Schizosaccharomyces pombe'de magnezyum eksikliğinin hücre döngüsü üzerine etkisi
The effect of magnesium deficiency on the cell cycle in Schizosaccharomyces pombe
Yazar: GÜLŞEN UZ
Danışman: PROF. DR. BEDİA PALABIYIK ; PROF. DR. AYŞEGÜL SARIKAYA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoloji ve Genetik  Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Genetik = Genetics
Dizin: Hücre döngüsü = Cell cycle ; Magnezyum eksikliği = Magnesium deficiency ; RNA dizileme = RNA sequencing ; Schizosaccharomyces pombe = Schizosaccharomyces pombe

Özet:
Magnezyum (Mg+2) hücrelerde en fazla bulunan divalent katyon olup, hücre membran yapısının, proteinlerin ve nükleik asitlerin yapısal kararlılığını sağlamasının yanı sıra, çok sayıda enzimin kofaktörü ve allosterik düzenleyicisi olarak hücredeki hayati fonksiyonların gerçekleşmesini sağlar. Magnezyum yapısal kararlılığı sağlayarak ve enzim aktivitelerini düzenleyerek, hücrede büyüme sinyalinin alınması, sinyal iletimi, DNA replikasyonu, transkripsiyon, protein sentezi ve hücre bölünmesi gibi temel hücresel süreçlerle yakından ilgilidir. 
İskemik ve konjestif kalp rahatsızlıkları, hipertansiyon, diyabet, Alzheimer, ateroskleroz, pre-eklampsi/eklampsi, diyabet ve kanser gibi çok sayıda hastalığın magnezyum homeostasisinin bozulması ile ilişkili olabileceği belirtilmiştir. Yapılan araştırmalar, değişen iklim koşulları, gübreleme gibi nedenlerle toprakta pek çok mineralin özellikle magnezyumun azaldığını göstermiştir. Bununla birlikte tahıl ve gıdaların işlenmesi, işlenmiş gıdaların beslenmede fazlasıyla yer alması, magnezyum eksikliği görülen insanların sayısında artışa neden olmuştur. Magnezyum eksikliği görülen insanların yaklaşık %60' ı kronik hastalıklarla mücadele etmektedir. 
Magnezyumun fizyolojik ve patolojik etkilerinin anlaşılmasında hücre ve genom düzeyinde yapılacak araştırmalar, magnezyum homeostasisinin bozulmasıyla ilişkilendirilen hastalıkların moleküler mekanizmalarının aydınlatılması ve tedavi yöntemlerinin geliştirilmesi bakımından önem taşımaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında, temel hücresel süreçler ve genetik mekanizmalar bakımından memeli hücresine oldukça benzeyen Schizosaccharomyces pombe (S.pombe) mayası kullanıldı. Uzun süreli magnezyum eksikliği için model oluşturan, hücre ve vakuol membranındaki magnezyum transport sistemi PCR temelli delesyon ile kaldırılmış GA2 mutant suş, kontrol olarak bu suşun elde edildiği SP292 atasal suş ve atasal suşun besi ortamından magnezyum uzaklaştırılmasıyla kısa süreli magnezyum eksikliği oluşturulan örneklerde genom bazında RNA dizileme (RNA-Seq) yöntemi ile transkriptom analizi yapıldı. Analiz sonucunda, uzun süreli magnezyum eksikliği olan GA2 suşunda kontrole göre farklı anlatımı olan 1778 transkriptten 986' sının artış gösterdiği, 792' sinin azalış gösterdiği belirlendi. Kısa süreli magnezyum eksikliği oluşturulan atasal suşta ise, kontrole göre farklı anlatımı olan 1035 transkriptten 740' ının artış gösterdiği, 295' inin azalış gösterdiği saptandı. Anlatımı değişen genlerin gen ontolojisi analizi yapıldı ve uzun süreli magnezyum eksikliğinden en çok etkilenen yolakların, başta aminoasit metabolizması olmak üzere, protein katabolik süreci, karbonhidrat metabolizması, ATP metabolizması, aerobik solunum, TOR (Target of Rapamycin) sinyal yolağı, reprodüktif süreç, mitotik hücre döngüsü süreci, proton transportu, heterokromatin organizasyonu ve oksidatif stres yanıtı olduğu tespit edildi. 
