Experimentelle und rechnergestützte Analyse sequentieller und oszillatorischer Musterbildung in der Embryonalentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Klingler, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418594528

Sequentielle oder zyklische Wellen von Genaktivität, die von einem Signalzentrum ausgehen, werden häufig in der Embryonalentwicklung beobachtet. Wir haben vor Kurzem zyklische Expressionswellen von Paarregelgenen, und aperiodische Wellen von Gap-Genen beschrieben, die im Käfer Tribolium castaneum von einem posterioren Organisator ausgehen.Im hier vorgeschlagenen Projekt benutze ich die Regulation der Gap- und Paarregel- Segmentierungsgene in Tribolium als einfaches und zugängliches Modellsystem, um die molekularen Grundlagen von Genexpressionswellen in der Entwicklung zu untersuchen. Dabei möchte ich eine kürzlich von mir entwickelte Arbeitshypothese testen, bzw. die Vorhersagen eines darauf aufbauenden Computermodells: das "Gradual-Enhancer-Switching-Model". Nach diesem Modell sind zwei Gruppen von Enhancern an der Regulation solcher Expressionswellen beteiligt: dynamische Enhancer und statische Enhancer. Die dynamischen Enhancer sind verantwortlich für die oszillatorische / sequenzielle Genexpression, und die statischen Enhancer für das Einfrieren dieser Wellen als stabile räumliche Muster. Das allmähliche Umschalten zwischen diesen beiden Typen von Enhancern führt dann zu Genexpressionswellen, die schließlich zum Stillstand kommen. In dem hier vorgeschlagenen Projekt entwickle ich Reportergen-Assays in lebenden Embryonen, sowie Computersimulationen, um meine Modelle zu testen und ggf. zu modifizieren. Detaillierte Analysen der Enhancer-Aktivitäten in lebenden Embryonen sollen mithilfe des MS2-MCP-Systems in WT und in verschiedenen RNAi-knockdown-Hintergründen durchgeführt werden. Diese experimentelle Daten sollen auf Stimmigkeit mit meinen Modellen analysiert werden, und dazu dienen (auch mit Hilfe von "in silico Evolution"), verbesserte Modelle des "speed Regulation" Mechanismus zu entwickeln.Das vorgeschlagene Projekt erweitert aktuelle Ansätze zur Untersuchung genregulatorischer Netzwerke in der Entwicklung. Interaktionen zwischen Genen werden bisher meist als einfache Aktivierungs- / Repressionsbeziehungen angesehen und als solche rechnerisch modelliert. Jüngste Studien zeigen jedoch, dass auch einzelne Genexpressionsdomänen häufig von mehreren Enhancern reguliert werden, die offenbar komplexe und dynamische 3D-Chromatinstrukturen bilden und so zeitlich/räumlich dynamische Expression bewirken. Diese komplexe Transkriptionsmaschinerie wird vermutlich genutzt, um die Rechenleistung genregulatorischer Netzwerke zu erhöhen. Mein langfristiges Ziel ist, die Rechenleistung der cis-regulatorischen Maschinerie in genregulatorischen Netzwerken in der Entwicklung zu verstehen. Im hier vorgeschlagenen Projekt möchte ich in einem ersten Schritt damit beginnen, die Multi-Enhancer-Regulation von Genen zu verstehen. In Zukunft möchte ich dann weiter untersuchen, wie wichtig die 3D-Chromatinstruktur von cis-regulatorischen Regionen ist, um die Dynamik der Musterbildung in der Entwicklung zu bewirken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Ezzat El-Sherif, Ph.D., bis 8/2022