Evolution der Chromatinorganisation in Pflanzen

Die Aktivität des Genoms wird durch das Chromatin reguliert, das größtenteils aus basischen Histonproteinen besteht. Diese bilden die Nukleosomen, die Träger der DNA. Genomweite Untersuchungen habengezeigt, dassKombinationen vonHistonmodifikationen eine Chromatinlandschaft ergeben, die mit der Transkription bzw. dem Silencing von Genen korreliert. Neuere Daten zeigen, dass Varianten der Histone H3 und H2A ebenfalls im Zusammenhang mit der Genexpression stehen und, noch überraschender, zumindest in Blütenpflanzen genomische Eigenschaften wie inaktives Heterochromatin, aktives Euchromatin und Gengrenzen anzeigen. Im Laufe der Evolution der Pflanzen sind sehr viele verschiedene Histonvarianten entstanden, während die Anzahl der Histonmodifikationen gleich blieb. Hieraus ergibt sich die einzigartige Gelegenheit, zu untersuchen, ob die Organisation des Genoms durch ein zunehmend diverses Repertoire an Histonvarianten gestaltet wurde. Um diese Hypothese zu prüfen, schlagen wir als Modellorganismen die Vorfahre der Landpflanzen Klebsormidium und das basale terrestrische Lebermoos Marchantia vor, für die jeweils die vollständige Genomsequenz zur Verfügung steht (160 bzw. 230 Mb). Für diese Arten werden wir genomweite Profile der Histonvarianten sowie wichtiger Histonmarkierungen erstellen, um ein Bild der anzestralen Chromatinlandschaft zu gewinnen. Wir werden Genexpressionsprofile verwenden, um den Zusammenhang zwischen Histonvarianten und Gengrenzen während der pflanzlichen Evolution zu untersuchen. Zusätzlich werden wir die dreidimensionale Organisation des Chromatins von Klebsormidium und Marchantia mittels Konfokalmikroskopie und hochauflösender SR-SIM-Mikroskopie (super- resolution structured illumination microscopy) untersuchen. Wir haben eine bisher unbekannte Variante H2A.M identifiziert, die nur in Moosen und Farnen vorkommt und wir werden ihre Eigenschaften und Funktionen weiter erforschen. So beabsichtigen wir, einen Überblick in die Evolution des Chromatins und der Genomorganisation in einem der Hauptreiche der Eukaryonten zu gewinnen. Phylogenetische Analysen geben Hinweise auf einen gewissen Grad von Konvergenz während der Diversifizierung von Histonen. Unsere Ergebnisse im Zusammenhang mit der Evolution des pflanzlichen Genoms haben sehr wahrscheinlich Parallelen in der Evolution der Tiere und sind damit von breiterer Bedeutung.

Ein Schwerpunkt der Evolutionsbiologie liegt darin herauszufinden, woher Organismen stammen und wie sie sich weiterentwickeln, was in EvoDevo Studien untersucht wird. Typische Fragen, die dazu gehören, sind etwa: Wie entwickeln sich Flossen zu Armen und Beinen? Wie werden Köpfe und Gehirne im Laufe der Zeit immer komplexer und leistungsfähiger? Wie fanden einzelne Zellen zusammen und bildeten komplizierte Organismen? Viel weniger erforscht werden aber die Ursprünge und Veränderungen von essentiellen Elementen, die in allen Organismen vorkommen: Chromatin besteht aus DNA und dazugehörigen Proteinen und verpacken und beschützen Genome. Ebenso regulieren sie deren Aktivität von der Gen-Expression bis zur Weitervererbung durch sexuelle Reproduktion. Die wichtigsten Chromatin-assoziierten Proteine sind Histone, fünf verschiedene kleine Proteine die sich mit DNA selbst assemblieren. In diesem Projekt erforschen wir den Ursprung und die Diversifikation von Histone H2A. Dafür untersuchen wir Pflanzen, da diese eine extrem große Diversifikation bei H2A zeigen. Wir fanden heraus, dass diese Diversifikation vor etwa 500 Millionen Jahren stattgefunden hat, als Pflanzen das Land eroberten. Wir zeigten, dass die H2A Diversifikation zur Entwicklung neuer biophysikalischer Eigenschaften führte. Die Pflanzen entwickelten dadurch auch die Fähigkeit, spezifische Elemente ihres Genoms aufgrund derer Funktion zu katalogisieren. Diese neuen Erkenntnisse, dass Chromatin die Evolution beeinflusst, führten dazu, dass wir zusammen mit anderen Wissenschaftlern ein neues Forschungsgebiet betreten: EvoChromo. Wir sind überzeugt, dass EvoChromo ähnlich wie die revolutionär neuen Erkenntisse der EvoDevo-Forschung zur Erforschung der Regulierung von Gen-Aktivitäten beitragen wird. EvoChromo könnte zu vielen neuen Erkenntnissen bei biologischen und medizinischen Vorgängen führen.