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Dynamics of DNA in Nucleosomes and Plasmids studied by Brownian dynamics

Wocjan, Tomasz

German Title: Dynamik von DNS in Nukleosomen und Plasmiden untersucht mit Brownscher Dynamik

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Abstract

In dieser Arbeit wurde die Dynamik von DNS in Nukleosomen (DNS-Protein-Komplexe) und Plasmiden (DNS-Ringe), welche die grundlegenden strukturellen Einheiten für die Organisation von DNS in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen sind, analysiert. Die Untersuchung von DNS Bewegung auf dieser Längenskala ist von Bedeutung für das Verständnis der übergeordneten Struktur, welche einen entscheidenden Faktor in der Regulierung von fundamentalen Prozessen, wie z.B. Transkription und Replikation, darstellt. Modelle von DNS und Nukleosome sind mit Hilfe von Brownschen Dynamik Simulationen untersucht worden in Hinblick auf experimentelle Techniken wie Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS), die zeitaufgelöste Informationen über die Bewegung von fluorophormarkierter DNS liefert, und dynamische Kraftspektroskopie (DFS), die die konformationellen Änderungen der nukleosomalen DNS unter Anwendung einer externen Kraft misst. Die Bewegung einzelner DNS Monomere ist bezüglich verschiedener Parameter untersucht worden, wobei eine Beschleunigung der Fluorophoredynamik in permanent gekrümmten DNS Sequenzen mit zunehmender Superhelizität aufgezeigt wurde. Darüberhinaus wurde die Rotationsdynamik des Fluorophoredipolmomentes berücksichtigt, welches eine mögliche Erklärung bietet für ein experimentell beobachtes Rouseregime der Monomerbewegung. In Simulationen von Streckungsexperimenten wurde das Abrollen der DNS von dem Proteinkomplex analysiert. Im Rahmen der DFS Theorie wurden die kinetischen Raten und Energiebarrieren entlang des Reaktionweges, sowie Bindungsenergien berechnet und in Bezug zu experimentellen Daten gesetzt.

Translation of abstract (English)

This thesis investigates dynamics of DNA within nucleosomes (DNA-protein complexes) and plasmids (DNA rings), which are the basic units of DNA organization in prokaryotic and eukaryotic cells. The study of DNA motion at this length scale is important for the understanding of higher-order structure, which plays a key role in the regulation of fundamental biological processes such as transcription and replication. Coarse-grained models of DNA and the nucleosome were analyzed using a Brownian dynamics simulations in the context of experimental techniques such as Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), which provides time-resolved information on motion of fluorophore-labeled DNA, and Dynamic Force Spectroscopy (DFS), which probes conformational changes of nucleosomal DNA by the application of external force. Single DNA monomer motion was analyzed under varying parameters, which showed an acceleration of fluorophore dynamics in permanently bent DNA sequences with increasing superhelicity. Furthermore, the rotational dynamics of the fluorophore dipole moment was taken into account, which gives a possible explanation for the experimentally observed appearance of a Rouse-like regime for single monomer dynamics. Using stretching simulations, the DNA unwrapping transition from DNA/protein complex was studied. In the framework of the DFS theory, kinetic rates and energy barriers along the transition pathway as well as binding energies were calculated and related to experimental data.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Langowski, Prof. Dr. Jörg
Date of thesis defense: 16. December 2009
Date Deposited: 26. Jan 2010 08:59
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Brownsche Dynamik, DNS, Plasmid, Nucleosom
Uncontrolled Keywords: Brownian dynamics , DNA , plasmid , nucleosome
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