Kartierung genetischer Modifikatoren der Epimutationsraten bei Arabidopsis thaliana

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Johannes
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460890770

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die DNA-Methylierung in Pflanzen ist eine chemische Modifikation, die die Genaktivität steuert, die Stabilität des Genoms aufrechterhält und „springende“ Gene, sogenannte Transposons, stilllegt. Sie tritt auf, wenn eine kleine Molekülgruppe, die als Methylgruppe bezeichnet wird, an bestimmte Bereiche der DNA bindet, hauptsächlich an Cytosin-Basen, und von speziellen Enzymen reguliert wird. Anders als bei Tieren können Pflanzen diese Modifikation hinzufügen, entfernen oder anpassen, und Veränderungen in der Methylierung an die nächste Generation weitergegeben. In Pflanzen treten zufällige Veränderungen in DNA-Methylierungsmustern häufig unabhängig von Veränderungen in der DNA-Sequenz auf. Diese sogenannten "spontanen Epimutationen" scheinen ein Nebenprodukt der unvollständigen Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung während der Pflanzenentwicklung zu sein. Derzeit besteht großes Interesse daran, die weiterreichenden Auswirkungen dieser zufälligen Veränderungen zu verstehen, da mehrere Studien darauf hinweisen, dass sie gelegentlich zu erblichen Veränderungen in der Genexpression führen, die Vielfalt der Methylierungsmuster innerhalb und zwischen Pflanzenpopulationen beeinflussen und auf verschiedene Umweltfaktoren reagieren können. In diesem Projekt verwendeten wir die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, um zu zeigen, dass bestimmte Genotypen anfälliger für Fehler bei der Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung über meiotische Zellteilungen hinweg sind als andere. Um dies zu untersuchen, verfolgten wir DNA-Methylierungsveränderungen über mehrere Generationen in verschiedenen Pflanzengenotypen und quantifizierten die Epimutationsraten für jeden Genotyp. Wir nutzten diese Epimutationsraten als molekulares Merkmal, um Unterschiede in diesen Raten mit spezifischen genetischen Unterschieden zwischen Pflanzen zu verknüpfen. Unsere Analyse identifizierte eine einzelne Region auf einem Chromosom, die einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität der DNA-Methylierung über Generationen hinweg hat. Weitere Untersuchungen zeigten, dass diese Region eine Mutation in einem Gen des DNA-Methylierungswegs trägt, die diesen Effekt erklären kann. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass diese Region auch die Variation bestimmter Pflanzeneigenschaften beeinflusst.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An evolutionary epigenetic clock in plants. Science, 381(6665), 1440–1445.
  Yao, N.; Zhang, Z.; Yu, L.; Hazarika, R.; Yu, C.; Jang, H.; Smith, L. M.; Ton, J.; Liu, L.; Stachowicz, J. J.; Reusch, T. B. H.; Schmitz, R. J. & Johannes, F.
  
• Stochasticity in gene body methylation. Current Opinion in Plant Biology, 75, 102436.
  Goeldel, Constantin & Johannes, Frank
  
• Time's up: Epigenetic clocks in plants. Current Opinion in Plant Biology, 81, 102602.
  Vo, Binh Thanh; Mas, Paloma & Johannes, Frank