Die Evolution der Rekombinationsraten
Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
Evolution, Anthropologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Rekombination, der Austausch von genetischem Material zwischen gepaarten Chromosomen während der Meiose, erzeugt neue Allelkombinationen und beeinflusst sowohl kurzfristige Ergebnisse als auch die langfristige Evolution. Rekombinationsraten variieren zwischen Organismen und genomischen Regionen innerhalb einer Art, doch die Mechanismen hinter dieser Variation und ihrer Evolution sind noch nicht vollständig verstanden. In diesem Projekt wurde die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe als Modellorganismus genutzt, um die Variation der Rekombinationsrate durch experimentelle Evolution, die Analyse natürlicher Isolate und den Einfluss struktureller Variation zu untersuchen. In einem Experiment zur evolutionären Veränderbarkeit der Rekombinationsraten wurden mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern und fluoreszenzaktivierter Zellsortierung (FACS) über 35 sexuelle Generationen auf erhöhte oder verringerte Rekombination selektiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Rekombinationsraten unter Selektion ansteigen oder sinken können. Dabei war die Zunahme stärker, wenn globale Rekombination über zwei Intervalle selektiert wurde, als bei lokalem Fokus auf einen einzelnen Hotspot. Eine Verringerung der Rekombination wurde ebenfalls unter starker Selektion erreicht, was die Plastizität und Evolvierbarkeit von Rekombination zeigt. Zur Untersuchung der natürlichen Variation wurden die Rekombinationsraten in drei genomischen Intervallen von 57 natürlichen Hefe-isolaten mit einem tetradenbasierten Fluoreszenz-Bildgebungsverfahren gemessen. Unterstützt durch ein Convolutional Neural Network zeigte sich signifikante Variation zwischen Stämmen und Chromosomen, jedoch keine Korrelation mit genetischer Ähnlichkeit. Dies deutet auf eine nicht globale Regulierung der Rekombination hin. Eine genomweite Assoziationsstudie (GWAS) identifizierte keine mit der Variation assoziierten Loci, was auf unbekannte Mechanismen oder Umwelteinflüsse hinweist. Schließlich wurden künstliche Chromosomeninversionen eingeführt, um deren Einfluss auf die Rekombinationsunterdrückung zu analysieren. Inversionen reduzierten die Gametenviabilität und unterdrückten Rekombination nahe der Bruchpunkte in isogenen Stämmen. Bei divergenten Stämmen war jedoch der genetische Inhalt in invertierten Regionen ein stärkerer Faktor als strukturelle Merkmale. Diese Ergebnisse hinterfragen traditionelle Annahmen über die Rolle von Inversionen und bieten neue Einblicke in Prozesse wie die Evolution von Geschlechtschromosomen und die Artbildung. Zusätzlich zu den neuen Erkenntnissen hat das Projekt wertvolle Methoden entwickelt, darunter molekulare Techniken und ein neuronales Netzwerk für die Tetradenanalyse, die zukünftige Forschungen erleichtern. Insgesamt tragen die Ergebnisse zum Verständnis der Rekombination als dynamisches, evolvierbares Merkmal bei und beleuchten deren Bedeutung für genetische Vielfalt, Anpassung und Evolution. Zukünftige Arbeiten werden die genetischen Mechanismen der Rekombinationsvariabilität weiter untersuchen und auf diesen Erkenntnissen aufbauen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inversions and integrations using CRISPR/Cas9 and a module-based plasmid construction kit for fission yeast. openRxiv.
Berenguer, Millanes Cristina & Nieuwenhuis, Bart P.S.
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Supplementary data for Berenguer Millanes et al. 2025.
Berenguer, Millanes Cristina & Nieuwenhuis, Bart P.S.
