Evolutionary and functional analysis of gene expression regulation in Drosophila melanogaster

Published: Feb. 13, 2009, 11 a.m.

b'Die in dieser Dissertation pr\\xe4sentierten Ergebnisse tragen aus dem Blickwinkel der Evolutionsbiologie zu unserem Verst\\xe4ndnis der Regulation von Genexpression bei. Ich verwende einen bestens bekannten Modellorganismus, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, nicht nur als Objekt der Beobachtung, sondern auch als ein genetisches Manipulationswerkzeug, und untersuche drei verschiedene Aspekte des Prozesses, durch den die in der DNA gespeicherte Information f\\xf6rmlich \\u201eentfesselt\\u201c oder umgesetzt wird zu biologischem Sinn, letztlich also zu Form und Funktion. \\nIn Kapitel 1 zeige ich zun\\xe4chst, dass eine Inaktivierung des X-Chromosomes (und somit Genregulation auf chromosomaler Ebene) in der m\\xe4nnlichen Keimbahn von D. melanogaster stattfindet. Im Gegensatz zur X-Inaktivierung in weiblichen S\\xe4ugetieren, wo dies in den somatischen Zellen als Mechanismus zur Dosiskompensation auftritt, ist diese Art der Inaktivierung auf die Spermatogenese beschr\\xe4nkt und wurde wahrscheinlich w\\xe4hrend der Genomevolution als eine M\\xf6glichkeit etabliert, sch\\xe4dliche Auswirkungen in Zusammenhang mit Sexualantagonismus zu umgehen. Durch P-Element-vermittelte Keimbahntransformation erhielt ich fast 50 unabh\\xe4ngige Insertionen eines testisspezifischen Reportergenkonstrukts und untersuchte die dazugeh\\xf6rigen Reportergenaktivit\\xe4ten durch Messung der Enzymaktivit\\xe4t und durch quantitative RT-PCR. Autosomale Insertionen dieses Konstrukts zeigten das erwartete Muster hoher m\\xe4nnchen- und testisspezifischer Expression. Insertionen auf dem X-Chromosom zeigten dagegen wenig bzw. gar keine Expression des Transgens. Da die X-chromosomalen Insertionen die euchromatischen Abschnitte des Chromosoms abdeckten (bestimmt durch inverse PCR), konnte eine systematische Bevorzugung bestimmter Regionen bei Insertionen, die ein Fehlen von Expression auf dem X-Chromosom h\\xe4tte erkl\\xe4ren k\\xf6nnen, ausgeschlossen werden. Der Effekt scheint eine globale Eigenschaft des X-Chromosomes zu sein. Lediglich die Testisspezifit\\xe4t des transgenen Konstrukts ist f\\xfcr das Erscheinen des Effekts erforderlich, was somit eine Selektionshypothese f\\xfcr die X-Inaktivierung erh\\xe4rtet sowie einige Beobachtungen erkl\\xe4ren k\\xf6nnte, die im Zusammenhang mit der Verteilung von im M\\xe4nnchen und Testis exprimierten Genen im Drosophila-Genom gemacht wurden. \\nIn Kapitel 2 untersuche ich dann mutma\\xdfliche cis-regulatorische Sequenzen und ihr Verm\\xf6gen, allelspezifische Genexpression zu steuern. Nachdem Microarray-Studien umfangreiche Variabilit\\xe4t im Prim\\xe4rmerkmal Genexpression in unterschiedlichsten Taxa aufgedeckt haben, ist eine naheliegende Frage, mit der sich Evolutionsbiologen konfrontiert sehen, die nach der dieser Variabilit\\xe4t zugrunde liegenden genetischen Quelle. Neben epigenetischen Mechanismen gibt es einen Disput dar\\xfcber, ob regulatorische Sequenzen nahe des exprimierten Gens (cis-Faktoren) und anderswo im Genom kodierte Faktoren (trans-Faktoren) einen qualitativ und quantitativ unterschiedlichen Beitrag zur Variabilit\\xe4t der Genexpression liefern. Hierzu w\\xe4hlte ich ein Gen von D. melanogaster, das nachweislich konsistente Expressionsunterschiede zwischen afrikanischen und nicht-afrikanischen (\\u201ekosmopolitischen\\u201c) St\\xe4mmen zeigt, und klonierte die entsprechenden stromaufw\\xe4rts flankierend gelegenen Teile jeweils in ein bakterielles Reportergenkonstrukt, um \\u2013 nach erfolgreicher Integration ins Fruchtfliegengenom \\u2013 direkt die von ihnen gesteuerte Auswirkung auf die Genexpression zu vergleichen. Der beobachtete Effekt war klein, jedoch signifikant, und zeigte sich nur in transgenen Fliegen, die ein X-Chromosom des afrikanischen Ausgangsstammes besa\\xdfen. Dies legt den Schluss nahe, dass zus\\xe4tzlich zu den cis-regulatorischen Faktoren auch noch trans-Faktoren (vor allem auf dem X-Chromosom) zu dem zwischen den St\\xe4mmen beobachteten Expressionsunterschied beitragen.\\nLetztendlich untersuche ich in Kapitel 3 das Ph\\xe4nomen des Codon bias durch seinen Zusammenhang mit Genexpression. Aufgrund der Redundanz des genetischen Codes werden viele der proteinogenen Aminos\\xe4uren durch mehr als ein Codon kodiert. Dies erm\\xf6glicht es, synonyme Codons in einer kodierenden Gensequenz auszutauschen, ohne dabei die Aminos\\xe4urensequenz des kodierten Polypeptids zu ver\\xe4ndern. Ob dies Konsequenzen f\\xfcr die produzierte Proteinmenge hat (Translationseffizienz) ist Gegenstand dieses Kapitels. Ich verglich dabei die von zwei Allelen des Gens Alkoholdehydogenase (Adh) (von D. melanogaster) vermittelte Enzymaktivit\\xe4t direkt miteinander, welche sich in sieben Leucin-Codons unterschieden. Es ergab sich nahezu kein Unterschied in der ADH-Enzymaktivit\\xe4t, obwohl eines der Allele aus g\\xe4nzlich optimalen Leucin-Codons bestand und das andere sieben suboptimale Leucin-Codons enthielt. Da Letzteres die Wildtypform von Adh war, legen die Ergebnisse den Schluss nahe, dass das Adh-Gen in seiner Leucin-Codonzusammensetzung (und vielleicht auch in seiner Codonzusammensetzung allgemein) bereits ausreichend optimiert ist. Weitere Versuche, die Zahl der optimalen Leucin-Codons zu erh\\xf6hen, k\\xf6nnen sogar einen Negativeffekt hinsichtlich der Enzymproduktion haben; dies m\\xf6glicherweise aufgrund einer S\\xe4ttigung des tRNA-Pools und/oder der Konsequenzen ver\\xe4nderter mRNA-Sekund\\xe4rstrukturen.'