Şeker pancarı genomunda ekspansin genlerinin biyoinformatik yöntemler ile karakterizasyonu
Characterization of expansin genes in sugar beet genome by bioinformatics analysis
Yazar: DIMA FARIS ABDULKHADUM AL-MAMOORI
Danışman: DOÇ. DR. YASEMİN ÇELİK ALTUNOĞLU
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Ekspansin proteinleri ilk olarak 1992 yılında salatalıkta keşfedilmiş ve daha sonraki yıllarda bitkiler aleminin tüm dallarında ve bazı mikroorganizmalarda da bulunduğu ortaya çıkarılmıştır. Ekspansin gen ailesi EXPA, EXPB, EXLA ve EXLB olmak üzere dört alt sınıfa ayrılmıştır. Ekspansin proteinleri hücre duvarı genişleme süreçlerine aracılık etmektedir. Ekspansin proteinleri, özellikle hücre duvarı polimerlerini polisakkarit moleküllerinden bitki hücre duvarına kaydırma kabiliyetleri ve hücre duvarının yeniden şekillenmesine katkıları nedeniyle bitkiler üzerinde önemli biyolojik rollere sahiptirler. Günümüzde ekspansin genleri, çimlenmeden meyve vermeye kadar tüm aşamalarda bitki gelişiminde önemli faktörler olarak görülmektedir. Bitkilerde ekspansin genleri ile ilgili birçok çalışma olmasına rağmen, tam genom dizisi belirlenen şeker pancarında ekspansin genlerinin karakterizasyonu üzerine yapılan bu çalışma ilk olma özelliği taşımaktadır. Şeker pancarı (Beta vulgaris L.) genomunda 31 ekspansin geni tanımlanmıştır ve BvuEXPA-01-BvuEXPA-19, BvuEXPB-01 ve BvuEXPB-02, BvuEXLA-01-BvuEXLA-07 ve BvuEXLB-01-BvuEXLB-03 olarak şeker pancarı kromozomları üzerindeki konumlarına göre adlandırılmışlardır. Tüm BvuEXP genlerinin intron içerdiği ve filogenetik ağaca dayanılarak ekspansin ailesi proteinlerinin dört ana sınıfa ayrıldığı belirlenmiştir. miRNA analizi, sıklıkla 3 ekspansin geninin toplam 40 farklı miRNA tarafından hedeflendiğini, özellikle miR478 ve miR390'ın farklı miRNA'ların içerisinde en bol olanlar olduğunu göstermiştir. Şeker pancarı ekspansin genleri arasında, 72 adet tandem duplikasyon ve 268 adet segmental duplikasyon gözlenmiştir. Diğer organizmalardaki ekspansin gen ortologlarına bakıldığında ise en fazla ortolog gen Arabidopsis ile gözlenmiş, bunu ise çeltik, mısır ve kavak genleri izlemiştir. Mısır ekspansin genleri, 350 Milyon yıl önce (Myö) ile şeker pancarı ekspansin genlerinden en erken ayrılan genler olurken, bunu sırasıyla 338, 211 ve 178 Myö ortalama ayrılma oranları ile çeltik, Arabidopsis ve kavak genleri izlemiştir.  Ekspansin proteinlerinin ontolojisi de incelenmiş ve bitki hücrelerindeki tahmini biyolojik rolleri belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, ekspansin proteinlerinin tahmini 3 boyutlu yapılarında β tabaka yapılarının baskın yapı olduğu gözlenmiştir. Çalışma verilerinin, şeker pancarında ekspansin genlerinin daha ileri seviyede araştırılmasına, şeker içeriği ile bitki biyokütlesinin arttırılması ve biyolojik strese karşı direnç sağlamak için bitki özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla yapılacak çalışmalara katkı sağlayabilir nitelikte olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
Expansin proteins were first discovered in cucumbers in 1992, and in later years it was revealed that they were found in all branches of the plant kingdom and some microorganisms. The expansin gene family has been divided into four subclasses: EXPA, EXPB, EXLA and EXLB. Expansin proteins mediate cell wall expansion processes. Expansin proteins have important biological roles in plants, especially due to their ability to shift cell wall polymers from polysaccharide molecules to the plant cell wall and to contribute to cell wall remodeling. Today, expansin genes are seen as important factors in plant development at all stages from germination to fruiting. Although there are many studies on expansin genes in plants, this study on the characterization of expansin genes in sugar beet whose full genome sequence has been determined is the first. 31 expansin genes have been identified in the sugar beet (Beta vulgaris L.) genome. They were named according to their location on chromosomes as BvuEXPA-01-BvuEXPA-19, BvuEXPB-01 and BvuEXPB-02, BvuEXLA-01-BvuEXLA-07, and BvuEXLB-01-BvuEXLB-03. It has been determined that all BvuEXP genes contain introns and based on phylogenetic tree proteins of the expansin family are divided into four main clusters. miRNA analysis showed that often 3 expansin genes are targeted by 40 different miRNAs, especially miR478 and miR390 being the most abundant of different miRNAs. Among the sugar beet expansin genes, 72 tandem duplications and 268 segmental duplications were observed. Looking at the gene orthologs in other organisms, the most orthologous genes were observed with Arabidopsis, followed by rice, maize and poplar genes. While maize expansin genes were the earliest to separate from sugar beet expansin genes with 350 Million years ago (Mya), this was followed by rice, Arabidopsis and poplar genes with average seperation rates of 338, 211 and 178 Mya, respectively. The ontology of the expansin proteins was also examined and their predicted biological roles in plant cells were determined. In addition, β sheet structures were observed to be the dominant structure in the predicted 3-dimensional structures of the expansin proteins. The study data are thought to contribute to the further investigation of the expansin genes in sugar beet, to increase the sugar content and plant biomass and to improve the plant characteristics to provide resistance to biological stress.