Entschlüsselung der Heterogenität in mehrkernigen Muskelzellen von Drosophila durch Entzifferung von Genregulationsnetzwerken aktiv in einzelnen Muskelzellkernen

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Ingrid Lohmann; Professorin Dr. Britta Velten
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530144743

Das Wachstum und die Entwicklung der Muskeln ist ein sorgfältig koordinierter Prozess, der zur Bildung einer ausgewogenen und funktionellen Muskulatur führt, die ihre spezifischen Funktionen erfüllen kann. Bei Drosophila-Embryonen und -Larven gibt es in jedem Bauchsegment ein sich wiederholendes Muster von 30 unterschiedlichen Muskelfasern. Obwohl diese Muskelfasern Ähnlichkeiten aufweisen, unterscheiden sie sich in Größe, Form, Ausrichtung, Anzahl der Kerne, Innervation und Sehnenansatzstellen. Diese Vielfalt an Muskelfasern wird durch Muskel-Identitätsgene gesteuert, die häufig für Transkriptionsfaktoren (TFs) mit Homöodomänen (HD) kodieren, die in Untergruppen von Muskelvorläufern exprimiert werden. Darüber hinaus ist im Laufe der Jahre immer deutlicher geworden, dass nicht nur einzelne Muskeln unterschiedlich sind, sondern auch die Kerne innerhalb vielkerniger Muskeln heterogen sind. Über die molekularen Mechanismen, durch die diese Vielfalt zwischen verschiedenen Muskeln sowie zwischen Kernen innerhalb einzelner Muskelfasern zustande kommt, ist jedoch noch viel unbekannt. Wir haben Einzelzell-RNA-Sequenzierung von embryonalen Drosophila-Muskeln verwendet und spezifische Kombinationen von HD TF und Immunglobulin (Ig)-Oberflächenmolekülen identifiziert, die in einzelnen Muskeln exprimiert werden. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Zelloberflächenmoleküle so wie andere Realisator-Gene möglicherweise von HD TFs kontrolliert werden, um ihre spezifischen Charakteristika wie die Interaktion mit anderen Zelltypen zu vermitteln. Es ist jedoch auch unklar, ob und wie HD und andere TFs Transkriptionsprogramme in einzelnen Zellen präzise steuern können. Um diese Fragen zu klären, werden wir Multi-omik Ansätze anwenden, um genregulatorische Netzwerke (GRNs) zu identifizieren, die in einzelnen Muskelkernen aktiv sind. Zu diesem Zweck werden wir computergestützte Methoden für die Inferenz von GRNs in heterogenen Zellpopulationen entwickeln. Wir werden diese Informationen nutzen, um Instrumente zur Untersuchung des Beitrags von HD und anderen TFs zur Regulierung von Zielgenen zu entwickeln. Wir werden eine regulatorische Muskelregion sorgfältig charakterisieren, um wichtige Merkmale für die in vivo GRN-Aktivität abzuleiten. Unsere Ergebnisse werden zeigen, wie hoch konservierte HD und andere TFs Muskeleigenschaften mit äußerster Präzision in einzelnen Zellen steuern. Darüber hinaus wird der Ansatz der Einzel-Zellkernsequenzierung es uns ermöglichen, die Heterogenität der Zellkerne innerhalb einzelner Muskeln zu charakterisieren und damit einen Ausgangspunkt für die Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen der Sub-funktionalisierung innerhalb einzelner Muskeln zu schaffen. Unsere Ergebnisse werden entscheidend dazu beitragen zu verstehen, wie spezifische Kombinationen von TFs die Muskelvielfalt und Sub-funktionalisierung steuern, was für andere Zelltypen und Organismen hochrelevant sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen