Dynamik einer natürlichen Transposon invasion

Springende Gene (transposable elements: TEs) sind DNA Sequenzen die sich egoistisch im Erbgut ausbreiten. TEs wurden unter anderem mit menschlichen Krankheiten und der Evolution des Erbguts in Verbindung gebracht. Viele Fragen über die Evolution von TEs bleiben allerdings offen. Vor allem die Dynamik von TEs in Populationen ist unklar. Zum Beispiel, es ist nicht klar wie schnell sich TEs in Populationen ausbreiten, ob die Umwelt die TE Invasion beeinflusst, wie vorhersagbar eine TE Invasion ist, und welche Kräfte einer TE Invasion entgegenwirken. Um diese Fragen zu beantworten schlagen wir vor die Dynamik einer TE Invasion in mehreren experimentell evolvierenden Populationen unter verschiedenen molekularen Gesichtspunkten zu beleuchten. Insbesondere werden wir die Invasion des P-elements, das am besten erforschte TE, in Drosophila simulans Populationen studieren. Vor kurzem haben wir eine natürliche D. simulans Population gefangen, die sich in einer frühen Phase der P- element Invasion befindet. Dies ermöglicht es uns die Dynamik einer natürlichen TE Invasion zu studieren. Dieses Unterfangen wird durch das Aufkommen von neuen Sequenziermethoden (next generation sequencing) unterstützt, da man nun die Invasion auf verschiedenen molekularen Ebenen beleuchten kann, wie zum Beispiel der Gesamtanzahl an P-element Insertionen, der Anzahl an mutierten P-element Insertionen, der Expression des P-elements und der Menge an P-element piRNAs (kleine RNAs welche TE Aktivität unterbinden). In einem ersten Experiment hat sich gezeigt das sich das P-element rasend schnell ausbreitet. Jedes P-element produziert im Durchschnitt 0.2 neue Kopien pro Generation. Wenn man diesen Trend hochrechnet würde sich das Erbgut von D. simulans innerhalb von 50 Generationen verdoppeln. Zweifellos muss sich diese Invasion verlangsamen, da ansonsten die befallenen Populationen auszusterben drohen. Es ist aber unklar welche Faktoren für diese Verlangsamung verantwortlich sind. Wir schlagen vor den Einfluss folgender Faktoren zu testen: 1) negative Selektion gegen TEs, 2) mutierte P-element Kopien können die Aktivität des P-elements vermindern 3) piRNAs welche Komplementär zum P-element sind. Zusätzlich ist nicht klar ob die Umwelt einen Einfluss auf eine TE Invasion hat. Im Erstversuch hat sich gezeigt dass das P-element sich schneller unter heißen Bedingungen als unter kalten ausbreitet, es ist aber unklar ob dies ein direkter Effekt der Temperatur ist oder auf unterschiedlichen Stress zurückzuführen ist. Wir schlagen vor die Hypothese zu testen, dass die Temperatur einen signifikanten Einfluss auf eine TE Invasion hat. Zuletzt werden wir ein Model entwickeln welches die Dynamik der P-element Invasion abbildet. Insbesondere die Geschwindigkeit, die Zufälligkeit, und die Verlangsamung der Invasion sollten möglichst genau abgebildet werden. Solche Modelle werden es in der Zukunft ermöglichen testbare Vorhersagen über den Ablauf einer TE Invasion zu treffen und offene Probleme aufzuzeigen.

In diesem Projekt haben wir die Dynamik von springenden Genen (transposable elements, TEs) von verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet. Es ist uns gelungen wichtige Beiträge in unterschiedlichsten Gebieten zu leisten. Zuerst haben wir eine neue Software entwickelt (DeviaTE) welche die Zusammensetzung von TEs analysiert. Die Software generiert einen intuitiven graphischen Überblick über die Zusammensetzung und der Häufigkeit von TEs. Da die Software mit Modelorganismen als auch Nichtmodelorganismen vewendet werden kann wird sie für viele diverse Anwendungen nützlich sein. Um eine besseres und womöglich sogar quantitatives Verständnis von TE Invasionen zu erreichen haben wir Computersimulationen mit unserer neuen Software (Invade) gemacht. Das hat gezeigt that piRNA cluster (repetitive Regionen welche die Aktivität von TEs kontrollieren) enorm wichtig sind da sie das Aussterben von Spezies durch die Aktivität von TEs verhindern können. Die Simulationen haben auch gezeigt das piRNA cluster schnell evolvieren sollen und viele polymorphe TE Insertionen haben müssten (polymorphe Insertionen kommen nur in einigen Individuen einer Population vor). Um diese Hypothese zu testen ist es notwendig die Zusammensetzung von piRNA clustern innerhalb und zwischen Arten zu vergleichen. Leider sind diese Regionen durch den hohen Anteil von repetitiver DNA äusserst schwierig zu assemblieren. Daher haben wir zuerst einmal neue Qualitätskriterien und Strategien entwickelt um diese Regionen optimal zu entschlüsseln. Basierend auf diesen Empfehlungen haben wir die piRNA cluster von verschiedenen Drosophila Arten entschlüsselt. Für eine evolutionäre Analyse von piRNA cluster ist es notwendig eine multiples Sequenzalignment mit diesen Regionen zu machen. Nur leider ist so ein Alignment äusserst problematisch bei repetitiven Regionen. Wir haben daher eine neue Software entwickelt (Manna) welche die Repeateinheit anstatt der DNA Sequenz aligniert. Das macht repetitive Regionen einer evolutionären Analyse zugänglich. Als vorgesagt bei unseren Simulationen haben piRNA cluster viele polymorphe TE Insertionen. Mithilfe von Manna haben wir weiter gezeigt das die Zusammensetzung von piRNA clustern sehr schnell evolviert. Selbst zwischen eng verwandten Arten sind nur 8% der TE Insertionen von piRNA cluster konserviert. Das wirft die Frage auf warum sich piRNA cluster so schnell verändern. In einer anderen Arbeit haben wir die lebenden Fossilien der Drosophilaforschung entschlüsselt. Im letzten Jahrhundert wurden viele Drosophila melanogaster Linien zu unterschiedlichsten Zeitpunkten von vielen geographischen Regionen gesammelt. Die Entschlüsselung dieser Linien hat uns gezeigt das sich innerhalb von 50 Jahren 4 verschiedenen TE Familien in den weltweiten Populationen von Drosophila ausgebreitet haben. Tirant hat sich zuerst gegen 1938 ausgebreitet, gefolgt vom I-element, hobo und vom P-element. Dies ist eine bemerkenswert hohe Dichte von TE Invasionen innerhalb einer kurzen Zeitspanne. Zuletzt haben wir noch eine Methode entwickelt die es erlaubt zu rekonstruieren wie sich ein TE geographisch Ausgebreitet hat.