Aufdecken der genomischen Innovationen bei der Entstehung von Holometabolie

• Antragsteller: Professor Dr. Gregor Bucher; Professor Dr. Mario Stanke
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503259931

Evolutionäre Innovationen können einer Tier-Gruppen völlig neue Möglichkeiten der Ausbreitung eröffnen. Eine grundlegende Frage der Evolutionsbiologie ist daher, wie sich solche Schlüsselinnovationen entwickelt haben und welche genomischen Veränderungen beteiligt waren. Eine der erfolgreichsten Innovationen bei Insekten ist der holometabole Lebenszyklus, der zu einer Radiation führte, die heute mehr als 70 % aller existierenden Arthropodenarten umfasst. Im Gegensatz zu den hemimetabolen Nymphen unterscheidet sich die holometabole Larve stark von den adulten Tieren, so dass diese Stadien verschiedene Nischen nutzen und sich spezialisieren können. Die Morphologie des erwachsenen Tieres bildet sich während eines dramatischen Umbaus im Puppenstadium aus. Es ist weitgehend unbekannt, welche Gene an der Evolution dieser Schlüsselinnovation beteiligt waren und wie sie die Entwicklung beeinflussen.Die Annotation eukaryotischer Genome hält mit der Menge an Sequenzierungen und Assemblierungen nicht Schritt. Im November 2021 hatten zum Beispiel nur 198 von 749 Insektenarten, für die bei NCBI eine Assembly vorhanden war, auch eine Annotation. Genome werden meist einzeln annotiert und Fehler bei der Vorhersage der Genstruktur sind bei vergleichenden Analysen von großer Bedeutung, da diese sich ja auf die Unterschiede zwischen verwandten Arten konzentrieren. Gleichzeitig ermöglicht die explosive Zunahme nah verwandter Genom-Sequenzen den Einsatz neuer Methoden, die multiple Genom-Alignments nutzen, um die Annotationen genauer und konsistenter zu machen.In diesem Projekt schlagen wir vor, Bioinformatik-Werkzeuge für konsistente und genaue vergleichende Genom-Annotationen zu verbessern, um sie dann auf Hunderte von Insekten-Genome anzuwenden, die in diesem SPP sequenziert werden oder bereits verfügbar sind. Auf diese Weise schaffen wir die vermutlich größte Ressource für die Annotation von Insekten-Genomen für vergleichende Studien von Protein-kodierenden Genen. Wir werden die Ressource nutzen, um kodierende Gene zu identifizieren, die während der Entstehung der Holometabolie evolutionäre Veränderungen erfahren haben. Aus dieser Gruppe werden wir dann alle Gene identifizieren, die für folgende ausgewählte holometabole Entwicklungsprozesse erforderlich sind: für die Morphologie der Epidermis von Larven und Puppen sowie für die Entwicklung des larvalen Gehirns. Schließlich werden wir für einige dieser Gene eingehende Funktionsanalysen durchführen.Zusammengenommen wird das Projekt eine Ressource für Genomvergleiche schaffen, die über dieses Projekt hinaus nützlich sein wird, es wird einen genomweiten Überblick über die Veränderungen bei Protein-kodierenden Genen führen, die mit einer Schlüsselinnovation bei Insekten verbundenen sind und es wird die Funktion neuartiger Regulatoren identifizieren, die an der holometabolen Entwicklung beteiligt sind.

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