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Approaching the Three-Dimensional Organization of the Human Genome

Knoch, Tobias Aurelius

German Title: Annäherung an die Drei-Dimensionale Organisation des Humanen Genoms

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Abstract

To approach the still largely unknown sequential and three-dimensional organization of the human cell nucleus, the structural-, scaling- and dynamic properties of interphase chromosomes and cell nuclei were simulated on the 30 nm chromatin fiber level with Monte Carlo, Brownian Dynamics and parallel computing methods. Differences between used models explain various experimental conditions, favouring a Multi-Loop-Subcompartment model with 63-126 kbp loops aggregated to possibly rosettes connected by 63-126 kbp linkers, and predict correctly the transport of molecules by moderately obstructed diffusion excluding the Inter-Chromosomal Domain hypothesis. Correlation analyses of completely sequenced Archaea, Bacteria and Eukarya chromosomes revealed fine-structured positive long-range correlations due to codon, nucleosomal or block organization of the genomes, allowing classification and tree construction. By construction and expression of fusionproteins from the histones H1, H2A, H2B, H3, H4 and mH2A1.2 with the autofluorescent proteins CFP, GFP, YFP, DsRed-1 and DsRed-2, the chromatin morphology could be investigated in vivo during interphase, mitosis or apoptosis and revealed different interphase morphologies for cell lines, quantifiable by scaling analyses. Finally, construct conversions in simultaneous co-transfections due to recombination/repair/replication were discovered in *25 % of cells and led to a variety of new applications.

Translation of abstract (German)

Um sich an die immer noch weitgehend unbekannte sequentielle und dreidimensionale Organisation des menschlichen Zellkernes anzunähren, wurden strukturelle, skalierungs und dynamische Eigenschaften von Chromosomen und Zellkernen in der Interphase auf der Ebene der 30 nm Chromatinfaser mit Monte Carlo, Brownschen Dynamic und parallelen Computer Methoden simuliert. Unterschiede zwischen den benutzten Modellen erklären verschiedene experimentelle Bedingungen, die ein Multi-Loop-Subcompartment Modell mit 63-126 kbp Schleifen, die zu Rosetten aggregiert und durch einen 63-126 kbp Linker verbunden sind, favorisieren. Dieses Modell sagt auch die Mobilität von Molekülen durch moderat behinderte Diffusion korrekt vorher. Korrelations Analysen von komplett sequenzierten Archaea, Bacteria und Eukarya Chromosomen zeigten fein-strukturierte positive lang-reichweitige Korrelationen aufgrund von Codon-, Nucleosomen- und Blockorganisation dieser Genome, die Klassifikation und Baumkonstruktion ermöglichen. Konstruktion und Expression von Fusionsproteinen aus den Histonen H1, H2A, H2B, H3, H4 und mH2A1.2 mit den autofluoreszenten Proteinen CFP, GFP, YFP, DsRed-1 und DsRed-2 erlaubte die Untersuchung der Chromatinstruktur in vivo während der Interphase, der Mitose oder Apoptose und zeigte verschiedene Interphase-Morphologien, quantifizierbar mit Skalierungsanalysen. Schließlich, wurden Konstrukt-Konversionen in simultanen Ko-Transfektionen basierend auf Rekombination/Reparatur/Replikation in *25 % der Zellen entdeckt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Langowski, Prof. Dr. Jörg
Date of thesis defense: 9 July 2002
Date Deposited: 17 Jan 2003 11:56
Date: 2002
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Genom, Zellkern, DNS, Histone, Nukleosom, Chromatin, Monte Carlo, Brownsche Dynamik, Skalierung, Fraktal, Diffusion, Korrelation, Grün Fluoreszierende
Uncontrolled Keywords: Genom Organisation, Chromosomen Struktur, lang-reichweitige Korrelationen, in vivo Chromatin Markierung, simultane Ko-Transfektiongenome organisation, chromosome structure, long-range correlation, in vivo chromatin labelling, simultaneous co-transfection
Additional Information: Teile in: Knoch, T. A. Approaching the three-dimensional organization of the human genome. TAK Press, Dr. Tobias A. Knoch, Mannheim, Germany, ISBN 3-00-009959-X (soft cover, 3rd ed.), ISBN 3-00-009960-3 (hard cover, 3rd ed.), 2002.
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