Entschlüsselung der Rolle taxonomisch beschränkter Gene in dem basalen Vielzeller Hydra
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bis zu 40% der Gene im Genom jeder Tierart sind nicht konservierte, taxonomisch beschränkte Gene (TRGs). Diese Gene weisen keine Ähnlichkeit mit anderen Genen außerhalb dieser Art oder Gruppe. Der Süßwasserpolyp Hydra stellt aufgrund seiner phylogenetischen Position, seiner experimentellen Zugänglichkeit und der bemerkenswert hohen Anzahl von TRGs in seinem Genom ein strategisch wertvolles Modell für die Untersuchung von TRGs auf funktioneller Ebene dar. Das Ziel dieses Projektes war es, Einblicke in die entwicklungsbiologische Rolle der TRGs bei Hydra zu gewinnen. Erstens konnte ich ein neues, vollständiges Genom des H. vulgaris AEP-Stammes erstellen, um das kürzlich veröffentlichte Referenzgenom zu ergänzen. Dies erleichtert vergleichende Analysen und ermöglicht ein detailliertes Verständnis des TRG Repertoires und seiner evolutionären Dynamik in Hydra. Zweitens hat meine systematische genomweite Untersuchung viele einzelne TRGs und TRG- Familien in Hydra identifiziert. In-silico-Analysen, auch anhand von Machine-Learning Algorithmen, zeigten eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt unter diesen Genen. Funktionelle Analysen an transgenen Hydra zeigten, dass einige TRGs eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Reifung spielen. Dies unterstreicht die Bedeutung genomischer Neuheit für die Entwicklung und Evolution von Zelltypen. Meine Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie TRGs in genregulatorische Netzwerke eingebettet sind und dabei die konservierten Entwicklungsgene ergänzen. Darüber hinaus habe ich eine umfassende Analyse der TRGs, die für antimikrobielle Peptide (AMPs) in Hydra kodieren, durchgeführt und ihre bemerkenswerte Komplexität aufgedeckt. Meine Ergebnisse zeigen die evolutionäre Bedeutung von TRGs für die Gestaltung artspezifischer Mikrobiome und die Aufrechterhaltung der Homöostase von Holobionten. Die Isolierung von Promotoren, die die Expression neuronenspezifischer TRGs steuern, ermöglichte die Herstellung einzigartiger transgener Hydra-Linien, die Reporter wie GFP und GCaMP6 exprimieren. Diese Linien ermöglichten eine detaillierte Analyse der Architektur und Aktivität des Hydra-Nervensystems. Diese Ressourcen, die der Forschungsgemeinschaft bereits zur Verfügung stehen, werden zukünftige Studien zur Entwicklung, Funktion und Evolution des Hydra- Nervensystems vorantreiben. Insgesamt trägt mein Projekt wesentlich zum Verständnis der TRGs bei Hydra und darüber hinaus – im Tierreich bei, liefert wichtige Einblicke in ihre funktionelle Diversität und schafft grundlegende Werkzeuge für die weitere Erforschung der evolutionären Rolle der TRGs. Dieses Projekt hat auch neue Forschungsrichtungen eröffnet. Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, die Dynamik der TRG-Familien im Hydra-Genom zu verstehen und die evolutionäre Dynamik der Genome mit der Lebensgeschichte und den ökologischen Anpassungen innerhalb der Hydra-Stämme zu verknüpfen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Role of DNA Methylation in Genome Defense in Cnidaria and Other Invertebrates. Molecular Biology and Evolution, 39(2).
Ying, Hua; Hayward, David C.; Klimovich, Alexander; Bosch, Thomas C. G.; Baldassarre, Laura; Neeman, Teresa; Forêt, Sylvain; Huttley, Gavin; Reitzel, Adam M.; Fraune, Sebastian; Ball, Eldon E. & Miller, David J.
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Multiple neuronal populations control the eating behavior in Hydra and are responsive to microbial signals. Current Biology, 33(24), 5288-5303.e6.
Giez, Christoph; Pinkle, Denis; Giencke, Yan; Wittlieb, Jörg; Herbst, Eva; Spratte, Tobias; Lachnit, Tim; Klimovich, Alexander; Selhuber-Unkel, Christine & Bosch, Thomas C.G.
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Spontaneous body wall contractions stabilize the fluid microenvironment that shapes host–microbe associations. eLife, 12.
Nawroth, Janna C.; Giez, Christoph; Klimovich, Alexander; Kanso, Eva & Bosch, Thomas CG
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Spontaneously occurring tumors in different wild-derived strains of hydra. Scientific Reports, 13(1).
Boutry, Justine; Buysse, Marie; Tissot, Sophie; Cazevielle, Chantal; Hamede, Rodrigo; Dujon, Antoine M.; Ujvari, Beata; Giraudeau, Mathieu; Klimovich, Alexander; Thomas, Frédéric & Tökölyi, Jácint
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Genetic interference with HvNotch provides new insights into the role of the Notch-signalling pathway for developmental pattern formation in Hydra. Scientific Reports, 14(1).
Pan, Qin; Mercker, Moritz; Klimovich, Alexander; Wittlieb, Jörg; Marciniak-Czochra, Anna & Böttger, Angelika
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Novel technologies uncover novel ‘anti’-microbial peptides in Hydra shaping the species-specific microbiome. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 379.
Klimovich, Alexander & Bosch, Thomas C. G.
