Fare gelişiminde rolü olan nöronal faktörlerin gen ekspresyon değerlerinin belirlenmesi
Characterization of gene expression levels of neuronal factors that have roles in mouse development
Yazar: ZEHRA DİLŞAD ÇOBAN
Danışman: PROF. DR. ŞEFİK GÜRAN ; PROF. DR. FERİT AVCU
GATA / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Tıbbi Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Genetik = Genetics ; Moleküler Tıp = Molecular Medicine
Dizin: Gametogenez = Gametogenesis ; Polimeraz zincirleme reaksiyonu = Polymerase chain reaction

Özet:
Canlılığın başlangıcında sperm ile oosit birleşerek zigot oluşur. Daha sonra hücrelerin bölünmeler ile uterusta embriyo oluşur. Memeli canlılar için belirli bir hamilelik dönemi sonrasında yaşayan bir canlı doğar. Embriyogenezde merkezi sinir sistemini oluşturan nöral ve glial farklanma ektoderm tabakasından başlar. Nörogenez ve gliyogenezi içeren bu gelişimsel süreç hızla devam ederek erişkin canlıda beyin yapısını oluşturur. Erken embriyogenezde farklı genler aktif rol oynar. Bu konuda literatürde çok çalışma olmasına rağmen genlerin beyin gelişimine hangi aşamada nasıl etki ettiği konusu halen tam olarak bilinmemektedir. Örneğin 'Homeobox-HOX' gen ailesi vücut segmentasyonunda ve organ yerleşiminde rol alan transkripsiyonel faktörlerdir. Birçok genin aktif hale gelmesinde transkripsiyonel olarak rol alırlar. 'Growth differentiation factor-GDF' gen ailesi ise büyüme ve gelişmenin düzenlenmesinde kilit rolleri olan sitoplazmik proteinleri kodlar. İntermediate filament olarak NESTİN nöral plak oluşumunda ve merkezi sinir sisteminin yapılanmasında görevli sitoplazmik bir proteindir. Nöral kök hücrenin nöral kök hücre olarak sürekliliğini sağlar. Bu nedenle çalışmamızda özellikle erken embriyonik dönemde aktif olduğu bilinen genler ile beyin gelişiminin farklı aşamalarında rol oynayan genler gelişimin farklı evreleri baz alınarak gen ekspresyonu düzeyinde çalışıldı (oosit, sperm, 1. Trimester embriyo, 2. Trimester embriyo, 3. Trimester embriyo ile 1 haftalık fare, 2 haftalık fare ve erişkin fare beyin dokusu). Labaratuarımızda alınan örneklerden RNA izolasyonu, cDNA sentezi ve "Real Time-Polymerase Chain Reaction" analizi yapıldı. En önemli bulgu olarak 'Kruppel-like factor 4-KLF4', 'SRY-box 2-SOX2', 'POU domain, class 5, transcription factor 1-POU5F1', 'HomeoboxB9-HOXB9', 'HomeoboxC9-HOXC9', 'HomeoboxD12-HOXD12', 'Nucleoplasmin 2-NPM2', 'Forkhead box A1-FOXA1', 'Sonic-Hedgehog–SHH', 'DAZ interacting protein 1-DZIP1' ve 'DAZ interacting protein 3-DZIP3' genlerinin 3. trimester embriyo beyin dokusunda ekspresyon düzeyleri yüksek bulundu. Bilindiği gibi bu genler erken embriyogenez, nöral ve glial farklanmada önemli rollere sahiptir. Bu bulgulara göre bu genler beyin gelişiminde 3. trimester fetal dönemde rol alır. Erişkin beyin dokusunda 'Neuroguidin-NGDN', 'Neural Proliferation Differentiation and Control 1-NPDC1', 'Bone morphogenetic protein 6-BMP6', 'Bone morphogenetic protein 7-BMP7', 'Growth differentiation factor 2-GDF2', 'Growth differentiation factor 27-GDF7', 'Growth differentiation factor 10-GDF10', SHH, 'Protamine1-PRM1', 'Protamine2-PRM2', 'DAZ associated protein –DAZAP' ve DZIP3 gen ekspresyon düzeyleri yüksek bulundu. Bulgular bu genlerin erişkin beyin dokusunun devamlılığında da rolü olduğunu göstermektedir. 
Çalışmamızda oosit ve evresi belirli embriyo (1 hücre, 2 hücre, 4 hücre ve 8 hücre) elde etmek için farelere  (mus musculus) ovulasyon indüksiyonu yapıldı. Evresi belirli embriyo elde edilmesi için özel bir yöntemle çiftleşme zamanı ayarlandı. Bu amaçla östrus siklus takibi yöntemlerinden biri labaratuarımızda modifiye edilerek uygulandı. Vajinal yıkama yapıldı. Östrus siklus tayini için hücreler toluidin mavisi ile boyandı. Fare dokularında, erken embriyogenez aşamalarında etkin (HOX gen ailesi, GDF gen ailesi, BMP gen ailesi) ve beyin gelişiminde etkin (NESTİN, FOXA1, NPDC, NGDN) genlerinde gen ekspresyon düzeyleri bakıldı. Gen ekspresyon analizleri için fareden alınan oosit, sperm, 1. trimester embriyo, 2. trimester embriyo, 3. trimester embriyo, 1 haftalık fare, 2 haftalık fare ve erişkin fare beyin dokusu kullanıldı. RNA' lar izole edildi ve c DNA sentezi gerçekleştirildi. Gen ekspresyon düzeyleri RT-PCR yöntemi ile bulundu. Sonuçlar istatistiksel olarak değerlendirildi.
Çalışmamızda modifiye ederek uyguladığımız östrus siklus takip yöntemi ile hamilelik oranında %100 başarı elde edildi. Ovulasyon indüksiyonunda ise oosit eldesinde %100 başarılı olurken embriyo eldesindeki başarımız % 66 oldu. 
Genlerin ekspresyon analizi sonuçlarına göre; KLF4, SOX2, POU5F1, HOXC9,  HOXD12, HOXB7, NLRP5, FOXA1, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 ve DAZAP1 genlerine ait ekspresyonları 3. trimester embriyoda yüksek bulundu. Erişkin beyin dokusunda NGDN, NPDC, SHH, BMP6, BMP7, GDF2, GDF7, GDF10, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 ve DAZAP genlerinde yüksek ekspresyon değerleri bulundu. 
Çalışmamızda 3. trimester fare embriyo beyin dokusunda KLF4, SOX2, POU5F1 ,HOXC9, HOXD12, HOXB7, NLRP5, FOXA1, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 ve DAZAP1 genlerinin ekspresyonları yüksektir. Litratürde KLF4, SOX2, POU5F1 ve HOX genlerinin yenidoğan canlıda yüksek ekspresyon değerlerinin olduğunu belirten yayınlar vardır. Bizde böyle bulunması literatür ile uyumludur. Bu bulgu 3. trimesterda özellikle KLF4, SOX2, POU5F1, HOX gen ailesi ile FOXA1, SHH genlerine ait yüksek ekspresyon değerleri canlının çevreye uyumu aşamasında bu genlerin olası rolünü düşündürmektedir. 
Erişkin beyin dokusunda NGDN, NPDC, SHH, BMP6, BMP7, GDF2, GDF7, GDF10, PRM1, PRM2, DZIP3 ve DAZAP gen ekspresyon düzeyleri yüksek bulundu. Literatür bilgileri ile uyumlu olan bu bulgu birçok genin fetal ve erişkin dönemlerinde beyinde farklı hücre içi sinyal yolaklarında görev alabileceğini göstermektedir.
Elde edilen bulgular ışığında, östrus siklus takibi yöntemi olarak uyguladığımız yöntem literatürdeki diğer yöntemlere göre uygulaması daha kolay ve etkindir. Üçüncü trimester fetusta bulunan yüksek ekspresyon değerleri bu genlerin doğum anında da etkin olduğunu düşündürmektedir. Sonuçta bulgularımız, erken gelişim evrelerinde rol oynayan genlerin hem doğumda hem de erişkin dönemde rolleri olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
At the beginning of life, sperm and oocyte come together and create zygote. After the infinite divisions of the cells, an embryo develops in uterus, in mammalians. After a certain period of pregnancy, a living creature is born. In embryogenesis, neural and glial differentiation begin from ectoderm.  In central nervous system this process including neurogenesis and gliogenesis go rapidly to form brain as an organ in adult. In the stages of early embryogenesis, many different genes play active roles. Despite of the findings in literature about this subject, the roles of the genes in different stages in brain development are not clear. For example the members of Homeobox-HOX gene family are the transcriptional factors that have roles in body segmentation and organ location. They play roles in the activation of many genes as transcriptional factors. The members of Growth differentiation factor-GDF gene family encode cytoplasmic proteins which have important roles in regulation of growth and development. As an intermediate filament, NESTIN is a cytoplasmic protein that has effective role on neural plate formation and central nervous system development. It provides neural stem cell maintenance. For this reason, the active genes in early embryonic stage and brain development were studied in different stages (oocyte, sperm, 1. trimester embryo, 2.trimester embryo, 3. trimester embryo, 1 week-old