Genomevolution und die Entstehung von piRNA-Clustern in Drosophila

• Antragsteller: Dr. Daniel Gebert
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458259436

Nahezu alle Lebensformen befinden sich in einem ständigen evolutionären Wettrüsten mit Transposons (TEs), um ihre Genome gegen eine unkontrollierte Vermehrung dieser mobilen genetischen Einheiten zu schützen, da sie eine Gefahr für die Genomintegrität und -stabilität darstellen. Weil dies besonders kritisch für die Keimbahn ist, in der genomische Veränderungen erblich sind, hat die Evolution spezialisierte Abwehrsysteme hervorgebracht, wie etwa das metazoische PIWI/piRNA-System. PIWI-Proteine werden von kleinen PIWI-interagierenden (pi-) RNAs über Sequenzkomplementarität zu ihren Ziel-TEs geleitet und veranlassen die posttranskriptionelle und transkriptionelle Stilllegung. In fast allen Tieren produzieren große TE-reiche genomische Loci, die piRNA-Cluster genannt werden, den größten Teil an piRNAs. Es wird im Allgemeinen angenommen, dass piRNA-Cluster als Hauptquelle von TE-komplementären piRNAs eine zentrale Rolle in der TE-Inaktivierung spielen.In unserer Vorarbeit haben wir die Evolution von piRNA-Clustern im Drosophila-Genus analysiert und fanden, dass diese sehr kurzlebig sind und oft an genomischen Loci entstehen, die von wiederholten Inversionsbruchstellen gekennzeichnet sind, welche im Allgemeinen mit der Anhäufung von TE-Insertionen im Zusammenhang stehen. Da ein Mangel an Konservierung im Widerspruch zu einer kritischen Funktion steht, haben wir diese Annahme getestet, indem wir drei der größten piRNA-Cluster in Drosophila melanogaster, welche alleine die Mehrheit aller piRNAs produzieren, entfernt haben. Überraschenderweise hat dies weder die Lebensfähigkeit der Keimbahnzellen beeinflusst noch zu TE-Reaktivierung geführt, was die funktionelle Relevanz von piRNA-Clustern in Zweifel zieht. Dadurch stellt sich jedoch die Frage wie piRNA-Cluster entstehen und warum sie ein wiederkehrendes Merkmal von metazoischen Genomen darstellen.In diesem Projekt werde ich die Bedeutung von Inversion-verursachender DNA-Fragilität für die Entstehung von piRNA-Clustern und den zugrundeliegenden Einfluss der chromosomalen Konformation und Erbgutverpackung mittels Hi-C, ATAC-seq und ChIP-seq über mehrere Drosophila-Spezies hinweg untersuchen. Hierbei werden piRNA-Cluster als Modelstudie dienen, welche zur Untersuchung des Einflusses der Genom-Konformation auf die genomisch-strukturelle Evolution ausgeweitet wird. Weiterhin werde ich die TE-Struktur von piRNA-Clustern über mehrere Spezies bioinformatisch analysieren, um deren Entstehung und Entwicklung zu beleuchten. Da das PIWI/piRNA-System offenbar unabhängig von piRNA-Clustern funktioniert, werde ich schließlich erkunden wie TEs ohne zuvor vorhandene komplementäre piRNAs erkannt werden, indem ich eine Fremde TE-Kopie in Fliegengenome einfügen werde, gefolgt von DNA und kleine RNA (sRNA)-Sequenzierung. Insgesamt wird dieses Projekt wertvolle Einblicke in die wechselseitigen Einflüsse von Genomen und Transposons liefern und eine tiefgehende Betrachtung der Evolution der Genomarchitektur ermöglichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Felipe Karam Teixeira