Syntenie-basierte Identifikation von Innovationen in Insektengenomen

• Antragsteller: Professor 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

Die Frage, wie die Struktur des Genoms die Evolution von Genregulation und phänotypischer Vielfalt beeinflusst, gehört zu den zentralen Herausforderungen der Biologie. Besonders spannend ist dieses Thema bei Insekten: Einige Gruppen, wie etwa die Zweiflügler (Diptera), zeigen ein außergewöhnlich hohes Maß an genomischer Umstrukturierung - von großräumigen Synteniebrüchen bis hin zu Veränderungen in regulatorischen Nachbarschaften - und zeichnen sich gleichzeitig durch eine enorme phänotypische und ökologische Diversität aus. Daraus ergibt sich die Hypothese, dass genomische Neuorganisation zur Entstehung regulatorischer Innovationen beitragen könnte. Die Beziehung ist jedoch nicht eindeutig: Andere artenreiche Insektengruppen, etwa die Schmetterlinge (Lepidoptera) und Käfer (Coleoptera), verfügen über vergleichsweise stabile Genomarchitekturen. Dies deutet darauf hin, dass strukturelle Genomveränderungen die Diversifizierung zwar fördern können, aber keine notwendige Voraussetzung sind. Um mechanistische Zusammenhänge zwischen Genomumbau, regulatorischer Innovation und der Vielfalt von Entwicklungsprogrammen untersuchen zu können, müssen drei zentrale Voraussetzungen erfüllt sein: (i) der Zugang zu einem vergleichenden Modellsystem mit ausgeprägter Variation in Genomstruktur und Entwicklung; (ii) ein entwicklungsbiologischer Prozess, der zwischen Arten geteilt wird, aber gleichzeitig evolutionär veränderlich ist; und (iii) Analysewerkzeuge, mit denen sich auch stark umstrukturierte Genome mit regulatorischer Auflösung vergleichen lassen. Im Verlauf der ersten Förderperiode konnten wir für das Erfüllen dieser Voraussetzungen zwei entscheidende Fortschritte erzielen. Erstens haben wir ein annotationsunabhängiges Werkzeug zur Syntenieanalyse entwickelt, das auf nicht-genetischen Ankerpunkten basiert und den Vergleich regulatorischer Landschaften auch in stark umgebauten Insektengenomen ermöglicht - ein wesentlicher methodischer Durchbruch für die vergleichende Insekten-Genomik. Zweitens haben wir gezeigt, dass in den ersten Stunden der Embryonalentwicklung von Fliegen vermehrt neu entstandene, stammspezifische Gene aktiv sind. Diese Beobachtung legt nahe, dass die frühe Entwicklung als „Spielwiese“ für evolutionäre Innovationen dient. Im vorliegenden Antrag bauen wir auf diesen Ergebnissen auf und wollen nun systematisch untersuchen, wie sich genomische Umstrukturierungen auf regulatorische Landschaften während der frühen Embryogenese auswirken – und wie dies die Integration und funktionelle Etablierung neuer Gene beeinflussen kann. Mithilfe eines vergleichenden Ansatzes, der mehr als zehn Dipterenarten mit unterschiedlicher Genomarchitektur umfasst, möchten wir die grundlegenden Prinzipien und Grenzen aufdecken, die der Verbindung zwischen Genomstruktur und Evolvierbarkeit in der Entwicklung zugrunde liegen.

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