English Title: Response of genome architecture to ionizing radiation: quantitative analysis using new concepts for high resolution localization microscopy

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Abstract

Licht- bzw. Fluoreszenzmikroskopie ist zur Analyse der Zellkernstrukturen ein bewährtes Mittel. Nanometergroße DNA-Strukturen können durch die beugungsbegrenzte Auflösung konventioneller Mikroskope allerdings quantitativ nicht untersucht werden. Dazu müssen Methoden wie die hier verwendete Lokalisationsmikroskopie genutzt werden, die die optische Unterscheidung von Fluorophoren mit einem Mindestabstand von ca. 10 nm erlaubt und Strukturmessungen in solchen Größenordnungen damit ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das ganze Vorgehen von der Zellkultur bis zur Datenauswertung für Lokalisationsmikroskopie optimiert, um die potentiell mögliche Präzision dieser Technik voll auszunutzen. Dazu wurden strukturbeeinflussende Schritte bei der Präparation verringert und bei der Auswertung Filterungs- und Normierungsverfahren zur Angleichung der nicht vermeidbaren Fluoreszenzunterschiede entwickelt. Für die gemessenen molekularen Lokalisationsdaten wurden Cluster- und Distanzanalysen zur Erkennung und Quantifizierung von Strukturen verwendet. Ein gänzlich neuer Ansatz zur Strukturanalyse basierend auf persistenter Topologie wurden etabliert. Dies ermöglichte neue wissenschaftliche Perspektiven auf die hier behandelten strahlenbiophysikalischen Fragestellungen. Die Untersuchung der Genomarchitektur nach Exposition mit ionisierender Strahlung zeigte, dass der Anteil an verpacktem Heterochromatin im Zellkern sich nach Bestrahlung ändert. Es konnte zum ersten Mal lokalisationsmikroskopisch bestätigt werden, dass DNA-Doppelstrangbruch-Reparaturzentren durch die Nähe zu Heterochromatin strukturell beeinflusst werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Alu-DNA-Sequenzen fest, jedoch exkludierend, mit Heterochromatin assoziiert sind und eine genomstrukturierende Wirkung haben. Der deutlich messbare Einfluss von Bestrahlung auf diese DNA-Abschnitte kann für eine biologische Dosimetrie verwendet werden.

Translation of abstract (English)

Light and fluorescence microscopy is a well-established tool for investigating the structure of the cell nucleus. However, nanometer-sized DNA structures cannot be quantitatively examined by diffraction-limited resolution of conventional microscopes. Localization microscopy as being used here permits the optical separation of fluorophores with a minimum distance of approximately 10 nm, so that structures of these orders of magnitude can be measured. To get full benefit of the potentially possible precision the whole procedure from cell culture to data analysis was optimized for localisation microscopy. For this purpose, structure-influencing steps of the preparations were reduced. Filtering and normalization methods of computing were developed for the adaptation of the unavoidable fluorescence differences. Cluster and distance analyses were used to identify and quantify molecular structures. A completely new approach to structure analysis based on persistent topology was established. This has offered new scientific perspectives concerning the questions of radiation biophysics. The study of genome architecture after exposure to ionizing radiation showed that the amount of densely packed heterochromatin in the nucleus changes. For the first time, it was confirmed by localization microscopy that DNA double strand break repair centres are structurally influenced by the proximity to heterochromatin. Furthermore, it was shown that Alu-DNA sequences are exclusively associated with heterochromatin and are responsible for genomestructuring. The measurable effect of radiation on these DNA segments can be used for biological dosimetry.