Die Entstehung von DNA-Zugänglichkeit bei der Evolution neuer cis-regulatorischer Aktivität

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Gompel
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409129661

Die Evolution von Tierformen entstammt Veränderungen der Expressionsmuster von Entwicklungsgenen. Diese Veränderungen werden durch regulatorische Neuerungen gesteuert, zum Beispiel durch den Erwerb oder Modifikation von cis-regulatorischen Elementen (CREs), welche die Transkription eines Genes kontrollieren. Solche regulatorischen DNA-Sequenzen, die aus der Distanz modulieren, wo, wann und wie stark ein bestimmtes Gen transkribiert wird, weisen Bindestellen für Transkriptionsfaktoren (TFs) auf, die ihre Aktivität kontrollieren. Um aktiv zu sein, müssen CREs zugänglich und frei von Nukleosomen sein, anders als der Großteil der restlichen Genomsequenz. Die Entstehung eines neuen CREs erfordert daher zwei Schritte: (1) den Erwerb neuer Bindestellen, und (2), die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren. Unser Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Rollle dieser beiden Schritte bei der Entstehung eines neuen CREs im Laufe der Evolution. Wir konzentrieren uns dabei auf einen definierten evolutionären Übergang, den Erwerb eines dunklen Flecks auf den Flügeln einiger Drosophila-Arten, durch das Pigmentations-Gen yellow und dessen „spot“-CRE. Innerhalb dieser Drosophila-Gruppe werden wir an Arten, die entweder den evolutionär urprünglichen, "ungefleckten" oder den evolutionär abgeleiteten, "gefleckten" Zustand repräsentieren, die Aktivität und die Zugänglichkeit der DNA-Region untersuchen, die dieses Element beherbergt. Insbesondere werden wir in unserer Untersuchung zwischen der evolutionären Entstehung von der DNA-Zugänglichkeit und der DNA-Sequenz, die dem CRE seine räumliche Aktivität verleiht, differenzieren. In einem ersten Projekt werden wir die evolutionäre und ontogenetische Entstehung der Zugänglichkeit des spot CREs durch ATAC-seq von Flügeln während der Entwicklung charakterisieren. Wir werden die determinierenden Faktoren, die Zugänglichkeit regulieren, genauer herausarbeiten und eine mögliche direkte Kontrolle durch den Chromatin-Faktor Trithorax, den wir in einem früheren genetischen Screening identifiziert haben, testen.Im zweiten Projekt werden wir die funktionalen Grenzen des spot CREs bestimmen und ihre Rolle in der DNA-Zugänglichkeit analysieren. Obwohl DNA-Zugänglichkeit in Kombination mit umliegenden Histonmodifikationen oft für die Abgrenzung von Enhancer-Elementen herangezogen wird, gibt es bisher keine quantitativen Daten über deren tatsächliche Beziehung. Wir werden eine von uns entwickelte Imaging-Software verwenden, um die räumliche CRE-Aktivität in Flügeln präzise zu messen. Unsere Daten werden den exakten Abschnitt der, unter Selektion stehenden, DNA-Sequenz ergeben und somit die vollständige evolutionäre Einheit des spot CRE.Insgesamt wird unser Forschungsvorhaben die Beziehung zwischen CRE-Aktivität und DNA-Zugänglichkeit analysieren, und ihre Entstehung im Laufe der Evolution, als ein zentraler Schritt bei der Herausbildung von neuer genregulatorischer Aktivität, determinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen