Die Entstehung von DNA-Zugänglichkeit bei der Evolution neuer cis-regulatorischer Aktivität
Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Evolution von Tierformen wird weitgehend vorangetrieben durch Veränderungen der Expressionsmuster von an der Entwicklung beteiligter Gene. Diese Veränderungen werden ihrerseits oft durch regulatorische Änderungen gesteuert, zum Beispiel durch den Neuerwerb oder die Modifikation von cis-regulatorischen Elementen (CREs), welche die Transkription eines Genes kontrollieren. Solche regulatorischen DNA-Sequenzen, die aus der Distanz modulieren, wo, wann und auf welchem Level ein bestimmtes Gen transkribiert wird, weisen Bindestellen für Transkriptionsfaktoren (TFs) auf, die ihre Aktivität kontrollieren. Um aktiv zu sein, müssen CREs zugänglich, das heißt frei von Nukleosomen sein, anders als der Großteil der restlichen Genomsequenz. Die Entstehung eines neuen CREs erfordert daher zwei Schritte: (1) den Erwerb von neuen Bindestellen, und (2), die Zugänglichkeit der DNA für Transkriptionsfaktoren. Unser Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Beziehung zwischen diesen beiden Schritten bei der Entstehung eines neuen CREs im Laufe der Evolution. Wir konzentrieren uns dabei auf einen definierten evolutionären Übergang, den Erwerb eines dunklen Flecks an der Spitze der Flügel in einigen Drosophila-Arten, für den die Entstehung eines neuen CREs für das Pigmentations-Gen yellow mitverantwortlich ist, das „spot“-CRE. Innerhalb dieser Drosophila-Gruppe werden wir an verschiedenen Arten, die entweder den evolutionär ursprünglichen, „ungefleckten“ oder den evolutionär abgeleiteten, „gefleckten“ Zustand repräsentieren, die Aktivität und die Zugänglichkeit der DNA-Region untersuchen, die dieses Element beherbergt. Insbesondere werden wir in unserer Untersuchung differenzieren zwischen der evolutionären Entstehung von der DNA-Zugänglichkeit und der DNA-Sequenzinformation, die dem CRE seine räumliche Aktivität verleiht. In einem ersten Projekt werden wir die evolutionäre und ontogenetische Entstehung der Zugänglichkeit des spot CREs durch ATAC-seq von Flügeln aus dem Puppenstadium beschreiben. Wir werden die determinierenden Faktoren, die diese Zugänglichkeit regulieren, genauer herausarbeiten und dabei auch eine mögliche direkte Kontrolle durch den Chromatin-Faktor Trithorax, den wir in einem früheren genetischen Screening als Kandidaten identifiziert haben, testen. Im zweiten Projekt werden wir die funktionalen Grenzen des spot CREs genauer bestimmen und fragen, wie diese sich zur Zugänglichkeit der DNA-Region verhalten. Obwohl DNA-Zugänglichkeit in Kombination mit umliegenden Histonmodifikationen oft für die Abgrenzung von Enhancer-Elementen auf der DNA-Sequenz herangezogen wird, gibt es bisher keine quantitativen Daten über deren tatsächliche Beziehung. Wir werden ein von uns entwickeltes Bildverarbeitungssystem verwenden, um die räumliche CRE-Aktivität in Flügeln präzise zu messen. Diese räumliche Vermessung wird den exakten Abschnitt der DNA-Sequenz ergeben, welcher unter dem Einfluss von natürlicher Selektion steht und dadurch das spot CRE als vollständige evolutionäre Einheit repräsentieren. Insgesamt wird unser Forschungsvorhaben die Beziehung zwischen CRE-Aktivität und DNA-Zugänglichkeit beleuchten, und noch wichtiger, das Zustandekommen/die Entstehung dieser Zugänglichkeit im Laufe der Evolution, ein zentraler Schritt bei der Herausbildung von neuer genregulatorischer Aktivität.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ancestral and derived transcriptional enhancers share regulatory sequence and a pleiotropic site affecting chromatin accessibility. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(34), 20636-20644.
Xin, Yaqun; Le Poul, Yann; Ling, Liucong; Museridze, Mariam; Mühling, Bettina; Jaenichen, Rita; Osipova, Elena & Gompel, Nicolas
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Regulatory encoding of quantitative variation in spatial activity of a Drosophila enhancer. Science Advances, 6(49).
Le Poul, Yann; Xin, Yaqun; Ling, Liucong; Mühling, Bettina; Jaenichen, Rita; Hörl, David; Bunk, Raven; Harz, Hartmann; Leonhardt, Heinrich; Wang, Yingfei; Osipova, Elena; Museridze, Mariam; Dharmadhikari, Deepak; Murphy, Eamonn; Rohs, Remo; Preibisch, Stephan; Prud’homme, Benjamin & Gompel, Nicolas
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Increased chromatin accessibility promotes the evolution of a transcriptional silencer in Drosophila. Science Advances, 9(7).
Ling, Liucong; Mühling, Bettina; Jaenichen, Rita & Gompel, Nicolas