newborn mouse, 2 week old newborn mouse and adult mouse brain tissue) for finding the gene expression levels in our study. In our laboratory, RNA isolation, cDNA synthesis and Real Time-Polymerase Chain Reaction were performed from the samples. As the most important finding, Kruppel-like factor4-KLF4, SRY-box2-SOX2, POU domain, class5, transcription factor1-POU5F1, HomeoboxB9-HOXB9, HomeoboxC9- HOXC9, HomeoboxD12- HOXD12, Nucleoplasmin2-NPM2, Forkhead boxA1-FOXA1, Sonic-Hedgehog -SHH, DAZ interacting protein 1-DZIP1 and DAZ interacting protein 3-DZIP3 gene ekspression levels were high in 3rd trimester fetal brain tissue. As known these genes play important role in early embryogenesis, also in neural differantiation . So these genes may have possible roles in brain development in 3. trimester embrio. In the adult brain, Neuroguidin-NGDN, Neural Proliferation Differentiation and Control 1-NPDC1, Bone morphogenetic protein 6-BMP6, Bone morphogenetic protein 7-BMP7, Growth differentiation factor 2-GDF2, Growth differentiation factor 27-GDF7, Growth differentiation factor 10-GDF10, SHH, Protamine1-PRM1, Protamine2-PRM2, DAZ associated protein -DAZAP and DZIP3 gene expression levels were high. These findings may represent us that these genes have possible roles in the maintenance of differantiated brain tissue in adult. 
In our study, ovulation induction was applied in mice (mus musculus) for collecting oocytes and embryos at definite stages (1 cell, 2 cells, 4 cells and 8 cells). The mating time of the female mouse was arranged for obtaining mouse embryos at definite stages. For this purpose, a method was modified and applied in our laboratory. In our methodology, vaginal lavage was applied. The cells obtained from vaginal lavage were stained with toluidin blue for defining the estrous cycle. In tissues obtained from the mice, the gene expression levels of the genes active in early embryogenesis (HOX gene family, GDF gene family, BMP gene family…) and the genes active in brain development (NESTIN, FOXA1, NGDN,  NPDC1 …) were studied. For gene expression analyses, oocyte, sperm, 1st trimester embryo, 2nd trimester embryo, 3rd trimester embryo, 1 week-old newborn, 2 week-old newborn and adult mouse brain tissue were used. RNAs were isolated and cDNAs were obtained. In RT-PCR analyses, the gene expression analyses results were obtained. The results from this tissues were evaluated statistically. 
In the modified methodology used in our laboratory, the defining the estrous cycle ratio was obtained as 100%. In ovulation induction methodology, the success was 100% in the collections of the oocytes whereas %66 in the collections of the embryos.
In gene expression analyses results, KLF4, SOX2, POU5F1, HOXC9, HOXD12, HOXB7, NLRP5, FOXA1, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 and DAZAP gene expression levels were found as high in the 3rd trimester embryos. The gene expression levels of NGDN, NPDC1, BMP6, BMP7, GDF2, GDF7, GDF10, SHH, PRM1,PRM2, DZIP3  and DAZAP were high in the adult brain tissue. 
In our study, the gene expression levels of KLF4, SOX2, POU5F1, HOXC9, HOXD12, HOXB7, NLRP5, FOXA1, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 and DAZAP1 were high in 3rd trimester Mouse embryos. In literature, there are studies about KLF4, SOX2, POU5F1 and HOX genes that have high expression levels in newborn. Our finding support the literatüre findings. This may respresent us the possible roles of KLF4, SOX2, POU5F1, HOX gene family, FOXA1 and SHH in the orientation of the newborn creature to the new environment. 
In the adult brain tissue, NGDN, NPDC, SHH, BMP6, BMP7, GDF2, GDF7, GDF10, SHH, PRM1, PRM2, DZIP3 and DAZAP genes had elevated expression levels. These results were correlated with the literature findings. It is important to show the possible roles of these genes in fetal and adult periods in brain in many cell signaling pathways. 
Due to our findings, the method in defining the estrous cycle used in our study is more easy to apply and more effective in statistically than the other methods described in the literature. The high expression levels observed in the 3rd trimester embryo may represent us the possible roles of these genes at the time of birth. So, the genes which active in the early embryogenesis, also active brain both at the time of birth and in adult brain tissues according to our results.