Adaptive Landschaften von Transkriptionsfaktoren und ihren in vivo Bindestellen in 1135 Arabidopsis thaliana Genomen

• Antragsteller: Dr. Gabriel Schweizer
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407589122

Die Expression von Genen ist von entscheidender Bedeutung für die Ausprägung des Phänotyps von Organismen und Änderungen in der Genexpression sind daher wichtige Faktoren für Adaption und Evolution. Die Expression eines Genes wird von verschiedenen molekularen Prozessen kontrolliert. Diese beinhalten die Bindung eines Transkriptionsfaktors (TF) an spezifische Bindestellen (TFBS) der DNA. Eine Ursache für Variationen der Genexpression sind Punktmutationen in cis-regulatorischen Elementen, die eine Änderung der Bindeaffinität eines TF zur Folge haben. Um zu verstehen, wie Punktmutationen die Bindeaffinität beeinflussen, wurden Proteinbinde-Mikroarrays (PBM) entwickelt. PBMs bestehen aus allen möglichen DNA-Doppelstrangfragmenten mit einer Länge von zehn Basenpaaren. Solche Arrays ermöglichen es, Bindeaffinitäten für TF zu allen kontinuierlichen und unterbrochenen 8-mers zu bestimmen. Ein Vorteil solcher kombinatorisch vollständigen Datensätze besteht darin, dass sie den Effekt jeder Mutation in jedem genetischen Hintergrund zeigen. Wenn Bindeaffinitäten als ein Maß für Adaption angesehen werden, sind die Resultate von PBM-Experimenten ideal um Phänotypen zu Genotypen zuzuordnen und um adaptive Landschaften zu konstruieren. Adaptive Landschaften sind besonders geeignet um ein zentrales Problem der Biologie zu erforschen: welche Mutationspfade werden von Populationen (nicht) verfolgt und warum. Das vorgeschlagene Projekt geht zum ersten Mal der Frage nach, wie TFBS in natürlichen Populationen von Arabidopsis thaliana evolvieren. Studien dieser Art sind jetzt möglich, da das skizzierte Projekt kürzlich publizierte Datensätze verwenden wird. Dazu gehören 1135 Genomsequenzen, die von einer weltweiten Sammlung von A. thaliana stammen, in PBM-Experimenten ermittelte Bindeaffinitäten für 313 TF, eine Sammlung von 529 in vivo bestimmten TF Bindestellen und Transkriptomdaten von 1203 Pflanzen. Genauer gesagt beleuchtet das Projekt zwei Hauptaspekte: was ist die Bedeutung von Selektion, Neutralität und Epistasis während der Evolution von TFBS? Wie wiederholbar oder eingeschränkt ist diese Evolution? Diese Fragen sollen mithilfe von Genotyp-Netzwerken untersucht werden. Dabei handelt es sich um Netzwerke, bei denen Knoten die Nukleotidsequenz einer TFBS im Genom darstellen. Knoten werden dann verbunden, wenn sich die zugehörigen Sequenzen in genau einem Nukleotid unterscheiden. Unter Berücksichtigung der Bindeaffinität jeder Sequenz lassen sich so adaptive Landschaften erstellen. Dieser Ansatz erlaubt es, bestehende vielfältige Werkzeuge der Netzwerkanalyse für biologische Fragestellungen zu verwenden, und wurde bereits erfolgreich für die Erforschung von empirischen Daten verwendet. Zusammengefasst hat das vorgeschlagene Projekt zum Ziel, unser Verständnis von der Evolution von TFBS in natürlichen Populationen zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Professor Andreas Wagner