 |
Combining Phylogenetics with Genomics to unravel the Evolutionary Origins of Fungal Multicellularity
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
118722 |
| Type |
ERC_HU_15 |
| Principal investigator |
Nagy, László |
| Title in Hungarian |
A soksejtű gombák evolúciós eredetének vizsgálata filogenetikai és genomikai módszerekkel |
| Title in English |
Combining Phylogenetics with Genomics to unravel the Evolutionary Origins of Fungal Multicellularity |
| Keywords in Hungarian |
soksejtűség, gomba, genomika, transzkriptomika, egysejt-transzkriptomika, evolúció, bioinformatika, patogenitás |
| Keywords in English |
multicellularity, fungi, genomics, transcriptomics, single cellütranscriptomics, evolution, bioinformatics, pathogenicity |
| Discipline |
| Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Phylogeny |
|
| Panel |
European Reserach Council (ERC) |
| Department or equivalent |
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Virágh, Máté
|
| Starting date |
2016-06-01 |
| Closing date |
2017-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
44.995 |
| FTE (full time equivalent) |
2.00 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A soksejtűség megjelenése az evolúció egyik nagy lépése volt, az abban szerepet játszó gének és evolúciós eredetük azonosítása pedig régóta a biológia egyik fő kérdése, a soksejtűség megjelenését lehetővé tevő genomikai-genetikai változások azonban csak részben ismertek. Jelen pályázat célja teljes-genom adatbázisok és azokra építeni tudó új bioinformatikai módszerek segítségével feltárni a soksejtűség evolúciójának általános törvényszerűségeit egysejtű, egyszerű soksejtű és komplex soksejtű gombákban. A gombák ideális modellek a soksejtűség evolúciós eredetének vizsgálatára számos okból: a) a soksejtűség gombáknál több alkalommal megjelent, b) teljes-genom szekvenciák nagy számban elérhetőek, c) mind egyszerű, mind komplex soksejtű struktúrák rutinszerűen tenyészthetőek laborkörülmények között és d) a genetikai manipuláció eszközei számos kulcs faj esetében elérhetőek. A kutatás során publikált és új genomikai, a projekt során generált (egysejt-) transzkriptomikai valamint újonnan fejlesztett bioinformatikai és filogenomikai módszerek ötvözésével fogjuk azonosítani az egyszerű és komplex soksejtűség evolúciójában szerepet játszó genetikai elemeket (génduplikációk, kis RNS-ek, génregulációs hálózatok, ’alternative splicing’) és evolúciós eredetüket, valamint rekonstruálni fogjuk a soksejtűség mögötti genetikai eszköztár összeszerelődésének evolúciós lépéseit. A projekt során kidolgozunk egy, a cisz-regulátor hipotézis tesztelésére alkalmas kísérletes módszert, amivel a biológiai komplexitás központi elméletének genom-szintű tesztelése először válik lehetségessé. A kutatás hosszabb távú célja holisztikus képet kapni a soksejtűség genetikai és evolúciós hátteréről.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A javasolt projekt célja feltárni a soksejtűség evolúcióját kísérő genetikai és genomikai változásokat gombáknál teljes genom szekvenciák, transzkriptomikai adatok és bioinformatikai valamint filogenomikai módszerek kombinálásával. A projekt során a következő kérdések megválaszolását tűzzük ki célul:
- Milyen genetikai elemek (gének, géncsaládok, génregulációs hálózatok, splicing mintázatok stb.) állnak az egyszerű és a komplex soksejtűség kialakulása mögött?
- Mi ezeknek az evolúciós eredete? Jelen voltak-e már egysejtű gombákban is? A gombák evolúciós története során mely csoportokban és földtörténeti korokban mutatnak magas diverzifikációs rátát?
- A géncsalád összetétel, géntartalom, génexpresszió és –reguláció milyen változásai tették lehetővé a komplex soksejtűség kialakulását gombáknál? Milyen génexpressziós változások jellemzik a komplex soksejtű struktúrák fejlődését egész termőtestek, különböző szövetek, egyedi sejttípusok szintjén és időben?
