Eine neue Technik, TF-High-Evolutionary (TF-HighEvo), ermöglicht die groß angelegte Bewertung von De-novo-Mutationen in mehrzelligen Organismen. Diese in Zusammenarbeit mit Forschern des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) und des Friedrich-Miescher-Laboratoriums der Max-Planck-Gesellschaft entwickelte Technik bietet neue Einblicke in die evolutionäre Dynamik genregulatorischer Netzwerke und ihre Rolle bei der Gestaltung der Vielfalt des Lebens.
Das Papier ist veröffentlicht im Journal Molekularbiologie und Evolution.
Die Genregulation spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Evolution von Organismen, wobei Transkriptionsfaktoren (TFs) als wesentliche Komponenten dienen, die die Genexpression steuern. Traditionell stützte sich die Untersuchung genetischer Variationen bei Drosophila melanogaster (allgemein als Fruchtfliege bekannt) auf bestehende genetische Variationen (bereits vorhandene Mutationen).
Im Gegensatz zu einzelligen Organismen wie Bakterien, die sich schnell vermehren und hohe Mutationsraten aufweisen, ist die Reproduktions- und Mutationsrate bei Fliegen niedriger, was die Untersuchung von De-novo-Mutationen in kurzen Zeiträumen verhindert.
Darüber hinaus findet man bei allen untersuchten Organismen die meisten genetischen Variationen in den regulatorischen Regionen des Genoms und nicht in den Genen. Die Auswirkungen von Mutationen in diesen regulatorischen Regionen zu verstehen, ist besonders schwierig, verglichen mit genetischen Mutationen, bei denen die Auswirkungen der Mutationen vorhergesagt werden können.
Die TF-HighEvo-Methode begegnet diesen Herausforderungen, indem sie die Mutationsrate in Drosophila deutlich erhöht; und das geschieht vor allem auf eine pfadspezifische Weise. Mit dieser neuen Methode können Forscher De-novo-Mutationen untersuchen, indem sie einen Mutator an TFs anhängen, die die Genexpression steuern. So können Forscher untersuchen, wie diese genetischen Veränderungen Merkmale beeinflussen.
Diese Methode kombiniert die Vorteile der Fusion von TFs in vivo mit einer aktivierungsinduzierten Deaminase (AID) und ermöglicht so kontinuierliche Keimbahnmutationen an TF-Bindungsstellen in allen regulatorischen Netzwerken von Drosophila.
In ihrer Studie zeigten die Forscher, dass Drosophila-Populationen, die das TF-HighEvo-Konstrukt exprimieren, Mutationen in höherem Maße anhäuften als in natürlichen Populationen. Diese Mutationen gruppierten sich um gezielte TF-Bindungsstellen, was zu unterschiedlichen morphologischen Phänotypen führte, die mit den Entwicklungsrollen der markierten TFs, Bicoid und Distal-less, übereinstimmen. Diese Faktoren sind an der frühen Embryonalentwicklung der Fliegen bzw. am Wachstum der Gliedmaßen beteiligt.
„Dieser Ansatz ist bahnbrechend“, sagte Dr. Luisa Pallares, eine der leitenden Forscherinnen am Friedrich-Miescher-Laboratorium der Max-Planck-Gesellschaft in Tübingen. „Er wird bisher undenkbare Wege für die experimentelle Evolution bei Fruchtfliegen eröffnen. Indem TF-HighEvo uns erlaubt, die Mutationslandschaft in großem Maßstab zu erforschen, ermöglicht es uns, die genetische Grundlage phänotypischer Variation und die Entwicklung bestimmter Wege zu untersuchen.“
Über Drosophila hinaus: Auswirkungen auf die Biologie der Vielzeller
Die Auswirkungen dieser Forschung reichen über Drosophila hinaus, da die entwickelten Methoden auch auf andere mehrzellige Organismen angewendet werden können. Die Fähigkeit, De-novo-Mutationen kontrolliert herbeizuführen und zu untersuchen, wird ein tieferes Verständnis der genetischen Grundlagen von Entwicklung und Evolution ermöglichen und möglicherweise zukünftige biologische Fragen in der Evolutions-, Entwicklungs- und synthetischen Biologie beantworten.
Darüber hinaus wurden sechs Nobelpreise für Forschungen an Drosophila verliehen, was den bedeutenden Beitrag der Fruchtfliegenforschung zu unserem Verständnis der Genetik, Entwicklung und Physiologie unterstreicht.
Angesichts der zunehmenden internationalen Bemühungen, die Auswirkungen genetischer Störungen in Modellsystemen zu verstehen, stellt die TF-HighEvo-Methode einen bedeutenden Fortschritt auf diesem Gebiet dar. Dieser Ansatz wird das Studium der Genregulation verbessern und zu einem umfassenderen Verständnis beitragen, wie genetische Variationen zu evolutionären Anpassungen führen können.
Weitere Informationen:
Xueying C Li et al, TF-High-Evolutionary: In Vivo Mutagenese von Genregulationsnetzwerken zur Untersuchung der Genetik und Evolution des regulatorischen Genoms von Drosophila, Molekularbiologie und Evolution (2024). DOI: 10.1093/molbev/msae167