Syntenie-basierte Identifikation von Innovationen in Insektengenomen

• Antragsteller: Dr. Steffen Lemke; Professor Dr. Peter Florian Stadler
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502862570

Aufbau und Architektur von Genomen variiert in Insekten deutlich in Bezug auf ihre Größe, Verteilung von Introns, repetitiver DNA, und dem Erhalt alter Genkopplungen, zwischen und auch innerhalb größerer taxonomischer Gruppen. Wie die dieser Vielfalt zugrunde liegenden Muster der Genomevolution zusammenhängen mit den vielgestaltigen Unterschieden in Aussehen und Verhalten von Insekten, ist nur unzureichend verstanden. Sekundär vergrößerte oder reduzierte Genome verwischen die Verbindung zu organismischer Komplexität, und nicht-adaptive Szenarien können das Entstehen von genomischer Komplexität durch populationsgenetische Prozesse erklären. Um zu verstehen, wie Innovation auf Genomebene mit Änderungen auf Phänotypebene zusammenhängen, bedarf es der zeitlichen Einordnung von Genomveränderungen entlang einer stammesgeschichtlichen Rekonstruktion, ergänzt durch die funktionale Analyse der beobachten Neuerungen.Unser Antrag legt dar, wie das Phänomen konservierter Syntänie-Blöcke in Genomen systematisch eingesetzt werden kann, um Orthologie, lokale Verdopplungen, Fluktuationen repetitiver Elemente, Gewinn und Verlust von Protein-Domänen und kodierenden Elementen, oder Entstehung und Verfall von nicht-Protein-kodierenden Genen zu verfolgen. Der beschriebene Syntänie-basierte Ansatz geht über die Erstellung von verlässlichenund eindeutigen Sequenzalignments hinaus und umgeht existierende Begrenzungen in klassischen, Sequenz-basierten Methoden zur Erstellung von Genstammbäumen. Damit werden stammesgeschichtliche Rekonstruktionen auch für solche DNA-Elemente möglich, die keine 1-1 Verwandtschaftsverhältnisse zwischen einzelnen Arten aufweisen, und über verwandtschaftliche Entfernungen, die für verlässliche Sequenzalignments zu großsind.Um einen skalierbaren Ansatz etablieren, der Genominnovationen entlang eines breiten stammesgeschichtlichen Verlaufes nachvollzieht, werden wir auf die breite Verfügbarkeit an sequenzierten Genomen in der Ordnung der Dipteren (Fliegen) und die besonders hohe Dichte an Genomsequenzen innerhalb der Drosophiliden zurückgreifen. Die Evolution der Fliegen ist geprägt von Episoden schnell zunehmender Artenvielfalt, und ersteVergleiche von Fliegengenomen haben bereits fliegenspezifische Innovationen in Mustergebungs- und Signaltransduktionskaskaden nahegelegt. Wir werden die zugrunde liegenden Signaturen von Genominnovationen in über 250 Fliegengenomen systematisch katalogisieren und unsere Expertise in vergleichenden funktionalen Analysen nutzen, um ihre biologische Relevanz und Auswirkung auf Entwicklungsprozesse und Gestaltgebungzu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2349: Die Genomischen Grundlagen Evolutionärer Innovationen (GEvol)