Mechanismen und Konsequenzen der funktionalen Divergenz von Paralog-Transkriptionsfaktoren

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Jonas
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542757098

Die transkriptionelle Genregulation ist eine grundlegende Fähigkeit aller Lebewesen und beruht auf Transkriptionsfaktoren (TF) und ihren regulatorischen DNS-Bindestellen. Durch das Binden vieler Stellen und das Rekrutieren von Effektoren zur Aktivierung oder Repression assoziierter Gene bilden TFs die Knotenpunkte des Genregulationsnetzwerks (GRN). Aufgrund dieser Schlüsselposition ist die Entstehung neuer TFs – meist durch Genduplikation und Divergenz – mit evolutionären Innovationen, wie Mehrzelligkeit, verknüpft. Verglichen mit ihren heutigen Funktionen sind die molekularen Mechanismen, die diese Funktionen hervorbrachten, jedoch nahezu unbekannt. Die Forschung zur Evolution von TF-Duplikaten (Paralogen) beschränkte sich meist auf einzelne Beispiele ohne einen einheitlichen Rahmen. Wir streben daher ein grundsätzliches Verständnis der molekularen Mechanismen an, die die funktionale Divergenz von TF-Duplikaten antreiben und die initialen Sequenzänderungen mit der adaptiven GRN-Neuordnung verknüpfen. Basierend auf unserer vorherigen Studie zur Evolution der DNS-Bindungsspezifität erwarten wir, dass nach der TF-Duplikation Aminosäure (AS)-Substitutionen in intrinsisch ungeordneten Regionen (IDRs) Protein-Protein-Interaktionen (PPI) umordnen, und dadurch die Ziele, Regulatoren und Effektoren der TFs ändern, um zusammen das GRN neu vernetzen. Um dieses Modell zu bewerten, werden wir 30 strukturell und funktionell vielfältige Paralogpaare von S. cerevisiae TFs auf vier komplementäre Hypothesen untersuchen: 1. Dank Genduplikation können TFs völlig neue Funktionen erkunden. 2. Neue Interaktionen mit anderen TFs diversifizieren die Bindungsspezifität. 3. Außer in den DNS-Bindestellen können Paraloge auch in ihren Effektoren divergieren. 4. IDR-Substitutionen führen zur Divergenz zwischen Paralogen. Dafür werden wir die Zielgene von TF-Paralogen über Hefespezies hinweg vergleichen, die PPI-Unterschiede zwischen Paralogen erforschen und schließlich die AS-Substitutionen, die sie unterscheiden, sezieren. Im Labor werden wir die CRISPR-Cas9-Geneditierung mit modernsten Messtechniken für in-vivo DNS-Bindung (ChEC-seq) und Proteom-weite PPIs (BioID) kombinieren. Darüber hinaus werden wir Bioinformatik nutzen, um die erwarteten Genom- / Proteom-weiten Datensätze zu analysieren und das vorhandene Wissen und die Sequenzinformationen von S. cerevisiae zu integrieren. Für jedes Paralogpaar werden wir PPI-Unterschiede beschreiben und deren Auswirkung auf die Zielgene untersuchen, die Anpassungsfähigkeit ihrer Spezifität im Laufe der Evolution erforschen und für repräsentative Paare jene AS-Substitutionen identifizieren, die diese Divergenz verursachen. Unsere umfassende Analyse entlang des TF-Spektrums wird die molekularen Mechanismen aufklären, welche die TF-Evolution und ihre Konsequenzen für das GRN steuern, und wahrscheinlich auch in strukturell verwandte TFs komplexerer, vielzelliger Arten wirkten, die ebenso durch Genduplikation entstanden sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen