Evolutionäre Genomik der Extremitätenmorphologie beim spanischen Maulwurf (Talpa occidentalis)

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mundlos
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Humangenetik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460195844

Varianten im Genom sind die Ursache für genetische Krankheiten und phänotypische Vielfalt, aber auch die Quelle evolutionärer Veränderung. Während die genomweite Suche nach krankheitsverursachenden Mutationen inzwischen als Routinetest durchgeführt wird, bleibt die Identifizierung und Charakterisierung genomischer Veränderungen in einem evolutionären Zusammenhang eine Herausforderung. In diesem Vorhaben plane ich, die genomische Grundlage der Morphologie der Gliedmaßen beim Maulwurf (Talpa occidentalis) als Beispiel für extreme evolutionäre Anpassung zu untersuchen. Ausgehend von unseren vorhergehenden Arbeiten zur Untersuchung der molekularen Grundlagen der Intersexualität beim Maulwurf, werden wir nach Veränderungen im regulatorischen nicht-kodierenden Genom suchen. Zu diesem Zweck generierten wir in unserer vorhergehenden Studie ein vollständiges Genom des spanischen Maulwurfs, führten Hi-C zur Identifizierung von TADs durch, identifizierten Synteniebrüche und identifizierten Regionen im Genom, die sich stark verändert haben (Real et al. Science 2020). Im Zuge dieser Studie konnten embryonale Gliedmaßen von Maulwürfen der Stadien E11.5, 13.5, 17.5 (Mausäquivalent) für die weitere Analyse gewonnen werden. Unter Verwendung dieser Vorarbeiten werden wir folgende Ziele verfolgen. 1) Expressionsanalyse mittels RNA-seq sowie Identifikation aktiver regulatorischer Regionen mit ChIP-seq für verschiedene Histonmarkierungen und ATAC-seq zur Detektion von offenem Chromatin in Gliedmaßen des Maulwurfs (E11.5, 13.5 und 17.5). 2) Einzelzell-RNA-seq und -ATAC aus den Gliedmaßen des Maulwurfs E13.5, um Gliedmaßen-spezifische Zellpopulationen und regulatorische Ereignisse zu identifizieren. 3) Durchführung einer integrativen Datenanalyse zur Identifizierung von Kandidatengenen/-loci. Wir werden die in unserem früheren Projekt generierten Daten verwenden und die Filterung durch die Gesamt- und Einzelzelldaten, die in Ziel 1 und 2 generiert wurden, verbessern. 4) Rekonstruktion genomischer Veränderungen bei der Maus. In Ziel 3 identifizierte Regionen werde in vivo in der Maus validiert, um biologisch relevante Veränderungen zu identifizieren. Für die Genomeditierung werden wir unser effizientes CRISVar-System verwenden und Rearrangements und Knock-ins ausgewählter Enhancer-Elemente in ES-Zellen der Maus erzeugen. Die Mäuse werden durch ES-Zellaggregation generiert und auf Veränderungen der Genexpression und des Phänotyps untersucht.Zusammenfassed werden wir einen genomweiten Ansatz anwenden, um genomische Varianten zu identifizieren, die kausal an der spezifischen Morphologie von Maulwurfextremitäten beteiligt sind und ihre Wirkung bei Mäusen testen. Dies wird dazu beitragen zu verstehen, wie die Evolution genomische Variationen nutzt und wie regulatorische Veränderungen sich in Phänotypen umsetzen. Diese Erkenntnisse werden auch für das Verständnis der Pathomechanismen menschlicher Skeletterkrankungen wertvoll sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen