Projekt EPIDOM
Sind epigenetische Modifikationen vererbbar oder nicht?
Die Felsen-Schaumkresse ist ein obligatorischer Auskreuzer und damit ideales Versuchsobjekt für die Experimente zur Dominanz-Varianz. (Bildquelle: © Fritzflohrreynolds, eigenes Werk / Wikipedia, CC BY-SA 3.0)
Nicht alle Eigenschaften, die von Genen kontrolliert werden, werden an die nächste Generation vererbt. Manche der genetischen Ähnlichkeiten zwischen Geschwistern können verloren gehen. Wissenschaftlich wird diese verlorengegangene Ähnlichkeit „Dominanzvarianz“ genannt. Dieses Prinzip trifft auch auf Pflanzen zu und hat Auswirkungen auf die Züchtung. Sollte der Großteil der genetischen Varianz auf Dominanzvarianz zurückzuführen sein, erschwert dies den Züchtungsprozess. Das Projekt Epidom will aufdecken, wie groß die Dominanzvarianz bei epigenetischen Modifikationen ist und ob es Strategien gibt, dieses Problem zu umgehen. Die Antwort auf diese Frage dürfte viele Züchter:innen interessieren.
Wir alle haben unsere Gene von unseren Eltern geerbt: Ein Gensatz kam von der Mutter, der zweite vom Vater. Weil das so ist, ähneln wir unseren Eltern auf die eine oder andere Weise. „Aber die beiden Genausführungen, auch Allele genannt, die wir von unseren Eltern für jedes Gen bekommen haben, interagieren auch miteinander und bedingen dadurch unseren ganz besonderen Phänotyp“, erklärt Juliette de Meaux, die an der Universität Köln zu genetischer Variation forscht.
„Vielleicht sind wir größer, blonder oder schlauer als erwartet, weil die Allele von unseren Eltern in genau dieser Kombination vorkommen. Das macht uns einzigartig, denn diese Wechselwirkung zwischen den Allelen bestimmt unseren Phänotyp und lässt sich nicht an die nächste Generation vererben.“ Genetiker sprechen daher auch von Dominanzvarianz oder nicht-additiven Effekten.
Oben: Mitarbeiterinnen des Projektes untersuchen die Versuchspflanzen. Unten: Als Modell dient ihnen die Leierblatt-Felsenkresse.
Bildquelle: © Lina Abdelwahed
Für Pflanzenzüchter sind andere Formen der genetischen Varianz viel einfacher zu handhaben. So gibt es dominante Allele, die alleine über den Phänotyp entscheiden. Oder es gibt eine additive genetische Varianz, bei der der Phänotyp durch einfache Addition der Effekte der einzelnen Allele vorhersehbar ist. Kommt aber die Dominanzvariation ins Spiel, ist die Auswahl geeigneten Zuchtmaterials schwierig bzw. der Phänotyp der Nachkommen bei der Kreuzungszüchtung nicht vorhersehbar.
Das übergeordnete Ziel
„Ein Bruchteil der genetischen Varianz innerhalb einer Population ist nicht-additiv und damit für die Selektionszüchtung unzugänglich“, erklärt sie die praktischen Auswirkungen ihrer Grundlagenforschung. „Züchter würden aber gern wissen, wie viel Varianz vererbbar ist und wie viel nicht.“
In ihrem Projekt „Epidom“ geht es dabei ganz gezielt um epigenetische Variationen im Genom. Sind diese über Generationen hinweg stabil? Oder wie kann eine für Züchter:innen gewünschte additive Varianz in den Folgegenerationen daraus entstehen? Diese und andere Antworten will Juliette de Meaux im Projekt Epidom finden.
Das Vorgehen
Als Versuchspflanze verwendete deMeaux Arabidopsis lyrata, auch bekannt als Felsen-Schaumkresse. Als obligatorischer Auskreuzer ist sie für die Untersuchung von Vererbungsregeln bestens geeignet - anders als die häufig genutzte Modellpflanze A. thaliana, die zur Selbstbefruchtung neigt.
Als erstes erzeugte die Forscherin mit ihrem Team eine Population von Halb- und Vollgeschwistern. „Vollgeschwister können von ihren beiden Eltern die genau gleiche Kombination von Allelen geerbt haben, Halbgeschwister hingegen können sich immer nur ein Allel teilen, weil sie nur ein gemeinsames Elternteil haben“, erklärt deMeaux.
Im Labor wird sorgfältig die Qualität der genomischen DNA geprüft, bevor diese für die aufwendige Sequenzierung vorbereitet wird.
Bildquelle: © Lina Abdelwahed
Epigenetik steht im Fokus
Von all diesen Pflanzen wurde Blattmaterial geerntet, was für die Analyse der Methylierungen (auch bekannt als Methylom) und des Transkriptoms verwendet wird. Zwischen beiden besteht ein Zusammenhang, da die Anzahl der Methylierungen und die Position der Methylgruppen die Aktivität eines Gens (und damit die Menge der Gen-Abschriften im Transkriptom) beeinflussen. Grob gesagt senken Methylierungen die Aktivität eines Gens.
Im nächsten Schritt gilt es, herauszufinden, welcher Teil der epigenetischen Varianz auf additive und welcher auf nicht-additive Varianz zurückzuführen ist. Dafür vergleicht das Team von Juliette de Meaux, wie ähnlich sich Halbgeschwister und Vollgeschwister in ihrem Methylom und ihrem Transkriptom sind.
Ähnlichkeiten zwischen Halbgeschwistern beruhen ausschließlich auf additiver Varianz, die an die nächste Generation vererbt werden kann. Bei Vollgeschwistern hingegen steckt hinter Ähnlichkeit immer eine Kombination aus additiver (vererbbarer) und nicht-additiver (nicht-vererbbarer) Varianz. Durch mathematische Analysen lässt sich herausfinden, wie groß jeweils der Anteil an der Gesamtvarianz ist.
Ausblick
Zurzeit steckt sie noch mitten in der Analyse der Daten. Es zeichnet sich jedoch bereits ein Ergebnis ab: Besonders viel nicht-additive Varianz scheint es bei den Regulatoren der epigenetischen Signale zu geben, also bei Proteinen, die Methylgruppen an DNA anhängen können.
Sehr viele der Informationen über die Wirkweise von Epigenetik werde heute auf zwei Arten gewonnen, sagt Juliette deMeaux. Entweder indem Forscher:Innen in der freien Wildbahn nach ganz besonderen Pflanzen suchen, die sich von allen anderen unterscheiden. Oder indem sie im Labor Pflanzen züchten, die sich bis auf wenige gezielte Mutationen im Genom alle gleichen. „Wir hingegen suchen nach natürlicher Variation in der Epigenetik und bisher ist noch unklar, wie viel es davon wirklich gibt“, erklärt sie.
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Titelbild: Die Felsen-Schaumkresse ist ein obligatorischer Auskreuzer und damit ideales Versuchsobjekt für die Experimente zur Dominanz-Varianz. (Bildquelle: © Fritzflohrreynolds, eigenes Werk / Wikipedia, CC BY-SA 3.0)
