Die Entschlüsselung eines neuartigen zirakdianen Netzwerks in Buckelfliegen

• Antragsteller: Dr. Enrico Bertolini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465974651

Zirkadiane Uhren bestimmen die Physiology, den Metabolismus und das Verhalten aller Lebewesen. Ihrer Funktionsweise liegen transkriptionelle Rückkopplungskreisläufe zu Grunde, welche in speziellen Zeitgeber-Zellen zu molekularen Rhythmen bei der Genexpression führen. Diese Rhythmen werden anschliessend auf vernetzte Zellen innerhalb des Gehirns und im gesamten Körper übertragen. Um die verschiedenen Gruppen von Zeitgeber-Zellen innerhalb des Gehirns miteinander zu synchronisieren wird ein evolutionär konserviertes Neuropeptid, Pigment-Dispersing-Factor (PDF) in den meisten bisher untersuchten Insekten als Signalgeber verwendet. Überraschenderweise habe ich die Entdeckung gemacht, dass in den beiden Buckelfliegenarten (Diptera: Phoridae) Megaselia abdita und Megaselia scalaris das pdf Gene aus deren Genom verschwunden ist. Weiterhin konnte PDF in immunohistochemischen Verfahren mit einem Antikörper, der in allen Insekten zum Nachweis dieses Proteins dient, nicht detektiert werden. Nichtsdestotrotz zeigen beiden Fliegenarten robustes zirkadianes Verhalten. Dies eröffnet die aufregende Möglichkeit, dass beide Arten ein neues Kommunikationssystem innerhalb ihres zirkadianen Netzwerks besitzen. Innerhalb des vorgelegten Projekts möchte ich erforschen, wie ein solches alternatives Kommunikationssystem aussehen könnte und welche Signalmoleküle die Rolle von PDF in Megaselia übernommen haben. Zuerst werde ich qualitativ hochwertige Genome der beiden Megaselia-Arten erstellen und mit Hilfe vergleichender Genomanalysen die evolutionäre Geschichte des pdf Gens in beiden Spezies nachzeichnen. Daraufhin werde ich durch Transgenese und Genommodifizierung (unter Verwendung des CRISPR/Cas9 Systems) genetische Marker in die Zeitgeber-Zellen von M. abdita einbringen. Anschliessend werde ich diese transgenen Fliegen benutzen, um durch Sequenzierung einzelner Zellkerne dieser markierten Zeitgeber-Zellen deren Transkriptome in M. abdita zu entziffern. Der Vergleich dieser Transkriptome mit denen von Drosophila melanogaster wird mir erlauben die neuen Signalwege zu identifizieren, welche die Rolle von PDF in M. abdita übernommen haben. Abschliessend werde ich funktionell testen, ob diese wirklich für den Erhalt zirkadianer Rhythmen in M. abdita verantwortlich sind. Zusammengefasst werden meine Experiment einen faszinierenden Fall evolutionärer Veränderung im Gehirn beleuchten, welcher zu einer alternativen Lösung für ein anderweitig hoch konserviertes Signalsystem geführt hat. Ausserdem werde ich grundlegende Methoden und Techniken für zukünftige Forschung in Megaselia-Arten etablieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Thomas O. Auer, Ph.D.