HP1a can nucleate into foci that display liquid properties during the early stages of heterochromatin domain formation in Drosophila embryos, suggesting that the repressive action of heterochromatin may be mediated in part by emergent properties of phase separation. The gene-silencing action of heterochromatin is thought to arise from the spread of proteins such as HP1 that compact the underlying chromatin and recruit repressors. Two papers in this issue demonstrate that HP1α has the ability to form phase-separated droplets. Gary Karpen and colleagues show that HP1α can nucleate into foci that display liquid properties during the early stages of heterochromatin domain formation in Drosophila embryos. Geeta Narlikar and colleagues demonstrate that human HP1α protein also forms phase-separated droplets. Phosphorylation or DNA binding promotes the physical partitioning of HP1α out of the soluble aqueous phase into droplets. These related findings suggest that the repressive action of heterochromatin may be in part mediated by the phase separation of HP1, with the droplets being initiated or dissolved by various ligands depending on nuclear context. Constitutive heterochromatin is an important component of eukaryotic genomes that has essential roles in nuclear architecture, DNA repair and genome stability1, and silencing of transposon and gene expression2. Heterochromatin is highly enriched for repetitive sequences, and is defined epigenetically by methylation of histone H3 at lysine 9 and recruitment of its binding partner heterochromatin protein 1 (HP1). A prevalent view of heterochromatic silencing is that these and associated factors lead to chromatin compaction, resulting in steric exclusion of regulatory proteins such as RNA polymerase from the underlying DNA3. However, compaction alone does not account for the formation of distinct, multi-chromosomal, membrane-less heterochromatin domains within the nucleus, fast diffusion of proteins inside the domain, and other dynamic features of heterochromatin. Here we present data that support an alternative hypothesis: that the formation of heterochromatin domains is mediated by phase separation, a phenomenon that gives rise to diverse non-membrane-bound nuclear, cytoplasmic and extracellular compartments4. We show that Drosophila HP1a protein undergoes liquid–liquid demixing in vitro, and nucleates into foci that display liquid properties during the first stages of heterochromatin domain formation in early Drosophila embryos. Furthermore, in both Drosophila and mammalian cells, heterochromatin domains exhibit dynamics that are characteristic of liquid phase-separation, including sensitivity to the disruption of weak hydrophobic interactions, and reduced diffusion, increased coordinated movement and inert probe exclusion at the domain boundary. We conclude that heterochromatic domains form via phase separation, and mature into a structure that includes liquid and stable compartments. We propose that emergent biophysical properties associated with phase-separated systems are critical to understanding the unusual behaviours of heterochromatin, and how chromatin domains in general regulate essential nuclear functions.

From Genome to Regulatory Networks For biologists, having a genome in hand is only the beginning—much more investigation is still needed to characterize how the genome is used to help to produce a functional organism (see the Perspective by Blaxter ). In this vein, Gerstein et al. (p. 1775 ) summarize for the Caenorhabditis elegans genome, and The modENCODE Consortium (p. 1787 ) summarize for the Drosophila melanogaster genome, full transcriptome analyses over developmental stages, genome-wide identification of transcription factor binding sites, and high-resolution maps of chromatin organization. Both studies identified regions of the nematode and fly genomes that show highly occupied targets (or HOT) regions where DNA was bound by more than 15 of the transcription factors analyzed and the expression of related genes were characterized. Overall, the studies provide insights into the organization, structure, and function of the two genomes and provide basic information needed to guide and correlate both focused and genome-wide studies.

Chromatin is composed of DNA and a variety of modified histones and non-histone proteins, which have an impact on cell differentiation, gene regulation and other key cellular processes. Here we present a genome-wide chromatin landscape for Drosophila melanogaster based on eighteen histone modifications, summarized by nine prevalent combinatorial patterns. Integrative analysis with other data (non-histone chromatin proteins, DNase I hypersensitivity, GRO-Seq reads produced by engaged polymerase, short/long RNA products) reveals discrete characteristics of chromosomes, genes, regulatory elements and other functional domains. We find that active genes display distinct chromatin signatures that are correlated with disparate gene lengths, exon patterns, regulatory functions and genomic contexts. We also demonstrate a diversity of signatures among Polycomb targets that include a subset with paused polymerase. This systematic profiling and integrative analysis of chromatin signatures provides insights into how genomic elements are regulated, and will serve as a resource for future experimental investigations of genome structure and function. Three papers in this issue of Nature report on the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in the fruitfly Drosophila melanogaster and the roundworm Caenorhabditis elegans. Kharchenko et al. present a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. They describe nine prevalent chromatin states. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. Graveley et al. have used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events. Finally, Nègre et al. have produced a map of the regulatory part of the fruitfly genome, defining a vast array of putative regulatory elements, such as enhancers, promoters, insulators and silencers. As part of the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in D. melanogaster and C. elegans, this study presents a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. Nine prevalent chromatin states are described. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. The work provides a resource of unprecedented scale for future experimental investigations.

Despite the successes of genomics, little is known about how genetic information produces complex organisms. A look at the crucial functional elements of fly and worm genomes could change that. The National Human Genome Research Institute's modENCODE project (the model organism ENCyclopedia Of DNA Elements) was set up in 2007 with the goal of identifying all the sequence-based functional elements in the genomes of two important experimental organisms, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster. Armed with modENCODE data, geneticists will be able to undertake the comprehensive molecular studies of regulatory networks that hold the key to how complex multicellular organisms arise from the list of instructions coded in the genome. In this issue, modENCODE team members outline their plan of campaign. Data from the project are to be made available on http://www.modencode.org and elsewhere as the work progresses.

Post-translational histone modifications regulate epigenetic switching between different chromatin states. Distinct histone modifications, such as acetylation, methylation and phosphorylation, define different functional chromatin domains, and often do so in a combinatorial fashion. The centromere is a unique chromosomal locus that mediates multiple segregation functions, including kinetochore formation, spindle-mediated movements, sister cohesion and a mitotic checkpoint. Centromeric (CEN) chromatin is embedded in heterochromatin and contains blocks of histone H3 nucleosomes interspersed with blocks of CENP-A nucleosomes, the histone H3 variant that provides a structural and functional foundation for the kinetochore. Here, we demonstrate that the spectrum of histone modifications present in human and Drosophila melanogaster CEN chromatin is distinct from that of both euchromatin and flanking heterochromatin. We speculate that this distinct modification pattern contributes to the unique domain organization and three-dimensional structure of centromeric regions, and/or to the epigenetic information that determines centromere identity.

Abstract

 Recent studies have highlighted the importance of centromere-specific histone H3-like (CENP-A) proteins in centromere function. We show that Drosophila CID and human CENP-A appear at metaphase as a three-dimensional structure that lacks histone H3. However, blocks of CID/CENP-A and H3 nucleosomes are linearly interspersed on extended chromatin fibers, and CID is close to H3 nucleosomes in polynucleosomal preparations. When CID is depleted by RNAi, it is replaced by H3, demonstrating flexibility of centromeric chromatin organization. Finally, contrary to models proposing that H3 and CID/CENP-A nucleosomes are replicated at different times in S phase, we show that interspersed H3 and CID/CENP-A chromatin are replicated concurrently during S phase in humans and flies. We propose that the unique structural arrangement of CID/CENP-A and H3 nucleosomes presents centromeric chromatin to the poleward face of the condensing mitotic chromosome.

Summary

 Double-strand breaks (DSBs) in heterochromatic repetitive DNAs pose significant threats to genome integrity, but information about how such lesions are processed and repaired is sparse. We observe dramatic expansion and dynamic protrusions of the heterochromatin domain in response to ionizing radiation (IR) in Drosophila cells. We also find that heterochromatic DSBs are repaired by homologous recombination (HR) but with striking differences from euchromatin. Proteins involved in early HR events (resection) are rapidly recruited to DSBs within heterochromatin. In contrast, Rad51, which mediates strand invasion, only associates with DSBs that relocalize outside of the domain. Heterochromatin expansion and relocalization of foci require checkpoint and resection proteins. Finally, the Smc5/6 complex is enriched in heterochromatin and is required to exclude Rad51 from the domain and prevent abnormal recombination. We propose that the spatial and temporal control of DSB repair in heterochromatin safeguards genome stability by preventing aberrant exchanges between repeats.

Drosophila melanogaster plays an important role in molecular, genetic, and genomic studies of heredity, development, metabolism, behavior, and human disease. The initial reference genome sequence reported more than a decade ago had a profound impact on progress in Drosophila research, and improving the accuracy and completeness of this sequence continues to be important to further progress. We previously described improvement of the 117-Mb sequence in the euchromatic portion of the genome and 21 Mb in the heterochromatic portion, using a whole-genome shotgun assembly, BAC physical mapping, and clone-based finishing. Here, we report an improved reference sequence of the single-copy and middle-repetitive regions of the genome, produced using cytogenetic mapping to mitotic and polytene chromosomes, clone-based finishing and BAC fingerprint verification, ordering of scaffolds by alignment to cDNA sequences, incorporation of other map and sequence data, and validation by whole-genome optical restriction mapping. These data substantially improve the accuracy and completeness of the reference sequence and the order and orientation of sequence scaffolds into chromosome arm assemblies. Representation of the Y chromosome and other heterochromatic regions is particularly improved. The new 143.9-Mb reference sequence, designated Release 6, effectively exhausts clone-based technologies for mapping and sequencing. Highly repeat-rich regions, including large satellite blocks and functional elements such as the ribosomal RNA genes and the centromeres, are largely inaccessible to current sequencing and assembly methods and remain poorly represented. Further significant improvements will require sequencing technologies that do not depend on molecular cloning and that produce very long reads.

Abstract We investigated whether single P element insertional mutagenesis could be used to analyze heterochromatin within the Drosophila minichromosome Dp1187. Forty-five insertions of the P[lacZ,rosy+] element onto Dp1187 (recovered among 7,825 transpositions) were highly clustered. None was recovered in centromeric heterochromatin, but 39 occurred about 40 kb from the distal telomere within a 4.7-kb hotspot containing tandem copies of a novel 1.8-kb repetitive DNA sequence. The DNA within and distal to this region lacked essential genes and displayed several other properties characteristic of heterochromatin. The rosy+ genes within the inserted transposons were inhibited by position-effect variegation, and the subtelomeric region was underrepresented in polytene salivary gland cells. These experiments demonstrated that P elements preferentially transpose into a small subset of heterochromatic sites, providing a versatile method for studying the structure and function of these chromosome regions. This approach revealed that a Drosophila chromosome contains a large region of subtelomeric heterochromatin with specific structural and genetic properties.

We have tested the specificity and utility of more than 200 antibodies raised against 57 different histone modifications in Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans and human cells. Although most antibodies performed well, more than 25% failed specificity tests by dot blot or western blot. Among specific antibodies, more than 20% failed in chromatin immunoprecipitation experiments. We advise rigorous testing of histone-modification antibodies before use, and we provide a website for posting new test results (http://compbio.med.harvard.edu/antibodies/).