Tek hücreli RNA dizileme verileriyle ankilozan spondilit hastalığına özgü genom-ölçekli metabolik modellerin oluşturulması
Construction of ankylosing spondylitis-specific genome-scale metabolic models with single-cell RNA sequencing data
Yazar: MERVE YARICI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED ERKAN KARABEKMEZ
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Ankilozan Spondilit (AS) başta omurgada olmak üzere eklemleri etkileyerek kronik bir ağrıya neden olan ve en yaygın rastlanan otoimmün hastalıklardan biridir. Hastalık patogenezinin henüz aydınlatılmamış olmasıyla beraber hastalığın erken teşhisinde kullanılan HLA-B27 geni yüksek oranda yalancı pozitiflik içerdiğinden etkili bir biyobelirteç görevi görmemektedir. Heterojen hastalıkların immünolojik mekanizmasının araştırılmasında farklı hücre tiplerinin biyolojik süreçlerdeki rollerinin bilinmesi süreci kolaylaştırmakta ve etkili tedavi yöntemlerinin geliştirilmesini sağlamaktadır. Son yıllarda kullanımı hızla artan ve her hücre tipini spesifik olarak inceleme fırsatı sunan tek hücreli RNA dizileme tekniği (scRNA-seq) hastalıkların immünolojik mekanizmalarının araştırılmasında kullanılan avantajlı bir yöntemdir. Hücresel metabolizmayı anlamak için genom ölçekli metabolik modellerin scRNA-seq verilerine uygulanması gen-reaksiyon bağlantılarını belirleyerek metabolik akışı tahmin etme ve hastalıkların biyolojik  mekanizmalarının anlaşılması için önemli ipuçları sağlayabilme potansiyeli barındırmaktadır. Bu tez çalışmasında AS hastalığına özgü periferik kan mononükleer hücrelerinin (PKMH) scRNA-seq verileri analiz edilmiş ve GIMME algoritması kullanılarak her hücre tipi için ayrı ayrı genom ölçekli metabolik modeller oluşturularak hasta ve sağlıklı koşul arasında değişen reaksiyon akıları analiz edilmiştir. Ayrıca, her hücre tipi için raportör metabolit analizleri gerçekleştirilmiş ve protein-protein etkileşim (PPE) ağları oluşturularak hücre tipine özgü ağlar karşılaştırılmış ve topolojik rolü farklılaşan genler/proteinler bulunmuştur. Sonuç olarak, AS'li  hastaların CD14 Monocytes, CD4 Memory, CD4 Naive ve CD8 T hücrelerinde pürin metabolizması, doymamış yağ asitlerinin biyosentezi ve glikoliz üzerindeki akışların sağlıklı bireylere göre diferansiyel olarak arttığı görülmüştür. Ayrıca, ACTB geni AS hastalarında tüm hücre tipleri için yukarı regüle edildiği gözlemlenen en tutarlı merkezi gen/protein olarak bulunmuştur ve yine merkezi genlerden HSPA8 ve HMBG1 genleri ise HLA-B27'ye alternatif potansiyel biyobelirteç olarak ortaya çıkmıştır.

Abstract:
Ankylosing Spondylitis (AS) is one of the most common autoimmun diseases which affects joints – especially spinal joints - and causes chronic pain. HLA-B27 gene is used as biomarker for diagnosis of the disease, but it carries high rate of false positivity that's why this gene is not approved as an effective biomarker. In the investigation of the immunological mechanism of heterogeneous diseases, knowing the roles of different cell types in biological processes facilitates the process and enables the development of effective treatment methods. Single-cell RNA sequencing technique (scRNA-seq), which has been used increasingly in recent years and offers the opportunity to examine each cell type specifically, is an advantageous method. The application of genome-scale metabolic models to scRNA-seq data to understand cellular metabolism has the potential to predict metabolic flux by identifying gene-reaction links and provide important clues for understanding the biological mechanisms of diseases. In this study, scRNA-seq data of peripheral blood mononuclear cells (PBMC) specific to AS disease were analyzed and the reaction fluxes varying between patient and healthy condition were analyzed by creating separate genome-scale metabolic models for each cell type using the GIMME algorithm. In addition, reporter metabolite analyses were performed for each cell type and cell type specific networks were compared by forming protein-protein interaction (PPI) networks and genes/proteins with differing topological roles were found. As a result, purine metabolism, biosynthesis of unsaturated fatty acids and fluxes on glycolysis were observed to be differentially increased in CD14 Monocytes, CD4 Memory, CD4 Naive and CD8 T cells of patients with AS compared to healthy individuals. Also, the ACTB gene was found to be the most consistent central gene/protein observed to be up-regulated for all cell types in AS patients, and the central genes HSPA8 and HMBG1 emerged as potential biomarkers alternative to HLA-B27.