Bestimmung der Mutationsrate in Haien

• Antragsteller: Professor Manfred Schartl, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418079525

Die Mutationsrate ist ein wichtiger grundsätzlicher Parameter für viele Berechnungen und Model-basierte Vorhersagen in der Ökologie, Evolutionsbiologie, Genetik und Genomik. Bisher wurde die experimentelle Bestimmung der Mutationsrate bei Wirbeltieren nur bei vier Säugetierarten, dem Fliegenschnäpper und dem Hering, durchgeführt. Haie haben eine einzigartige Position im Wirbeltierstammbaum und sind wichtige Bestandteile aquatischer Ökosysteme. Aufgrund von Überfischung sind viele Arten in ihrem Bestand gefährdet, nicht zuletzt, weil Haifischknorpel als Nahrungsergänzungsmittel zur Krebsvorbeugung propagiert wurde, basierend auf der unbegründeten Extrapolation der niedrigen Krebsrate bei Haien. Eine auf mitochondrialen DNA-Sequenzen basierende Publikation aus dem Jahr 1992 legt nahe, dass Haie im Vergleich zu anderen Wirbeltieren eine verlangsamte "molekulare Uhr" haben, die Ausdruck einer niedrigen Mutationsrate ist. Wenn dies zutrifft, hätte dies enorme Konsequenzen für unser Verständnis der Evolution, Ökologie, Genomik und nicht zuletzt der niedrigen Krebsrate in dieser Wirbeltiergruppe. Dies wurde jedoch nie weiterverfolgt. Insbesondere die nukleäre Mutationsrate ist bislang nicht untersucht worden. Inzwischen erlauben die neuen Sequenziertechnologien die Bestimmung der Mutationsrate aus dem Auftreten von de-novo Mutationen in einer genetischen Linie. Wir schlagen vor, die Mutationsrate in Haien aus den Genomen eines Elternpaars und deren Nachkommen zu bestimmen. Dafür besitzen wir Material einer Familie des Epaulette-Hais (Hemiscyllium ocellatum). Wir werden die 5,4 Gb großen Genome mit der 10X-Genomics-Pipeline mit ca. 60-facher Abdeckung sequenzieren und SNPs nach einem bereits erfolgreich angewandten stringenten bioinformatischen Verfahren detektieren. Damit können de-novo-Mutationen erkannt und zur Berechnung der genomweiten Mutationsrate verwendet werden. Eines der Elterngenome wird auf einer noch höheren Qualitätsstufe als Referenzgenom erzeugt, um daran die Sequenzen des Familienpanels auszurichten. Dieses Genom wird mit Long-Read-Technologie (PacBio) und Bionano Mapping in Hinblick auf höchste Kontiguität erstellt. Das Genom wird außerdem annotiert und soll dann verwendet werden, um die Gen- und Genom-Evolution von Haien zu analysieren. Von besonderem Interesse sind dabei Gene, von denen bekannt ist, dass sie häufig bei Tumoren aktiviert sind, und solche, die als vor Krebs schützend gelten. Die Verfügbarkeit der Genome eines männlichen und eines weiblichen Hais wird es auch ermöglichen, Untersuchungen zur Geschlechtsbestimmung und -entwicklung in dieser Gruppe von Wirbeltieren einzuleiten, von der bisher keine solche Information existieren. Zusammenfassend wollen wir mit unseren Untersuchungen zu einem besseren Verständnis der Evolution von Wirbeltiergenomen und zu den genetischen und genomischen Grundlagen von speziellen Anpassungen und besonderen biologischen Merkmalen von Haien beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen