Wir untersuchen die Evolution von Genen und Genexpression anhand der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellsystem. Aktuelle Projekte konzentrieren sich auf Unterschiede in der Genexpression zwischen Populationen und Geschlechtern sowie auf die populationsgenetische und funktionelle Analyse von Genregulationselementen.
Foto: Amanda Glaser-Schmitt.
Im Allgemeinen interessieren wir uns für das Verständnis der molekularen Grundlagen der Anpassung. Wir untersuchen die Evolution von Genen und Genexpression mithilfe der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellsystem. Unsere Forschung lässt sich in drei Hauptbereiche gliedern:
Unterschiede in der Genexpression gelten als eine der Hauptursachen für phänotypische Unterschiede zwischen Arten und Populationen. Transkriptomische Technologien wie die Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung (RNA-seq) ermöglichen es, Gene zu identifizieren, die sich in ihrer Expression zwischen Arten unterscheiden oder innerhalb einer Art zwischen Individuen variieren. Solche Studien haben gezeigt, dass es erhebliche Unterschiede in der Genexpression zwischen eng verwandten Arten gibt, ebenso wie eine große Variabilität der Expression innerhalb von Arten. Darüber hinaus bestehen deutliche Unterschiede in der Genexpression zwischen Männchen und Weibchen derselben Art. Eine aktuelle Herausforderung der Evolutionsgenetik besteht darin, die spezifischen genetischen Veränderungen zu identifizieren, die für Unterschiede in der Genexpression verantwortlich sind, und zu bestimmen, wie diese Veränderungen die Fitness eines Organismus beeinflussen.
Wir untersuchen die Variation der Genexpression innerhalb und zwischen Populationen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, einer Art, die ursprünglich aus dem subsaharischen Afrika stammt und erst relativ kürzlich erfolgreich andere Lebensräume weltweit besiedelt hat. Um die Rolle von Veränderungen in der Genregulation bei der Anpassung besser zu verstehen, führen wir sowohl genomweite als auch Kandidatengen-Studien mit Fliegen aus ursprünglichen und abgeleiteten Populationen durch. Das langfristige Ziel besteht darin, spezifische genetische Polymorphismen zu identifizieren, die der Divergenz der Genexpression zugrunde liegen, und die populationsgenetischen Mechanismen zu bestimmen, die für ihre Erhaltung in natürlichen Populationen verantwortlich sind. Ein weiteres Ziel ist es, den Einfluss der Variation in der Genexpression auf organismische Phänotypen zu bestimmen, die möglicherweise der natürlichen Selektion unterliegen.
Es ist gut belegt, dass neue proteincodierende Gene aus bestehenden Genen durch Duplikation oder durch Aufspaltung/Fusion von codierenden Sequenzen entstehen können. In jüngerer Zeit hat jedoch ein alternativer Mechanismus zunehmende Aufmerksamkeit erlangt, nämlich die de novo-Genentstehung. De novo-Gene entstehen aus nicht-codierender DNA, indem sie ein neues offenes Leseraster (open reading frame, ORF) und die Fähigkeit zur Transkription und Translation erwerben. Wir untersuchen die frühesten Stadien der de novo-Genbildung, indem wir neu entstandene, exprimierte offene Leserahmen (neORFs) in den Genomen verschiedener Drosophila-Arten identifizieren, einschließlich mehrerer Inzuchtlinien jeder Art. Diese Daten ermöglichen es uns, die evolutiven und populationsdynamischen Prozesse von de novo-Genen zu bestimmen und die Merkmale zu charakterisieren, die ihnen die Ausbreitung in einer Population oder Art ermöglichen.
Foto: John Parsch
Ähnlich wie beim Menschen erfolgt bei Drosophila die Geschlechtsbestimmung chromosomal, wobei Weibchen zwei X-Chromosomen und Männchen ein X- und ein Y-Chromosom besitzen. Das männchenspezifische Y-Chromosom ist stark degeneriert und enthält nur sehr wenige Gene. Das X-Chromosom hingegen enthält viele Gene (etwa 17 % der Gene im Drosophila-Genom), die in beiden Geschlechtern exprimiert werden. Der Unterschied in der Kopienzahl zwischen Männchen und Weibchen führt dazu, dass das X-Chromosom einzigartigen evolutionären Kräften und genregulatorischen Mechanismen unterliegt. So wird beispielsweise in männlichen somatischen Zellen die Expression der Gene auf dem X-Chromosom erhöht, um die Tatsache auszugleichen, dass sie nur in einer Kopie vorliegen – ein Prozess, der als Dosiskompensation bezeichnet wird. In der männlichen Keimbahn findet keine Dosiskompensation statt, und die Expression des X-Chromosoms wird durch einen Mechanismus unterdrückt, der der in Säugetieren bekannten meiotic sex chromosome inactivation (MSCI) ähnelt.
Wir untersuchen die Unterdrückung der X-chromosomalen Genexpression in der männlichen Keimbahn, um diese Form der geschlechts-, chromosomen- und gewebespezifischen Regulation besser zu verstehen. Beispielsweise arbeiten wir daran, mutante Stämme zu identifizieren und zu charakterisieren, die in der männlichen Keimbahn-unterdrückung des X-Chromosoms defekt sind, um die Gene und molekularen Mechanismen zu identifizieren, die für diese einzigartige Art der Regulation verantwortlich sind, und zu verstehen, wie sie die Evolution des Genoms beeinflussen.
Professor
Evolutionäre und Funktionelle Genomik
Glaser-Schmitt A, Lemoine M, Kaltenpoth M, Parsch J. (2024) Pervasive tissue-, genetic background-, and allele-specific gene expression effects in Drosophila melanogaster. PLoS Genet. 20:e1011257.
Glaser-Schmitt A, Ramnarine TJS, Parsch J. (2023) Rapid evolutionary change, constraints and the maintenance of polymorphism in natural populations of Drosophila melanogaster. Mol Ecol. 17024.
Grandchamp A, Kühl L, Lebherz M, Brüggemann K, Parsch J, Bornberg-Bauer E. (2023) Population genomics reveals mechanisms and dynamics of de novo expressed open reading frame emergence in Drosophila melanogaster. Genome Res. 33, 872-890.
Belyi A, Argyridou E, Parsch J (2020) The influence of chromosomal environment on X-linked gene expression in Drosophila melanogaster. Genome Biology and Evolution. 12:2391-2402.
