Entschlüsselung der evolutionären Mechanismen, die den regulativen Schaltplan der evolutionär neuartigen Brutorgane in Syngnathiden (Seenadeln & Seepferdchen) formten, mittels hoch-moderner Einzelzell-MultiOmics.

• Antragsteller: Dr. Ralf Schneider
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517907115

Die Vielfalt des Lebens spiegelt die mannigfaltigen Anpassungen von Organismen an ihren sich stets verändernde Umwelt dar. Neue Merkmale können durch die graduelle Veränderung vorhandener Merkmale evolvieren (Merkmale sind dann „homolog“), oder auch durch die Evolution vollkommen neuer Merkmale ohne erkennbaren Vorgänger. Solche „de novo“ Merkmale können dennoch auf der Ebene der Genregulation Homologie aufweisen („deep homology“): wenn Teile von genregulativen Netzwerken mitgenutzt werden, die eigentlich für andere Merkmale evolvierten, was die Evolution neuer Merkmale beschleunigen kann. Syngnathiden (Seenadeln und Seepferdchen) besitzen ein solches evolutionär neuartiges Merkmal: Schwangerschaft bei Männchen mittels eines speziellen Brutorgans. Brutorgane können dabei sehr einfach sein (bei der Seenadel Nerophis ophidion werden Eier nur an das Brutorgan am Bauch des Vaters „geklebt“), sehr komplex sein (beim Seepferdchen Hippocampus erectus ist das Brutorgan eine geschlossenen Bruttasche in der die Eier inkubiert werden) oder auch zwischenformen darstellen (wie bei den Seenadeln Syngnathus typhle und Doryrhampus excisus). In diesem Projekt sollen die molekularen und evolutionären Mechanismen untersucht werden, die diesen Brutorganen zugrunde liegen und Indizien für die evolutionären Mechanismen die solchen evolutionär neuartigen Organen zugrunde liegen liefern. Dazu werden Gewebeproben der vier genannten Syngnathiden zu verschiedenen Zeitpunkten während der Entwicklung der Brutorgane gesammelt. In drei Teilprojekten werden (i.) die morphologische Entwicklung der Brutorgane mittels Histologie und Immunohistologie vergleichend beschreiben, (ii.) die Genexpression während der verschiedenen Stadien der artspezifischen Brutorgane vergleichend untersucht, und (iii.) robuste Gen-regulative Netzwerke mit Hilfe von Einzelzell-MultiOmics, welche sowohl RNA-seq als auch ATAC-seq derselben Zellen integriert, von ausgewählten Individuen generiert. Morphologisch Merkmale werden anschließend mit Genexpressionen assoziiert, einzelne Zelltypen der Entwicklungsstadien aller Arten bestimmt, merkmalspezifische genregulative Netzwerke bestimmt und zentrale regulative Faktoren (Transkriptionsfaktoren), die die Aktivität dieser Netzwerke steuern, identifiziert. Durch vergleichende Analysen der Netzwerke zwischen Entwicklungsstadien innerhalb und zwischen Arten können spezifische regulative Elemente und Interaktionen identifiziert werden. Zum Beispiel wird so klar ob konvergente Phänotypen mittels paralleler regulatorischer Evolution entstanden sind und ob die Entwicklung der abgeleiteten Phänotypen tatsächlich auf regulativer Ebene die eigene Evolution wiederholt, wie von der Morphologie angedeutet. Diese Studie wird also wertvolle Aufschlüsse über die Entwicklungsbiologie, molekularen Grundlagen und evolutionären Mechanismen die den neuartigen Brutorgane zugrunde liegen geben, und diese im weiteren Kontext der Evolution neuartiger Merkmale diskutieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Olivia Roth