Axel Imhof – Chromatin Proteomik

Jede Zellteilung stellt das Epigenom vor zwei Herausforderungen. Während der DNA-Replikation werden die elterlichen Histone und ihre Modifikationen auf die beiden Tochterstränge verteilt und durch neu gebildete, unmodifizierte Histone verdünnt. Während der Mitose wird das Chromatin zu Chromosomen verdichtet und muss für die nächste G1-Phase neu eingestellt werden. Mithilfe quantitativer Massenspektrometrie, Isotopenmarkierung und mathematischer Modellierung verfolgen wir Histonmodifikationen während dieser Übergänge.

Gemeinsam mit den Gruppen von Groth, Rupp und Marr konnten wir zeigen, dass die Methylierung von H3K27, H3K36 und H4K20 nach der Replikation langsam und über einen domänenbasierten Mechanismus wiederhergestellt wird. In sich teilenden Zellen wird die H4K20-Methylierung vor allem durch die Verdünnung infolge der Replikation geprägt, nicht durch aktive Demethylierung. Die Demethylierung wird entscheidend, sobald Zellen ihre Teilung einstellen, wie etwa in Xenopus-Embryonen, bei denen der Zellzyklus systemisch blockiert ist.

In unserer jüngsten Zusammenarbeit mit der Earnshaw-Gruppe haben wir eine zeitaufgelöste Übersicht der Histonmodifikationen während des Eintritts in die Mitose erstellt. Dabei konnten wir drei getrennte Phosphorylierungsprogramme an Histon H3 (S10, T3 und S28) identifizieren. Zudem stellten wir die lange vertretene Annahme infrage, dass globale Veränderungen anderer Histonmarkierungen für die Chromosomenkondensation erforderlich sind.

Wichtige Publikationen

Kochanova NY et al. (2026) A time-resolved atlas of histone modifications during mitotic entry. Molecular Cell. 10.1016/j.molcel.2026.03.038

Pokrovsky D et al. (2021) A systemic cell cycle block impacts stage-specific histone modification profiles during Xenopus embryogenesis. PLOS Biology. 10.1371/journal.pbio.3001377

Schuh L et al. (2020) H4K20 methylation is differently regulated by dilution and demethylation in proliferating and cell-cycle-arrested Xenopus embryos. Cell Systems. 10.1016/j.cels.2020.11.003

Alabert C et al. (2020) Domain model explains propagation dynamics and stability of histone H3K27 and H3K36 methylation landscapes. Cell Reports. 10.1016/j.celrep.2019.12.060

Heterochromatin besteht größtenteils aus repetitiver Satelliten-DNA und transponierbaren Elementen und gehört zu den sich am schnellsten entwickelnden Bereichen des Genoms. Wir untersuchen, wie diese rasche Evolution zur Entstehung von Artgrenzen beitragen kann. Als Modell dient uns die Hybridinkompatibilität zwischen Drosophila melanogaster und D. simulans, die durch die Gene Hmr und Lhr verursacht wird. Da sich ihre Expression zwischen den beiden Arten unterscheidet, enthalten Hybride erhöhte Mengen beider Proteine, was zum Tod der männlichen Hybride führt.

Wir konnten zeigen, dass HMR und LHR einen Komplex aus sechs Untereinheiten bilden, der zentromerisches und perizentromerisches Chromatin miteinander verbindet. Die Integrität dieses Komplexes ist sowohl für seine Bindung an die Zentromere als auch für die Letalität der Hybride erforderlich. Eine Erhöhung der HMR- und LHR-Spiegel in reinen Arten reicht aus, um mitotische Defekte hervorzurufen, transponierbare Elemente zu dereprimieren und die Fruchtbarkeit zu verringern.

Um zu verstehen, wie inkompatible Genome dennoch koexistieren können, haben wir hybride Drosophila-Zelllinien etabliert. Diese Zelllinien zeigen Anpassungsmechanismen, die das Überleben ermöglichen, darunter Aneuploidie, Chromosomenverlust, Dosiskompensation und rDNA-Amplifikation – gewissermaßen eine „Artbildung im Rückwärtsgang“.

Wichtige Publikationen

Lukacs A, Thomae AW et al. (2021) The integrity of the HMR complex is necessary for centromeric binding and reproductive isolation in Drosophila. PLOS Genetics. 10.1371/journal.pgen.1009744

Kochanova NY et al. (2020) A multi-layered structure of the interphase chromocenter revealed by proximity-based biotinylation. Nucleic Acids Research. 10.1093/nar/gkaa145

Thomae, A. W. et al. A Pair of Centromeric Proteins Mediates Reproductive Isolation in Drosophila Species. Developmental Cell 10.1016/j.devcel.2013.10.001

Zentromere werden epigenetisch durch die Histon-H3-Variante CENP-A und nicht durch ihre DNA-Sequenz definiert. In Interphasekernen gruppieren sich Zentromere mit dem sie umgebenden Heterochromatin zu sogenannten Chromozentren. Wir untersuchen die molekulare Organisation dieser Domänen mithilfe von Proximity-Labeling in Kombination mit quantitativer Proteomik und superauflösender Mikroskopie.

Durch die Markierung der unmittelbaren Umgebung von CENP-A, HMR und HP1a konnten wir zeigen, dass Chromozentren eine geschichtete Struktur aufweisen: einen CENP-A-Kern, eine verbindende Schicht mit HMR, LHR und NLP sowie eine äußere Hülle aus HP1a-Heterochromatin. Außerdem identifizierten wir den Histon-Chaperon Spt6 als einen Faktor, der zur Erhaltung von CENP-A beiträgt. Spt6 sorgt dafür, dass bereits vorhandene CENP-A-Nukleosomen während der Transkription in der Mitose und der G1-Phase am Zentromer verbleiben.

Mit AMPL-MS, einer neuen antikörpergestützten Methode zum Proximity-Labeling von Proteinen und RNA, konnten wir zeigen, dass RNA dazu beiträgt, diese Chromatindomänen zusammenzuhalten. Dieselben Untersuchungen brachten zudem zentromerische R-Loops zum Vorschein, die mit der RNA-Helikase MLE verbunden sind. Derzeit erweitern wir diese Arbeiten auf menschliche Zentromere.

Wichtige Publikationen

Parashara, P. et al. PLK1-mediated phosphorylation cascade activates Mis18 complex to ensure centromere inheritance. Science 385, 1098–1104 (2024). 10.1126/science.ado8270

Choudhury R et al. (2024) The role of RNA in the maintenance of chromatin domains as revealed by antibody-mediated proximity labelling coupled to mass spectrometry. eLife 13:e95718. 10.7554/elife.95718

Lukacs A, Thomae AW et al. (2021) PLOS Genetics (see above).

Bobkov GOM et al. (2020) Spt6 is a maintenance factor for centromeric CENP-A. Nature Communications 11. 10.1038/s41467-020-16695-7

Kochanova NY et al. (2020) Nucleic Acids Research (see above).