Forschung

Unsere Forschungsprojekte bilden den Kern der wissenschaftlichen Arbeit unserer Abteilung und geben Einblick in unsere aktuellen Fragestellungen und Entwicklungen.

Unsere Sichtweise auf die Evolution von Organismen ist eng mit unserem Verständnis davon verbunden, wie sich Genome und die darin kodierte Information im Laufe der Zeit verändern und wie sich dies in den phänotypischen und funktionellen Merkmalen heutiger Arten niederschlägt. Die Sequenzierung vollständiger Genome und Transkriptome von Arten, die alle großen Gruppen im Stammbaum des Lebens abdecken, hat die Datenbasis für die Evolutionsforschung mit funktioneller Ausrichtung auf ein beispielloses Niveau gehoben. In ihrer Kombination ermöglichen diese Daten den Zugang zum gesamten Repertoire an Informationen, die im Genom einer Art gespeichert sind, und erlauben die Entschlüsselung individueller zellulärer Programme, die genetische Informationen in eine vielfältige Reihe von Funktionen umsetzen. Der Aufwand für die experimentelle funktionelle Charakterisierung selbst einer relativ geringen Anzahl von Proteinen im Labor ist jedoch nach wie vor enorm. Aus diesem Grund beschränken sich umfassende Funktionsstudien auf wenige, gut etablierte Modellorganismen, von denen viele wirtschaftliche oder medizinische Relevanz haben. Häufiger werden nur einzelne Signalwege in Nischen-Modellorganismen untersucht, die ein bestimmtes Merkmal von Interesse aufweisen. Für die überwiegende Mehrheit der Arten liegen jedoch nur ein vorläufiger Genom-Assembly oder Transkriptdaten ohne weitere experimentelle Untermauerung vor. In diesen Fällen stellt die In-silico-Vorhersage von Genen zusammen mit einer anschließenden vorläufigen Übertragung funktioneller Annotationen aus entsprechenden Sequenzen in experimentell charakterisierten Modellorganismen die einzige Quelle für funktionelle Informationen dar. Die Integration aller verfügbaren Informationen zu einem umfassenden Bild der organismischen und funktionellen Evolution ist der gemeinsame Nenner der einzelnen Projekte unserer Gruppe.

Konkret konzentrieren wir uns auf die folgenden Hauptthemen:

Wir konzentrieren uns auf die folgenden Hauptforschungsthemen:

1) Rekonstruktion der Evolutionsgeschichte von Arten und ihrer Gene

Wir nutzen phylogenomische Ansätze, bei denen Hunderte von Genen über eine ähnliche Anzahl von Arten hinweg berücksichtigt werden, um umfassende Stammbäume auf verschiedenen taxonomischen Ebenen zu rekonstruieren. Die daraus resultierenden Stammbäume bilden das Gerüst für die anschließende Zuordnung von Informationen über das Vorhandensein und Fehlen von Genen in einer großen Anzahl von Arten unter Berücksichtigung sowohl der Sequenzhomologie als auch der funktionellen Domänenarchitektur.  

Beispielpublikationen

• A consistent phylogenetic backbone for the fungi
• Tek (Tie2) is not required for cardiovascular development in zebrafish

2) Übertragung funktioneller Annotationen zwischen homologen Proteinen

Die Übertragung funktioneller Annotationen zwischen biologischen Sequenzen ist ein vielschichtiger Prozess, dessen grundlegendster Schritt in der Regel darin besteht, Orthologe zu funktionell annotierten Proteinen aus Modellorganismen in Nicht-Modellorganismen zu identifizieren. Leider sind evolutionäre Beziehungen zwischen Proteinen allein nur ein schlechter Indikator für funktionelle Äquivalenz. Um dieses Problem zu beheben, streben wir die Einbeziehung zusätzlicher Belege an, um einen zuverlässigeren Annotationstransfer zu erreichen und dadurch den Bedarf an manueller Kuratierung zu minimieren. Derzeit integrieren wir eine automatisierte Bewertung der Ähnlichkeiten in der funktionellen Domänenarchitektur in die Suche nach Homologen. Darüber hinaus berücksichtigen wir die phylogenetischen Profile der jeweiligen Proteine zusammen mit denen von Proteinen, die im selben funktionellen Signalweg interagieren.

Beispielpublikationen

• FAS: assessing the similarity between proteins using multi-layered feature architectures
• A multi-level perspective on the evolution of orthologs and their functions

3) Von phylogenetischen Profilen zur Evolution von Gen-Interaktionsnetzwerken

Phylogenetische Profile von Proteinen mit derselben Funktion ermöglichen es, zu rekonstruieren, wann einzelne Gen-Interaktionsnetzwerke im Laufe der Evolutionsgeschichte entstanden sind, und helfen dabei, ihr Schicksal in einzelnen phylogenetischen Linien zu beurteilen. Dies liefert wertvolle Einblicke in die Richtung der Evolution von Organismen. Der teilweise oder vollständige Verlust evolutionär alter Stoffwechselwege deutet auf eine reduktive Evolution hin, die oft mit der Veränderung eines ancestralen Phänotyps einhergeht.

Beispielpublikationen

• Tracing eukaryotic ribosome biogenesis factors into the archeal domain
• Genomic evidence for the widespread presence of GH45 cellulases among soil invertebrates

4) Evolution artspezifischer Phänotypen

Wir integrieren die Rekonstruktion phylogenomischer Bäume, die merkmalsarchitekturorientierte phylogenetische Profilierung und die Funktionsinferenz, um zu untersuchen, wie menschliche Pathogene aus ihren weitgehend apathogenen Vorfahren hervorgehen. Dies gibt Aufschluss über die molekularen Mechanismen der Wirt-Pathogen-Interaktion und bildet die Grundlage für neuartige Behandlungsansätze.

Beispielpublikationen

• Feature architecture aware phylogenetic profiling indicates a functional diversification of type IVa pili in the nosocomial pathogen Acinetobacter baumannii
• Evolutionarily stable gene clusters shed light on the common grounds of pathogenicity in the Acinetobacter calcoaceticus-baumannii complex

5) Werkzeuge zur Verwaltung, Erforschung und Analyse genomweiter Daten in einem funktionellen und evolutionären Kontext

Wir entwickeln, verbessern und vergleichen Software und Arbeitsabläufe für die Analyse biologischer Sequenzen im funktionalen und evolutionären Kontext.

Example publications

• Feature architecture-aware ortholog search with fDOG reveals the distribution of plant cell wall-degrading enzymes across life
• nc-Ortho: efficient and reliable identification of miRNA ortholog