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BIOspektrum | 04.12 | 18. Jahrgang

DEBORA BADE, SYLVIA ERHARDT

ZMBH, DKFZ-ZMBH ALLIANCE, UNIVERSITÄT HEIDELBERG

The centromere is a specialized chromatin region that functions as foundation for kinetochore formation in mitosis. As a result, it is essentialfor proper chromosome segregation and the maintenance of genomicintegrity. The centromere is defined epigeneti cally by the presence of thehistone H3 variant CenH3 that is exclusively found within centromericchromatin. Additionally, centromeric chromatin displays unique post-translational modifications that differ from the surrounding heterochro-matin.

DOI: 10.1007/s12268-012-0198-4© Springer-Verlag 2012

Das Centromeró Bei jeder Zellteilung ist es essenziell fürdie Zelle, dass die replizierte DNA gleichmä-ßig auf beide Tochterzellen verteilt wird. DasCentromer, das strukturell als die primäreEinschnürungsstelle auf kondensierten Chro-mosomen sichtbar wird, spielt hierbei einetragende Rolle. Beim Centromer handelt essich um eine abgegrenzte funktionelle Chro-matinregion, die während des gesamten Zell-zyklus erhalten bleibt. Während der Mitosefungiert das Centromer als die Basis für dassich neu bildende Kinetochor. Das Kinetochorseinerseits agiert als Verknüpfungspunkt zwi-schen den Chromosomen und den Spindel-mikrotubuli und reguliert somit die korrekteVerteilung der DNA auf beide Tochterzellen.Als Folge wird die genomische Integritäterhalten und Aneuploidie vermieden. Die Cen-tromere verschiedenster Eukaryoten weisenunterschiedliche Komplexität in Bezug aufGröße und Struktur auf. Deshalb wird im All-gemeinen zwischen Punkt-, Holo- und regio-nalen Centromeren unterschieden. Ein Punkt-centromer liegt beispielsweise bei der Bäcker-hefe (Saccharomyces cerevisiae) vor. Hierbeihandelt es sich um eine klar definierte Ein-heit, die nur 125 Basenpaare umfasst undstark konservierte DNA-Sequenzbereiche auf-weist. Ein Holocentromer hingegen, wie manes bei dem Nematoden Caenorhabditis elegans

findet, erstreckt sich über das gesamte Chro-mosom. Die meisten Eukaryoten, darunterauch die Fruchtfliege (Drosophila melano-gaster), die Spalthefe (Schizosaccharomycespombe), die Ackerschmalwand (Arabidopsisthaliana) und der Mensch, haben jedochregionale Centromere. Diese erstrecken sichüber bis zu fünf Megabasen und bestehen auslangen, sich wiederholenden Einheiten. Die-se repetitiven Sequenzen sind sehr variabelund scheinen zwischen den einzelnen Spe-zies nicht konserviert zu sein. Das humaneCentromer beispielsweise besteht aus einergroßen Anzahl sich wiederholender so -genannter α-Satelliten, die eine Länge von171 Basenpaaren aufweisen.

Centromere können sich allerdings auchunabhängig von solchen repetitiven DNA-Bereichen bilden. Folglich scheint die DNA-Sequenz zwar ein positives Milieu zu liefern,aber nicht der entscheidende Faktor zur Bil-dung eines Centromers zu sein.

Epigenetische Regulation desCentromersTrotz der sich zwischen einzelnen Organis-men unterscheidenden DNA-Sequenz habenalle Centromere eines gemeinsam: Sie wei-sen eine spezifische Chromatinstruktur auf,die entscheidend zur Funktionalität des Cen-tromers beiträgt. Chromatin besteht aus

Nukleosomen, um welche DNA gewickelt ist.Die Nukleosomen bestehen aus je zwei Kopiender Histone H2A, H2B, H3 und H4. Des Wei-teren wird Chromatin allgemein in Eu- undHeterochromatin unterteilt. Beim Euchroma-tin handelt es sich um locker gepacktes Chro-matin; dieses wird transkribiert und befin-det sich vor allem in den Chromosomenar-men. Heterochromatin hingegen ist genarmund sehr stark kondensiert. Eu- und Hetero-chromatin zeichnen sich durch charakteris-tische posttranslationale Modifikationsmusterder Histone aus. Obwohl das Centromer inHeterochromatin eingebettet ist, weist es nichtnur Heterochromatin-typische Modifikatio-nen auf, sondern zeichnet sich durch ein indi-viduelles Muster aus. Centromerisches Chro-matin weist außerdem die Besonderheit auf,dass das kanonische Histon H3 durch eineHistonvariante, CenH3, ersetzt wird. CenH3wird ausschließlich in centrome risches Chro-matin eingebaut und wird da her als bestim-mender Faktor gehandhabt (Abb. 1). DieBedeutung von CenH3 wird dadurch unter-strichen, dass Mutationen oder Depletion derHistonvariante in allen Eukaryoten schwereDefekte bei der Chromosomensegregationnach sich ziehen (Abb. 2, [1, 2]). Diese Defek-te lassen sich durch das gestörte Zusammen-

Centromerbiologie

Die Histonvariante CenH3 reguliertdie Centromeridentität

˚ Abb. 1: Die Histonvariante CenH3 wirdausschließlich in Nukleosomen der Centro-mere (rot) eingebaut. Das Centromer bildetdie Basis für die Kinetochore (orange), dieals Ansatzstelle für die Spindelmikrotubuli(grau) dienen.

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spiel des Centromers mit demKinetochor und der folglich feh-lerhaften Verknüpfung der DNAund der Spindelmikrotubulierklären. Humanes CenH3 wirdCENP-A (centromere protein A)genannt und wurde 1985 erst-mals identifiziert, da Patienten,die an der Autoimmunerkran-

kung Scleroderma litten, Anti-körper gegen CENP-A im Blutse-rum aufwiesen [3]. Seither wurdein unzähligen anderen Organis-men eine eben solche centro-merspezifische Histonvariantegefunden. Diese wird beispiels-weise in Drosophila melanogasterCID (centromer identifier) und in

Saccharomyces cerevisiae Cse4genannt.

Strukturelle Merkmale derCenH3sCenH3s teilen einige strukturel-le Merkmale: Sie alle zeichnensich durch einen konserviertenfür Histone typischen globulärenC-Terminus, die histone folddomain, aus. Dieser C-Terminusist Bestandteil des Nukleoso-menkernpartikels und mediiertdie Histon-Histon-Interaktionen.Innerhalb des C-Terminus vonCENP-A wurde auch die für diecentromerische Lokalisationessenzielle CENP-A targetingdomain (CATD) identifiziert. Die-se aus einem Loop und einer α-Helix bestehende Domäne ist vonder Hefe bis zum Säugetier kon-serviert [4]. Außerdem verringertdie CATD die strukturelle Flexi-bilität von Nukleosomen, dieCENP-A anstelle von H3 einge-baut haben, und könnte somit alsErkennungsmerkmal für neu zuladendes CENP-A dienen. Die N-terminalen Enden der CenH3-Orthologen sind sehr variabel inihrer Länge und Sequenz. Sieragen jedoch immer aus demNukleosomenkernpartikel herausund können so eventuell weitereFunktionen, wie z. B. Protein-Pro-tein-Interaktionen, erfüllen.

ReplikationsunabhängigeLadung von CenH3In der S-Phase werden die vor-handenen Nukleosomen zwi-schen dem neu synthetisiertenund dem ursprünglichen DNA-Strang verteilt. Aus diesem Grundmüssen bei jeder Zellteilung neueNukleosomen eingebaut werden.Ein Großteil dieser Nukleosomenwird replikationsabhängigassembliert. Folglich werden diemeisten Histone in der S-Phaseeingebaut (Abb. 3). Chaperonespielen hierbei eine wesentlicheRolle: Einerseits vermitteln siedie Dissoziation von Histonenund erleichtern so der DNA-Poly-merase die Passage, und ande-rerseits binden sie Histone und

fördern ihren Einbau in das Chro-matin. Gewöhnliche Nukleoso-men werden in einem zwei-schrittigen Prozess zusammen-gesetzt: Nach erfolgreicher DNA-Replikation lädt das ChaperonCAF1 ein Histon-H3-H4-Tetramerauf die DNA. Anschließend wer-den zwei H2A-H2B-Dimereergänzt. Dies resultiert in einemaus einem Oktamer bestehendenNukleosomenkernpartikel, umwelchen 146 Basenpaare DNAgewunden werden. Der Einbauvon Histonvarianten, wie CenH3,findet jedoch unabhängig von derDNA-Replikation statt undscheint deshalb einem anderenMechanismus zu unterliegen.Humanes CENP-A wird bei-spielsweise anhand seiner CAT-Domäne von seinem ChaperonHJURP erkannt und schon imZytoplasma gebunden [5, 6].Anschließend wird die Histonva-riante in einem Chaperon-abhän-gigen Prozess während einessehr kurzen Zeitfensters in derG1-Phase geladen [7]. Währenddie Assemblierung von CenH3-Nukleosomen zeitlich in huma-nen Zellen kurz nach der Mitosestattfindet, werden CID-Nukleo-somen in Drosophila melanogas-ter während der Mitose geladen[8–10]. Trotz der zeitlichen Unter-schiede in humanen und Droso-phila-Zelllinien haben jedoch bei-de Organismen gemeinsam, dassdie Verdopplung centromerischerDNA und das Laden von CenH3-Nukleosomen zeitlich versetztstattfinden (Abb. 3). Dies könnteverhindern, dass CenH3 auchaußerhalb von centromerischemChromatin eingebaut wird. Umdie falsche Lokalisation vonCenH3-Nukleosomen zu verhin-dern, werden neben dem Ladender Histonvarianten an sich auchdie CenH3-Proteinlevel direktreguliert. So werden z. B. erhöh-te Proteinlevel des Drosophila-CENP-A-Homologs CID durch Pro-teasom-abhängige Proteolyse kor-rigiert [11].

Können die CID-Proteinlevelnicht ausreichend angepasst wer-

˚ Abb. 2: Depletion der Drosophila-spezifischen Histonvariante CIDdurch RNA-Interferenz (RNAi) führt zu Defekten bei der Chromosomen-segregation. A, Kontroll-Chromosomen ordnen sich während der Meta-phase in der Äquatorialebene an. B, CID-RNAi-behandelte Zellen weisenFehler bei der Anordnung der Chromosomen auf. Bei den Zellen handeltes sich um S2-Zellen, die ein grün-fluoreszierendes CID- und ein rot- fluoreszierendes Tubulin-Fusionsprotein exprimieren. Die DNA ist blaugefärbt.

˚ Abb. 3: In der S-Phase wird die DNA verdoppelt und die vorhande-nen Nukleosomen zwischen dem neu synthetisierten und demursprünglichen DNA-Strang verteilt. Die so entstehenden Lücken wer-den noch während der Replikation mit neuen Histonen aufgefüllt: Ineinem ersten Schritt werden die Histone H3/H4 (gelb/grün) als Tetra-mer geladen. Darauf folgend werden zwei H2A/H2B-Dimere (blau)ergänzt. Im Gegensatz zu den kanonischen Histonen wird die centro-merspezifische Histonvariante CenH3 (rot), abhängig vom Organismus,jedoch erst während oder nach der nächsten Mitose geladen.

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den, führt dies zur Fehllokalisation voncentromerischen Nukleosomen in dieChromosomenarme. Dieser Einbau innicht-centromerische Regionen verur-sacht zusätzliche funktionale Kineto-chore [12]. Dies kann nun Chromoso-menbrüche und fehlerhafte Chromoso-mensegregation nach sich ziehen undggf. den Zelltod verursachen. Aus die-sem Grund ist es essenziell für die Zel-le, die Proteinlevel von CenH3 sowieden Einbau von CenH3-Nukleosomenzu regulieren und somit die genomi-sche Integrität zu wahren. Um nun imDetail zu verstehen, wie Zellen ihr gene-tisches Material korrekt verteilen, istes entscheidend, diese Mechanismengenauer zu erforschen.

DanksagungUnsere Arbeit wird gefördert durch dieDeutsche Forschungsgemeinschaft(576) und das Exzellenzcluster Cell-Networks der DFG (EXC81). ó

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Korrespondenzadresse:Dr. Sylvia ErhardtZentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH)ZMBH-DKFZ AllianceUniversität HeidelbergIm Neuenheimer Feld 282D-69120 HeidelbergTel.: 06221-546898Fax:06221-545892s.erhardt@zmbh.uni-heidelberg.de

AUTORENDebora BadeJahrgang 1986. 2005–2010 Biologiestudium an der Universität Heidel-berg. Seit 2010 Promotion an der Hartmut Hoffmann-Berling Internatio-nal Graduate School of Molecular and Cellular Biology, Universität Hei-delberg.

Sylvia ErhardtBiologiestudium an der Universität Heidelberg. 2003 Promotion an derUniversität von Cambridge, UK, danach Postdoc an der Universität vonBerkeley, CA, USA. Seit 2008 Nachwuchsgruppenleiterin des Exzellenz-clusters CellNetworks im ZMBH an der Universität Heidelberg.