- Cisz-szabályozó elemek evolúciója hogyan járult hozzá a soksejtűség evolúciójához? Vannak-e olyan géncsaládok/géncsoportok amelyek szabályozó régióinak evolúciós mintázatai korrelálnak a soksejtűség és a biológiai komplexitással evolúciójával?
A fenti kérdések kapcsolódnak a soksejtűség evolúciójával kapcsolatos két nagy elmélethez a cisz-regulátor hipotézishez (Carroll Cell 134:24-36, 2008) és a ’minor-major transition’ hipotézishez (Grosberg Ann. Rev. Ecol. Evol. Syst. 38:621-654, 2007), amelyek közül a cisz-regulátor hipotézis első genom-szintű tesztjét jelen projekt tűzte ki célul.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt egyesíti a legmodernebb filogenomikai és bioinformatikai módszereket nagy áteresztőképességű genom és transzkriptóm szekvenálási technológiákkal. A gombák egy kiváló, ugyanakkor alig kutatott modellrendszer a soksejtűség evolúciójának megértésére: a több, egymástól függetlenül megjelent komplex soksejtű fejlődési vonal vizsgálatán keresztül lehetőség van a soksejtűség evolúciójának általános törvényszerűségeinek megértése. Ezért számos jelentős eredményre számítunk, többek között meg kívánjuk érteni a (1) gombák soksejtűségének genetikai alapjait, (2) a soksejtű élőlények evolúciójának általános törvényszerűségeit, (3) a függetlenül megjelent komplex soksejtű fajok evolúciójának konvergens vagy parallel jellegét és (4) a szabályozó régiók szerepét és hozzájárulását a biológiai komplexitás növekedéséhez. A gombák többek között az egészségügy, biotechnológia vagy a mezőgazdaság hatalmas jelentőséggel bírnak és mind az egyszerű, mind a komplex soksejtű növekedés komoly gazdasági jelentőséggel bír gombáknál: a hifás növekedés pl. kórokozó gombák egyik legfontosabb patogenitási faktora, míg a komplex soksejtű termőtestekre épülő élelmiszeripar egy több milliárd USD méretű ágazat, így a soksejtűség genetikai alapjainak megértése gombák esetében alkalmazott vonatkozásokkal is bírhat és az első lépést jelenti számos, a gombákban rejlő biotechnológiai lehetőség kiaknázására. A közelmúlt eredményei alapján várható egy áttörés a soksejtűség evolúciójának és genetikai hátterének megértésével kapcsolatban, ami reményeink szerint nagymértékben támaszkodni fog a jelen projektben elért eredményekre.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A soksejtűség megjelenése az egyik legfontosabb újítás volt az élet történetében. Soksejtű élőlények a Föld minden ökoszisztémájában jelen vannak, azonban a soksejtűség evolúciójának általános törvényszerűségeit csak részleteikben ismerjük. A javasolt projekt célja a biológia új módszertani, elsősorban bioinformatikai és genomikai eredményeire támaszkodva megérteni a soksejtűség kialakulásához vezető evolúciós lépéseket, elsőként integrálva az evolúciós innovációk több forrását (géncsalád-evolúció, génduplikációk, génregulációs hálózatok, alternative splicing mintázatok, stb.). A projekt során újonnan generált teljes genom és transzkriptóm szekvenciák segítségével azonosítani fogjuk a gombák soksejtűségében szerepet játszó genetikai eszköztárat és annak evolúciós eredetét. Az eredmények hozzá fognak járulni a soksejtűség evolúciós eredetének megértéséhez valamint a biológiai komplexitás genetikai hátterét szabályozó folyamatok feltárásához. Ezen túl, a gombák soksejtű növekedésének megértése többek között az egészségügy, az élelmiszeripar és a biotechnológia területén is nagy jelentőséggel bírhat. A pályázat célja ezen túl egy sikeres ERC Starting Grant pályázathoz szükséges módszerek kidolgozása, pilot-kísérletek elvégzése és projektek elindítása.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The evolution of multicellularity has been one of the major transitions during the history of life. Despite immense interest in its evolutionary origins and practical implications, the genomic changes underlying the emergence of multicellularity have remained poorly known. A fundamental issue that impeded a holistic understanding of the evolution of multicellularity has been the lack of effective combinations of abundant genome data with systematic comparative analyses. The current proposal aims to uncover the general principles of the evolution of multicellularity through fungi as a model system. Fungi are ideal models to tackle this question for four reasons: a) multicellularity in fungi evolved multiple times, b) there are rich genomic resources (>500 complete genomes), c) complex multicellular structures can be routinely grown in the lab and d) genetic manipulations are feasible for several key species. We ask what genomic innovations underlie the evolution of simple and complex multicellularity in fungi and what their evolutionary origins are. Specifically, we will study four main sources of genetic innovations, gene duplications, regulatory circuit rewiring, regulatory sRNA and alternative splicing patterns. We will integrate novel systematic comparative genomic approaches, phylogenomics as well as traditional and single-cell transcriptomics. These approaches will effectively synergize with each other, resulting in solid discoveries on the genetic toolkit underlying multicellularity. Ultimately, our goal is to reach a general synthesis on this long-standing and basic question in biology.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The research proposed here aims to uncover the genetic bases of the evolution of multicellularity by combining cutting edge bioinformatic approaches with genome- and transcriptome data on uni- and multi-celled fungi. More specifically, we set out to answer the following broad questions:
• What genomic features (genes, gene families, regulatory networks, splicing patterns etc.) underlie the development of simple and complex multicellularity in fungi?
• What are the evolutionary origins of these features? Have they been present in unicellular fungi also? Where on the fungal tree of life have they undergone significant diversification?
• What changes in gene content, expression and regulation enabled the evolution of 3D multicellular structures (fruiting bodies) and what can a study of global gene expression patterns at the single cell, tissue and whole-organism level and through time tell us about this process?
• How did changes in regulatory regions of genes contribute to the evolution of multicellularity? Do regulatory regions of specific gene classes show correlated changes with the complexity level of the organisms?
The above questions relate to two major hypotheses of pertaining to the evolution of multicellularity, the cis-regulatory hypothesis (Carroll Cell 134:24-36, 2008) and the suggestion that much of the genetic toolkit of multicellularity has already evolved in unicellular ancestors (‘minor-major transition’ Grosberg Ann. Rev. Ecol. Evol. Syst. 38:621-654, 2007). This project will be the first genome-scale test of the cis-regulatory hypothesis.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
This project unites phylogenomics with high-throughput genomic and transcriptomic approaches into a novel conceptual framework. Fungi are an ideal but underinvestigated model for multicellularity and the highly replicated nature of the evolution of complex multicellular structures will support the identification of general principles of the evolution of multicellularity. Therefore, we expect to reach several fundamentally new discoveries: a global understanding of the (1) genetic bases of fungal multicellularity and (2) general principles of evolution towards multicellular organisms; (3) the convergent or divergent origins of the molecular toolkits and pathways in independently evolved multicellular fungi and (4) the contribution of regulatory evolution to the evolution of organismal complexity. Further, fungi play a vital role in many fields, among others human health, agriculture or biotechnology: simple multicellularity is one of their most important pathogenicity factors (e.g. in host invasion for pathogens), whereas complex multicellular structures make up a multi-billion dollar biotechnology business. Thus, uncovering the genetic bases of fungal multicellularity will have implications beyond basic research too. We anticipate a new synthesis on the genetic bases of multicellularity in the next few years, which will be largely contingent on the results generated during this project.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The evolution of multicellularity has been one of the most important innovations in the history of life. Multicellular organisms dominate most ecosystems on Earth today, yet, the general principles of the evolution of multicellularity are only partially known. The aim of the proposed research is to understand the rules and generalities of the evolution of multicellular organisms by combining cutting edge bioinformatic, genomic and transcriptomic approaches. The project will generate new whole genome and transcriptome sequences and perform systematic bioinformatic analyses to identify the genetic toolkit underlying multicellularity in fungi. The results will contribute to our understanding of the evolution of multicellular organisms and the role of diverse genetic mechanisms to evolutionary complexification. Further, because filamentous growth is one of the major tools for host invasion for pathogenic fungi, the project proposed here might indirectly have clinical relevance too. The funding is requested to allow starting crucial pilot-experiments and proof-of-concept studies that could strengthen the ERC proposal.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
