Synoptic mapping of DNA damage in the replicative senescence of human fibroblasts

Abstract

Hücrenin doğal yaşlanmasıyla ilişkilendirilen replikatif senesans, büyüme duraklaması ve immün fenotiple ayırt edilir. Telomer kısalamasıyla DNA hasarı arasındaki güçlü bağlantı, senesansın temelinde tanınmış olsa da, çalışmalar, telomer uzunluğundan bağımsız olarak replikatif senesansın potansiyeline işaret etmektedir. Özellikle, replikatif senesans sırasında telomer dışında DNA hasarının biriktiği bildirilmiştir, ancak bu süreçte etkilenen belirli genomik bölgeler henüz belirsiz kalmaktadır. Bu tez, replikatif senesans sırasında endojen DNA hasarını haritalamayı ve DNA hasarına yatkın insan genomunun bölgelerini tanımayı amaçlamaktadır. Ana araştırma motivasyonu, hücresel yaşlanma sırasında muhtemelen mutasyona uğrayan genleri, düzenleyici elementleri ve tekrarlanan motifleri açığa çıkarmaktır. Fibroblast senesans modelinden yararlanarak, genç, erken yaşlı ve geç yaşlı hücrelerin moleküler karakterizasyonu yapılmıştır. Bu süreci takiben, γ-H2AX DNA hasar belirteci ile kromatin immünopresipitasyonu ve yeni nesil dizileme yapılmıştır. Şaşırtıcı bir şekilde, γ-H2AX mekanizmalarının sadece telomerik bölgelerde değil, aynı zamanda gen zengin bölgelerde, düzenleyici elementlerde ve LINE, SINE ve çeşitli satelit dizileri gibi tekrarlanan DNA'lar içinde de görüldüğü gözlemlenmiştir. Bu, replikatif senesans sırasında meydana gelen endojen DNA hasarının sadece telomerlerle sınırlı olmadığını göstermektedir. Ayrıca, gen ontoloji analizi, etkilenen genlerin bağışıklık sistemi aktivasyonu, hücre ölümü, damarlaşma, diyabet ve kanserle ile ilgili olduğunu ortaya koymuştur. Bulgularımız, mutasyonların yaşlanan genomda rastgele birikmediğini, bunun yerine hücrelerin senesansa ilerlerken bilinen yaşa bağlı fenotiplere ve hastalıklara yönelik belirgin bir eğilim gösterebileceğini düşündürmektedir. Bu yeni bilgi, yaşlanma süreçlerinin anlaşılmasını zenginleştirmekte ve yaşla ilişkili hastalıklarda DNA hasarına yönelik müdahalelerin geliştirilmesine rehberlik edebilir. Bu tez, TÜBİTAK 3501 programından (Proje No: 219Z371) fon desteği almıştır.

Replicative cellular senescence is an inherent biological process implicated in aging, distinguished by enduring growth arrest and an associated inflammatory phenotype. Although a strong connection between DNA damage and telomere attrition is recognized in senescence, compelling evidence points to the potential for replicative senescence independent of telomere length. Notably, the accumulation of DNA damage outside telomeres during replicative senescence has been reported, yet the specific genomic loci involved in this process have remained elusive. This thesis aims to map endogenous DNA damage during replicative senescence, identifying regions of the human genome vulnerable to DNA damage. The main research motivation was to expose genes, regulatory elements, and repetitive motifs that are likely to mutate during cellular aging. Leveraging a fibroblast senescence model, molecular characterization of cells, chromatin immunoprecipitation with the DNA-damage marker γ-H2AX and next-generation sequencing were performed. Intriguingly, we observed γ-H2AX occupancies not only in telomeric regions, but also within gene-rich regions, and repetitive DNA, including LINEs, SINEs, and various satellite sequences. Moreover, gene ontology analysis revealed increased γ-H2AX peaks of affected genes involved in immune system activation, cell death, vascularization, diabetes, and cancer. Our findings posit that mutations may not randomly accumulate in the aging genome; rather, they may demonstrate a discernible bias toward known age-related phenotypes and diseases as cells navigate into senescence. This new knowledge enriches our understanding of aging processes and could guide the development of interventions targeting DNA damage in age-related diseases. This thesis received funding from the TÜBİTAK 3501 program (Project No: 219Z371).