Magnezyum eksikliğinin özellikle hücre döngüsü üzerine etkisini araştırmak amacıyla gerçekleştirilen bu çalışmada, hücre döngüsü süreciyle ilişkili genlerin %23 'ünün uzun süreli magnezyum eksikliğine, %17'sinin kısa süreli magnezyum eksikliğine bağlı olarak anlatımının değiştiği belirlendi. İki örnekte çoğunlukla farklı genlerin anlatımının değiştiği; anlatımı değişen genlerin, uzun süreli magnezyum eksikliğinde hücre döngüsünün G2/M geçiş aşaması, kısa süreli magnezyum eksikliğinde hücre döngüsünün G1/S geçiş aşaması ile ilişkili olduğu görüldü. Besin kısıtlaması ve stres koşullarında hücre canlılığının devamını sağlayan ve hücre döngüsünün önemli bir kontrolcüsü olan TOR sinyal yolağının, uzun süreli magnezyum eksikliğine bağlı olarak anlamlı düzeyde etkilendiği belirlendi. Bu çalışmadan elden edilen bulgular, GA2 suşunda uzun süreli magnezyum eksikliğinin stres yanıtının aktifleşmesine neden olarak, hücre döngüsünün G2/M aşamasında tutuklanma olasılığını düşündürmektedir.

Abstract:
Magnesium (Mg2+) is the most abundant divalent cation in cells, and it provides the structural stability of cell membrane structures, proteins, and nucleic acids, as well as vital functions in the cell as a cofactor and allosteric regulator of many enzymes. Magnesium is closely related to basic cellular processes such as growth signal reception, signal transduction, DNA replication, transcription, protein synthesis, and cell division by providing structural stability and regulating enzyme activities.
It has been stated that many diseases such as ischemic and congestive heart diseases, hypertension, diabetes, Alzheimer's, atherosclerosis, pre-eclampsia/eclampsia, diabetes and cancer may be associated with the deterioration of magnesium homeostasis. Studies have shown that many minerals, especially magnesium, decrease in the soil due to changing climatic conditions and fertilization. However, the processing of grains and foods, the excessive use of processed foods in the diet, has led to an increase in the number of people with magnesium deficiency. About 60% of people with magnesium deficiency struggle with chronic diseases.
Research at the cell and genome level in understanding the physiological and pathological effects of magnesium is important in terms of elucidating the molecular mechanisms of the diseases associated with the deterioration of magnesium homeostasis and developing treatment methods.
Schizosaccharomyces pombe (S.pombe) yeast, which is very similar to mammalian cells in terms of basic cellular processes and genetic mechanisms, was used in our study. RNA sequencing was performed on samples from the GA2 mutant strain, whose magnesium transport system in the cell and vacuole membrane was abolished by PCR-based deletion, and which serves as a model for long-term magnesium deficiency, and SP292, an ancestral strain from which this strain was obtained as a control, and in which short-term magnesium deficiency was created by removing magnesium from the ancestral strain's medium. As a result of the analysis, it was determined that 986 of the 1778 transcripts with different expression compared to the control in the GA2 strain with long-term magnesium deficiency showed an increase and 792 a decrease. In the ancestral strain with short-term magnesium deficiency, 740 of the 1035 transcripts with different expressions compared to the control were found to increase and 295 to decrease. Gene ontology analysis of genes whose expression was changed and the pathways most affected by long-term magnesium deficiency, especially amino acid metabolism, protein catabolic process, carbohydrate metabolism, ATP metabolism, aerobic respiration, TOR (Target of Rapamycin) signaling pathway, reproductive process, mitotic cell cycle process, proton transport, heterochromatin organization, and oxidative stress response.
This study was carried out to investigate the effect of magnesium deficiency, especially on the cell cycle. It was determined that 23% of the genes related to the cell cycle process, were changed due to long-term magnesium deficiency, 17% of the genes related to the cell cycle process due to short-term magnesium deficiency. In both samples, mostly different genes' expressions changed. The genes whose expression changed were associated with the G2/M transition stage of the cell cycle in long-term magnesium deficiency and the G1/S transition stage of the cell cycle in short-term magnesium deficiency. The TOR signaling pathway, which is an important controller of the cell cycle and maintains cell viability under nutrient restriction and stress conditions, was significantly affected due to long-term magnesium deficiency. Our findings suggest the possibility of arrest in the G2/M phase of the cell cycle by causing the activation of the stress response of prolonged magnesium deficiency in strain GA2.