Ableitung von Prinzipien regulatorischer Evolution aus der frühen Differenzierung in Primaten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Enard; Privatdozentin Dr. Ines Hellmann
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458247426

Änderungen in regulatorischen Sequenzen waren zweifellos von großer Bedeutung für die Evolution des Menschen. Allerdings ist noch immer sehr wenig über sie bekannt. Das liegt zum Teil daran, dass noch nicht sehr gut verstanden ist, wie die Regulation von Genen im menschlichen Genom kodiert ist. Um diesen “regulatorischen Code” besser zu verstehen schlagen wir einen evolutionären Ansatz vor. Wir werden hierfür quantitative Einzelzell-Daten für das Transkriptom und das Epigenom während der Formation von Embryoid Bodies (EB) in vier Primatenarten generieren und analysieren. Eine zentrale Erkenntnis vorheriger Studien zur Evolution regulatorischer Elemente ist, dass das diese sich schnell zwischen verschiedenen Arten verändern, obwohl die von diesen Elementen regulierten Prozesse stark konserviert sind. Daher wird vermutet, dass kompensierende Evolution ein häufig auftretendes Phänomen in regulatorischer Evolution ist. Mit unserem Versuchsansatz können wir untersuchen, wie häufig transkriptionell aktive regulatorische Elemente (TREs) in Primaten kompensierender Evolution unterliegen: Wir werden induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) von Menschen, Gorillas, Orang Utans und Javaneraffen zu Embryoid Bodies differenzieren und Einzelzell-RNA-seq (scRNA-seq), sowie Einzelzell-ATAC-seq (scATAC-seq) Daten von insgesamt ~150,000 Zellen generieren. Mit diesem einzigartigen Datensatz können wir den Entwicklungsverlauf aller drei Keimblätter rekonstruieren und zwischen den vier Arten vergleichen. Mit den scRNA-seq Daten können wir die Konservierung von Genregulation und regulatorischen Netzwerken in der frühen Differenzierung abschätzen, und mit den scATAC-seq Daten können wir TREs für jedes Gen, jede Art und jeden Entwicklungsverlauf identifizieren und zwischen den Primatenarten vergleichen. Durch die gemeinsame Analyse der scRNA-seq und der scATAC-seq Daten während der frühen Entwicklung von Primaten werden wir die Konservierung von Genregulation mit der Konservierung von TRE Zugänglichkeit und TRE Sequenzevolution verknüpfen.So können wir Beispiele für kompensatorische Evolution identifizieren, bei denen Genregulation konserviert ist, aber keine Konservierung der TREs besteht. Im einfachsten Fall werden wir funktional analoge TREs (faTREs) finden, die nicht ortholog sind. Mit Hilfe eines Massively Parallel Reporter Assays (MPRA) werden wir die funktionale Äquivalenz dieser faTREs validieren. Wenn wir funktionale Äquivalenz feststellen, können wir Sequenzeigenschaften der TREs identifizieren, die kompensatorische Evolution erklären können, wie beispielsweise ob die Anzahl oder Diversität der unterschiedlichen Transkriptionsfaktor-Bindestellen hinreichend sind. Insgesamt wird unser Ansatz Prinzipien von regulatorischer Evolution offenbaren, die zum besseren Verständnis von menschlicher Genregulation beitragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen