5.11:

5.11: Positionseffekt-Variegation

Position-effect Variegation

JoVE Core
Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Position-effect Variegation

5.10: Karyotyping

5.12: Histone Modification

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02:32 min

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November 23, 2020

Overview

In 1928, a German botanist Emil Heitz observed the moss nuclei with a DNA binding dye. He observed that while some chromatin regions decondense and spread out in the interphase nucleus, others do not. He termed them euchromatin and heterochromatin, respectively. He proposed that the heterochromatin regions reflect a functionally inactive state of the genome. It was later confirmed that heterochromatin is transcriptionally repressed, and euchromatin is transcriptionally active chromatin.

Difference between euchromatin and heterochromatin

Euchromatin is a lightly stained, gene-rich, and loosely-bound chromatin region. It is usually dispersed in the nucleus. The histones of euchromatin are extensively acetylated, which allows loose chromatin compaction.

In contrast, heterochromatin is a darkly stained, repeat-rich, gene-poor, and compact chromatin. It is mostly seen at the nuclear periphery, often as clumps. The histones of heterochromatin are methylated, which enables a compact chromatin structure.

Position-effect variegation

Chromosomal rearrangements may position euchromatin genes next to heterochromatin. Such gene rearrangements can result in gene silencing by virtue of being placed near heterochromatin, rather than a change in the gene itself. This phenomenon is called "position-effect variegation (PEV)." Hence, the juxtaposed gene becomes silent in some cells where it is normally active, resulting in a variegated phenotype. The phenomenon of PEV is well studied in Drosophila.

The formation of heterochromatin depends on the histone H3 methylation followed by the association with nonhistone proteins such as Heterochromatin Protein 1 or HP1. Usually, heterochromatin and euchromatin are separated by a buffer region with many repeat-rich regions. PEV indicates that heterochromatin, once formed, can spread beyond the buffer region into the adjoining chromatin. In humans, HUSH complex methylates histones and contributes to the spreading of heterochromatin and hence, position effect variegation.

Transcript

In einer eukaryotischen Zelle verbindet sich die DNA mit verschiedenen Proteinen, um eine dicht gepackte, hochverdichtete Struktur zu bilden, die als Chromatin bezeichnet wird. Chromatin wird in zwei Typen unterteilt, abhängig vom Grad der Verdichtung.

Heterochromatin, das in den Zentroeren und Telomeren konzentriert ist, ist stark kondensiert, genarm und wird selten in RNA transkribiert.

Im Gegensatz dazu ist Euchromatin, das einen Großteil des Chromosomenmaterials ausmacht, weniger kondensiert, genreich und aktiv transkribiert.

Heterochromatin und Euchromatin werden durch Barriere-DNA-Sequenzen getrennt. Diese Sequenzen verhindern die Ausbreitung von Heterochromatin und halten stabile Genexpressionsmuster aufrecht.

Während DNA-Umlagerungsereignissen, wie z. B. der Transposition, kann ein Stück Euchromatin in der Nähe einer Heterochromatinregion transloziert werden, ohne dass benachbarte DNA-Barrieresequenzen vorhanden sind.

Bei solchen Ereignissen werden Gene, die normalerweise aktiv sind, “stillgelegt” oder “inaktiviert”. Dieses Phänomen wird als “Positionseffekt” bezeichnet.

Bei Drosophila zum Beispiel wird die rote Augenfarbe durch das “weiße” Gen kodiert. Gelegentlich wird “weiß” in die Nähe einer Heterochromatinregion verschoben, ohne dass sich dazwischen DNA-Barrieresequenzen befinden.

Wenn Fliegen diesen Genotyp in ihren frühen Embryonalstadien, in denen Heterochromatin zum ersten Mal gebildet wird, geerbt wird, ermöglicht das Fehlen von Barriere-DNA dem Heterochromatin, sich in das benachbarte Euchromatin auszubreiten.

Die Ausbreitung erfolgt jedoch in unterschiedlichem Ausmaß in verschiedenen embryonalen Zellen. Diese Variation in der Heterochromatin-Ausbreitung führt zu Zellen, die zwei unterschiedliche Phänotypen aufweisen – einen, der das “weiße” Gen aktiv exprimiert, und andere, die dies nicht tun.

Einmal etabliert, erben alle Nachkommen dieser Zelle diesen Zustand. Dies führt zu den gesprenkelten oder mosaikfarbenen Augen bei den erwachsenen Fliegen.

Diese Phänotyp-Panaschierung, die durch das Gen-Silencing verursacht wird, das durch eine Änderung der Position des “weißen” Gens innerhalb des Chromosoms vermittelt wird, wird als “Positionseffekt-Panaschierung” bezeichnet.

Dieses Phänomen wurde zuerst in Drosophila etabliert und wurde nun bei vielen Eukaryoten beobachtet, darunter Hefen, Pflanzen und Menschen.

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Position-Effekt-Panaschierung eukaryotische Zelle DNA Proteine Chromatin Heterochromatin Euchromatin Barriere-DNA-Sequenzen Genexpressionsmuster DNA-Umlagerungsereignisse Transposition stillgelegte Gene inaktivierte Gene Drosophila weißes Gen rote Augenfarbe