Spinal müsküler atrofi hastalarının fibroblast kültürlerinde mikrotübül stabilitesinin araştırılması
Investigation of microtubule stability in fibroblast cultures of spinal muscular atrophy patients
Yazar: PELİN ZOBAROĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GAMZE BORA
Hacettepe Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Tıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Tıbbi Biyoloji = Medical Biology
Dizin: Atrofi = Atrophy ; Fibroblastlar = Fibroblasts ; Kas atrofisi-spinal = Muscular atrophy-spinal ; Mikrotübüller = Microtubules ; Mutasyon = Mutation ; Nörodejeneratif hastalıklar = Neurodegenerative diseases

Özet:
Spinal müsküler atrofi (SMA) motor nöron kaybı ve kas atrofisi ile karakterize olan, çoğunlukla yenidoğan ve çocukları etkileyen, otozomal resesif kalıtım gösteren nörodejeneratif bir hastalıktır. SMA 5q13.3 kromozom bölgesinde yer alan survival of motor neuron 1 (SMN1) genindeki mutasyonlardan kaynaklanmaktadır. SMN proteini tüm dokularda sentezlenmesine rağmen eksikliğinden spesifik olarak motor nöronlar etkilenmektedir. SMN eksikliğinde nöron morfolojisinde ve fonksiyonunda görülen hatalar hücre iskeleti elemanlarının yapısal ve fonskiyonel bozukluklarıyla ilişkilendirilmektedir. Hücre iskeletinin temel elemanlarından olan mikrotübüller, nöronlar gibi özelleşmiş hücrelerde akzon ve dendrit yapılarının kurulması ve hücre içi transportun sağlanması açısından önemlidir. SMN eksikliğinde in vitro ve in vivo modeller ile yapılan çalışmalarda mikrotübüllerin yerleşimleri, mimarisi ve polimerizasyonundaki değişiklikler gösterilmişse de altında yatan moleküler mekanizma detaylı olarak açıklanamamıştır.

Mikrotübüller alfa (α) ve beta (β) tübülin proteinlerinin bir araya gelmesiyle oluşan dinamik, içi boş ve silindirik yapılardır. Tübülin proteinlerinin mikrotübül yapısına eklenmesiyle mikrotübüller polimerize olmakta, yapıdan ayrılması ile depolimerize olmaktadır. Mikrotübül dinamiği ve stabilitesi mikrotübül-asosiye proteinler (MAP) ve tübülin proteinlerinin post-translasyonel modifikasyonları tarafından düzenlenmektedir. α ve β tübülin proteinlerinin amino ve karboksil uçlarında çeşitli post-translasyonel modifikasyonlar (ör; asetilasyon, detirozinasyon, delta2-tubulin vb.) gerçekleşmektedir. Tübülin post-translasyonel modifikasyonları, mikrotübüle bağlanarak yapı ve fonksiyonu düzenleyen proteinleri ve diğer hücre iskelet elemanlarının mikrotübül ile etkileşimlerini düzenlemektedir.
Anabilim Dalı'mızda SMA hastalığının moleküler mekanizmasının aydınlatılmasına yönelik temel araştırmalar yürütülmektedir. SMA hastalığının in vitro ve in vivo modelleriyle yaptığımız önceki çalışmalarda, SMN eksikliğinde mikrotübül stabilitesini düzenleyen bazı proteinlerin ifadesinde (MAP1B, MAP2 ve EB3) ve tübülin post-tranlasyonel modifikasyonlarında (asetilasyon ve detirozinasyon) anlamlı değişiklikler saptanarak mikrotübül stabilitesinin azaldığı gösterilmiştir. Literatürde ve önceki çalışmalarımızda SMN eksikliğinde saptanan bu hatalar, in vitro ve in vivo model sistemlerde gösterilmiş olup hastalara ait örneklerde mikrotübül yapı ve stabilitesinin araştırıldığı bir çalışma bulunmamaktadır. 

Bu nedenle önerdiğimiz tez çalışmasında, SMA hastalarının fibroblast kültürlerinde mikrotübül stabilitesinin araştırılması amaçlanmıştır. Hastalığı farklı ciddiyette seyreden iki hasta (Tip I ve Tip II) ve iki sağlıklı kontrol bireye ait ticari olarak temin edilmiş olan fibroblast hücrelerinde mikrotübül ağ yapısı ve stabilitesi analiz edilecektir. Bu tez çalışması ile, mikrotübül stabilitesi SMA hasta fibroblast kültürlerinde ilk kez çalışılacaktır. SMA hastalığının moleküler düzeyde daha iyi anlaşılmasına katkı sağlayacak bu tez çalışması sonucunda mikrotübül stabilitesinde fark saptanması durumunda mikrotübül fonksiyonlarının (hücre içi transport, organel pozisyonu vb) analizi ve stabiliteyi sağlayabilecek küçük moleküllerin etkilerinin araştırılması mümkün olabilecektir.

Abstract:
Spinal muscular atrophy (SMA) is an autosomal recessive inherited neurodegenerative disease, which mostly affects infants and children, characterized by motor neuron loss and muscle atrophy. Mutations in the survival of motor neuron 1 (SMN1) gene,  located at the 5q13 chromosomal region, are the causes of SMA disease. SMN protein is expressed in all cells however, its deficiency primarily affects motor neurons. Absence of SMN causes defects in neuronal morphology and function which is associated with structural and functional defects in cytoskeleton elements. Microtubules, one of the basic elements of the cytoskeleton, are important for the establishment of axon and dendrite morphology in specialized cells such as neurons, and intracellular transport. In in vivo and in vitro SMA models, SMN deficiency leads to alterations in architecture and polymerization of microtubules, however underlying molecular mechanisms have not been elucidated.
Microtubules are hollow cylindrical polymers, composed of alpha (α) and beta (β) tubulin proteins. Microtubule polymerization and depolymerization occurs by tubulin assembly and disassembly, respectively. Microtubule dynamics and stability are regulated by post-translational modifications of tubulin proteins and microtubule-associated proteins (MAPs). Various post-translational modifications (acetylation, detyrosination, delta2-tubulin, etc.) occur at the amino and carboxyl-terminal of the α and β tubulin proteins. Tubulin post-translational modifications play a role in the interaction of microtubules with other regulatory proteins and cytoskeletal elements.
In our department, to explain the molecular mechanisms of SMA disease, basic studies have been performed.  Previously, we showed significant alterations in the expression of some microtubule related proteins (MAP1B, MAP2 and EB3) and tubulin post-translational modifications (acetylation and detyrosination) in an in vitro and in vivo SMA models, indicating reduced microtubule stability. However, there is no study in literature investigating microtubule structure and stability in patient cells. 
Therefore, in this thesis, we aim to investigate microtubule stability in fibroblast cultures of SMA patients. The structure of the microtubule network and stability will be analyzed with commercially available fibroblast cultures of two patients from different clinical severities (Type I and Type II) and two healthy controls. With this thesis, microtubule stability will be studied for the first time in SMA patient fibroblast cultures. Detection of alterations in microtubule stability will provide a basis for further studies on microtubule functions (intracellular transport, organelle position, etc.) and small molecules for restoring microtubule stability.