Evolution of developmental regulatory landscapes across chordates

Gene und ihre zugehörigen regulatorischen Elemente spielen eine zentrale Rolle für entwicklungsbiologische Phänotypen. Die Ansammlung von Mutationen in diesen Sequenzen im Verlauf der Evolution trägt zur Gestaltung der molekularen und morphologischen Diversität bei. Divergenz der genetischen Sequenz korreliert jedoch nicht immer mit funktionalen Unterschieden. In dieser Dissertation untersuchte ich die funktionale Konservierung von cis-regulatorischen Elementen (CREs) – speziell von Promotoren und Enhancern – in Chordaten anhand der beiden Modellorganismen Ciona robusta (Ascidiacea, Tunicata) und Mus musculus (Mammalia, Vertebrata). Hierzu entwickelte ich ein lokusspezifisches Reportersystem in Mausembryonen, das präzise und reproduzierbare funktionale Tests von CRE-Sequenzen ermöglicht. Mit diesem Ansatz testete ich die regulatorische Aktivität von elf regulatorischen Landschaften von Ciona, die mit wichtigen Entwicklungsgenen assoziiert sind. Unter anderem induzierten Ci-Hox1, Ci-Hox12 und Ci-Bmp2 eine robuste, räumliche Expression in Mausembryonen insbesondere in ursprünglichen chordatenspezifischen Geweben und Organen wie dem Neuralrohr, kardiogenen Vorläuferzellen, und sensorischen Strukturen. Diese Ergebnisse deuten auf eine partielle, funktionale Konservierung über 500 Millionen Jahre Evolution hin, offenbaren aber gleichzeitig heterochrone und heterotope Verschiebungen der regulatorischen Aktivität. Die konservierte Funktionalität dieser regulatorischen Elemente – trotz umfangreicher genomischer Umstrukturierungen und starker Sequenzdivergenz – unterstützt die Existenz tief verankerter regulatorischer kernels innerhalb der chordatenspezifischen entwicklungsbiologischen Genregulationsnetzwerke (GRNs). Gleichzeitig verdeutlicht sie die evolutionäre Plastizität der GRN-Komponenten. Im Gegensatz dazu zeigten regulatorische Landschaften aus peripheren Komponenten des Ciona-Hox12-GRNs eine eingeschränkte Kompatibilität in der Maus, was auf eine größere evolutionäre Flexibilität am Rand des Netzwerks hinweist. Schließlich unterstrichen vergleichende Analysen von Promotoren zwischen verschiedenen Arten eine starke funktionale Kompatibilität trotz minimaler Sequenzkonservierung, insbesondere am Beispiel des Ci-Msx-Promotors, der die Enhancer-Aktivität der Maus in vivo rekapitulierte. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie hochkonservierte Entwicklungsprozesse durch stark divergente regulatorische Sequenzen vermittelt werden können. Die hier vorgestellten Daten liefern wichtige evolutionäre Einblicke in die Robustheit und Plastizität von GRNs und heben die konservierte Kompatibilität von Enhancern und Promotoren als einen Mechanismus hervor, der zur phänotypischen Stabilität über große evolutionäre Distanzen hinweg beiträgt.