Ein neuartiger Mechanismus der Gen-Epistasis, der die Größe von Tomatenfrüchten beeinflusst

Gen-Epistasis, ein fundamentales genetisches Phänomen, tritt auf, wenn die Expression einer Genmutation durch Mutationen in einem oder mehreren anderen Genen beeinflusst wird. Die Untersuchung von Gen-Epistasis ist von größter Bedeutung, um das komplexe Zusammenspiel zwischen Genen zu entschlüsseln. Traditionelle Forschungsstrategien beinhalten die Beobachtung phänotypischer Veränderungen bei Studienobjekten, die aus natürlichen oder induzierten Mutationen resultieren, die zu funktionalen Veränderungen in den kodierten Proteinen verschiedener Gene führen. Diese Beobachtungen liefern Einblicke in die epistatischen Beziehungen zwischen den Funktionen unterschiedlicher Gene.

Neueste Fortschritte in der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie haben die umfassende Erforschung des komplexen Netzwerks der epistatischen Regulation auf genetischer Ebene ermöglicht. Dennoch konzentrieren sich die meisten aktuellen Studien überwiegend auf Mutationen auf Proteinebene. Dieser Ansatz übersieht die umfangreiche Palette von cis-regulatorischen Mustern, die die räumliche und zeitliche Expression von Genen im Genom steuern. Diese Muster üben wiederum einen tiefgreifenden Einfluss auf die Funktionalität der von ihnen kodierten Proteine aus. Folglich wird die Genfunktion oft stärker durch ihre Expressionsprofile beeinflusst.

Die gegenwärtige Herausforderung in der Forschung zur Gen-Epistasis liegt in der begrenzten Verfügbarkeit von Daten zu Variationen in cis-regulatorischen Regionen für bekannte interagierende Gene und der begrenzten Zuverlässigkeit phänotypischer Daten, die mit diesen Stellen verbunden sind. Daher bleibt die Untersuchung der Gen-Epistasis auf dieser Ebene unterexploriert, obwohl diese Variationen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung von Phänotypen spielen.

Kontextabhängige Effekte von cis-regulatorischen Elementen in Tomatenmutanten

Zu Beginn setzte das Forschungsteam Gen-Editing-Technologie ein, um die cis-regulatorische Region des Slclv3-Gens zu modifizieren. Durch diesen Prozess erzeugten sie eine Vielzahl von Tomatenmutantenmaterialien, die jeweils unterschiedliche Kammerzahlen aufwiesen. Aus diesem Pool wählten sie sorgfältig 12 beispielhafte Proben mit stabiler Erblichkeit aus, die gemeinsam als 'Slclv3Pro' bezeichnet werden. Anschließend kombinierten sie diese Proben sowohl mit dem Wildtyp der cis-regulatorischen Elementregion von Slwus als auch mit einem Mutantenmaterial, das als 'SlwusCR-lc' bekannt ist, in zwei verschiedenen Kombinationen. Dieser strategische Ansatz ermöglichte es ihnen, Pflanzenmaterialien mit unterschiedlichen Kombinationen von cis-regulatorischen Elementvarianten für beide Gene zu schaffen.

In ihrer Untersuchung der synergistischen Effekte von cis-regulatorischen Elementen auf die Gen-Epistasis formulierten die Forscher mehrere Hypothesen. Erstens postulierten sie, dass der Einfluss von SlwusCR-lc positiv mit der Stärke der cis-regulatorischen Stelle im Slclv3Pro-Gen korreliert. Zweitens nahmen sie an, dass Mutationen in verschiedenen Regionen der cis-regulatorischen Region einheitliche Effekte auf die Funktion von SlwusCR-lc haben. Schließlich schlugen sie vor, dass der Effekt von SlwusCR-lc kontextabhängig ist, entweder verstärkend oder abschwächend, und mit dem genetischen Hintergrund der Slclv3Pro-Mutantenpflanzen verknüpft ist.

Um diese Hypothesen rigoros zu überprüfen, verwendeten die Forscher die Maximum-Likelihood-Methode zur Analyse einer Reihe von geschachtelten Modellen. Nach der Durchführung von Korrelationsanalysen stellten sie fest, dass der Effekt von SlwusCR-lc auf das Slclv3Pro-Gen tatsächlich kontextabhängig ist. Ein auffälliges Beispiel für diese Kontextabhängigkeit ist der Fall der Slclv3Pro-22 Einzelpunktmutation, die zu einer größeren Anzahl von Kammern führte als bei den SlwusCR-Lc-Mutantenfrüchten sowohl im Wildtyp- als auch im Mutantenhintergrund von Slclv3fas beobachtet wurde. Interessanterweise führte die Einführung der SlwusCR-Lc-Mutation auf der Grundlage der Slclv3Pro-22 Einzelpunktmutation zu einer Verringerung der Kammeranzahl, was einen negativen regulatorischen epistatischen Effekt von SlwusCR-Lc auf das Slclv3Pro-22-Locus signalisierte. Gleichzeitig wurde beobachtet, dass Slwuslc einen robusten positiven regulatorischen epistatischen Effekt auf Slclv3fas ausübte.

Idiosynkratische und dosisabhängige Epistasis treibt die Variation in der Größe von Tomatenfrüchten an. (Aguirre et al., 2023)

Die Forscher gingen dann der faszinierenden Frage nach, ob die unvorhersehbaren hochregulatorischen Effekte, die durch SlwusCR-lc in Verbindung mit der cis-regulatorischen Region von Slclv3 induziert werden, von SlCLE9 beeinflusst werden könnten. Ihre Analyse offenbarte eine auffällige Korrelation: Die Anzahl der regulatorischen Loci innerhalb des Slclv3Pro Allels zeigte ein direkt proportionales und synergistisches hochregulatorisches Phänotyp, wenn sie mit Slcle9 gekoppelt war. Eine eingehendere Untersuchung des Datenmodells offenbarte ein Muster in den Effekten von Slcle9, das eine dosisabhängige Sättigungsbeziehung zeigte. Im Wesentlichen blieb der Einfluss von Slcle9 minimal, bis ein kritischer Schwellenwert der Störung von SlCLV3 überschritten wurde, nach dem seine Effekte zunahmen und schließlich als nahezu konstante Verbesserung stabilisierten, insbesondere bei robusten Slclv3Pro-Niveaus.

Die Forscher tauchten dann weiter in die Feinheiten der Epistasis ein, die die Regulation von höherdimensionalen cis-wirkenden Elementen betrifft. Sie erkundeten dieses Phänomen, indem sie verschiedene Kombinationen der drei Slclv3Pro-Slcle9-Slwuslc-Mutanten erstellten. Die Ergebnisse sowohl der genotypischen als auch der phänotypischen Korrelationsanalysen beleuchteten den spezifischen Einfluss des Pflanzenhintergrunds auf bidirektionale Interaktionen im Kontext dieser hochdimensionalen Allelkombinationen (die drei Gene betreffen).

In dieser Studie führten sie eine systematische Untersuchung der komplexen Beziehung zwischen Slclv3Pro-Slwuslc-Slcle9 auf cis-regulatorischer Ebene durch. Die Forschung deckte ein bemerkenswertes Phänomen der Genhochregulation auf, das stark vom genetischen Hintergrund abhängt. Darüber hinaus zeigte es einen Dosis-Effekt, der direkt die Anzahl der Lumen in Tomatenfrüchten beeinflusste und somit die Fruchtgröße beeinflusste. Diese Studie verbessert nicht nur ihr Verständnis der Komplexität der Gen-Epistasis auf cis-regulatorischer Ebene, sondern bietet auch wertvolle Einblicke für zukünftige genetische Zuchtstrategien. Sie ermutigt zu einer breiteren Berücksichtigung der Effekte unterschiedlicher genetischer Hintergründe bei der Gestaltung neuer Allelkombinationen.

Referenz:

1. Aguirre, Lyndsey, et al. "Idiosynkratische und dosisabhängige Epistasis treibt die Variation in der Größe von Tomatenfrüchten an." Science 382.6668 (2023): 315-320.