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Quantitative Analysis of Chromosome/Gene Spatial Distribution

Gao, Juntao

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Abstract

Zusammenfassung Die Fortschritte in den Bereichen Zellbildgebung und Mikroskopie haben eine intensive Untersuchung der räumlichen Anordnung von Chromosomen bzw. Genen im Verlauf der letzten Jahre möglich gemacht. Es wurden bereits Algorithmen zur Quantifizierung der räumlichen Anordnung von Chromosomen bzw. Genen entwickelt, wobei die meisten dieser Methoden jedoch auf zweidimensionalen (2D) Bilddaten basieren. Um dreidimensionale (3D) konfokale Bilddaten verarbeiten zu können, ist es notwendig neue Algorithmen zu entwickeln, die auf 3D Datensätzen basieren. In dieser Arbeit werden neue Methoden zur Beschreibung, Analyse und Visualisierung der 3D Verteilung von Chromosomen und Genen in fixierten Zellkernen in 3D Bilddaten präsentiert, die basierend auf Konzepten der objektorientierten Programmierung in der Programmiersprache Java implementiert wurden. Kapitel 2 beschreibt verschiedene Softwarewerkzeuge zur Bestimmung von Ähnlichkeiten der Anordnung von Chromosomen unter Verwendung der Krümmungsenergie von Thin-plate Splines sowie zur Berechnung von geometrischen Mittelpunkten, Distanzen und Winkeln. Zwei anwendungsorientierte Projekte zur räumlichen Verteilung von Chromosomen bzw. Genen werden in Kapitel 3 bzw. Kapitel 4 vorgestellt. Die Vorteile, Grenzen und weitere Verbesserungen von diesen Computermethoden werden ausführlich in Kapitel 5 behandelt. Danach wird ein neues Modell der Vererbung der räumlichen Chromosomenordnung erläutert. Die quantitative Analyse in Kapitel 3 zeigt, dass die Unterschiede in der Anordnung von Chromosomenterritorien kontinuierlich mit der Anzahl der Zellgenerationen (d.h. Zellteilungen) zunehmen. In HeLa Zellklonen sind die Unähnlichkeiten in der Anordnung von Chromosomenterritorien nach fünf oder sechs Zellteilungen bereits so groß wie die zwischen unverwandten, zufällig ausgewählten Zellen. Die quantitative Analyse in Kapitel 4 zeigt, dass während der Interphase die Positionen der untersuchten Gene (MLL und fünf seiner Translokationspartner) sowie von vier chromosomalen Kontroll-Loci ein charakteristisches Verteilungsmuster innerhalb des Zellkerns besitzen. Dies gilt für jede der untersuchten hämatopoietischen Zellen. Die in dieser Arbeit präsentierten Methoden zur Bestimmung der Ähnlichkeit der Anordnung von Chromosomen unter Verwendung von punktbasierter Registrierung liefern zum ersten Mal Beispiele zur Analyse und Bewertung der Vererbung einer räumlichen Verteilung von Chromosomen über mehrere Zellteilungen hinweg. Gleichzeitig wird zum ersten Mal die räumliche Verteilung von Genen, vor allem des Genes MLL und einiger Translokationspartner, im 3D Raum des Interphasezellkerns hämatopoietischer Zellen quantitativ beschrieben.

Translation of abstract (English)

Abstract The spatial arrangement of chromosomes/genes has been studied intensively over the last several years facilitated by the advances in cell imaging technology and microscopy. Although algorithms have been developed to quantify the spatial arrangement of chromosomes/genes, most of these methods use two-dimensional image data. To obtain information from three dimensional (3D) confocal image data, it is necessary to develop new computational tools based on 3D data. New 3D computational tools are developed using the concept of object-oriented programming and Java programming language, in order to describe, analyze and visualize the 3D distribution of chromosomes and genes in fixed nuclei. Computational tools to determine the similarity using the bending energy of thin-plate splines and for the calculation of the geometric center, distance and angle of chromosomes/genes are presented in chapter 2. Two application-oriented projects about chromosome/gene spatial distribution are presented in chapter 3 and chapter 4, respectively. The advantages, limits and further improvement of these computational tools are discussed in chapter 5, and one new model about the inherity of chromosome spatial distribution is presented thereafter. The quantitative analysis in chapter 3 reveals that the dissimilarities in chromosome territory arrangements increase monotonously during different cell divisions. In HeLa cell clones, dissimilarities among cells in every clone reach the level of randomly chosen cells after five or six cell divisions. In chapter 4 it is shown that in all studied hematopoietic cells, the localization of gene MLL, its five translocation partners and four chromosomal control loci possesses a characteristic distribution pattern in the interphase nucleus. For the first time, the methods presented in this thesis provide examples in which computing the similarity based on point set registration allows the analysis and evaluation of inheritance of chromosome spatial distribution during several cell divisions. And it is also the first time that the spatial distribution of genes, with focus on gene MLL and some of its translocation partners, was analysed and quantified within the 3D space of interphase nuclei of hematopietic cells.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dr. Eils Roland, Prof.
Date of thesis defense: 29 June 2005
Date Deposited: 23 Jan 2006 11:41
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Chromosome Gene 3D position Quantifizierung
Uncontrolled Keywords: Chromosome Gene 3D position QuantifizierungChromosome Gene 3D position quantification
Additional Information: Teile in: Experimental Cell Research (Volume 311, Issue 1 , 15 November 2005, Pages 14-26)
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