Variation von Genexpression während der Drosophila Kopfentwicklung in zellulärer Auflösung

• Antragsteller: Dr. Nico Posnien
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417980402

Ein zentrales Ziel biologischer Forschung ist es, die atemberaubende Vielfalt des Lebens auf der Erde zu beschreiben und die Prozesse ihrer Entstehung zu verstehen. Die Morphologie adulter Organe wird während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung durch die Aktivität von Entwicklungsgenen definiert, die in genregulatorischen Netzwerken (GRN) organisiert sind. Natürliche Variationen in der Expression von Entwicklungsgenen sind als wichtige Faktoren bei der morphologischen Diversifizierung identifiziert worden. Während die Untersuchung relativ einfacher Merkmale schon sehr detaillierte Einblicke erzielen konnte, fehlt bisher jedoch ein umfassendes Verständnis der molekularen Veränderungen, die der Veränderung komplexer Merkmale zugrunde liegen. Um diese Lücke zu schließen, untersuchen wir die Evolution der Kopfentwicklung in drei nahverwandten Drosophila Arten.Der Kopf von Insekten ist eine komplexe Struktur, die die wichtigsten Sinnesorgane (z. B. die Komplexaugen und die Antennen) und das Gehirn beherbergt. Der adulte Kopf von Drosophila entwickelt sich aus einer Augen-Antennen Imaginalscheibe, die alle Organvorläufer beinhaltet. Während der larvalen Entwicklung durchläuft dieses Gewebe wichtige Musterungs-, Wachstums- und Differenzierungsprozesse. Wir haben in den letzten Jahren Unterschiede in der Kopfgröße und -form zwischen zahlreichen Drosophila Arten quantifiziert. Um Kandidatengene zu identifizieren, die an der beobachteten Variation beteiligt sind, haben wir durch Sequenzierung kompletter Augen-Antennen Imaginalscheiben (bulk-RNAseq) einen umfassenden vergleichenden Transkriptom-Datensatz generiert. Die Analyse dieser Daten hat gezeigt, dass die Expression und Regulation von Entwicklungsgenen sehr stark kontextabhängig ist, was die komplexe Natur der sich entwickelnden Imaginalscheiben widerspiegelt. Angesichts dieser Komplexität wird die Identifizierung von Kandidatengenen erschwert, da die bulk-RNAseq Daten keine ausreichende gewebespezifische Auflösung liefern. Daher schlagen wir vor, Genexpressionsdynamik und -divergenz auf Einzelzellniveau mittels Einzelzell mRNA Sequenzierung (scRNAseq) zu untersuchen.Wir werden je fünf Stadien der Augen-Antennen Imaginalscheiben von D. melanogaster, D. simulans und D. mauritiana auf Einzelzellniveau sequenzieren. So können wir spezifische Zellgruppen basierend auf ähnlicher Genexpression und GRN-Architektur identifizieren. Anschließend werden wir durch einen interspezifischen Vergleich dieser Zellgruppen Zellpopulationen identifizieren, die deutliche Unterschiede zwischen den Arten aufweisen. Zwei dieser Zellpopulationen werden wir funktionell validieren. Auf Basis des vorgeschlagenen Projekts können wir wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung und Evolution des Drosophila Kopfes in einer noch nie dagewesenen Auflösung gewinnen. Zusätzlich werden unsere Daten zu einem generelleren mechanistischen Verständnis kontextabhängiger Genexpression und -regulation beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen