P-repressor like Proteine in Drosophila

Die Genome der nahe verwandten Arten Drosophila guanche, D. subobscura und D. madeirensis besitzen tandemförmig angeordnete Sequenzderivate ehemals aktiver P Elemente. Jede der funktionellen 3.2 kb Clustereinheiten hat über evolutionäre Zeiträume die ersten drei offenen Leserahmen der ursprünglichen P Elementsequenz konserviert. Diese kodieren für ein 65 kDa Protein, dessen Sequenz eine hohe Ähnlichkeit zum funktionellen P Element-Repressorprotein von D. melanogaster aufweist. Alle bisher analysierten P-"Repressor- ähnlichen" Proteinsequenzen innerhalb des Genclusters von D. guanche und deren verwandten Arten haben jene beiden Proteindomänen erhalten, welche für die Funktion eines aktiven P-Repressorproteins von D. melanogaster notwendig sind, z.B. das N-terminale Zinkfinger-Motiv und die "coiled-coil" Domäne im ersten Exon. Jede Clustereinheit beinhaltet in ihrem 5`-nichtkodierenden Bereich typische transkriptionsregulierende Sequenzmotive, welche nicht vom P Element stammen, sondern durch Insertionen anderer Familien von Transposons entstanden sind. In allen drei Drosophila Arten zeigen die P-"Repressor-ähnlichen" Clustereinheiten ein vergleichbares stadien- und gewebespezifisches Expressionsmuster. Da weder D. guanche noch die beiden verwandten Arten D. subobscura und D. madeirensis vollständige P Elemente besitzen, welche die natürlichen Zielsequenzen für einen funktionellen P-Repressor darstellen würden, nehmen wir an, daß der P-"Repressor-ähnlichen" Gencluster eine neue Funktion im Wirtsgenom angenommen hat. Diesen evolutiven Vorgang, welcher den Wechsel von einem "genomischen Parasiten" zu einem Neogen beschreibt, nennen wir "molekulare Domestikation". In einem Vorprojekt haben wir begonnen, die funktionellen Eigenschaften der P-"Repressor-ähnlichen" Proteine in transgenen Fliegen von D. melanogaster zu untersuchen. Diese in vivo Tests zeigten eindeutig, daß die P- "Repressor-ähnlichen" Proteine zwar jegliche Repressor-Aktivität verloren haben, aber überraschenderweise einen signifikanten Enhancer-Effekt auf P Elemente ausüben. Dieses Ergebnis erscheint paradox, da die Genome der drei Wirtsarten alle aktive P Elemente schon vor einigen Millionen Jahren verloren haben. Im Rahmen des vorliegenden Projektes sollen folgende zwei Hauptziele innerhalb der nächsten drei Jahren erreicht werden: 1.) Mittels Expressionsstudien unterschiedlicher Clustervarianten, deren Promotorregionen aus Derivaten anderer Transposons entstanden sind, werden wir die Regulation und den Differenzierungszustand des Genclusters klären und 2.) durch Fortsetzung und Ausweitung unserer in vivo Studien in transgenen D. melanogaster Fliegen sollen die funktionellen Eigenschaften der P-"Repressor-ähnlichen" Proteine und deren Interaktion mit dem Wirtsgenom untersucht werden. Diese Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis der Rolle transposabler Elemente in der Evolution von komplexen Genomen beitragen.

Mobile DNAs oder Transposons stellen eine Klasse von genetischen Parasiten dar, welche sich in einem Wirtsgenom durch Replikation ausbreiten, ihre Position im Genom ändern und somit Mutationen induzieren können. Sie sind fixe Bestandteile eukaryontischer Genome und können in Pflanzen bis zu 90% des Gesamtgenoms ausmachen. Mehr als die Häfte des menschlichen Genoms ist aus Sequenzen aufgebaut, welche sich direkt von Transposons ableiten. Die von Transposons kodierten Proteine, welche für die Ausbreitung jener genomischen Parasiten im Wirtsgenom essentiell sind, z.B. Integrasen, Reverse Transcriptasen und Transposasen, stellen ein für den Wirt äußerst interessantes Repertoir an Enzymen dar und wurden daher im Laufe der Evolution "domestiziert", d. h. sie wurden vom Wirtsgenom für eigene genomische Funktionen rekrutiert. Die funktionelle Transition eines genomischen Parasiten in ein wirtseigenes Neogen ereignete sich mehrmals voneinander unabhängig im Laufe der Evolution von eukaryontischen Organismen. So wurden zum Beispiel im Rahmen des Human Genome Projektes im menschlichen Genom mehr als 47 Wirtsgene isoliert, welche sich von Transposon-codierten Genen ableiten lassen. Da bisher nichts über die möglichen Funktionen dieser Transposon-verwandten Gene im Menschen bekannt ist, stellen die von uns erforschten domestizierten P-Transposons von Drosophila ein ideales Modellsystem dar. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir zeigen, dass Transposons unterschiedlicher Herkunft im Laufe der Evolution wie Moduleinheiten neue funktionelle Wirtsgene bilden können. Weiters entdeckten wir, dass Proteine, welche von ursprünglichen Transposons stammten nach erfolgreicher Domestikation neue globale Regulatorproteine bilden können, welche nun essentielle Wirtsfunktionen übernehmen.