Camponotus floridanus'ta BMP sinyalizasyonu ve zorunlu endosimbiyont varliğinda değişimi
BMP signaling in camponotus floridanus and its alteration in the presence of obligate endosymbionts
Yazar: NİHAN SULTAN MİLAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT PEKMEZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDUL MATTEEN RAFIQI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Moleküler Biyoteknoloji ve Genetik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyoloji = Biology
Dizin: Gen düzenleyici ağlar = Gene regulatory networks ; Kemik morfojenik proteinleri = Bone morphogenic proteins ; Morfogenetik = Morphogenetic

Özet:
Birbiriyle etkileşen genlerden oluşan Gen Düzenleyici Ağlar (GRN'ler, Gene Regulatory Networks), çok çeşitli gelişimsel bağlamlarda patern oluşumundan sorumludur. Tüm iki taraflı simetrik hayvanlar, embriyogenez sırasında gelişimsel patern oluşumu yoluyla simetri eksenlerini kurma sorunuyla karşı karşıyadır. GRN'ler bu gelişimsel patern oluşumu ve morfogenetik süreçlerin temelinde yer alır ve bu etkileşimlerdeki değişiklikler fenotipte değişikliklere neden olur. En kapsamlı şekilde karakterize edilen GRN'lerden biri, birçok böcekte Kemik Morfogenetik Protein (Bone Morphogenetic Protein, BMP) sinyal yolu tarafından yönlendirilen dorsoventral (DV) patern oluşum sistemidir. DV ekseninin oluşumu Drosophila melanogaster'da iyi çalışılmış olsa da, karıncalar söz konusu olduğunda bu süreçler büyük ölçüde bilinmemektedir. Ayrıca, hücresel endosimbiyontlara ev sahipliği yapan böcekler söz konusu olduğunda, konak gelişimsel GRN'lerin, endosimbiyont ve kendi hücreleri arasındaki sinyallerle etkileşimleri nedeniyle ek zorluklarla karşılaşılır.

Bu tezde, endosimbiyont varlığının, konağın DV ekseninin oluşumuna etkisi araştırılmıştır. Endosimbiyontun mevcudiyeti durumunda DV ekseninin kurulmasının nasıl değiştirilebileceğini anlamak için, bu süreçler marangoz karınca Camponotus floridanus'ta karakterize edilmiştir. Bu amaçla hayvanlarda DV paternini temel olarak kontrol eden BMP sinyali karakterize edilmiştir. Moleküler klonlama, in situ hibridizasyon, RNA İnterferans gibi moleküler teknikler özellikle DV ekseni oluşumunda yer alan gelişimsel genlerin ekspresyonunu ve işlevini incelemek için kullanılmıştır. 

Sonuçlar, BMP sinyal yolunun C.floridanus'un erken gelişimi sırasında aktif olduğunu ortaya koymuştur. Gen ekspresyonu çalışmaları göstermiştir ki ligandlar decapentaplegic (dpp), glass-bottom boat (gbb); metalloproteaz tolloid (tld); antagonistler twisted gastrulation (tsg), short gastrulation (sog); tip I reseptör thickveins (tkv) and tip II reseptör punt embriyo ve germline kapsülünde eksprese edilirken dpp ve sog hariç serosa ya da amniyonda eksprese edilmezler. dpp ve sog amniyonda sog ise serosa da ekprese edilir. dpp, gbb ve tkv erken aşamalarda bakteri bölgesinde, tld, sog ve tkv ise daha sonraki aşamalarda yumurtadaki bakteriyosit bölgesinde eksprese edilir. Gen fonksiyonu çalışmaları, BMP sinyalinin azalmasının veya kaybının, üç embriyonik germ tabakasının - ektoderm, mezoderm ve endoderm - kimliğini etkilediğini ortaya koymuştur. Ek olarak, ekstraembriyonik serosanın oluşumu, BMP sinyalinin azalmasından etkilenirken, amniyonun kimliği bu yoldan bağımsız olabilir.

Abstract:
Gene Regulatory Networks (GRNs) composed of interacting genes are responsible for pattern formation in a wide variety of developmental contexts. All bilaterally symmetric animals face the problem of setting up their axis of symmetry through developmental patterning during embryogenesis. GRNs underlie these developmental patterning and morphogenetic processes, and changes in the interactions cause changes in phenotype. One of the most thoroughly characterized GRN is the dorsoventral (DV) patterning system, driven by Bone Morphogenetic Protein (BMP) signaling pathway in many insects. Although the establishment of the DV axis is well studied in Drosophila melanogaster, it is largely unknown in the case of ants. Moreover, in the case of insects that host cellular endosymbionts, additional challenges are faced because of the interactions between the endosymbiont and intercellular signals of the host developmental gene regulatory networks. 

In this thesis, the effect of the presence of endosymbiont on the formation of the DV axis of the host was investigated. In order to understand how the establishment of the DV axis can be altered in case of the presence of the endosymbiont, these processes were characterized in carpenter ant Camponotus floridanus. BMP signaling, which primarily controls DV patterning in animals, was characterized. Molecular techniques such as gene cloning, in situ hybridization, and RNA interference were used to examine the expression and function of developmental genes that are particularly involved in DV axis formation. 

Our results revealed that BMP signaling was active during early development of C.floridanus. Gene expression studies showed that ligands decapentaplegic (dpp), glass-bottom boat (gbb); metalloprotease tolloid (tld); antagonists twisted gastrulation (tsg), short gastrulation (sog); type I receptor thickveins (tkv) and type II receptor punt were expressed in the embryo and germline capsule while they were not expressed in the extraembryonic serosa or amnion excluding dpp, sog. dpp and sog were expressed in the amnion while sog was expressed in the serosa. dpp, gbb and tkv were expressed in the bacterial region at early stages as well as tld, sog and tkv were expressed in the bacteriocyte region in the egg at later stages. Gene function studies revealed that the reduction or loss of BMP signalling affects the identity of the three embryonic germlayers – ectoderm, mesoderm, and endoderm. In addition, the formation of the extraembryonic serosa was affected by the reduction of BMP signalling, whereas the identity of the amnion may be independent of this pathway.