Mission

Kinetochore befinden sich an den Zentromeren, an denen tandemartig angeordnete zentromerische DNA-Repeats eine kompakte Struktur höherer Ordnung bilden. Kinetochore sind multimere Proteinkomplexe, die durch vielfältige Interaktionen zwischen ihren Bestandteilen gekennzeichnet sind (siehe obiges Schema).

Die Forschungsgruppe Kinetochor-Biologie (KB) beschäftigt sich mit der Untersuchung der Organisation, Etablierung und Erhaltung des Kinetochor-Komplexes in Pflanzen.

Das Kinetochor ist ein großer Proteinkomplex (bis zu 100 Proteine), der sich während der Zellteilung an spezialisierten Chromosomendomänen, den Zentromeren, assembliert. Die Hauptfunktion dieses Komplexes ist es, die korrekte Segregation der Chromosomen während der Mitose und Meiose und damit die Genomstabilität in allen eukaryotischen Organismen sicherzustellen.

Die Zentromer-spezifische Histon H3-Variante CenH3 ist essentiell für die Kinetochorbildung und die Zentromerfunktion. Seine Deposition an den Zentromeren ist abhängig von CenH3-Assembly-Faktoren, Chaperonen, der Transkription zentromerischer Repeats und dem epigenetischen Status des zentromerischen Chromatins. Eine spezifische Manipulation des CenH3-Assembly-Faktors KNL2 führte in Arabidopsis thaliana zur Erzeugung von Doppelhaploiden (I. Lermontova, WO2017/067714). Die Produktion von Doppelhaploiden ermöglicht die Erstellung homogener Linien in nur einer statt in fünf oder mehr Generationen, wie es üblicherweise in der konventionellen Züchtung der Fall ist.

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Projekte

Unsere Hauptforschungsziele sind:

1. Aufklärung der der Kinetochor-Assemblierung und -Funktion zugrundeliegenden Mechanismen in Pflanzen

Wir fokussieren auf:

  • die Aufklärung des cenH3 Beladungsprozesses in Pflanzen
  • die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von neuen Komponenten des Kinetochor-Komplexes
  • die funktionelle Analyse von Protein-Protein-Interaktionsnetzwerken der Kinetochor-Komponenten
  • die Aufklärung der epigenetischen Regulation bei der Kinetochor-Assemblierung

 

cenH3-Beladungsprozess

In den meisten Eukaryoten ist die Kinetochore-Ausbildung von der zentromerischen Variante des Histons H3, cenH3, abhängig. Der Beladung mit cenH3 erfolgt bei A. thaliana in drei Stufen: Initiation, Einbau und Erhaltung. (1) An der Initiierung des cenH3-Einbaus sind der Lizenzierungsfaktor Kinetochore Null 2 (KNL2) und andere Komponenten beteiligt (Lermontova et al., 2013). (2) Anschließend wird cenH3 durch Chaperon-Proteine wie NASPSIM3 an den Zentromeren deponiert (Le Goff et al., 2020).  (3) Die spezifischen Mechanismen/Faktoren zur Stabilisierung und Erhaltung von neu eingebautem cenH3 sind noch nicht bekannt.

2.  Die Etablierung einer effizienten Methode zur Erzeugung von Haploiden basierend auf der Manipulation von Kinetochor-Proteinen

Wir fokussieren auf:

  • die Optimierung des KNL2-basierten Haploiden-Induktionsansatzes in Arabidopsis und Aufklärung des Mechanismus
  • Übertragung des KNL2-basierten Haploiden-Induktionsansatzes auf Nutzpflanzen

 

Generierung von Haploiden und Doppelhaploiden basierend auf KNL2-Manipulationen

Die Kreuzung von A. thaliana-Mutanten für das Kinetochore-Protein KNL2 mit Wildtyp führt zur Generierung von Haploiden. (Lermontova, I.: Generation of haploid plants based on KNL 2. (IPK-Anmeldung), Veröffentlichung: 27.04.2017, IPK-Nr. 2015/01. WO2017/067714 (2017)).

3. Analyse der Auswirkung von Umweltfaktoren auf den Kinetochor-Assemblierung

Wir fokussieren auf:

  • die Untersuchung der Auswirkungen von Umweltbedingungen auf die Heterochromatinstruktur, die Kinetochor-Assemblierung und die Effizienz der Haploiden-Induktion

 

 

Temperatur- und Lichtstress beeinflussen die Struktur des Heterochromatins

Stressbedingungen wie hohe Temperatur und Licht induzieren eine Dispersion des Heterochromatins in A. thaliana.

Um unsere Forschungsziele zu erreichen, verwenden wir eine Kombination aus molekularbiologischen, biochemischen, physiologischen, zytologischen und bioinformatischen Methoden und Verfahren.

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Mitarbeitende

Name
Telefon
Email
OrcID
Wissenschaftliches Personal
Moebes, Michael
Ramakrishnan, Jothipriya
Wissenschaftliche Gäste / Stipendiat
Kara, Sevim Doendue
Technisches Personal
Heber, Anette
Jaroschinsky, Pascal
Kuhlmann, Heike

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Publikationen

Autor
Titel
2022

Ahmadli U, Sandmann M, Fuchs J, Lermontova I:

Immunolabeling of nuclei/chromosomes in Arabidopsis thaliana. In: Caillaud M-C (Ed.): Plant cell division: methods and protocols, 2nd. ed. (Series: Methods in molecular biology, Vol. 2382) New York [u.a.]: Springer US (2022) ISBN 978-1-0716-1743-4, 19-28. https://dx.doi.org/10.1007/978-1-0716-1744-1_2

Demidov D, Lermontova I, Moebes M, Kochevenko A, Fuchs J, Weiss O, Rutten T, Sorge E, Zuljan E, Giehl R F H, Mascher M, Somasundaram S, Conrad U, Houben A:

Haploid induction by nanobody targeted ubiquitin-proteasome-based degradation of EYFP-tagged CENH3 in Arabidopsis thaliana. J. Exp. Bot. (2022) accepted. https://dx.doi.org/10.1093/jxb/erac359

Möbes M:

Optimierung einer quantitativen Reverse-Transkriptase-PCR Methode zur Analyse niedrig-exprimierter Gene in Nutzpflanzen, basierend auf B. napus. (Bachelor Thesis) Köthen, Hochschule Anhalt, Fachbereich Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik (2022) 48 pp.

Moebes M, Kuhlmann H, Demidov D, Lermontova I:

Optimization of quantitative reverse transcription PCR method for analysis of weakly expressed genes in crops based on rapeseed. Front. Plant Sci. 13 (2022) 954976. https://dx.doi.org/10.3389/fpls.2022.954976

Sinha A:

The CENPC-k and CENPC motif dependent targeting of proteins to the centromere using EYFP as a marker. (Master Thesis) Kiel, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (2022) 56 pp.

Yadala R, Ratnikava M, Lermontova I:

Bimolecular fluorescence complementation to test for protein-protein interactions and to uncover regulatory mechanisms during gametogenesis. In: Lambing C (Ed.): Plant gametogenesis: methods and protocols, 1st. ed. (Series: Methods in molecular biology, Vol. 2484) New York [u.a.]: Humana Press (2022) ISBN 978-1-0716-2252-0, 107-120. https://dx.doi.org/10.1007/978-1-0716-2253-7_9

Zuo S, Yadala R, Yang F, Talbert P, Fuchs J, Schubert V, Ahmadli U, Rutten T, Pecinka A, Lysak M A, Lermontova I:

Recurrent plant-specific duplications of KNL2 and its conserved function as a kinetochore assembly factor. Mol. Biol. Evol. 39 (2022) msac123. https://dx.doi.org/10.1093/molbev/msac123

2021

Capitao C, Tanasa S, Fulnecek J, Raxwal V K, Akimcheva S, Bulankova P, Mikulkova P, Khaitova L C, Kalidass M, Lermontova I, Scheid O M, Riha K:

A CENH3 mutation promotes meiotic exit and restores fertility in SMG7-deficient Arabidopsis. PLoS Genet. 17 (2021) e1009779. https://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1009779

Houben A, Demidov D, Lermontova I, Fuchs J, Weiss O, Meier K:

Generation of haploids based on mutation of SAD2. (Patent), Veröffentlichung: 24.03.2021, IPK-Nr. 2018/06. EP3794939. (2021).

Municio C, Antosz W, Grasser K, Kornobis E, van Bel M, Eguinoa I, Coppens F, Bräutigam A, Lermontova I, Bruckmann A, Zelkowska K, Houben A, Schubert V:

The Arabidopsis condensin CAP-D subunits arrange interphase chromatin. New Phytol. 230 (2021) 972-987. https://dx.doi.org/10.1111/nph.17221

Sorge E, Demidov D, Lermontova I, Houben A, Conrad U:

Engineered degradation of EYFP-tagged CENH3 via the 26S proteasome pathway in plants. PLoS One 16 (2021) e0247015. https://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0247015

2020

Dvořák Tomaštíková E, Rutten T, Dvořák P, Tugai A, Ptošková K, Petrovská B, van Damme D, Houben A, Doležel J, Demidov D:

Functional divergence of microtubule-associated TPX2 family members in Arabidopsis thaliana. Int. J. Mol. Sci. 21 (2020) 2183. https://dx.doi.org/10.3390/ijms21062183

Ishii T, Juranić M, Maheshwari S, Bustamante F O, Vogt M, Salinas-Gamboa R, Dreissig S, Gursanscky N, How T, Demidov D, Fuchs J, Schubert V, Spriggs A, Vielle-Calzada J P, Comai L, Koltunow A M G, Houben A:

Unequal contribution of two paralogous CENH3 variants in cowpea centromere function. Commun. Biol. 3 (2020) 775. https://dx.doi.org://10.1038/s42003-020-01507-x

Le Goff S, Keçeli B N, Jeřábková H, Heckmann S, Rutten T, Cotterell S, Schubert V, Roitinger E, Mechtler K, Franklin F C H, Tatout C, Houben A, Geelen D, Probst A V, Lermontova I:

The H3 histone chaperone NASPSIM3 escorts CenH3 in Arabidopsis. Plant J. 101 (2020) 71-86. https://dx.doi.org/10.1111/tpj.14518

2019

Boudichevskaia A, Houben A, Fiebig A, Prochazkova K, Pecinka A, Lermontova I:

Depletion of KNL2 results in altered expression of genes involved in regulation of the cell cycle, transcription, and development in Arabidopsis. Int. J. Mol. Sci. 20 (2019) 5726. https://dx.doi.org/10.3390/ijms20225726

Demidov D, Heckmann S, Weiss O, Rutten T, Tomaštíková E D, Kuhlmann M, Scholl P, Municio C M, Lermontova I, Houben A:

Deregulated phosphorylation of CENH3 at Ser65 affects the development of floral meristems in Arabidopsis thaliana. Front. Plant Sci. 10 (2019) 928. https://dx.doi.org/10.3389/Fpls.2019.00928

Kalinowska K, Chamas S, Unkel K, Demidov D, Lermontova I, Dresselhaus T, Kumlehn J, Dunemann F, Houben A:

State-of-the-art and novel developments of in vivo haploid technologies. Theor. Appl. Genet. 132 (2019) 593–605. https://dx.doi.org/10.1007/s00122-018-3261-9

Zelkowski M, Zelkowska K, Conrad U, Hesse S, Lermontova I, Marzec M, Meister A, Houben A, Schubert V:

Arabidopsis NSE4 proteins act in somatic nuclei and meiosis to ensure plant viability and fertility. Front. Plant Sci. 10 (2019) 774. https://dx.doi.org/10.3389/fpls.2019.00774

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