transkriptomik profilleri diğer grupların transkriptomik profillerine göre farklılık göstermiştir. B2 adlı etanol stresine dirençli maya suşunun referans suşa olan benzerliği, etanol stresine adaptasyonu için minimal genetik değişikliklerin yeterli olduğunu göstermektedir. Koniferil aldehit ve kafein streslerinin birbirleriyle örtüşen benzer etkileri, bu bileşiklerin birbirlerinden farklı özellikleri olmakla birlikte, çeşitli moleküler yolaklarının ortak olmasıyla açıklanabilir. Bu bulguları daha da derinleştirmek için fizyolojik veriler ile transkriptomik veriler birlikte analiz edilmiştir. Transkriptomik veriler, evrimleşmiş maya suşlarının her bir stres faktörü için yapılan spot test deneyi sonucuna göre gruplanmıştır. Böylece, spot test deneyinde kullanılan 26 adet stres faktörüne karşı çapraz-dirençli olan ve hassaslaşan evrimleşmiş maya suşlarının transkriptomik verileri arasında DGE analizi uygulanmıştır. Bunun sonucunda, elde edilen ekspresyon verilerine PCA uygulanarak her bir stres faktörüyle ilişkili olan ekspresyon verilerinin profilleri gösterilmiştir. K-ortalama kümeleme algoritması kullanılarak PCA grafiğinde gösterilen ekspresyon profillerinin kümeleme analizi gerçekleştirilmiştir. Elbow yöntemi kullanılarak, optimum küme sayısı tespit edilmiştir. Bunun sonucunda, stres faktörleriyle ilişkilendirilmiş transkriptomik veri profilleri altı gruba ayrılmıştır. Elde edilen gruplar arasında farklılaşan genler ve yolakları bulmak adına istatistiksel karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu karşılaştırmalar sonucunda, kümeler içinde veya arasında benzersiz şekilde düzenlenen genler belirlenerek, istatistiksel olarak önemli transkriptomik değişiklikler fizyolojik adaptasyonlarla ilişkilendirmiştir. Bu çalışma, transkriptomik ve fizyolojik veri setlerini entegre ederek, stres direncinin karmaşık ve çok genli yapısını ortaya koymuş ve endüstriyel streslere adaptasyonda yer alan temel yolakları vurgulamıştır. Birbirinden farklı 26 stres faktörüne yönelik fizyolojik veri analizleri, oksidatif fosforilasyon gibi temel yolakların, farklı stres koşulları arasında yaygın olarak düzenlendiğini doğrulamıştır. Ancak, koniferil aldehit ve kafein gibi bazı stres faktörleri, diğer stres yanıtlarından farklı profiller ortaya koymuştur. Membran onarımı gibi belirli yolaklar, belirli koşullarda öne çıkarak, bazı stres faktörlerine özgü adaptasyonlara dair önemli bilgiler sunmuştur. Bu çalışma, S. cerevisiae'de stres direncinin temelindeki mekanizmaları vurgulamış ve farklı stres faktörleriyle aktive edilen ortak ve benzersiz moleküler yolakları açıkça ortaya koymuştur. Ribozom biyogenezinin baskılanmasıyla nişasta ve sakkaroz metabolizmasının aktivasyonu gibi tutarlı ortak eğilimler, kümeler arasında gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, mayanın çeşitli koşullara adapte olmasını sağlayan, hem ortak korunmuş hem de her stres faktörüne özgü yolakların önemini ortaya koymaktadır. Ayrıca, koniferil aldehit ve kafein gibi stres faktörlerinin diğerlerinden farklı direnç mekanizmalarına sahip olabileceği ortaya konarak pleiotropik ilaç etkilerine dair değerli bilgiler sağlanmıştır. Bu çalışma, mayanın gen ekspresyonu değişikliklerini ve ilgili sinyal yolaklarını detaylı olarak ortaya koyarak, genetik ve fizyolojik adaptasyon süreçlerinin anlaşılmasına önemli katkılar sağlamıştır. Araştırmada elde edilen veriler, maya hücrelerinin stres koşulları altında sergilediği yanıtları sistematik biçimde analiz ederek, ileri çalışmalarda hedef gen ve yolakların fonksiyonel olarak test edilebileceği sağlam bir temel oluşturmuştur. Bunun yanı sıra, düzenleyici elementlerin tanımlanması yoluyla, hücrelerin stres sinyallerine verdiği tepkilerin moleküler düzeyde nasıl kontrol edildiği aydınlatılmış ve bu bilgiler, biyoteknolojik uygulamalarda kullanılabilecek stratejilerin geliştirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Elde edilen sonuçlar, transkriptomik ve fizyolojik verilerin detaylı değerlendirilmesiyle, gen ve yolak düzeyinde önemli bilgiler ortaya koyarak, endüstriyel üretimde karşılaşılan karmaşık ve çoklu stres faktörlerine uyum sağlayabilen maya suşlarının geliştirilmesine yönelik temel veriler sağlamaktadır. Fonksiyonel analizlerle desteklenecek olan bu bulgular, özellikle verimlilik ve süreç etkinliğinin artırılması hedeflenen uygulamalarda, optimize edilmiş genetik yapıların tasarlanmasına olanak tanıyacaktır. Dahası, küresel transkriptomik veri havuzlarından elde edilebilecek benzer çalışmaların değerlendirilmesi, mevcut sonuçların evrensel geçerliliğini ve özgün stres yanıtı mekanizmalarını ortaya koyarak, araştırmanın bilimsel dayanaklarını güçlendirebilir. Böylece, hem temel biyoloji hem de endüstriyel uygulamalara yönelik geniş perspektifli yaklaşımların geliştirilmesi mümkün hale gelecektir.

Özet (Çeviri)

Saccharomyces cerevisiae, commonly known as baker's or brewer's yeast, is a unicellular eukaryotic organism extensively studied in biological and biotechnological research. As a member of the fungal kingdom, it thrives in diverse environments and exhibits both asexual and sexual reproduction cycles. S. cerevisiae's compact genome, consisting of 16 chromosomes and approximately 6,000 genes, has been fully sequenced, enabling significant advancements in understanding eukaryotic cell biology. Yeast's rapid growth, ease of genetic manipulation, and conserved molecular pathways make it an invaluable model organism in studies on cellular processes, including gene regulation, apoptosis, and the cell cycle. Furthermore, its“Generally Recognized as Safe”(GRAS) status and extensive molecular toolkit have solidified its role in a wide range of applications, from academic research to industrial production. The industrial relevance of S. cerevisiae lies in its unique metabolic traits, which make it indispensable in processes like baking, brewing, and bioethanol production. Its“make-accumulate-consume”metabolic strategy allows for rapid sugar fermentation, even under aerobic conditions, producing ethanol and secondary metabolites critical for these industries. However, industrial processes often expose S. cerevisiae to harsh environmental conditions such as high temperatures, oxidative stress, dehydration, and repeated freeze-thaw cycles, necessitating robust stress adaptation mechanisms. The Environmental Stress Response (ESR), a global response activating over 300 genes, enables the yeast to survive under diverse stress conditions. Cross-resistance phenomena further illustrate the interconnected nature of stress responses, where adaptation to one stressor often confers resistance to others. With the advent of omics technologies, the complexity of these mechanisms has been increasingly unraveled. High-throughput transcriptomics, proteomics, and metabolomics provide comprehensive insights into cellular responses to stress, while bioinformatics tools and databases, such as the Saccharomyces Genome Database (SGD), facilitate the integration and analysis of these large datasets. Statistical methods like Principal Component Analysis (PCA) and clustering enable researchers to identify patterns and correlations, advancing our understanding of the molecular underpinnings of stress resistance in S. cerevisiae. This study explored the molecular and physiological mechanisms of stress resistance in S. cerevisiae through a meta-analysis of transcriptomic and physiological data from 12 evolved yeast strains which were previously obtained in Prof. Çakar's laboratory through evolutionary engineering. Differential gene expression (DGE) analysis compared the transcriptomic profiles of these strains to a reference strain. PCA and k-means clustering identified five distinct clusters based on transcriptomic data. These clusters revealed specific genes unique to each group, as well as commonly upregulated and downregulated genes. Pathway enrichment analysis provided insights into key metabolic and regulatory pathways contributing to stress resistance. The clustering analysis revealed that stress resistance relies on multigenic foundations, with analogous molecular pathways effective under multiple stress factors. Notably, the transcriptomic profiles of coniferyl aldehyde- and caffeine-resistant strains stood out as distinct from other strains while showing certain overlaps. The B2 ethanol resistant strain's similarity to the reference strain suggests that minimal genetic changes were required for its adaptation. The overlapping effects of coniferyl aldehyde and caffeine likely stem from their pleiotropic impacts, intersecting in several molecular pathways while maintaining some unique differences. To refine these