Die evolutionäre Dynamik und das Schicksal spontan duplizierender tRNA Gene in Bakterien

• Antragstellerin: Jenna Gallie, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466526157

Translation ist der Prozess, durch den die genetische Information in Proteine umgewandelt wird. Die Transfer-RNAs ("tRNAs"), spielen dabei eine entscheidende Rolle; sie sind die Adaptermoleküle, die Codons mit den Aminosäuren verbinden. Organismen tragen viele Arten von tRNAs in sich, die jeweils von einem oder mehreren Genen (dem "tRNA-Gensatz") kodiert werden. Die Funktion des tRNA-Gensatzes - 61 verschiedene Codons in 20 verschiedene Aminosäuren zu übersetzen – bleibt in allen Organismen gleich. Seine Zusammensetzung aber variiert unter Organismen erheblich. Wie und warum diese Unterschiede entstehen beschäftigt Wissenschaftler seit langem. Bis heute stammt das Wissen über die Evolution von tRNA-Gensätzen überwiegend aus theoretischen Modellen und computergestützten Studien. Direkte Beobachtungen von tRNA-Gensätzen, die sich in Echtzeit verändern, sind selten. Doch kürzlich konnten wir die Evolution eines bakteriellen tRNA-Gensatzes durch tRNA-Gen-Duplikationsereignisse innerhalb des Genoms beobachten. Wir entfernten tRNA-Gene aus P. fluorescens SBW25, was zu Stämmen mit weniger tRNA-Genen und reduzierten Wachstumsraten führte. Als nächstes gaben wir den langsam wachsenden Stämmen in Echtzeit-Evolutionsexperimenten die Möglichkeit, ihr Wachstum zu verbessern. Die tRNA-Deletionsstämme verbesserten ihr Wachstum wiederholt und schnell, und zwar durch die Duplizierung großer Segmente (bis zu 15 %) des Chromosoms. Jedes duplizierte Segment enthält mindestens ein kompensierendes tRNA-Gen, welches die Zusammensetzung des Pools einsatzbereiter tRNA-Moleküle verändert. Interessanterweise scheinen die adaptiven Duplikationen sehr instabil zu sein; sie werden gebildet und gehen anschließend meist wieder verloren. Während wir also einen überraschenden Grad an adaptiver Flexibilität in einem bakteriellen tRNA-Gensatz beobachtet haben, bleibt abzuwarten, ob die duplizierten tRNA-Gene eine längere Zeit bestehen bleiben können. Wir schlagen vor, die Evolution der Duplikationen und der enthaltenen tRNA-Gene zu untersuchen. Wir wollen die Faktoren, die die Evolution der Duplikationen beeinflussen, mit Hilfe mathematischer Modellierung untersuchen. Die Ergebnisse der Modellierung werden wir nutzen, um ein erweitertes Evolutionsexperiment aufzusetzen, bei dem die Evolution der Duplikationen direkt beobachtet wird. Die evolutionären Ereignisse, die innerhalb jeder Linie stattfinden, werden mit einer Kombination aus biologischen Assays, Genomsequenzierung auf Populationsebene, Sanger-Sequenzierung, Gentechnik und YAMAT-seq analysiert. Mit diesen Experimenten soll festgestellt werden, ob Duplikationen in der Population über die Zeit erhalten bleiben, oder ob sie durch stabilere adaptive Lösungen (z.B. kleinere Duplikationen oder SNPs) verdrängt werden. Dies wiederum wird zeigen, ob diese Duplikationsereignisse lediglich dazu dienen, adaptive, aber flüchtige Flexibilität zu erzeugen, oder ob sie zur längerfristigen Evolution von tRNA-Gensätzen beitragen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen