Evolution der Genexpression in Drosophila

Veränderungen der Genexpression sind eine der Hauptursachen phänotypischer Diversität. In dem vorgeschlagenen Projekt soll die neueste Hochdurchsatzsequenzierung zur Messung von Genexpression verwendet werden. Durch die Analyse der Genexpression in Männchen und Weibchen von sieben verschiedenen Drosophila Arten werden fünf wesentliche Fragestellungen untersucht: 1) Evolution der geschlechtsspezifischen Genexpression 2) Evolution von cis- und trans-Effekten 3) Evolution des alternativen Splicings 4) Einfluß von Temperaturstress auf Genexpression 5) Veränderungen der Genexpression im phylogenetischen Kontext.

Im Rahmen des Projektes wurden wichtige Werkzeuge für die wissenschaftliche Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Erstens ein neues Programm zur Quantifizierung von allelspezifischer Genexpression und zweitens ein annotiertes Referenzgenom der Fruchtfliege Drosophila simulans. Schließlich wurde noch eine Hadoop Applikation entwickelt, die das Mappen kurzer Sequenzstücke mittels lokaler Computercluster ermöglicht. Die biologischen Ergebnisse fallen in zwei Themengruppen; de novo Gene, die aus nicht-kodierender DNA entstehen und der Einfluss von Temperatur auf die Regulation der Genexpression. Wir konnten zeigen, dass Temperatur ein wesentlicher Faktor ist, der Genexpression bestimmt. Es gelang sogenannte Reaktionsnormen der Genexpression in Abhängigkeit von der Temperatur zu erstellen. Der Verlauf dieser Reaktionsnorm unterscheidet sich ganz klar zwischen Genen aus unterschiedlichen Funktionsklassen (GO Kategorien). Die Expressionsdynamik wird am stärksten durch die Anzahl der Transkriptionsfaktorbinungsstellen erklärt. Doch auch microRNA Bindungsstellen zeigten einen Effekt. Mit der Temperatur ändert sich nicht nur die Höhe der Genexpression, sondern auch die Prozessierung der RNA (Splicing). Besonders wichtig war unsere Beobachtung, dass bei extremen Temperaturen sehr große Unterschiede zwischen Genotypen sehr groß sind, doch bei normaler Temperatur kaum Unterschiede existieren (Dekanalisation). Erst seit kurzem ist klar, dass neue Gene de novo aus nicht-kodierender DNA entstehen können. Da diese de novo Gene mit einer sehr hohen Rate entstehen, lag der Augenmerk dieses Subprojekts primär auf der Frage, wie häufig de novo Gene wieder verschwinden. Wir konnten nicht nur zeigen, dass viele de novo Gene nur sehr kurze evolutionäre Lebensdauer haben, sondern es gelang uns auch wesentliche Faktoren zu identifizieren, die das evolutionäre Überleben eines de novo Gens wahrscheinlicher machen.