Vergleichende Umwelt-Epigenetik bei Wildtieren

Epigenetische Veränderungen fungieren als flexible Mechanismen, die die Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen erhöhen. Bisher wurden jedoch hauptsächlich Mütter und deren Nachwuchs untersucht. In unserer Studie untersuchen wir paternal übertragene epigenetische Effekte und fragen außerdem, ob unterschiedliche Umweltveränderungen unterschiedliche oder ähnliche Reaktionen hervorrufen.

Projektdetails
Laufzeit: seit 04/2011
Drittmittelfinanziert: ja
Beteiligte Abteilung(en): Abt. Evolutionsgenetik, Abt. Evolutionäre Ökologie
Projektleitung im Leibniz-IZW: Alexandra Weyrich (Abt. Evolutionsgenetik)
Projektbeteiligte im Leibniz-IZW: Jörns Fickel, Dorina Lenz, Selma Yasar (alle: Abt. Evolutionsgenetik), Sylvia Ortmann, Katharina T. Schrapers (geb. Hille) (alle: Abt. Evolutionäre Ökologie)
Konsortialpartner: Weizmann Institute of Science (Israel)
Aktuelle Förderorganisation: Leibniz-Wettbewerb
Forschungsschwerpunkte:
 
Epigenetische Modifikationen sind ein Mechanismus, mittels dessen über die elterlichen Keimbahnen Umweltinformationen an nachfolgende Generationen weitergegeben werden können. Die Erforschung dieser Modifikationen bei wildlebenden Säugetieren wurde bisher weitgehend vernachlässigt. Dies betrifft auch Studien, die epigenetische Veränderungen auf verschiedene Umweltfaktoren miteinander vergleichen oder deren Auswirkungen in unterschiedlichen Geweben/Organen untersuchen. Die wenigen existierenden Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Weitergabe epigenetischer Informationen von der Mutter an den Nachwuchs (maternale Effekte). In unserem Projekt untersuchen wir epigenetische Veränderungen (in unserem Fall der DNA-Methylierungsmuster), die vom Vater an den Nachwuchs weitergegeben werden (paternale Effekte). Dabei gehen wir der Frage nach, ob die Veränderung unterschiedlicher Umweltfaktoren jeweils unterschiedliche oder ähnliche Veränderungen im Methylierungsmuster hervorruft, also ob es relevant ist, welcher Umweltfaktor sich ändert.

Hierfür wurden erwachsene männliche Wildmeerschweinchen (Cavia aperea) zwei Monate lang (Dauer eines vollständigen Spermatogenese-Zyklus) entweder einer proteinreduzierten Diät oder einem Anstieg der Umgebungstemperatur um 10 °C ausgesetzt. Vor und nach dieser (experimentell herbeigeführten) Umweltveränderung verpaarten sich die Männchen mit je zwei Weibchen. Der jeweilige männliche Nachwuchs wurden auf Veränderungen im DNA-Methylierungsmuster untersucht. Durch eine spezielle Methode, die sogenannte reduzierte Repräsentations-Bisulfit-Sequenzierung (RRBS), konnten alle Methylzytosine positionsgenau identifiziert werden. Diese spezifische Auflösung ermöglichte es uns, die DNA der Söhne vor und nach der Behandlung ihrer Väter sehr genau zu vergleichen und unterschiedlich methylierte DNA-Regionen zu identifizieren.

Der Vergleich der Methylierungsmuster der Tiere, deren Nahrungszusammensetzung sich verändert hatte, mit dem Methylierungsmuster der Tiere, deren Umgebungstemperatur sich verändert hatte, erbrachte Erwartetes und Unerwartetes. Erwartungsgemäß fanden wir eine auf den jeweiligen Umweltfaktor bezogene spezifische epigenetische Modifikation, d.h. es waren Gene in Stoffwechselwegen betroffen, die für die spezifische Antwortreaktion auf die erfolgte Veränderung des jeweiligen Faktors erforderlich waren. Unerwartet war jedoch, dass wir auch Gene fanden, die in beiden Antwortreaktionen epigenetisch beeinflusst worden waren. Deren Modifizierung war also unabhängig davon, welcher Umweltfaktor verändert wurde. Letzteres stellt in unseren Augen eine generelle Antwort dar, dass es eine Veränderung in der Umwelt gab. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass auch Väter ihre Nachkommen auf selbst erlebte Umweltveränderungen vorbereiten, was auf einen starken väterlichen Beitrag zu Anpassungsprozessen hindeutet.

Video

Epigenetics – Treat yourself well!

September 2018: Eingeladener Vortrag “Epigenetics – Treat yourself well” auf der Convention in Stockholm, Schweden (vollständiges Video https://www.youtube.com/watch?v=58E5MV8vtfg)

 

Ausgewählte Publikationen

Guerrero TP, Fickel J, Benhaiem S, Weyrich A (2020) Epigenomics and gene regulation in mammalian social systems. Invited to special issue on “Social behavior and evolution in the omics era” in CURR ZOOL, 66 (3), 307–319, doi:10.1093/cz/zoaa005

Weyrich A, Lenz D and Fickel J (2019) Environmental change-dependent transgenerational epigenetic response. Invited to special issue on “Epigenetics and Adaptation” in Genes 10(1), 4, doi: 10.3390/genes10010004

Weyrich A, Jeschek M, Schrapers KT, Lenz D, Chung TH, Rübensam K, Yasar S, Schneemann MOrtmann S, Jewgenow K & Fickel J (2018) Diet changes alter paternally inherited epigenetic pattern in male wild guinea pigs. Invited to Environmental epigenetics, 4(2), dvy011

Weyrich A, Lenz D, Jeschek M, Chung TH, Rübensam K, Göritz K, Jewgenow K, Fickel J (2016) Paternal intergenerational epigenetic response to heat exposure in male wild guinea. Invited to special issue on “Epigenetic Studies in Ecology and Evolution” in Molecular Ecology, doi: 10.1111/mec.13494

Hennig W and Weyrich A (2013) Histone Modifications in the Male Germ Line of Drosophila; BMC Developmental Biology 13:7, doi: 10.1186/1471-213X-13-7

Fickel J and Weyrich A (2010) Female mate choice in rodents, in: Kaoru Hashimoto, From gene to animal behaviour, Springer-Verlag (Japan) 4(19), ISBN 978-4-431-53892-9