SFB 680:  Molekulare Grundlagen evolutionärer Innovationen

• Fachliche Zuordnung: Biologie ; Medizin
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 13532522

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Forschung des SFB 680 fand im Kontext rasch wachsender Daten zu Genomsequenzen, Genregulation und metabolischen Netzwerken statt. Die neuen molekularen Daten eröffneten ungeahnte Möglichkeiten zur Beantwortung von Kernfragen der Evolution. Eines unserer wesentlichen Ziele war zu verstehen, wie Differenzen zwischen Spezies auf Variationen innerhalb einer Spezies aufbauen. Durch vergleichende genomische und funktionale Analysen haben wir gezeigt, wie funktionale Innovationen aus Änderungen von Gen-Wechselwirkungen in regulatorischen und metabolischen Netzwerken entstehen. Wiederholbare Veränderungen in Netzwerken erklären zum Beispiel die konvergente Evolution der Photosynthese, die Entstehung neuer Blütezyklen und Blattformen in Pflanzen sowie die Evolution der embryonalen Entwicklung von Insekten. Wir fanden auch einen komplementären Innovationsmodus: neue Gene, die manchmal aus nicht-kodierender Genomsequenz entstehen, können biologische Funktionen bestimmter Abstammungslinien erzeugen. Von gleicher Wichtigkeit war unsere Entwicklung neuer, quantitativer Verbindungen zwischen Experiment, Datenanalyse und Theorie in der Evolution. Dieser Fortschritt beruhte wesentlich auf zeitaufgelösten Daten mikrobieller und viraler Systeme, in denen die Evolution in Echtzeit verfolgt werden kann. Wir konnten zeigen, dass viele derartige Systeme einen schnellen Evolutionsmodus haben, in dem mehrere vorteilhafte Mutationen im Wettbewerb stehen. Welche Mutationen vorteilhaft sind wird durch empirische Fitnesslandschaften beschrieben, die wir aus beobachteten Zeitreihen evolutionärer Prozesse ableiten konnten. Aber ein Verständnis, warum Mutationen vorteilhaft sind, muss auf den physikalischen Grundlagen der Evolution aufbauen; dies war ein Kernthema des SFBs. Wir haben untersucht, wie Mutationen wichtige biophysikalische Merkmale einer Zelle beeinflussen, darunter Bindungsenergien, die Stabilität von Proteinen und metabolische Flüsse, und wir haben die Auswirkung dieser Phänotypen auf organismische Funktionen und Fitness bestimmt. Die resultierende evolutionäre Dynamik zeigt weitreichende Querverbindungen zur statistischen Physik: Systeme im Gleichgewicht gehorchen einer Boltzmann-Statistik der Fitness, während zeitabhängige Fitness Adaptationsprozesse im Nichtgleichgewicht erzeugt. Insgesamt hat unsere Forschung zu einem besseren Verständnis schnell evolvierender Systeme geführt, darunter wichtiger Krankheitserreger im Menschen, und damit Wege für neue Anwendungen der Evolutionsbiologie in der Medizin eröffnet. Mehr über unsere Forschung findet sich auf der Webseite des SFB 680.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2006). A segmentation gene in Tribolium produces a polycistronic mRNA that codes for multiple conserved peptides. Cell 126, 559 - 569
  Savard J., Marques-Souza H., Aranda M., Tautz D.
  
• (2006). Cross-species analysis of biological networks by Bayesian alignment. Proc. Natl. Acad. Sci. 103:10967-10972
  Berg J., Lässig M.
  
• (2006). Genomic islands of differentiation between house mouse subspecies. Genome Res 16: 730-737
  Harr B.
  
• (2006). The genetics of plant metabolism. Nature Genet. 38: 842-849
  Keurentjes J.J.B., Fu J., de Vos C.H., Lommen A., Hall R.D., Bino R.J., van der Plas L.H., Jansen R.C., Vreugdenhil D., Koornneef M.
  
• (2007). Clonal interference in large populations. Proc. Natl. Acad. Sci. 104: 18135-18140
  Park S.C., Krug J.
  
• (2008). Energy-dependent fitness: a quantitative model for the evolution of yeast transcription factor binding sites. Proc Natl Acad Sci. 105, 12376-81
  Mustonen V., Kinney J., Callan C.G. Jr., Lässig M.
  
• (2008). Self-regulatory circuits in dorsoventral axis formation of the short-germ beetle Tribolium castaneum. Dev Cell 14, 605-615
  Nunes da Fonseca R., von Levetzow C., Kalscheuer P., Basal A., van der Zee M., Roth S.
  
• (2009). Emergence of a new gene from an intergenic region. Curr Biol. 19:1527-31
  Heinen T.J., Staubach F., Häming D., Tautz D.
  
• (2010). Fitness flux and ubiquity of adaptive evolution, Proc. Natl. Acad. Sci. 107:4248-53
  Mustonen V., Lässig M.
  
• (2010). Natural variation at Strubbelig Receptor Kinase 3 drives immune-triggered incompatibilities between A. thaliana accessions. Nature Genet. 42:1135-1139
  Alcázar R., García A.V., Kronholm I., de Meaux J., Koornneef M., Parker J.E., Reymond M.
  
• (2010). Phosphorylation of IRG resistance proteins is an evasion strategy for virulent T. gondii strains. PLoS Biology 8: e1000576
  Steinfeldt T., Könen-Waisman S., Tong L., Pawlowski N., Lamkemeyer T., Sibley L.D., Hunn J.P., Howard J.C.
  
• (2011). Evolutionary accessibility of mutational pathways. PLoS Comp. Biol. 7:e1002134
  Franke J., Klözer A., de Visser J.A.G.M., Krug J.
  
• (2011). Genetic and evolutionary perspectives on the interplay between plant immunity and development. Curr. Opin. Plant Biol. 14:378-384
  Alcázar R., Reymond M., Schmitz G., de Meaux J.
  
• (2011). Nonlinear fitness landscape of a molecular pathway. PLoS Genetics 7(7): e1002160
  Perfeito L., Ghozzi S., Berg J., Schnetz K., Lässig M.
  
• (2012). The chromatin insulator CTCF and the emergence of metazoan diversity. Proc. Natl. Acad. Sci. 109:17507
  Heger P., Marin B., Bartkuhn M., Schierenberg E., Wiehe T.
  
• (2012). The genetic basis of flowering responses to seasonal cues. Nature Reviews Genetics 13:627
  Andrés F., Coupland G.
  
• (2013). Predictability of evolution depends nonmonotonically on population size. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110:571-576
  Szendro I.G., Franke J., de Visser J.A.G.M., Krug J.
  
• (2013). Predicting C4 Photosynthesis Evolution: Modular, Individually Adaptive Steps on a Mount Fuji Fitness Landscape. Cell 153:1579-1588
  Heckmann D., Schulze S., Denton A., Gowik U., Westhoff P., Weber A.P.M., Lercher M.J.
  
• (2013). Symplesiomorphies in the WUSCHEL clade suggest that the last common ancestor of seed plants contained at least four independent stem cell niches. New Phytol. 199:1081-1092
  Nardmann J., Werr W.
  
• (2013). Toxoplasma gondii and the mouse; reciprocal virulence and resistance polymorphism. eLIFE 10.7554/eLife.01298
  Lilue J., Mueller U.B., Steinfeldt T., Howard J.C.
  
• (2014). A predictive fitness model for influenza. Nature 507:57-61
  Luksza M., Lässig M.
  
• (2014). Analysis of a plant complex resistance gene locus underlying immune-related hybrid incompatibility and its occurrence in nature. PloS Genet. 10, e1004848
  Alcazar R., von Reth M., Bautor J., Chae E., Weigel D., Koornneef M., Parker J.E.
  
• (2014). Analysis of TTG1 function in Arabis alpina. BMC Plant Biol 14, 16
  Chopra D., Wolff H., Span J., Schellmann S., Coupland G., Albani M.C., Schrader A., Hülskamp M.
  
• (2014). Dorsoventral polarity of the Nasonia embryo primarily relies on a BMP gradient formed without input from Toll. Curr Biol 24, 2393-2398
  Özuak O., Buchta T., Roth S., Lynch J.A.
  
• (2014). Empirical fitness landscapes and the predictability of evolution. Nat. Rev. Genet. 15:480-490
  De Visser J.A.G.M., Krug J.
  
• (2014). Leaf shape evolution through duplication, regulatory diversification, and loss of a homeobox gene. Science. 343:780-3
  Vlad D., Kierzkowski D., Rast M.I., Vuolo F., Dello Ioio R., Galinha C., Gan X, Hajheidari M., Hay A., Smith R.S., Huijser P., Bailey C.D., Tsiantis M.
  
• (2014). Natural genetic variation impacts expression levels of coding, non-coding, and antisense transcripts in fission yeast. Mol. Syst. Biol. 10, 764–764
  Clement-Ziza M., …, Beyer A.
  
• (2015). Differential interaction forces govern bacterial sorting in early biofilms, eLife, DOI 10.7554/eLife.10811
  Oldewurtel E.R., Kouzel N., Dewenter L., Henseler K., Maier B.
  
• (2015). Dynamic BMP signalling polarized by Toll patterns the dorsoventral axis in a hemimetabolous insect. Elife 4, e05502
  Sachs L., Chen Y.T., Drechsler A., Lynch J.A., Panfilio K.A., Lässig M., Berg J., Roth S.
  
• (2018). By land, air, and sea: hemipteran diversity through the genomic lens. Current Opinion in Insect Science 25:106-115
  Panfilio K.A., Angelini D.R.
  
• (2016) Fitness trade-offs in competence differentiation of Bacillus subtilis, Front. Microbiol. 7, 888
  Yüksel M., Power J.J., Ribbe J., Volkmann T., Maier B.
  
• (2016) On the dependency of cellular protein levels on mRNA abundance. (Review) Cell 165:535-50
  Liu Y., Beyer A., Aebersold R.
  
• (2016). Adaptive evolution of complex innovations through step-wise metabolic niche expansion. Nature Communications 7:11607
  Szappanos B., Fritzemeier C.J., Csörgő B., Lázár V., Lu X., Fekete G., Bálint B., Herczeg R., Nag I., Notebaart R., Lercher M.J., Pál C., Papp B.
  
• (2016). Coupled enhancer and coding sequence evolution of a homeobox gene shaped leaf diversity. Genes Dev. 1;30:2370-2375
  Vuolo F., Mentink R.A., Hajheidari M., Bailey C.D., Filatov D.A., Tsiantis M.
  
• (2016). The impact of Toxoplasma gondii on the mammalian genome. Current Opinion in Microbiology. 32:19-25
  Müller U.B., Howard J.C.
  
• (2017). Divergence of annual and perennial species in the Brassicaceae and the contribution of cisacting variation at FLC orthologues. Molecular Ecology 26:3437-3457
  Kiefer C., Severing E., Karl R., Bergonzi S., Koch M., Tresch A., Coupland G.
  
• (2017). Divergence of regulatory networks governed by the orthologous transcription factors FLC and PEP1 in Brassicaceae species. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114:E11037-E11046
  Mateos J.L., Tilmes V., Madrigal P., Severing E., Richter R., Rijkenberg C.W.M., Krajewski P. & Coupland G.
  
• (2017). Evolution of commensal bacteria in the intestinal tract of mice. Current Opinion in Microbiology 38, 114-121
  Sousa A., Frazão N., Ramiro R.S., Gordo I.
  
• (2017). Pervasive adaptation of gene expression in Drosophila, Cell Reports 20 (6) 1385-1395
  Nourmohammad A., Rambeau J., Held T., Kovacova V., Berg J., Lässig M.
  
• (2017). Predicting evolution. Nature Ecol. Evol. 1:0077
  Lässig M., Mustonen V., Walczak A.