Gene model for the ortholog of DENR in Drosophila grimshawi

Stellen Sie sich den menschlichen Körper als eine geschäftige Stadt vor, in der jede Zelle ein Arbeiter ist. Um die Stadt am Laufen zu halten, benötigen diese Arbeiter Anweisungen darüber, wann sie wachsen, wann sie sich teilen und wann sie aufhören sollen. Eines der wichtigsten Sätze von Anweisungen kommt von einem „Manager“ namens Insulin/Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor-Signalweg, oder kurz IIS. Betrachten Sie IIS als das Hauptkommunikationsnetzwerk der Stadt, das den Zellen sagt: „Hey, wir haben reichlich Nahrung, also ist es sicher zu wachsen!“ Aber damit diese Nachricht klar durchkommt, benötigen die Zellen ein spezielles Werkzeug, das hilft, das Signal zu übersetzen. In der Welt der Fruchtfliegen gibt es ein Protein namens DENR, das als spezialisierter Übersetzer oder Signalverstärker für diese Nachricht fungiert. Wenn dieses Werkzeug fehlt, werden die Zellen verwirrt, hören auf, richtig zu wachsen, und die Fliege kann ihre Entwicklung nicht abschließen.

Soziale Forscher sind immer neugierig darauf, wie sich diese Anweisungen und Werkzeuge ändern, während Arten evolvieren. Genau wie ein Rezept leicht angepasst werden kann, wenn ein Koch in ein neues Land zieht, ändern sich die Gene, die diese Proteine bauen, leicht, während diese Fliegen zu verschiedenen Arten evolvieren. Um zu verstehen, wie das Leben sich anpasst, müssen Forscher den exakten „Bauplan“ für diese Gene in verschiedenen Arten von Fliegen finden. Das Finden dieser Baupläne in wilden, nicht berühmten Arten ist jedoch so, als würde man versuchen, ein Puzzle zusammenzusetzen, wenn das Bild auf dem Karton verschwommen ist. Man muss sorgfältig Hinweise aus DNA-Sequenzen und RNA-Daten zusammensetzen, um ein klares Bild davon zu zeichnen, wie das Gen tatsächlich aussieht. Genau das hat ein Team von Undergraduate-Forschern für eine spezifische Art der hawaiianischen Fruchtfliege zu tun gehabt.

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Die Mission des Papers: Den Bauplan kartieren

Dieses Paper ist im Wesentlichen eine detaillierte Karte und eine Bedienungsanleitung für ein spezifisches Gen namens DENR in einer Fruchtfliegenart, die als Drosophila grimshawi bekannt ist. Während Wissenschaftler bereits wussten, wie dieses Gen in der gewöhnlichen Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) aussieht, verfügten sie nicht über einen klaren, verifizierten Bauplan für dieses Gen in D. grimshawi, einer Art, die in den Hochland-Regenwäldern von Hawaii zu finden ist. Ohne eine klare Karte ist es unmöglich zu untersuchen, wie sich dieses Gen im Laufe der Zeit verändert hat oder wie es in dieser spezifischen Fliege funktioniert.

Das Team, eine Gruppe von Undergraduate-Studenten, die mit der Genomics Education Partnership zusammenarbeitet, nutzte eine Mischung aus Computerwerkzeugen und manueller Detektivarbeit, um dieses Genmodell zu erstellen. Sie begannen damit, die D. grimshawi-Genom-Assemblierung (eine digitale Version der DNA der Fliege) zu betrachten, und verwendeten ein Suchwerkzeug namens BLAST, um das DENR-Gen zu finden. Sie fanden eine Kandidatenstelle auf einem DNA-Stück namens scaffold_15203. Um zu bestätigen, dass dies das richtige Gen war, überprüften sie die „Nachbarschaft“. In der gewöhnlichen Fliege liegt das DENR-Gen zwischen spezifischen Nachbargenen. Die Forscher fanden heraus, dass in D. grimshawi dieselben Nachbarn vorhanden waren, genau wie beim Finden der gleichen Häuser in einer Straße, selbst wenn sich die Straßenschilder geändert haben. Diese „Syntenie“ (Nachbarschaftsähnlichkeit) gab ihnen großes Vertrauen, dass sie das korrekte Gen gefunden hatten.

Was sie fanden

Nachdem sie das Gen lokalisiert hatten, erstellte das Team ein detailliertes Modell davon, wie es funktioniert. Sie entdeckten, dass das DENR-Gen in D. grimshawi zwei Versionen, oder „Isoformen“, namens DENR-PA und DENR-PB, besitzt. Interessanterweise sind diese beiden Versionen identisch und bestehen aus drei proteinkodierenden Teilen (Exons). Dies entspricht der Struktur, die in der gewöhnlichen Fruchtfliege gefunden wird, was darauf hindeutet, dass dieser Teil des genetischen Bauplans durch die Evolution konserviert, oder gleich gehalten wurde.

Als sie die Proteinsequenz des D. grimshawi-DENR mit der der gewöhnlichen Fliege verglichen, fanden sie eine Übereinstimmung von 89,4 % auf Proteinebene. Obwohl es einige kleine Unterschiede am Anfang und am Ende des Proteins gab, blieb der Kern des Proteins in sowohl Struktur als auch chemischen Eigenschaften hochgradig ähnlich. Dies deutet darauf hin, dass sich das Werkzeug, das sie zur Übersetzung von Insulinsignalen verwenden, trotz der Tatsache, dass es sich um unterschiedliche Fliegenarten handelt, nicht viel verändert hat.

Wie sie es machten

Die Forscher haben nicht nur geraten; sie nutzten eine Menge Beweise, um ihre Karte zu zeichnen. Sie betrachteten RNA-Seq-Daten, was wie eine Momentaufnahme der Gene ist, die tatsächlich von der Zelle „gelesen“ werden. Sie verglichen auch die Proteine der Fliege mit bekannten Proteinen aus anderen Arten unter Verwendung von Computer-Alignment-Tools. Das Ergebnis ist ein hochwertiges, manuell kuratiertes Genmodell, das in öffentliche Datenbanken (GenBank) eingereicht wurde, damit andere Wissenschaftler es nutzen können.

Warum es wichtig ist

Diese Arbeit ist Teil einer größeren Bemühung, den Insulin-Signalweg über die gesamte Gattung der Drosophila hinweg zu verstehen. Durch die Erstellung genauer Karten für Gene in verschiedenen Arten können Wissenschaftler schließlich große Fragen darüber beantworten, wie sich diese Fliegen an ihre Umgebungen angepasst haben. Für den Moment bietet dieses Paper eine solide, verifizierte Grundlage – einen klaren Bauplan – für das DENR-Gen in D. grimshawi und stellt sicher, dass zukünftige Studien über diese Art auf genauen Daten basieren. Die Autoren legen nahe, dass dieses Modell Forschern helfen wird, die Evolution von Wachstum und Entwicklung in diesen einzigartigen hawaiianischen Fliegen besser zu verstehen.