Erlernen der Grammatik der regulatorischen DNA von Pflanzen für gezieltes modifizieren der Genexpression durch Genom-Editierung

• Antragsteller: Dr. Tobias Jores
• Fachliche Zuordnung: Genetik und Genomik der Pflanzen ; Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517938232

Genom-Editierung von regulatorischen Regionen im Pflanzengenom hat das Potenzial schnelle Verbesserungen von Nutzpflanzen zu ermöglichen und damit zur Ernährungssicherheit beizutragen. In diesem Projekt werde ich cis-regulatorische Elemente von Pflanzen und deren Interaktionen—die regulatorische Grammatik—untersuchen und Methoden für die Genom-Editierung von regulatorischer DNA entwickeln. Die Genexpression wird durch cis-regulatorische Elemente wie Promotern, Enhancer, Silencer und Insulatoren kontrolliert. Die Genom-Editierung von solchen Elementen ist eine vielversprechende Strategie, um Eigenschaften von Nutzpflanzen zu verbessern. Mutationen in regulatorischen Regionen führen oft zu Gewebe- oder Umweltbedingungsspezifischen Veränderungen der Genexpression und können daher weniger schädlich sein als Mutationen in genkodierenden Regionen. Evolution und Domestikation haben oft auf regulatorische DNA eingewirkt. Uns fehlt jedoch bisher ein ausreichendes Verständnis von cis-regulatorischen Elementen und der regulatorischen Grammatik, um Genom-Editierung von regulatorischen Elementen routinemäßig zur Verbesserung von Nutzpflanzen einzusetzen. Ich habe „plant STARR-seq“, eine Hochdurchsatz-Methode zur Charakterisierung von cis-regulatorischen Elementen, entwickelt. In diesem Projekt werde ich „plant STARR-seq“ verwenden, um unser Verständnis der Genregulation in Pflanzen zu erweitern: (1) Ich werde Insulatoren und Silencer in Pflanzen charakterisieren, da diese Elemente benötigt werden für eine präzise Kontrolle über die Expression von Transgenen für effiziente Genom-Editierung von Nutzpflanzen; (2) ich werde die Interaktionen innerhalb und zwischen cis-regulatorischen Elementen untersuchen; und (3) ich werde erforschen wie Interaktionen zwischen cis-regulatorischen Elementen und in trans agierenden Proteinen die Genregulation in Pflanzen beeinflussen. Diese Untersuchungen werden zu einem umfassenden Verständnis der Regeln, welche die Aktivität und Stärke von regulatorischer DNA in Pflanzen bestimmen, führen und es uns ermöglichen die pflanzliche Genregulation zu prognostizieren und zu manipulieren. Parallel zur Untersuchung der regulatorischen Grammatik werde ich eine Methode zur Transgen-freien Genom-Editierung von cis-regulatorischen Elementen entwickeln. Aktuelle Techniken zur gezielten Genom-Editierung von Pflanzen müssen sich Skepsis gegenüber transgenen Organismen und Bedenken wegen unbeabsichtigten Mutationen stellen. In diesem Projekt werde ich einen alternativen Ansatz zur Genom-Editierung entwickeln bei dem die DNA-verändernden Proteine in Agrobakterien exprimiert und anschließend in die Pflanzenzellen exportiert werden, ohne dabei gleichzeitig auch DNA zu übertragen. Diese Methode führt zu Transgen-freien Pflanzen und reduziert die Zahl von unbeabsichtigten Mutationen, da die DNA-verändernden Proteine nicht konstitutiv produziert werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen