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Chromosome Kissing and Chromosome Folding in Eukaryotic and Bacterial Cells

Fritsche, Miriam

German Title: Chromosome Kissing und Chromosomenfaltung in Eukaryotischen und Bakteriellen Zellen

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Abstract

Das bakterielle und eukaryotische Genom wird durch ein differenziertes Zusammenspiel von dreidimensionaler (3D) Kompaktifizierung und Zellfunkionalitaet, beispielsweise bezueglich Genexpression, organisiert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, solche Struktur- und Funktionszusammenhaenge zu untersuchen. Ich habe vier Schluesselmerkmale identifiziert, die einen grossen Einfluss auf die Architektur von Biopolymeren haben: Polymertopologie, (raeumlicher) Einschluss, Semiflexibilitaet und Fixierung. In einem Projekt meiner Doktorarbeit habe ich gezeigt, dass die 3D-Organisation der Synaptonemalen Komplexe (SK) waehrend der Meiose stark durch das Wechselspiel von raeumlichem Einschluss und doppelter Fixierung der SK-Enden beeinflusst wird. In einer anderen Kollaboration konnte gezeigt werden, dass die raeumlich Anordnung und Dynamik von Hefe-Chromosomen im Rahmen eines Rabl Models, basierend auf Einschluss, Fixierung und der entsprechenden Packungsdichte, beschrieben werden kann. Ein grosser Teil der Dissertation traegt zu einem besseren Verstaendnis der raeumlichen E. coli Chromosomorganisation und -segregation bei. Wir konnten zeigen, dass Sternpolymere mit zirkulaeren Armen, deren struktureller Aufbau dem des E. coli Chromosomes entspricht, einen Uebergang von sphaerischen zu flachen, gestreckten Strukturen durchlaufen, welcher es erleichtern koennte, das bakterielle Genom in einer gestreckten Huelle unterzubringen. Wir konnten den Nachweis liefern, dass die Kopplung von Chromosomentopologie und Einschluss relevant ist, um den Hang des bakterielle Chromosomes zu ueberwinden, sich zu mischen. Wir schlagen einen Mechanismus zur Bildung von Domaenen im E. coli Chromosom vor und testen diesen: Der Prozess der Kolokalisation von Transkriptionsfaktoren und deren Zielgenen, der die durch das regulative Transkriptionsnetzwerk definierte Kontrolle imitiert, kann die experimentell beobachtete, praezise Positionierung der genetischen Segmente erklaeren. Der hier definierte Rahmen zur Chromosomenanordnung erlaubt es ausserdem, die Segregation von E. coli Chromosomenpaaren waehrend der Zellteilung im Kontext von Volumenausschlusswechselwirkung, spezifischen Chromosomentopologien und geometrischen Einschraenkungen zu verstehen. Im Schulterschluss mit einer weiteren Kollaboration wurde eine Methode entwickelt, die die raeumliche Chromosomenorganisation aufloesen kann, indem sie den Chromatinstrang als Worm-like Chain modelliert und ein Ensemble von Chromatinstrukturen generiert, die Strukturrestriktionen basierend auf Chromosome Conformation Capture- oder Mikroskopiedaten konsistent abbilden.

Translation of abstract (English)

The genomes of bacteria and eukaryotes are intricately organized by the mutual interplay between three-dimensional (3D) genome folding and functional cell activities. The aim of this thesis is to investigate such structure-function relationships. I have identified four key features that greatly affect biopolymer architecture: polymer topology, confinement, semiflexibility and tethering. One project of my thesis shows that the 3D organization of synaptonemal complexes during meiosis is strongly influenced by the entropic interplay between confinement and double-tethering to the confinement walls. In another collaboration, we have demonstrated that the spatial packaging and dynamics of yeast chromosomes can effectively be described by a Rabl model of organization based on confinement, tethering and the appropriate chromatin packaging density. A main part of my thesis contributes to a better understanding of spatial E. coli chromosome organization and segregation. We could show that looped star polymers, whose structural makeup reflects E. coli chromosome topology, show a conformational transition in free space from spherical to flat toroidal shapes, which might facilitate proper genome packaging within a rod-shaped, bacterial envelope. To this end, we provide evidence that the coupling of chromosome topology and confinement is relevant for the bacterial cell to overcome the chromosome's propensity to mix. We propose and test one possible mechanism for chromosomal domain formation: Colocalization of transcription factors and target genes, mimicking the regulatory control defined by the E. coli transcriptional regulatory network, can explain the experimentally found high precision of subnuclear positioning of genetic sites. The developed framework of chromosome packaging is also relevant for a better understanding of E. coli chromosome segregation, suggesting that excluded volume effects, specific polymer topologies and geometrical confinement compete with entropy to drive dynamic processes such as the segregation of highly compacted chromosomes during cell division. Last but not least, a computational tool to unravel chromosome architecture was developed which models the chromatin fiber as a worm-like chain and solves for a (unique) maximum-entropy ensemble of conformations consistent with structural constraints based on chromosome conformation capture data (contact interaction maps) or fluorescence-based/microscopy data (radial distribution functions).

Item Type: Dissertation
Supervisor: Heermann, Prof. Dr. Dieter W.
Date of thesis defense: 26 October 2011
Date Deposited: 04 Nov 2011 13:00
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Macromolecular Theory and Simulations, Soft Matter, Nucleic Acids Research
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