Die Evolution epigenetischer Regulation in Käfern (Coleoptera)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Joachim Kurtz; Professorin Dr. Sonja Prohaska
• Fachliche Zuordnung: Evolution, Anthropologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503349225

Insekten zeigen eine bemerkenswerte evolutionäre Flexibilität hinsichtlich der epigenetischen Regulationsmechanismen. Selbst innerhalb der Gruppe der Käfer (Coleoptera) sind einige Arten auf CpG-Methylierung angewiesen, während andere Arten offenbar keine funktionell relevante CpG-Methylierung aufweisen. Dementsprechend sind Gene, die für DNA-Methyltransferasen kodieren (Dnmt1- und 3-Gene), in einigen Käferarten teilweise (z.B. Tribolium castaneum) oder vollständig (z.B. Dendroctonus ponderosae) verloren gegangen. Überraschenderweise kann das Ausschalten dieser Dnmt-Gene starke und sogar tödliche Auswirkungen haben, selbst bei Arten ohne CpG-Methylierung, was auf zusätzliche Funktionen der DNMTs hindeutet. Andererseits ist noch unklar, welche anderen epigenetischen Prozesse die CpG-Methylierung bei diesen Arten ersetzt haben könnten. Bei Wirbeltieren spielt die Histon-Modifikation eine wichtige Rolle bei der Genregulation. Viele Kernkomponenten des Histon-Modifikationssystems sind sogar zwischen Tieren und Pflanzen konserviert. Sowohl die Histon-Modifikation als auch die DNA-Methylierung sind globale Regulatoren, die sich mechanistisch insofern ähneln, als sie dazu führen, dass Markierungen entlang des Genoms gesetzt werden, sich aber in ihrer materiellen Grundlage unterscheiden. Deren Kombination könnte jedoch von einer bloßen Koexistenz bis hin zu einem unverzichtbaren und reichhaltigen ‚Crosstalk‘ reichen.Unser Projekt hat daher die folgenden drei Hauptziele: (1) Verständnis der Evolution epigenetischer Regulationssysteme; (2) Aufklärung alternativer Funktionen von DNA-Methyltransferasen; (3) Bewertung der gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen DNA-Methylierung und Histon-Modifikation. In enger Zusammenarbeit mit den beiden ‚Core projects‘ und mehreren anderen vorgeschlagenen Projekten dieses SPP werden wir die kombinierten Möglichkeiten der Bioinformatik und der Sequenzierungstechnologie nutzen, um epigenetische Prozesse (Methyl-Seq, Cut&Tag, RNAseq) und funktionelle Validierung (RNAi) in mehreren Käferarten zu analysieren. Unser Projekt, das sich mit der überraschenden evolutionären Flexibilität in einem so wichtigen Bereich wie der epigenetischen Regulation befasst, wird somit dringend benötigtes Grundlagenwissen über die Evolution epigenetischer Regulationssysteme auch über Insekten hinaus liefern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2349: Die Genomischen Grundlagen Evolutionärer Innovationen (GEvol)