Ein vergleichender Ansatz um die genomischen Faktoren zu entdecken, die zu natürlichen Anpassungen an eine zuckerreiche Nahrung in nektartrinkenden Vögeln beitragen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Hiller
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418083601

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der übermäßige Konsum von glukose- und fruktosehaltigen Erfrischungsgetränken ist ein Risikofaktor für Typ-2-Diabetes beim Menschen. Während eine zuckerreiche Ernährung negative Folgen für die menschliche Gesundheit hat, sind mehrere Vogelarten, die sich überwiegend von Nektar ernähren, gut an eine solche zuckerreiche Ernährung angepasst. Dies wirft eine grundlegende Frage auf: Welche Gene sind für die natürlichen Anpassungen an eine zuckerreiche Ernährung bei diesen nektartrinkenden Vögeln wichtig? Um diese Frage zu klären, haben wir Genome von sechs Vogelarten sequenziert, assembliert und annotiert. Wir führten umfassende vergleichende Screens nach Mutationssignaturen durch, die Gewinn oder Verlust von Funktion anzeigen, und die bei nektartrinkenden Vögeln auftraten. Weiterhin analysierten wir Änderungen in den Genexpressionsmustern. Wir entdeckten, dass FBP2, ein glukoneogenes Muskelenzym, während eines Zeitraums verloren ging, in dem sich bei den Vorfahren der Kolibris der Schwebeflug entwickelte. Experimente in einer Muskelzelllinie zeigten, dass FBP2 Knockdown sowohl die Glykolyse als auch die mitochondriale Atmung steigerte, was mit einer erhöhten Anzahl von Mitochondrien einhergeht. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Verlust von FBP2 bei den Vorfahren der Kolibris wahrscheinlich ein wichtiger Schritt in der Evolution von metabolischen Muskelanpassungen war, die für den Schwebeflug erforderlich sind. Darüber hinaus fanden wir positive Selektion und eine Hochregulierung der Expression wichtiger glykolytischer Enzyme bei Kolibris, was auf genomische Veränderungen hindeutet, die zur Anpassung an die spezielle Ernährung bei Kolibris beitragen. Um das Ausmaß der konvergenten molekularen Evolution zu untersuchen, haben wir vier unabhängige nektartrinkende Vogelstämme verglichen. Unsere genomweiten Screens, die sowohl Veränderungen in den Gensequenzen und in der Genexpression als auch Veränderungen in konservierten nicht-kodierenden Regionen betrachteten, identifizierten wichtige Enzyme und Transkriptionsregulatoren, die vermutlich zu Anpassungen an die zuckerreiche Nahrung beitragen. Darüber hinaus ergaben unsere Experimente funktionelle Unterschiede in den Genen von nektartrinkenden Vögeln und deren nahen Verwandten. Unsere Analysen zeigen, dass sowohl konvergente als auch linienspezifische Änderungen zu Anpassungen an die Nektarnahrung beigetragen haben. Während einzelne Gene nur selten in allen vier nektartrinkenden Vogelstämmen verändert sind, sind molekulare Konvergenzmuster auf der Ebene ähnlicher Funktionen und molekularer Pathways weit häufiger anzutreffen. Das zeigt, dass sich ähnliche Nahrungsanpassungen oft durch Veränderung funktionell ähnlicher, aber unterschiedlicher Gene entwickeln.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• RepeatFiller newly identifies megabases of aligning repetitive sequences and improves annotations of conserved non-exonic elements. GigaScience, 8(11).
  Osipova, Ekaterina; Hecker, Nikolai & Hiller, Michael
  
• Towards complete and error-free genome assemblies of all vertebrate species. Nature, 592(7856), 737-746.
  Rhie, Arang; McCarthy, Shane A.; Fedrigo, Olivier; Damas, Joana; Formenti, Giulio; Koren, Sergey; Uliano-Silva, Marcela; Chow, William; Fungtammasan, Arkarachai; Kim, Juwan; Lee, Chul; Ko, Byung June; Chaisson, Mark; Gedman, Gregory L.; Cantin, Lindsey J.; Thibaud-Nissen, Francoise; Haggerty, Leanne; Bista, Iliana; Smith, Michelle ... & Jarvis, Erich D.
  
• Chromosome-length genome assembly and linkage map of a critically endangered Australian bird: the helmeted honeyeater. GigaScience, 11.
  Robledo-Ruiz, Diana A.; Gan, Han Ming; Kaur, Parwinder; Dudchenko, Olga; Weisz, David; Khan, Ruqayya; LiebermanAiden, Erez; Osipova, Ekaterina; Hiller, Michael; Morales, Hernán E.; Magrath, Michael J. L.; Clarke, Rohan H.; Sunnucks, Paul & Pavlova, Alexandra
  
• Integrating gene annotation with orthology inference at scale. Science, 380(6643).
  Kirilenko, Bogdan M.; Munegowda, Chetan; Osipova, Ekaterina; Jebb, David; Sharma, Virag; Blumer, Moritz; Morales, Ariadna E.; Ahmed, Alexis-Walid; Kontopoulos, Dimitrios-Georgios; Hilgers, Leon; Lindblad-Toh, Kerstin; Karlsson, Elinor K.; Hiller, Michael; Andrews, Gregory; Armstrong, Joel C.; Bianchi, Matteo; Birren, Bruce W.; Bredemeyer, Kevin R. ... & Zhang, Xiaomeng
  
• Loss of a gluconeogenic muscle enzyme contributed to adaptive metabolic traits in hummingbirds. Science, 379(6628), 185-190.
  Osipova, Ekaterina; Barsacchi, Rico; Brown, Tom; Sadanandan, Keren; Gaede, Andrea H.; Monte, Amanda; Jarrells, Julia; Moebius, Claudia; Pippel, Martin; Altshuler, Douglas L.; Winkler, Sylke; Bickle, Marc; Baldwin, Maude W. & Hiller, Michael