Drosophila melanogaster'de parkin geni ile etkileşen ve lokomotor davranışı etkileyen genlerin genomik ilişkilendirme modeliyle saptanması
Determination of the genes underlying locomotor behavior and interacting with the parkin gene by using a genom wide association model of Drosophila melanogaster
Yazar: DAMLA AYGÜN
Danışman: PROF. DR. ERGİ DENİZ ÖZSOY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyoloji = Biology ; Genetik = Genetics

Özet:
Tez kapsamında, lokomotor davranışı etkilediği iyi bilinen, Drosophila melanogaster'deki parkin geni mutantının genom çaplı ilişkilendirme analizi (GWAS) için kullanılmasıyla, parkin ile etkileşen ve lokomotor davranışı etkileyen diğer genlerin bulunması amaçlanmıştır. Tezin temel yöntemi, bir genin farklı genomlardaki ifade farklarından yola çıkarak, ilgili genin etkilediği özelliği etkileyen diğer genleri  saptamayı olanaklı kılan "gizli genetik varyasyonun" salınması esasına dayanmaktadır. Bu bağlamda kullanılan gen, parkin, D.melanogaster'de yer almaktadır ve insan PARK2 geninin ortoloğudur. Lokomotor davranış açısından, D.melanogaster'de lokomotor davranış bileşeni olan ve parkin mutasyonlarının fenotipik yanıtlarını değiştirdiği  bilinen irkilme sıçrama yanıtı çalışılarak fenotipik skorlar elde edilmiştir. Deneylerde, lokomotor davranışın ilerleyen yaşa bağlı olarak değişen yanıtlarını elde etmek amacıyla, parkin genini taşıyan stok ve kontrol stokları,  genomları dizilenmiş ve genomik mimarisi yaklaşık 5 milyon SNP ile ayrıntılı bir şekilde ortaya konmuş 115 Drosophila Genetik Referans Paneli (DGRP) soyu ile çaprazlanmıştır. DGRP soyları ile, herhangi bir biyolojik özelliğin fenotip skorları kullanılarak, özelliği etkileyen genleri bulmayı sağlayan genom çaplı ilişkilendirme analizi (GWAS) kolaylıkla yapılabilmektedir. Drosophila parkin homozigotunun (parkin/parkin; w1118/w1118) ve bu genin kontrol stoğunun (parkin+/parkin+;w1118/w1118) DGRP soylarıyla çaprazlanmasıyla oluşan yavru döller, erkek ve dişiler olarak, irkilme-sıçrama davranışı için 3 yaş grubunda (0,15 ve 30 gün) ayrı ayrı fenotiplenmiştir. Öncelikle, parkin mutantı ile kontrolü arasındaki fenotipik farkın genomdan genoma (soydan soya) değiştiği gözlenmiştir. Elde edilen fenotip skorları ile varyans analizi (ANOVA) gerçekleştirildiğinde, fenotipik fark büyüklüğü ve yönü bakımından görülen bu değişimlerin, genotip x genotip etkileşiminin varlığını doğrulayan bir şekilde, istatistiksel olarak yüksek bir anlamlılık derecesinde olduğu saptanmıştır. Ardından, varyans analizleriyle hesaplanan genotip x genotip etkileşim terimlerinin istatistiksel anlamlılığına dayanan bir GWAS gerçekleştirilmiştir. Bu GWAS sonucunda, her yaş grubu için,  temel SNP minör alel frekansı 0.05 çerçevesinde elde edilen ilişkilenmeler içerisinde,  fenotipik kategoriler açısından (dişi etkisi; erkek etkisi, erkek-dişi farkı büyüklüğü) en az bir tanesi p= 10-5 düzeyinde ilişkilenme gösteren genetik varyantlar-genler belirlenmiştir. Bu ölçütler çerçevesinde, her üç yaş grubunda (0, 15 ve 30 gün yaş) sırasıyla 91, 75 ve 64 genetik varyant tespit edilmiştir. Tespit edilen genlerin kromozom lokasyonları biyolojik süreçteki etkileri ve insan ortologları bakımından incelemesi yapılmıştır. Sonuçta bu genlerin lokomotor davranışla ilgili süreçlerde ve lokomotor bozuklukla karakterize olan birçok hastalıkla ilişkili olduğu görülmüştür. Bu bağlamda; lokomotor davranışın altını çizen genetik yapının etkileşimsel bileşenleri konusunda önemli ipuçları elde edildiği söylenebilir. Etkileşimde bulunması olası olan bu genler içerisinde, lokomotor davranışın genetik repertuarına katkı sağlayacak birçok yeni gen bulunmasının yanısıra, Parkinson gibi lokomotor bozuklukla ilişkili hastalıklar açısından önemli bilgiler sunacağı düşünülen genler de yer almaktadır.

Anahtar Kelimeler: Drosophila, lokomotor davranış, epistasi, parkin, genom çaplı ilişkilendirme analizi (GWAS)

Abstract:
The aim of this thesis was to locate by genome wide association study (GWAS) the genes which interacts with D. melanogaster parkin, a gene that affects locomotor behavior. The methodology of the thesis was based on release of 'hidden genetic variation', which makes detection of the epistatic genes available, by way of phenotypic variation in the expression of a focal gene across different genomes. The gene used this context, parkin, is located in D.melonagaster and is the ortholog of human PARK2 gene. Phenotypic scores were obtained by measuring startle response which is known as an indicative component of locomotor behavior. It is well known that mutations in parkin affect the phenotypic variation in locomotion. In the experiments, parkin mutant and its control were crossed with the 115 lines from the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP), a genomic mapping population with a defined genetic architecture by way of about 5 million SNPs distributed genomewide.  With DGRP lines, any biological trait can be easily mapped to its putative genes by using the phenotypic scores obtained. In this study, phenotypes of F1 generations, which were obtained by crossing Drosophila parkin homozygotes (parkin/parkin; w1118/w1118) with the control stock of this gene (parkin+/parkin+; w1118/w1118), were determined separately for 3 different age groups (0, 15 and 30 days). First, it was observed that the mean phenotypic difference between the parkin mutant and its control varied greatly across the genomes.  After related ANOVAs, these changes in the magnitude of and the direction of the difference were statistically highly significant confirming the presence of a genotype x genotype interaction. Secondly, a GWAS model based on this genotype x genotype interaction was conducted. After that GWAS, for each age group, genes hit by the SNPs with minor allele frequency of 0.05 were picked out. A second elimination was done by focusing only on the genes which had significant (i.e. p= 10-5) association for at least one of the phenotypic ascertainments (i.e. female effect; male effect; magnitude of the female-male difference).  On these criteria, for the three different age groups (0, 15 and 30 days of age) 91, 75 and 64 genetic variants were determined respectively. Those genes were classified with regard to their chromosome locations, relevant biological processes and human orthologs. It is suggested that these genes could be realistic candidates for many biological properties involved in locomotion and various disorders caused by locomotor defects. In conclusion, it is thought that important hints about the interactive genetic architecture of locomotor behavior have been obtained from the results of the studies comprising the thesis.  In this repertoire of potentially interacting genes, while there are many new candidate genes to be confirmed for locomotion in general, there seem to be also genes that could enrich the information about the disorders related to locomotion, such as Parkinsonism. 

Key Words: Drosophila, locomotor behavior, epistasis, parkin, genome wide association study (GWAS)