Comprehensive Mapping of the Genomic Evolution in Human Fibroblasts Reaching Replicative Senescence

Abstract

Vücut yaşlanması, hücresel yaşlanmanın (senesens) toplam ve kaçınılmaz sonucudur. Hücreler bölündükçe, kromozom uçlarındaki tekrarlayan telomer dizileri kısalmakta, DNA hasar tepkisi tetiklenerek hücre döngüsü bozulmakta ve replikatif yaşlanmaya neden olmaktadır. Bununla birlikte, son zamanlarda yayınlanan literatür çalışmaları, bu tür mekanizmaların telomerik olmayan bölgelerden de kaynaklanabileceğini öne sürmektedir. Buna rağmen, bu ek bölgelerin konumları ve dizileri henüz aydınlatılamamıştır. Bu tez, doğal replikatif yaşlanmaya ulaştıkça küçük ölçekli genomik evrimin kapsamlı bir haritasını sağlayarak bu bölgeleri tespit etmeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla; genç, senesens öncesi ve senesense ulaşan insan fibroblastlarına tüm genom dizileme işlemi yapıldı. Sonuçta elde edilen veriler de novo tekrar motiflerinin ortaya çıkması, kısa ardışık tekrar genişlemeleri/daralmaları, transpozon atlamaları, indel mutasyonları, tek nükleotid değişimleri ve tekrar öğelerinin sayısındaki değişikliklerin belirlendiği son teknoloji biyoenformatik araçlarıyla analiz edildi. Şaşırtıcı bir şekilde, bu değişikliklerden herhangi birini gösteren tüm genler, gen ontolojisi analizine tabi tutulduğunda; diyabet, depresyon ve sirkadiyen ritimleri gibi yaşla ilişkili birçok biyolojik fenotip için önemli bir zenginleşme gösterdi. Bu sonuçlar, spontan mutasyonların yaşlanan genomda tamamen rastgele birikmediğini ve yaşlanma sürecinde bilinen yaşa bağlı fenotiplere karşı bir eğilim gösterdiğini işaret etmektedir. Bu sonuç, iyi bilinen gen ifadesi değişikliklerine ek olarak; DNA mutasyonlarının da yaşlanmanın önde gelen nedenlerinden biri olabileceği olasılığını ortaya koymaktadır. Bu tez araştırması TUBİTAK 3501 programı tarafından desteklenmiştir (Proje Numarası: 219Z371).

The aging body is the total and inevitable result of cellular senescence. Repeated telomere arrays at the chromosome ends are shortened as cells divide and trigger a DNA damage response impairing the cell cycle and resulting in replicative senescence. Nevertheless, recent literature suggests that such mechanisms could also arise from non-telomeric regions. However, the locations and sequences of these additional regions are still unknown. This thesis aims to determine them by providing a comprehensive map of the small-scale genomic evolution as cells reach natural replicative senescence. We sequenced the whole genomes of young, pre-senescent, and senescent human fibroblasts to achieve this aim. The resultant data was analyzed with cutting-edge bioinformatics tools where the emergence of de novo repeat motifs, short tandem repeat expansions/contractions, transposon insertions, indels, single nucleotide variations, and changes in the numbers of repeat elements were determined. Strikingly, when all the genes that display any of these alterations were subjected to a gene ontology analysis, significant enrichment was shown for the genes associated with diabetes, depression, and circadian rhythms, among many other age-related biological phenomena. These results suggest that spontaneous mutations do not accumulate randomly in the aging genome and exhibit a bias for known age-related phenotypes during the journey toward senescence. This outcome points out the interesting possibility of DNA mutations as one of the leading causes of aging, in addition to well-established gene expression changes. This thesis was funded by TÜBİTAK 3501 program (Project No: 219Z371).