Evolution und Entwicklung von Polyphänismen: ein mechanistisches Modell auf der Grundlage von bistabilen Schaltern

• Antragsteller: Dr. Roman Zug
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403620514

Polyphänismen sind eine Form von adaptiver phänotypischer Plastizität, die auf Grundlage eines entwicklungsbiologischen Schalters diskrete alternative Phänotypen hervorbringt. Bestehende Modelle zur Evolution von Polyphänismen berücksichtigen allerdings nicht die Rolle der Entwicklung und können deswegen nicht erklären, wie das Schalterverhalten entsteht und evolviert. In diesem Forschungsvorhaben beabsichtige ich aufzudecken, wie Polyphänismen evolvieren, indem ich die Evolution der zugrundeliegenden entwicklungsregulatorischen Architektur modelliere. Das zentrale Forschungsziel ist, die Hypothese zu testen, dass Polyphänismen auf bistabilen Schaltern im zugrundeliegenden genregulatorischen Netzwerk (GRN) basieren, was im Allgemeinen positive Rückkopplung und Ultrasensitivität erfordert. Um diese Hypothese zu testen, werde ich ein theoretisches mechanistisches Modell entwickeln, dessen Schwerpunkt auf der Evolution des GRN liegt, welches für den Polyphänismus-Schalter verantwortlich ist. Ich erwarte, dass, wenn die Voraussetzungen für die Evolution eines Polyphänismus gegeben sind, sowohl positive Rückkopplung als Ultrasensitivtät im GRN entstehen, was einen Polyphänismus-Schalter hervorbringt. Ich werde dieses Modell dann dazu benutzen, die Auswirkungen der regulatorischen Architektur auf die Evolution von Polyphänismen zu untersuchen. Zusätzlich zu dieser allgemeinen Modellversion, die auf eine Vielzahl von Polyphänismen anwendbar ist, werde ich ebenfalls eine konkrete Modellversion entwickeln, welche speziell an das Phänomen der umweltbedingten Geschlechtsdetermination angepasst ist; mit diesem Modell werde ich untersuchen, inwiefern evolutionäre Übergänge zwischen geschlechtsbestimmenden Systemen durch Evolution ihrer GRNs vermittelt werden. Dieses Forschungsvorhaben stellt eine Verbindung von Evolutions- und Systembiologie dar und wird unser Verständnis von Polyphänismen in verschiedener Weise verbessern. Zum einen bietet das Vorhaben eine neue, GRN-basierte Perspektive auf die entwicklungsbiologische Grundlage von Polyphänismen. Dadurch kann es sowohl das Schalterverhalten als auch die phänotypische Stabilität von Polyphänismen erklären. Zum anderen erlaubt uns das Vorhaben, entscheidende, aber unerforschte Fragen zu stellen und überprüfbare Vorhersagen zu treffen, die sich auf die Evolution von Polyphänismen beziehen und darauf, wie diese von den zugrundeliegenden regulatorischen Gegebenheiten abhängig ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweden
• Gastgeber: Professor Dr. Tobias Uller