Nachweis neuer überlappender Gene und ihre Theorie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Bossert; Professor Dr. Daniel Keim; Professor Dr. Siegfried Scherer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 150058393

Neue, überlappend Protein-codierende DNA-Sequenzen aus Prokaryoten sollen beschrieben und zugrunde liegende Mechanismen mit Modellen aus der Informations- und Kommunikationstheorie untersucht werden. Aufgrund des laufenden Projektes ergeben sich die Hypothesen, dass (i) überlappende Gene (ÜLG) in Bakterien durch overprinting entstehen und (ii) 'Waisengene' ('orphans') Abkömmlinge neu entstandener ÜLG sind. Diese Hypothesen sollen wie folgt geprüft werden: 1. Bakterielle Genome werden statistisch modelliert und mit natürlichen Genomen verglichen: Welche Rolle spielt der genetische Code, GC-Gehalt und die 'codon usage' bei der Entstehung von ÜLG? Gibt es ein Kontinuum von nicht-kodierender DNA hin zu ÜLG? Diese Studien werden Aufschluss über die stochastischen Prozesse geben, durch die ÜLG entstehen. 2. In Paaren von ÜLG treten Selektionsdrücke auf, die sich in abweichenden Ka/Ks-Verhältnissen gegenüber Einzelgenen ausdrücken. Mittels informationstheoretischer Erkenntnisse soll ein Modell entwickelt werden, das mit weniger Parametern und daher kleineren Datenmengen als bisher auskommt, um Ka/Ks zu schätzen. 3. Sequenzierte Organismen bieten eine breite Datenbasis, um Phylogenien von ÜLG zu analysieren. Um diese Daten zu nutzen, werden Visulisierungen und Visual Analytics zur Anwendung kommen. Auf diese Weise kann dann die o.g. 'orphan'-Hypothese untersucht werden: Verwandte Gene werden mittels BLAST ermittelt und die Phylogenie derselben dargestellt. Entkoppelung ehemaliger Genpaare wird so übersichtlich dargestellt und beispielsweise Selektionsdrücke und Sequenzähnlichkeiten ebenfalls visualisiert. Dies hilft auch bei der Beantwortung der Frage, wie ÜLG ggf. weitere Funktionen evolvieren. 4. Evolutive Abläufe, die sich aus phylogenetischen Analysen ergeben, sollen im Experiment nachvollzogen werden: Vorläufersequenzen und Zwischenstufen hin zu heutigen ÜLG sollen phylogenetisch rekonstruiert, synthetisiert und in strangspezifische knock-out Mutanten eingebracht werden, um deren Einfluss auf die Fitness zu untersuchen.5. Translationsprofile durch 'ribosomal footprinting' sind effizient, um Protein-kodierende ÜLG in Bakterien zu ermitteln. Damit sind Vorhersagen über das Auftreten ÜLG in Abhängigkeit vom GC-Gehalt und der 'codon usage' überprüfbar. 'footprint' - Daten bieten auch die Möglichkeit, den Leserahmen zu ermitteln. Dies soll mit informationstheoretischen Methoden wesentlich verbessert werden. Des Weiteren sollen diese Studien auf nahe Verwandte zum bisher näher untersuchten EHEC ausgedehnt werden, um die Hypothese zu prüfen, dass 'orphan'-Gene insbesondere für die ökologische Einnischung von Bedeutung sind. 6. In den vorangegangenen Projektphasen konnten ÜLG vorhergesagt und teilweise experimentell bestätigt werden. Einige dieser Gene wurden strang-spezifisch mutiert, um die Fitness der Mutanten zu ermitteln. Diese Versuche sollen fortgeführt und weitere ÜLG funktionell mit molekularbiologischen Methoden charakterisiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1395: Informations- und Kommunikationstheorie in der Molekularbiologie (InKoMBio)
• Beteiligte Personen: Privatdozent Dr. Klaus Neuhaus; Professor Dr.-Ing. Steffen Schober