Chromosome painting and arrangement of interphase chromosome territories in Arabidopsis thaliana

Abstract

Unter Nutzung des 'tiling path' von künstlichen Bakterienchromosomen (BACs) wurde das 'Chromosomen-Painting' für die euploide Modellpflanze Arabidopsis thaliana entwickelt. Diese Fluoreszenz-in situ-Hybridisierungs (FISH)-Methode erlaubt die Identifikationen individueller Chromosomen/Chromosomenregionen in Kernen beliebiger Zellzyklus- und Entwicklungsstadien. Mit Hilfe des Chromosomen-Paintings wurden die räumliche Anordnung und potentielle Dynamik von Chromosomenterritorien (CT) in Interphasekernen untersucht. Individuelle CTs erwiesen sich in 2C, 4C und 8C Kernen aus Blättern und Wurzeln als zufällig angeordnet. Lediglich die Nukleolus-Organisator-Region (NOR)-tragenden Chromosomen 2 und 4 wiesen öfter als zufallsgemäß erwartet homologe Assoziation auf (vermutlich bedingt durch nur einen Nukleolus in >90% der Kerne, an den sich alle NORs anlagern). Somatische Homologen-Paarung trat nur punktuell in ~5% der Zellkerne auf und kam somit nicht häufiger vor als zufallsgemäß erwartet. Damit unterscheidet sich die Chromosomenanordnung bei A. thaliana von der bei Drosophila (Drosophila weist regulär somatische Homologen-Paarung auf) und zeigt, dass Ähnlichkeiten hinsichtlich Genomgröße, Chromosomenzahl und Sequenzorganisation nicht notwendigerweise ähnliche CT-Anordnung bedingen. Das transgene Lac-Operator/GFP-Lac-Repressor-System ist geeignet, um Chromatindynamik in vivo zu studieren. Bislang war ungewiss, ob die Chromatinorganisation an den Integrationsorten tatsächlich die Verhältnisse unter Wildtyp-Bedingungen widerspiegelt. FISH mit Sequenzen des Lac-Operators und der flankierenden Wirtsregionen ergab, dass die transgenen Lac-Operator-Tandem-Arrays signifikant häufiger homolog paarten oder mit Heterochromatin assoziierten als das für endogene euchromatische Regionen im Durchschnitt der Fall war. Die Ursache für dieses Verhalten liegt anscheinend in der Tandem-repetitiven Natur des Transgen-Konstruktes begründet.

Chromosome painting, utilizing tiling a path of bacterial artificial chromosome (BAC) clones, has been established for model plant Arabidopsis thaliana. This fluorescence in situ hybridization (FISH) method allows to identify individual chromosomes (or parts of these) in all cell cycle and developmental stages. Using chromosome painting, arrangement and potential dynamics of Arabidopsis interphase chromosome territories (CTs) were analyzed. Individual CTs were found to be associated at random frequency, except for the homologues of the nucleolar organizer region (NOR) chromosomes 2 and 4. Their higher-than-random association frequency was apparently mediatedt by attachment of NORs to a single nucleolus (in >90% of nuclei). The same arrangement was found in 2C, 4C and 8C nuclei isolated from roots and leaves. Somatic homologous pairing occurs in ~5% of Arabidopsis nuclei (i.e., not more often than expected at random). Thus, Arabidopsis differs from Drosophila (characterized by regular somatic pairing of homologues) and similarity in genome size, sequence organization and chromosome number does not necessarily cause an identical arrangement of interphase chromosomes. The lac operator/GFP-lac repressor tagging system is a powerful tool to study chromatin dynamics in vivo, however, it may not reflect the spatial chromatin organization at the integration loci under wild-type condition. FISH with lac operator and flanking endogenous sequences revealed that the transgenic tandem repetitive lac operator arrays pair with each other and associate with heterochromatic chromocenters significantly more often than average endogenous euchromatic regions do. The main reason is most likely the tandem repetitive nature of the transgene construct.