Entschlüsselung der Rolle taxonomisch beschränkter Gene in dem basalen Vielzeller Hydra

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Alexander Klimovich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468104244

Bis zu 40 % der Gene im Genom jeder Tierart sind durch nicht konservierte Gene repräsentiert, die keine Homologie zu anderen Genen außerhalb dieser Art oder Klade aufweisen. Sie werden als taxonomisch beschränkte Gene (TRGs) bezeichnet. Die funktionelle Rolle der TRGs bleibt ein Rätsel in der Entwicklungsbiologie. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Annotation von TRGs durch herkömmliche Ansätze haben bisher keine Studie versucht, das Repertoire an TRGs bei einer bestimmten Art systematisch zu untersuchen. Daher ist noch wenig darüber bekannt, wie TRG- kodierte Proteine das hochkonservierte molekulare Toolkit von Metazoa ergänzen und wie linienspezifische Gene zur Entwicklung, zu Gen-Umwelt-Interaktionen und zu Anpassungen beitragen. Um die Rolle der TRGs aufzudecken, schlage ich vor, den Süßwasserpolypen Hydra zu verwenden, der sich als evolutionär informatives, experimentell zugängliches und genetisch manipulierbares Modell bewiesen hat. Unsere Beobachtungen deuten auf einen auffallend hohen Anteil von TRGs im Hydra-Genom und weisen auf eine komplexe zelltypspezifische und kontextabhängige Expression von TRGs hin. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die von TRGs in Hydra kodierten Proteine strukturell vielfältig und selektivem Druck ausgesetzt sind. Sie können an Prozessen wie die Aufrechterhaltung der Stammzellen und die Diversifizierung der Zelltypen, die Neurotransmission, die Gen-Umwelt-Interaktionen und die Metaorganismus-Homöostase beteiligt sein. Ich schlage vor, eine genomweite Untersuchung der strukturellen und funktionellen Diversität der in TRGs kodierten Proteine in H. vulagris AEP durchzuführen. Insbesondere werde ich die Rolle der TRG-kodierten Proteine bei der Identität der Zelltypen und besonders bei der Individualisierung der Nervenzellen untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, beabsichtige ich zunächst, die Assemblierung und Annotation des H. vulgaris AEP-Genoms zu verbessern. Darüber hinaus werde ich alle durch TRGs kodierten Proteine im H. vulgaris Genom identifizieren und klassifizieren, die Prinzipien ihrer Expression aufzeigen und auf ihre Struktur und Funktion schließen. Meine Studie verspricht erste Einblicke in die Rolle der genomischen Neuheiten bei der Diversifizierung von Zelltypen der Metazoen, insbesondere der Neuronen. Sie könnte dazu anregen, die konventionelle Sichtweise auf die Evolution von Zelltypen zu revidieren, bei der man davon ausgeht, dass hoch konservierte Gene eine führende Rolle spielen. Langfristig wird meine Studie einen konzeptionellen und einen methodischen Rahmen für die Untersuchung der Rolle der allgegenwärtigen TRGs in verschiedenen Modellsystemen bieten. Das erste Genom des strategisch wichtigen H. vulgaris AEP-Stammes wird eine nützliche Ressource für die Gemeinschaft und meine Studien werden. Meine systematische Analyse wird eine Grundlage für weitere hypothesengesteuerte Funktionsanalysen einzelner TRGs und ihrer Familien mittels Transgenese bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen