Tierische Genome zeigen eine bemerkenswerte Erhaltung der chromosomalen Organisation, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihrer Größe und im Anteil repetitiver Elemente. Transposable Elemente (TEs) tragen wesentlich zu dieser Variation bei und spielen eine grundlegende Rolle bei der Gestaltung der Genomarchitektur und der Evolution. Während Retrotransposons (Klasse I) in vielen Fällen der Genomexpansion eine Rolle spielen, sind der Beitrag von DNA-Transposons (Klasse II) und ihre chromosomale Dynamik bislang weniger gut verstanden. Darüber hinaus ist bislang ungeklärt, wie die Aktivität von TEs in Stammzellgenomen aufrechterhalten und reguliert wird – eine zentrale Frage der Genombiologie. In dieser Dissertation habe ich diese Fragen untersucht, indem ich stammzellaufgelöste Genomanalysen mit vergleichender Genomik kombinierte und Cnidaria, darunter Hydra vulgaris und Hydractinia symbiolongicarpus, als Modellsysteme verwendete. Diese basalen Metazoen besitzen außergewöhnliche Regenerationsfähigkeiten und bieten einzigartige Möglichkeiten, das Zusammenspiel von Genomstabilität, TE-Dynamik in Stammzellgenomen und Stammzellfunktionen zu erforschen. In der ersten Studie (Kon-Nanjo et al., Genome Biology, 2025) erstellte ich haplotypaufgelöste, telomer-zu-telomer-Genomassemblierungen von zwei genetisch divergenten Hydra-Stämmen und führte genomische und transkriptomische Analysen über die drei Stammzelllinien des Organismus hinweg durch. Diese Arbeit zeigte, dass verschiedene TE-Familien in jeder Zelllinie sowohl auf genomischer als auch transkriptioneller Ebene aktiv sind, und zwar durch nicht-zufällige Insertionen. Ein tief konservierter Kern von DNA-Transposons wurde als urtümlich aktiver Bestandteil tierischer Chromosomen identifiziert, der zu allmählichen genomischen Expansionen über Metazoen hinweg beiträgt. Diese Elemente beeinflussen strukturelle Variationen in der Nähe von Loci, die mit Zellproliferation und Chromatintopologie assoziiert sind, was darauf hinweist, dass urtümlich aktive DNA-Transposons als sich selbst erneuernde Bestandteile der Chromosomenarchitektur wirken. In der zweiten Studie (Kon-Nanjo et al., G3: Genes, Genomes, Genetics, 2023) erstellte ich die erste chromosomenbasierte Genomassemblierung des kolonialen Hydrozoons Hydractinia symbiolongicarpus unter Verwendung von PacBio-HiFi-Langreads und Hi-C-Scaffolding. Die 483 Mb große Assemblierung, organisiert in 15 Chromosomen, die 99,8 % des Genoms abdecken, zeigte, dass 61 % aus repetitiven Sequenzen bestehen, was auf mindestens zwei Phasen der Wiederholungsexpansion hinweist. Mit 25.825 proteinkodierenden Genen (93,1 % BUSCO-Vollständigkeit) und einer ausgeprägten Makrosyntenie-Konservierung mit Hydra vulgaris stellt dieses Genom eine umfassende Grundlage für vergleichende Analysen der Hydrozoen-Stammzellbiologie und der chromosomalen Evolution dar. In der dritten Studie (Kon-Nanjo et al., Mobile DNA, 2025) entdeckte ich eine massive subtelomerische Anreicherung einer einzelnen 372 bp langen Wiederholungseinheit, die mit der Helitron-DNA-Transposon-Familie verwandt ist, in Hydractinia symbiolongicarpus. Zusammen mit einer tandemartig angeordneten Minisatelliten-Wiederholung macht diese Elementfamilie 26 % des gesamten Genoms aus und erklärt weitgehend dessen Expansion im Vergleich zu anderen Nesseltiere. Vergleichende Analysen zeigten, dass Helitron-abgeleitete Sequenzen auch in der Nähe der Chromosomenenden anderer Cnidaria akkumulieren, was darauf hindeutet, dass eine lokalisierte Amplifikation dieser Elemente subtelomerische Erweiterungen und stammespezifische Genomexpansionen innerhalb des Stammes antreiben kann. Insgesamt zeigen diese Studien, dass transposable Elemente sowohl konservierte als auch dynamische Bestandteile tierischer Chromosomen sind. Sie formen die Diversifizierung der Genome, während sie gleichzeitig großräumige chromosomale Stabilität bewahren, und überbrücken damit die seit Langem bestehende Lücke zwischen chromosomaler Konservierung und evolutionärer Dynamik der Chromosomen.
Koto Kon (Wed,) studied this question.