 |
Overcoming haploinsufficiency: an experimental platform to test the evolution of dominance
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128775 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Farkas, Zoltán István |
| Title in Hungarian |
A dominancia evolúciójának kísérletes vizsgálata |
| Title in English |
Overcoming haploinsufficiency: an experimental platform to test the evolution of dominance |
| Keywords in Hungarian |
élesztő, kísérletes evolúció, géndózis érzékenység |
| Keywords in English |
yeast, experimental evolution, gene dosage sensitivity |
| Discipline |
| Microbial ecology and evolution (Council of Complex Environmental Sciences) | 65 % | | Genomics, comparative genomics, functional genomics (Council of Medical and Biological Sciences) | 25 % | | Systems biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % |
|
| Panel |
Ecology and evolution |
| Department or equivalent |
Institute of Biochemistry (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Boross, Gábor Zoltán
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
39.936 |
| FTE (full time equivalent) |
4.50 |
| 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 haploelégtelenség és a különböző humán megbetegedések kapcsolata a kópia-szám meghatározását célzó technikák nagymértékű fejlődésének köszönhetően egyre inkább nyilvánvaló. A haploelégtelen gének esetén a géndózis 50%-os csökkenése az adott organizmus rátermettségét károsan befolyásolja, azaz a klasszikus genetika szempontjából nézve a haploelégtelen gén funkcióvesztéses allélja a vad alléllal szemben dominánssá válik. Az elmúlt években számos erőfeszítés történt, hogy a haploelégtelenség hátterében álló molekuláris mechanizmusok ismertté váljanak, azonban annak evolúciójáról még keveset tudunk.
A tervezett munka során a fő célunk az, hogy a pékélesztőt felhasználva fényt derítsünk a dominancia evolúciója mögött meghúzódó általános törvényszerűségekre. A haploelégtelen gének dózisában bekövetkező felezést követően az élesztő kompenzációs képességeit fogjuk vizsgálni a kísérleti evolúció, nagy áteresztő-képességű rátermettség mérések, és funkcionális genomikai analízisek eszközeinek segítségével. Feltérképezzük a genomban potenciálisan bekövetkező kompenzációs változásokat, amelyek a vad allélok dominanciáját helyreállítják és ezáltal a heterozigóta mutánsok rátermettségét növelik. A kompenzációs mechanizmusok között fel fogjuk mérni az eredeti funkciót helyreállító és az azt helyettesítő változások gyakoriságát. Továbbá megvizsgáljuk a kompenzáció során kialakuló genetikai változások rátermettségre gyakorolt hatását és genetikai-háttér függését azáltal, hogy egyedi kompenzációs mutációkat hozunk létre a vad típusú törzsben. A kompenzációs evolúció mellékhatásait a kompenzáción átesett vonalakat különböző környezeteknek kitéve fogjuk tanulmányozni.
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 haploelégtelenség hátterében álló folyamatok megértésére a mai napig komoly erőfeszítések történtek. Mindezek ellenére kevés információval rendelkezünk arról, hogy a haploelégtelenség hogyan változik az evolúció során. A javasolt kutatási tervünkben ezért evolúciós szemszögből fogjuk megvizsgálni a haploelégtelenség következményeit, és ezáltal rávilágítunk olyan mechanizmusokra, amelyek képesek annak káros hatásait csökkenteni.
Két távoli rokon élesztőben (Saccharomyces cerevisiae és Schizosaccharomyces pombe) végzett szisztematikus vizsgálatok során feltérképezték azokat a géneket, amelyek dózis-csökkenése optimális körülmények között haploelégtelenséget eredményez. A két faj ortológ génjeinek átfogó összehasonlítása alapján meglepően kismértékű konzerváltság figyelhető meg a haploelégtelen gének között, azaz bizonyos gének dózis-csökkenése negatívan befolyásolja a rátermettséget az egyik fajban, míg a másikban nincs hatással a fenotípusra. Ez a megfigyelés arra utal, hogy a haploelégtelenség egy olyan jelleg, amelyre szelekció hat. Ennek értelmében feltételezhető, hogy a vad allélok az evolúció során képessé válnak a funkcióvesztéses allélok domináns káros hatásainak leküzdésére. A fenti hipotézis tesztelésére haploelégtelen élesztő törzsekkel tervezünk evolúciós kísérletet végrehajtani. A haploelégtelenség kompenzációjának gyakoriságát a heterozigóta ősi és evolvált vonalak rátermettségének összehasonlításával határozzuk meg. A háttérben álló kompenzációs mechanizmusokat funkcionális genomikai módszerekkel térképezzük fel, illetve mivel a kompenzáció különböző evolúciós útvonalakon keresztül is megvalósulhat, megvizsgáljuk annak rejtett pleiotróp hatásait is.
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 haploelégtelen gének esetén a mutáns allélok ritka dominanciája figyelhető meg a vad allélokkal szemben. Jelen pályázatban kísérletesen fogjuk tesztelni, hogy heterozigóta élesztő törzsekben a mutáns és vad allélok közötti dominancia-viszony hogyan változik egy rövidtávú laboratóriumi evolúció során.
A vad allélok általános dominanciájára az 1920-as évek végén két evolúcióbiológus eltérő hipotézist vetett fel. Elsőként Ronald Fisher azt feltételezte, hogy az ektopikus genomi régiókban található mutációk képesek az allélok dominanciáját befolyásolni. Elmélete szerint a vad és mutáns allélok kezdeti ko-dominanciáját a vad allélok fokozatos dominánssá válása váltja fel. Ezzel szemben Sewall Wright biokémiai szemszögből magyarázta a dominanciát: bizonyos (főleg metabolikus) gének megfelelő belső toleranciával rendelkeznek a dózis-csökkenéssel szemben. Habár Wright felvetése nem általános érvényű, későbbi munkák elsősorban az ő hipotézisét vették figyelembe, míg Fisher elméletének kísérletes tesztelésére ezidáig nem került sor.
Tudomásunk szerint jelen pályázat az első, amely szisztematikusan tervezi megvizsgálni a haploelégtelenség evolúciós hátterét. Eredményeink várhatóan a dominancia evolúciójának jobb megértését fogják elősegíteni, amely az 1920-as évek óta genetikai és evolúcióbiológia kérdések vitatott tárgya. Várhatóan azonosítani fogunk potenciális kompenzációs mutációkat, azaz meghatározzuk azokat a genomi változásokat, amelyek képesek a mutáns allélok dominanciáját csillapítani és ezáltal az életképességet pozitívan befolyásolni. A dominancia-evolúció genetikai alapjainak megismerésén keresztül jelen pályázat egy olyan úttörő munka lehetne, amely kísérletes felületet biztosítana Fisher és Wright hipotéziseinek tesztelésére.
Eredményeinknek fontos orvosbiológiai vonatkozásai is lehetnek. A haploelégtelenség kompenzációjának vizsgálata segíthet olyan genetikai megoldásokat felfedezni, amelyek képesek a vad fenotípust helyreállítani. Különösen jelentőssé válhatnak azon gének mutációi, amelyek képesek a haploelégtelen megbetegedésekért felelős gének egészséges alléljának domináns hatását erősíteni. Ezen “módosító” gének ortológjai emberben potenciális gyógyszer célpontokká válhatnak.
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.
Az örökítőanyagban bekövetkező struktúrális változások nagy gyakorisággal fordulnak elő az emberi populációban. Amennyiben ezen változások géndózisra érzékeny géneket érintenek, akár kóros következményekkel járhatnak. Bizonyos genetikai háttér mellett azonban a betegséget okozó variánsok nincsenek komoly hatással az egészségre, amely jelenségre hiányos öröklődésként szokás hivatkozni. Ebből kifolyólag erős klinikai nyomás van arra, hogy az egyén genetikai állományát figyelembe véve értsük meg jobban a dózis-érzékenység funkcionális következményeit.
Jelen pályázat fókuszában a dózis-érzékeny gének egy speciális típusa, a haploelégtelen gének állnak, amelyek esetén a géndózis felezése a diploid organizmus rátermettségét csökkenti. Fő célkitűzésünk olyan evolúciós változások azonosítása az örökítőanyagban, amelyek elegendővé teszik az adott gén egyedüli funkcionális allélját a normális funkció ellátására. Fel fogjuk deríteni azokat a genomi változásokat, amelyek az élesztő laboratóriumi evolúciója során részlegesen vagy teljesen megszüntetik a dózis-csökkenésből eredő károkat és növelik az életképességet. A kompenzációs mechanizmusok között meg fogjuk határozni azokat, amelyek képesek helyreállítani az egészséges fenotípust az eredeti funkció hatékonyságának helyreállításával, vagy a funkció fontosságának csökkentésével. Mivel a legtöbb adaptív folyamat járulékos költségekkel jár, ezért a kompenzációs evolúció lehetséges mellékhatásait is meg fogjuk vizsgálni. Eredményeink várhatóan hozzájárulnak majd a haploelégtelenség mögött meghúzódó mechanizmusok jobb megértéséhez és annak következményeként kialakuló megbetegedések leküzdését célzó új terápiás módszerek létrejöttéhez.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Haploinsufficiency is getting increasingly implicated in human diseases (e.g. cancer, developmental disorders) due to recent advances in copy number detection technologies. A gene is termed haploinsufficient (HI), when a 50% reduction in the copy number of the corresponding gene has detrimental functional consequences on the fitness of a diploid organism. From a classical genetics perspective, this can be considered as an extraordinary demonstration of the dominance of loss-of-function alleles over wild-type alleles. Although several efforts have been made to understand the exact molecular mechanisms underlying HI, less is known about the evolution of HI.
The proposed research plan has the main objective to shed light on the evolution of dominance using diploid S. cerevisiae HI strains. By combining laboratory evolutionary experiments, large-scale fitness measurements, phenomics, functional genomics, we aim to uncover the genomic and phenotypic capacities of yeast to compensate a 50% decrease in gene dosage. We will explore potential compensatory changes in the genome that can make wild-type alleles progressively dominant over the loss-of-function alleles and thereby partially or completely restore normal fitness. We will assess the prevalence of functional restoration in contrast to functional replacement. We also aim to investigate the fitness costs and epistatic effects of compensatory mutations by reconstructing individual compensatory mutations in a wild-type strain. Potential trade-off mechanisms of compensatory adaptation will also be examined by performing large-scale phenotyping of evolved strains in different environmental settings.
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.
Human disease studies revealed several haploinsufficient (HI) genes, as causative agents. Large efforts have been made - mainly in yeast models - to understand the molecular mechanisms underlying HI. Nevertheless, less is known about how HI changes in an evolutionary time-scale. Therefore, the proposed research plan has the main objective to study HI in baker’s yeast from an evolutionary perspective.
Previous systematic studies performed on two distantly related yeast species (Saccharomyces cerevisiae and Schizosaccharomyces pombe) determined the HI profile for all yeast genes in optimal conditions. Comprehensive comparisons between the single-copy orthologs of the two species revealed conserved gene dispensability and essentiality. By sharp contrast, a surprisingly low overlap was observed between the two set of HI genes. In other words, certain loss-of-function alleles are dominant (and thereby decrease fitness) in one species while recessive in the other (without any apparent effect). This indicates that HI might be an evolvable trait and wild-type alleles can progressively overcome the dominance of loss-of-function alleles. Nevertheless, no experimental work investigated this hypothesis yet. To overcome this gap, we will perform laboratory evolution on the set of HI mutant strains of baker’s yeast. By performing fitness measurements, we will assess the frequency of gene dosage decrease that can be compensated for. By using functional genomics approaches, we will explore potential compensatory mechanisms. As compensation of fitness may occur via different evolutionary trajectories, we will also examine potential cryptic pleiotropic effects of compensatory changes.
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.
Haploinsufficiency (HI) is a rare manifestation of the dominance of loss-of-function alleles over the wild-type alleles. In this proposal we aim to experimentally test, whether wild-type alleles can overcome the dominance of loss-of-function alleles of HI genes during a short-term laboratory evolution.
At the end of the 1920’s, two opposing hypotheses were put forward for the dominance of wild-type alleles over deleterious ones. Ronald Fisher first proposed that mutations in ectopic genomic loci modify the dominance of alleles. According to Fisher, accumulation of modifier alleles makes wild-type alleles progressively dominant over mutant ones. Opposing to Fisher, Sewall Wright provided a biochemical explanation for dominance: for many genes (especially metabolic genes) there is a sufficient intrinsic tolerance against a decrease in gene dosage. Although Wright’s argument cannot be generalized to genes of any kind, his idea was predominantly supported by subsequent work, while Fisher’s concept has not received much attention.
To our best knowledge, our work will be the first to systematically study the evolution of HI. Our results are expected to provide valuable insights into the general principles of the evolution of dominance, which has been the subject to intensive debate both in genetics and evolutionary biology, ever since the 1920’s. We expect to identify potential compensatory mutations as dominance modifier alleles, that could mitigate the dominance of heterozygous loss-of-function alleles and suppress the fitness decrease. By determining the genetic basis of the evolution of dominance, our study would be a pioneering work that would provide an experimental platform to test the opposing hypotheses of Fisher and Wright.
Additionally, our expected results might also have important practical implications. Studying of compensatory evolution of HI might help discovering genetic solutions that could restore wild-type phenotype. Specifically, identification of loss-of-function mutations in modifier genes that have orthologs in humans could reveal potential drug targets for therapeutic interventions.
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.
Structural variations in the genetic material have a high frequency in human populations. Such changes can become pathogenic and cause disease phenotypes, if they affect copy number of genes that are sensitive to dosage. However, a pathogenic variation in one individual might have a completely neutral impact in the other (a phenomenon often referred to as “missing heritability”). Therefore there is a pressing clinical need to better understand the functional consequences of dosage-sensitivity, with a special focus on the genetic makeup of the organism.
In this proposal we investigate a special type of dosage-sensitivity that is haploinsufficiency (HI), when halving the copy number of a gene reduces fitness in a diploid organism. Our main objective is to investigate evolutionary changes in the genome that make the single functional copy of a HI gene progressively sufficient to maintain normal function. In other words we will uncover genomic changes that accumulate in baker’s yeast during the course of a short-term laboratory evolution and allow yeast cells to partially or completely rescue HI phenotype and thereby restore normal fitness. We also aim to assess the prevalence of alternative compensatory mechanisms that may increase fitness by either restoring the efficiency of the affected molecular function or reducing the need for the gene with the compromised function. As “there is no such thing as a free lunch”, potential side-effects of compensatory adaptation will also be investigated. Our results will provide fundamental biological insights into the molecular and mechanistic bases of the evolution of HI and inheritance of human disease phenotypes.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Ámon Judit, Varga Gabriella, Pfeiffer Ilona, Farkas Zoltán, Karácsony Zoltán, Hegedűs Zsófia, Vágvölgyi Csaba, Hamari Zsuzsanna: The role of the Aspergillus nidulans high mobility group B protein HmbA, the orthologue of Saccharomyces cerevisiae Nhp6p, SCIENTIFIC REPORTS 12: (1) 17334, 2022 | | Zoltán Farkas, Andreea Daraba, Gábor Boross, Zoltán Bódi, Dorottya Kalapis, Karola Almási, Éva Boros, István Nagy, Balázs Papp, Csaba Pál: Fitness trade-offs shape the evolution of dosage sensitivity, EMBL Conference: Molecular Mechanisms in Evolution and Ecology, abstract book, 2020 | | Farkas Zoltán, Kovács Károly, Sarkadi Zsuzsa, Kalapis Dorottya, Fekete Gergely, Birtyik Fanni, Ayaydin Ferhan, Molnár Csaba, Horváth Péter, Pál Csaba, Papp Balázs: Gene loss and compensatory evolution promotes the emergence of morphological novelties in budding yeast, NATURE ECOLOGY & EVOLUTION 6: (6) pp. 763-773., 2022 | | Imre A., Kovács R., Pázmándi K., Nemes D., Jakab Á., Fekete T., Rácz H. V., Dóczi I., Bácskay I., Gácser A., Kovács K., Majoros L., Farkas Z., Pócsi I., Pfliegler P. W.: Virulence factors and in-host selection on phenotypes in infectious probiotic yeast isolates (Saccharomyces ‘boulardii’), JOURNAL OF FUNGI 7: (9) 746, 2021 | | Pavani M., Bonaiuti P., Chiroli E., Gross F., Natali F., Macaluso F., Póti Á., Pasqualato S., Farkas Z., Pompei S., Cosentino Lagomarsino M., Rancati G., Szüts D., Ciliberto A.: Epistasis, aneuploidy, and functional mutations underlie evolution of resistance to induced microtubule depolymerization, EMBO JOURNAL 40: (22) e108225, 2021 | | Dunai Anett, Spohn Réka, Farkas Zoltán, Lázár Viktória, Györkei Ádám, Apjok Gábor, Boross Gábor, Szappanos Balázs, Grézal Gábor, Faragó Anikó, Bodai László, Papp Balázs, Pál Csaba: Rapid decline of bacterial drug-resistance in an antibiotic-free environment through phenotypic reversion., ELIFE 8: e47088, 2019 | | Farkas Z, Kalapis D, Bodi Z, Szamecz B, Daraba A, Almasi K, Kovacs K, Boross G, Pal F, Horvath P, Balassa T, Molnar C, Pettko-Szandtner A, Klement E, Rutkai E, Szvetnik A, Papp B, Pal C: Hsp70-associated chaperones have a critical role in buffering protein production costs., ELIFE 7: e29845, 2018 | | Kovács Károly, Farkas Zoltán, Bajić Djordje, Kalapis Dorottya, Daraba Andreea, Almási Karola, Kintses Bálint, Bódi Zoltán, Notebaart Richard A, Poyatos Juan F, Kemmeren Patrick, Holstege Frank C P, Pál Csaba, Papp Balázs: Suboptimal global transcriptional response increases the harmful effects of loss-of-function mutations, MOLECULAR BIOLOGY AND EVOLUTION 38: (3) pp. 1137-1150., 2021 | | Dunai Anett, Spohn Réka, Farkas Zoltán, Lázár Viktória, Györkei Ádám, Apjok Gábor, Boross Gábor, Szappanos Balázs, Grézal Gábor, Faragó Anikó, Bodai László, Papp Balázs, Pál Csaba: Rapid decline of bacterial drug-resistance in an antibiotic-free environment through phenotypic reversion., ELIFE 8: e47088, 2019 | | Andreea Daraba, Zoltán Farkas, Gábor Boross, Dorottya Kalapis, Karola Almási, Zoltán Bódi, Éva Boros, Gergely Fekete, Ákos Nyerges, Balázs Bálint, László Nagy, István Nagy, Balázs Papp and Csaba Pál: Haploinsufficiency Mechanisms and Evolution, 29th International Conference on Yeast Genetics and Molecular Biology (Yeast2019), 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
