Die Evolution epigenetischer Regulation der Entwicklung

Änderungen in Gen-Regulationsnetzwerken, die Entwicklungsprozesse kontrollieren, können einen grossen Beitrag zur Evolution von verschiedenen Tieren leisten. Diese komplizierten Netzwerke bestehen aus Transkriptionsfaktoren, die über Tierphyla konserviert sind, und aus ihren Zielgenen. Es gibt Hinweise, dass epigenetische Mechanismen die Funktion dieser transkriptionellen Netzwerke unterstützen, indem sie die Zugänglichkeit von Chromatin während der Entwicklung regulieren. Modellorgnamismen aus basalen Tierphyla sind wichtig, um Einblicke in die Entwicklung der transkriptionellen Netzwerke und ihren Interaktion mit epigenetischen Änderungen zu gewinnen. Dennoch existieren keine Informationen über epigenetische Regulierung in Tieren außerhalb der Bilateria. Ich untersuche die Regulierung der Genexpression in Nematostella vectensis, die eine Schwestergruppe zu Bilateria repräsentiert. Ich plane, die genom-weite Verteilung einer Polycomb vermittelten Histonmodifikation zu analysieren, um zu klären, ob Polycomb-vermittelte Reprimierung von entwicklungsregulierenden Genen in Nematostella eine ähnliche Komplexität wie in Bilateria hat. Ich werde auch charakteristische Chromatinmodifikationen, die bereits in Säugetierzellen identifiziert wurden, verwenden, um transkriptionsregulierende Elemente im ganzen Genom zu identifizieren. Die Funktionalität dieser Elemente werde ich in transgenen Nematostella Polypen prüfen. Die Identifikation dieser Elemente erleichtert weitere Studien der Evolution von cis-regulierenden Elementen in transkriptionellen Netzwerken.

Die komplizierte Regulation der Genexpression sowie sie in allen Tieren einschliesslich den Menschen vorliegt, ist bereits vor mehr als 600 Millionen Jahren evolviert. Diese These basiert auf den Ergebnissen meiner Forschung, die zeigt dass die Genregulations-Landkarte der Seeanemone Nematostella vectensis der von höheren Tieren wie Fruchtfliege oder Zebrafisch sehr ähnlich ist.Manche Seeanemonen sehen aus wie bunte Unterwasserpflanzen, sie sind allerdings Tiere die mit Quallen und Korallen verwandt sind, und gemeinsam mit diesen die Gruppe der Cnidarier bilden. Cnidarier haben sich vor circa 600 Millionen Jahren von den Bilateriern abpespalten, einer Gruppe die die meisten Modellorganismen die wir für biologische Forschung verwenden, beinhaltet. Cnidarier sind viel einfacher aufgebaut als Bilaterier, so haben sie zum Beispiel nur zwei von drei Keimblättern. Wie unsere Körper funktionieren und aussehen ist weitgehend das Werk unserer Gene und wie sie in sogenannten Genregulationsnetzwerken miteinander interagieren. Genomsequenzierungen von Menschen und vielen Tieren haben gezeigt dass anatomisch einfach geformte Tiere wie Seeanemonen ein komplexes Genrepertoire, ähnlich dem von Menschen oder Fruchtfliegen, besitzen. Daher kann die Evolution der morphologischen Komplexität nicht allein durch die An- oder Abwesenheit einzelner Gene bedingt sein. Ich untersuchte daher, ob sie vielleicht durch Unterschiede in der Genregulation, vor allem der Verteilung von genregulatorischen Elementen im Genom, vorangetrieben wurde. Dazu adaptierte ich eine molekularbiologische Methode, die Chromatin-Immunpräzipitation, für die Anwendung in Nematostella vectensis. Dadurch konnte ich diese genregulatorischen Sequenzen im gesamten Genom der Seeanemone identifizieren. Als ich die Landkarten der Genregulation zwischen Seeanemone, Fruchtfliegen, und Fischen verglich, stellte sich heraus dass die Komplexität der Genregulation in Seeaemonen genauso hoch ist wie in den zwei höheren Tieren. Daher nehme ich an dass das Prinzip der komplexen Genregulation bereits in dem gemeinsamen Vorfahren von Mensch, Fruchtfliege und Seeanemone vorhanden war.