Entschlüsselung der genregulatorischen Netzwerke in einzelnen Drosophila Motoneuronen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ingrid Lohmann
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 147970902

In den meisten Tieren sind neuronal Netzwerke stereotypisch verschaltet, um die präzise Ausführung von funktionellen Aufgaben sicherzustellen. Um solche eine Präzision zu gewährleisten, sind die Struktur und Konnektivität von neuronalen Netzwerken genetisch spezifiziert. Wie diese komplexen und ineinandergreifenden Prozesse jedoch im Genom kodiert sind und von der zellulären Maschinerie ausgeführt werden, ist bisher nicht komplett verstanden. Um diese wichtige Frage zu beantworten, haben wir Einzel-Zell-RNA-Sequenzierung von Drosophila Motoneuronen (MNs) durchgeführt, was zur Identifizierung von zellspezifisch exprimierten Kombinationen an Homöodomän Transkriptionsfaktoren (HD TFs) und Immunglobulin (Ig) Genen führte. Für selektierte Gene konnte gezeigt werden, dass sie wichtige Rollen bei der Paarung von MNs mit ihren Ziel-Muskeln spielen. Unsere Daten deuteten zudem eine direkte Regulation von Ig Genen durch HD TFs an. Es ist jedoch ungelöst, ob HD TFs die Expression von Zelloberflächen-Molekülen wie den Ig Genen und anderen Effektor-Molekülen kontrollieren, um die spezifischen Eigenschaften von MNs zu vermitteln. Zudem ist unklar, ob und wie HD TFs transkriptionelle Programme in einzelnen MNs hoch-spezifisch kontrollieren. Ein Problem ist, dass, obwohl diese TF Klasse eine wichtige Rolle in MNs spielt, es unklar ist, wie sie dies auf der molekularen Ebene tun. Es ist gibt hierfür einige Gründe: erstens, genomische Kontrollregionen, so-genannte Enhancer, mit denen HD TFs zur Zielgen-Regulation in MNs interagieren, sind unbekannt; und zweitens, HD TFs interagieren mit ähnlichen Bindesequenzen, was die Frage aufwirft, wie diese TF Klasse Spezifität in der Zielgen-Regulation in einzelnen Zellen erreicht. Um diese Probleme zu lösen, ist es wichtig, die regulatorischen Programme in einzelnen MNs systematisch zu analysieren und einzelne Programm-Elemente zellspezifisch zu manipulieren. In diesem Projekt werden wir deshalb Einzel-Zell-Multiomix Experimente anwenden, um Gene Regulatorische Netzwerke (GRNs) in einzelnen MNs zu identifizieren. Wir werden diese Information nutzen, um zellspezifische Enhancer als Tool zu etablieren, um die Beteiligung von HD TFs an der Zielgene-Regulation in einzelnen MNs zu erforschen. Wir werden schließlich das Zusammenspiel von cis (HD TF Motive) und trans (aktive HD TFs) Eigenschaften kritisch für GRN Aktivität definieren, indem wir einen Enhancer im Detail analysieren. Unsere Ergebnisse werden aufdecken, wie die hochkonservierten HD TFs motoneuronale Eigenschaften mit höchster Präzision in einzelnen Zellen kontrollieren und werden eine unschätzbare Ressource erzeugen, die eine Entschlüsselung der regulatorischen Programme in einzelnen MNs ermöglichen wird. Da HD TFs generell die Nervensystem Entwicklung kontrollieren, werden unsere Befunde entscheidend sein, um zu verstehen, wie zellspezifische “Homöo-Kode” neuronale Spezifizierung, Differenzierung und Netzwerk Ausbildung mit höchster Präzision gewährleisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen