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Two 5-methylcytosine (5-MeC)-rich heterochromatic regions were demonstrated in metaphase chromosomes of the Indian muntjac by indirect immunofluorescence using a monoclonal anti-5-MeC antibody. The metaphases were obtained from diploid and triploid cell lines. A major region is located in the ‘neck' of the 3;X fusion chromosome and can be detected after denaturation of the chromosomal DNA with UV-light irradiation for 1 h. It is located exactly at the border of the X chromosome and the translocated autosome 3. A minor region is found in the centromeric region of the free autosome 3 after denaturing the chromosomal DNA for 3 h or longer. The structure and possible function of the major hypermethylated region as barrier against spreading of the X-inactivation process into the autosome 3 is discussed.
An experimental approach using monoclonal anti-5-methylcytosine (5-MeC) antibodies and indirect immunofluorescence was elaborated for detecting 5-MeC-rich chromosome regions in anuran chromosomes. This technique was applied to mitotic metaphases of 6 neotropical frog species belonging to 6 genera and 4 families. The hypermethylation patterns were compared with a variety of banding patterns obtained by conventional banding techniques. The hypermethylated DNA sequences are species-specific and located exclusively in constitutive heterochromatin. They are found in centromeric, pericentromeric, telomeric, and interstitial positions of the chromosomes and adjacent to nucleolus organizer regions. 5-MeC-rich DNA sequences can be embedded both in AT- and GC-rich repetitive DNA. The experimental parameters that have major influence on the reproducibility and quality of the anti-5-MeC antibody labeling are discussed.
The mitotic chromosomes of 4 anuran species were examined by various classical banding techniques and by fluorescence in situ hybridization using a (TTAGGG)\(_n\) repeat. Large intrachromosomal telomeric sequences (ITSs) were demonstrated in differing numbers and chromosome locations. A detailed comparison of the present results with numerous published and unpublished data allowed a consistent classification of the various categories of large ITSs present in the genomes of anurans and other vertebrates. The classification takes into consideration the total numbers of large ITSs in the karyotypes, their chromosomal locations and their specific distribution patterns. A new category of large ITSs was recognized to exist in anuran species. It consists of large clusters of ITSs located in euchromatic chromosome segments, which is in clear contrast to the large ITSs in heterochromatic chromosome regions known in vertebrates. The origin of the different categories of large ITSs in heterochromatic and euchromatic chromosome regions, their mode of distribution in the karyotypes and evolutionary fixation in the genomes, as well as their cytological detection are discussed.
HMG-Proteine sind nach den Histonen die zweithäufigste Superfamilie nukleärer Proteine. Sie binden an DNA und Nukleosomen und induzieren strukturelle Veränderungen im Chromatin. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Dynamik des Chromatins und beeinflussen dadurch DNA-abhängige Prozesse, wie Transkription und Replikation. Proteine der HMGA-Familie sind charakterisiert durch konservierte DNA-Bindungsmotive, den AT-Hooks, welche eine Bindung an AT-reiche DNA-Sequenzen vermitteln und durch einen sauren C-Terminus. HMGA-Proteine sind verstärkt im Heterochromatin konzentriert und stehen in Verbindung mit der Expressionsregulation spezifischer Gene aufgrund der Stabilisierung von Nukleoproteinkomplexen, so genannten Enhanceosomen. HMGA-Proteine spielen des Weiteren eine entscheidende Rolle in verschiedenen Entwicklungsprozessen und bei der Tumorprogression . Um den Einfluss von HMGA1 auf die zelluläre Differenzierung und die Chromatinmodulation zu untersuchen, wurden C2C12 Maus-Myoblastenzellen verwendet. Die Induktion der Myogenese in diesen Zellen geht mit der Herunterregulierung von HMGA1 einher. Durch die Etablierung einer C2C12-Zelllinie, welche ein EGFP-markiertes HMGA1a stabil exprimierte, konnte gezeigt werden, dass eine anhaltende HMGA1-Expression spezifisch die Myogeneseprozess inhibierte, während die Osteogenese davon unbeeinflusst zu bleiben schien. Dieser hemmende Effekt kann durch die HMGA1-abhängige Fehlexpression verschiedener Gene, welche für eine einwandfreie Muskeldifferenzierung nötig sind und in die Zellzyklusregulation eingreifen, erklärt werden. Unter der Verwendung von RNAi konnte gezeigt werden, dass die Herunterregulierung von HMGA1-Proteinen für eine korrekte Genexpression und den Muskeldifferenzierungsprozess notwendig ist. Während der terminalen Differenzierung wird die Umorganisation des Chromatins durch die Fusion der Chromozentren offensichtlich. Fotobleichtechniken, wie „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP) zeigten, dass HMGA1-Proteine mit dem Methyl-CpG-bindenden Protein 2 (MeCP2), welches eine wichtige Rolle in der Chromozentrenfusion spielt, um DNA-Bindungsstellen konkurriert und dieses vom Chromatin verdrängt. Diese dynamische Konkurrenz zwischen einem anhaltend exprimierten HMGA1 und MeCP2 trägt somit zur Inhibition der differenzierungsabhängigen Modulation des Chromatins während der späten Myogenese bei. Die Untersuchungen in C2A1a-Zellen lieferten weitere Hinweise dafür, dass der wesentlichste Umbau des Chromatins in einem Zeitfenster um den dritten Tag nach Induktion der Myogenese stattfindet, an welchem HMGA1 natürlicherweise nahezu vollständig herunterreguliert sind. In diesem Zeitraum kommt es zur Dissoziation der Chromozentren, zu veränderten Expressionsmustern in bestimmten Genen, zu Modulationen in Histonmodifikationen (H3K4me2, H3K4me3, H3K27me3), zur Replikations-unabhängigen Akkumulation von Histon H3 in den Chromozentren über ungefähr einen Zellzyklus hinweg und zu eine signifikanten Erhöhung der HP1-Dynamik. Durch den Einsatz von Bimolekularer Fluoreszenzkomplementierung (BiFC), die es erlaubt Protein-Protein-Interaktionen in vivo zu visualisieren, konnte gezeigt werden, dass der saure C-Terminus des HMGA mit der Chromodomäne (CD) des HP1 interagiert. Zusätzlich ist für diese Interaktion die korrekte DNA-Bindung des HMGA nötig. FRAP-Messungen mit HP1-EGFP-Fusionsproteinen in Zellen die wildtypisches oder ein mutiertes HMGA koexprimierten, bestätigten diese Daten und wiesen darauf hin, dass die HP1-Verweildauer im Heterochromatin maßgeblich von der Gegenwart eines funktionellen HMGA1 abhängig ist. Des Weiteren zeigten C2C12-Myoblasten, die HMGA1 natürlicherweise exprimieren, eine hohe HP1-Verweildauer, die nach HMGA1-knock down drastisch verringert ist. Umgekehrt ist die HP1-Verweildauer nach einer Herunterregulierung von HMGA1 an Tag 3 der Myogenese gering und steigt durch die Koexpression von HMGA1 auf das in Myoblasten gemessene Niveau an. Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass die differenzielle Expression von HMGA1 und ihre Fähigkeit mit HP1 zu interagieren, sowie ihre Konkurrenz mit MeCP2 um DNA-Bindungsstellen einen entscheidende Rolle in der Regulation der Aufrechterhaltung und Plastizität des Heterochromatins während der Differenzierung spielen. Daher ist eine zeitlich festgelegte Herunterregulierung von HMGA1 notwendig, um die Modulation des Chromatins und dadurch den Differenzierungsprozess zu ermöglichen
The conspicuous colour sexual dimorphism of guppies has made them paradigmatic study objects for sex-linked traits and sex chromosome evolution. Both the X- and Y-chromosomes of the common guppy (Poecilia reticulata) are genetically active and homomorphic, with a large homologous part and a small sex specific region. This feature is considered to emulate the initial stage of sex chromosome evolution. A similar situation has been documented in the related Endler’s and Oropuche guppies (P. wingei, P. obscura) indicating a common origin of the Y in this group. A recent molecular study in the swamp guppy (Micropoecilia. picta) reported a low SNP density on the Y, indicating Y-chromosome deterioration. We performed a series of cytological studies on M. picta to show that the Y-chromosome is quite small compared to the X and has accumulated a high content of heterochromatin. Furthermore, the Y-chromosome stands out in displaying CpG clusters around the centromeric region. These cytological findings evidently illustrate that the Y-chromosome in M. picta is indeed highly degenerated. Immunostaining for SYCP3 and MLH1 in pachytene meiocytes revealed that a substantial part of the Y remains associated with the X. A specific MLH1 hotspot site was persistently marked at the distal end of the associated XY structure. These results unveil a landmark of a recombining pseudoautosomal region on the otherwise strongly degenerated Y chromosome of M. picta. Hormone treatments of females revealed that, unexpectedly, no sexually antagonistic color gene is Y-linked in M. picta. All these differences to the Poecilia group of guppies indicate that the trajectories associated with the evolution of sex chromosomes are not in parallel.
Sites and amounts of 5-methylcytosine (5-MeC)-rich chromosome regions were detected in the karyotypes of 9 Brazilian species of Characiformes fishes by indirect immunofluorescence using a monoclonal anti-5-MeC antibody. These species, belonging to the genera Leporinus, Triportheus and Hoplias, are characterized by highly differentiated and heteromorphic ZW and XY sex chromosomes. In all species, the hypermethylated regions are confined to constitutive heterochromatin. The number and chromosome locations of hypermethylated heterochromatic regions in the karyotypes are constant and species-specific. Generally, heterochromatic regions that are darkly stained by the C-banding technique are distinctly hypermethylated, but several of the brightly fluorescing hypermethylated regions merely exhibit moderate or faint C-banding. The ZW and XY sex chromosomes of all 9 analyzed species also show species-specific heterochromatin hypermethylation patterns. The analysis of 5-MeC-rich chromosome regions contributes valuable data for comparative cytogenetics of closely related species and highlights the dynamic process of differentiation operating in the repetitive DNA fraction of sex chromosomes.