findings, physiological data were integrated into the analysis. The transcriptomic effects of stressors used in physiological experiments were clustered in the same way into six groups. These analyses identified genes uniquely regulated within or between clusters, linking these genetic changes to physiological adaptations. By integrating transcriptomic and physiological datasets, this study demonstrated the complex, multigenic nature of stress resistance and highlighted key pathways involved in adapting to industrial stressors. Physiological data analyses of 26 stressors confirmed these findings, showing that oxidative phosphorylation and other core pathways are commonly regulated across stress conditions. However, certain stressors, like pleiotropic drugs, induced distinct profiles. Stressors such as coniferyl aldehyde and caffeine were particularly notable for eliciting unique resistance mechanisms, emphasizing their divergence from other stress responses. Specific pathways, including membrane repair, emerged prominently under certain conditions, providing insights into stressor-specific adaptations. The mechanisms underlying stress resistance in S. cerevisiae were highlighted in this study. Common and unique molecular pathways activated by different stressors were clearly evidenced through cross-resistance profiles. Consistent trends, such as the downregulation of ribosome biogenesis and the upregulation of starch and sucrose metabolism, were observed across clusters. These results underscore the importance of both conserved and stressor-specific pathways in enabling yeast to adapt to diverse conditions. Furthermore, stressors like coniferyl aldehyde and caffeine elicited resistance mechanisms distinct from others, offering valuable insights into pleiotropic drug impacts. By systematically documenting gene expression changes and associated pathways, this research provides a foundation for future studies on genetic and physiological adaptations. These findings could guide the development of industrial yeast strains optimized for resilience in challenging production environments.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    813984

    İndirgenmiş folat taşıyıcısı 1'in rolünün iskemik inme ve retinal iskemi modellerinde araştırılması

    The investigation of the role of reduced folate carrier 1 in ischemic stroke and retinal ischemia models

    GÖKÇE GÜRLER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    BiyolojiHacettepe Üniversitesi

    Nörolojik ve Psikiyatrik Temel Bilimler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜGE YEMİŞCİ ÖZKAN

  2. Tez No

    878667

    Genomic analysis of freeze-thaw stress-resistant Saccharomyces cerevisiae

    Donma-erime stresine dirençli Saccharomyces cerevisiae'nin genomik analizi

    ÇAĞLA GÜNEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

  3. Tez No

    770931

    Evolutionary engineering of rapamycin-resistant yeast

    Evrimsel mühendislikle rapamisine dirençli maya eldesi

    ÖMER ESEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

  4. Tez No

    397999

    Molecular and physiological characterization of a salt-resistant Saccharomyces cerevisiae mutant obtained by evolutionary engineering

    Evrimsel mühendislik yöntemiyle elde edilmiş tuza dirençli bir Saccharomyces cerevisiae mutantının moleküler ve fizyolojik karakterizasyonu

    ŞEYMA HANDE TEKARSLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Genetikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

    PROF. DR. CAROLA HUNTE

  5. Tez No

    511290

    Evolutionary engineering and physiological analysis of antimycin-a resistant Saccharomyces cerevisiae

    Antimisin-a dirençli Saccharomyces cerevisiae'nin evrimsel mühendisliği ve fizyolojik analizi

    ALİCAN TOPALOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR

Geri Dön