Variation von Genexpression während der Drosophila Kopfentwicklung in zellulärer Auflösung
Entwicklungsbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die adulte Morphologie wird während der Entwicklung durch die Aktivität von Entwicklungsgenen definiert. Diese Gene sind in genregulatorischen Netzwerken organisiert. Variation in der Expression und Regulation von Entwicklungsgenen leistet einen wichtigen Beitrag zur morphologischen Diversität. Bisher fehlt uns jedoch ein umfassendes Verständnis der molekularen Veränderungen, die für Variationen in Organgröße und -form verantwortlich sind. Der Insektenkopf ist eine komplexe Struktur, die die wichtigsten Sinnesorgane (z.B. Facettenaugen und Antennen) trägt und somit Umweltinformationen wahrnimmt und verarbeitet. Wir und andere haben gezeigt, dass die Kopfgröße und -form in den drei Drosophila Arten D. melanogaster, D. simulans und D. mauritiana sehr variable sind. In Drosophila entwickelt sich der Kopf aus Imaginalscheiben (Augen-Antennen-Scheiben), die während der Larvenentwicklung wesentliche Musterungs-, Wachstums- und Differenzierungsprozesse durchlaufen. In früheren Arbeiten haben wir umfangreiche vergleichende Expressionsdatensätze für gesamten Augen-Antennen-Scheiben etabliert, um Kandidatengene zu identifizieren, die zu Unterschieden in der Kopfmorphologie beitragen könnten. Da Augen-Antennen-Scheiben aus vielen verschiedenen Zelltypen bestehen, die in unseren Daten nicht aufgelöst werden konnten, war bisher die Identifikation eindeutiger Kandidatengene nur bedingt erfolgreich. Daher haben wir die Expression von Entwicklungsgenen in einzelnen Zellkernen (snRNAseq) untersucht. In dieser Arbeit haben wir ein hoch effizientes snRNAseq Protokoll für kleine Gewebeproben entwickelt. Unter Verwendung dieses Protokolls haben wir snRNAseq Daten für fünf Entwicklungsstadien der Augen-Antennen-Scheiben von D. melanogaster, D. simulans und D. mauritiana etabliert. Clusteranalysen, gefolgt von der Annotation verschiedener Zelltypen zeigten, dass unsere Datensätze alle wichtigen Zelltypen enthalten. Basierend auf diesen Datensätzen haben wir zwischen D. melanogaster und D. mauritiana signifikante Unterschiede in der Anzahl retinaler Zelltypen, wie Photorezeptoren und deren sich teilenden Vorläufern, gefunden, was die beobachteten Unterschiede in der Facettenzahl in diesen beiden Arten widerspiegelt. Im Gegensatz dazu war Anzahl retinaler Zelltypen in D. mauritiana und D. simulans sehr ähnlich, was mit der konsistenten Facettenzahl in diesen beiden Arten übereinstimmt. Mittels Expressionsanalysen für individuelle Zellytpen konnten wir bereits erste Kandidatengene identifizieren. So fanden wir Komponenten des Ecdyson- Signalwegs, den dorsoventralen Regulator araucan und eine Cohesin Untereinheit, die an der Genregulation beteiligt ist. Zusammenfassend haben wir einen vergleichenden Datensatz erstellt, der bereits zur Identifikation neuer Kandidatengene geführt hat. Zudem ermöglicht der Datensatz mehrere Folgestudien, die darauf abzielen, die Entwicklung und Evolution des Drosophila-Kopfes in einer beispiellosen Auflösung zu verstehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Tissue dissociation for single-cell and single-nuclei RNA sequencing for low amounts of input material. Frontiers in Zoology, 19(1).
Wiegleb, Gordon; Reinhardt, Susanne; Dahl, Andreas & Posnien, Nico
