Untersuchung von Funktion und Dynamik der räumlichen Genomarchitektur während der Embryogenese

Die Initiation der Genexpression wird durch cis-regulatorische Elemente, sogenannte Enhancer, gesteuert. Diese Elemente sind über das gesamte Genom verstreut und befinden sich häufig in größerer genomischen Distanz von ihren Zielgenen. Wie die regulatorische Informationen über diese Distanzen, von Enhancern in einem Teil eines Chromosoms zu den Zielgenen in weit entfernten Regionen, übertragen werden, ist trotz jahrelanger Forschung nur unzureichend verstanden. Besonders über die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen und die Dynamik dieser Prozesse in Echtzeit ist bislang nur wenig bekannt, obwohl sie unerlässlich für das Verständnis von Embryonalentwicklung, Evolution und der Entstehung von Krankheiten sind. Wir werden einen interdisziplinären Ansatz verfolgen und Perturbationen in cis und trans, quantitative Einzelzellmikroskopie, genome engineering und modernste live imaging Methoden kombinieren, um diese Prozesse während der Embryogenese zu untersuchen. Viele der allgemeinen Prinzipien, die der Genomregulation zugrunde liegen, sind von Drosophila bis hin zum Menschen konserviert. Wir werden die Möglichkeit des relativ schnellen genome engineering und die Fülle an Informationen über entwicklungsbiologische Enhancer im Modellorganismus Drosophila nutzen, um die grundlegenden Eigenschaften der Genomarchitektur zu analysieren. 

Wir verfolgen drei Ziele: (1) Um den Einfluss der Genomarchitektur auf die Enhancerfunktion zu entschlüsseln, werden wir gezielt Bereiche starker Interaktion aus drei Chromatinabschnitten „herausschneiden“. Der Einfluss dieser Veränderungen auf die Genomarchitektur, die Genexpression und die Embryonalentwicklung werden wir in homozygoten Embryonen untersuchen. (2) Um zu verstehen, wie sich die Genomarchitektur während der embryonalen Entwicklung erstmals bildet, werden wir die Konzentration verschiedener regulatorischer Faktoren in trans in frühen Entwicklungsstadien dezimieren. Die Ergebnisse aus den Zielen 1 und 2 werden eine der bislang umfassendsten funktionalen Untersuchungen zu der Rolle der räumlichen Genomarchitektur in der Embryogenese liefern. (3) Um die Dynamik und die Reihenfolge der Prozesse in der Genomregulation zu bestimmen, werden wir Enhancer, Promotoren und neuentstehende Transkripte zweier genomischer Regionen markieren. Diese markierten Elemente werden wir nutzen, um die Dynamik von Enhancer-PromoterInteraktionen über große genomische Distanzen in Echtzeit während der Embryogenese zu quantifizieren und den Einfluss dieser auf Prozesse der Genexpression zu bestimmen (z.B. Transkription). Die Resultate aus allen drei Zielen werden einen einzigartigen quantitativen Einblick in die Dynamik und die Funktion genregulatorischer Prozesse geben und uns dem Verständnis über Ursache und Wirkung in der Genomregulation näher bringen.