Dorsoventrale Achsenbildung in der Grille Gryllus bimaculatus als Beispiel für die konvergente Evolution von Tolls Morphogenfunktion

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Roth
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516937640

Die Toll- und BMP-Signalwege sind essentiell für die dorsoventrale (DV) Achsenbildung in allen bislang studierten Insekten. Der Toll-Signalgradient in Drosophila repräsentiert zudem eines der am besten verstandenen Beispiele eines Morphogen-Systems, das Zellschicksale in einer konzentrationsabhängigen Weise festlegt. Während BMP für die Etablierung der DV Achse in den meisten bilateralen Tieren gebraucht wird, scheint die DV Funktion von Toll eine evolutionäre Neuheit der Insekten darzustellen. In der Vergangenheit haben wir die DV Achsenbildung in Vertretern einiger bedeutender Hauptgruppen der Insekten untersucht und beobachtet, dass der Beitrag von Toll zur Musterbildung mit zunehmendem phylogenetischen Abstand von Drosophila abnimmt. Gleichzeitig gewinnt BMP eine wichtigere Rolle, vergleichbar zu den DV Musterbildungssystemen anderer bilateraler Tiere. Überraschender Weise weicht die Mittelmeer-Feldgrille, Gryllus bimaculatus, von diesem Trend ab, obwohl sie als Vertreterin der Orthoptera phylogenetisch die ursprünglichste Insektengruppe repräsentiert, die wir bisher untersucht haben. Das Gryllus System der DV Musterbildung zeigt völlig unerwartet auffällige Ähnlichkeiten zu Drosophila. In diesem Antrag wollen wir die molekularen Mechanismen der DV Musterbildung in Gryllus aufklären und dadurch die interessante Möglichkeit einer konvergenten Evolution der Morphogenfunktion von Toll untersuchen. Unser Arbeitsprogramm basiert auf aktuellen Fortschritten im Bereich der Lebendbeobachtung, der Transgenese, der Genomeditierung (CRISPR/Cas9) und der Genomsequenzierung von Gryllus. Es umfasst vier spezifische Zielsetzungen. Wir wollen (1) das raumzeitliche Profil der Toll-Signalaktivität durch den Nachweis der Kernakkumulation des Transkriptionsfaktors Dorsal/NF-κB sichtbarmachen, (2) Zielgene von Toll und BMP durch differentielle Transkriptomanalysen identifizieren, (3) cis-regulatorischen Elemente der Zielgene durch ATAC-seq kombiniert mit Computer-gestützten Motivsuchen und ATAC-seq basiertem „Footprinting“ identifizieren und (4) Zielgene für Lebendbeobachtung markieren und mit Reporter-Assays die Funktionalität vorhergesagter cis-regulatorischer Elemente überprüfen. Zusammengenommen werden die Daten molekulare Einsichten in die frappierenden Parallelen der DV Systeme von Grillen und Fliegen ermöglichen und unser Bild der komplexen Geschichte der DV Achsenbildung bei Insekten erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Justin Crocker; Dr. Philipp Schiffer