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Genome Folding at the 30 nm Scale

Diesinger, Philipp M.

German Title: Genomorganisation auf der 30 nm Skala

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Abstract

In dieser Arbeit wurde eine grundlegende Frage der Genomorganisation beantwortet, indem gezeigt wurde, dass eine Struktur höherer Ordnung nach dem Nukleosom, d.h. Chromatin, tatsächlich existiert. Ein Chromatin-Modell wurde entwickelt, das die Untersuchung sehr langer Strukturen (im Bereich von Mega-Basenpaaren) erlaubt. Des Weiteren wurde zum ersten Mal die Ablösung von Linker Histonen und ganzen Nukleosomen in ein Chromatin-Modell integriert. Dies erlaubt die Untersuchung des Chromatin-Phasendiagramms. Die darin enthaltenen Strukturen werden vor dem Hintergrund von DNA-Kompaktifizierung und -Zugänglichkeit sowie anderer wichtiger Chromatineigenschaften diskutiert. Die Verteilungen der Modellparameter stammen aus experimentellen Daten [186; 187]. Zusammen mit den Ablösungseekten zeigen sie, dass jede Chromatinkonformation aus einer Verteilung von verschiedenen Strukturen besteht. Dies erklärt, warum es experimentell so schwierig ist, regulare 30nm Fasern zu finden. Die Ergebnisse zeigen, dass Histonablösungen die Eigenschaften von Chromatin massiv beeinflussen. Nukleosomablösung kann einerseits zu einem Chromatinkollabs, andererseits aber auch zum Anschwellen von Chromatin führen und der vorhergesagte Bereich optimaler DNA Kompaktifizierung stimmt exakt mit experimentellen Daten [187] uberein. Ausserdem zeigt das Modell gute Übereinstimmung mit vielen experimentell bestimmten Chromatineigenschaften. Ein Vergleich mit Daten aus 5C-Experimenten [72] belegt, dass Histonablösung eine wichtige Chromatineigenschaft ist, da nur Fasern mit Ablösungenseffekten die wichtigen physikalischen Kontakte auf der kleinen Längenskala aufweisen. Zufällige Chromatinkontakte werden theoretisch untersucht, um 3C-basierte Technologien dadurch zu verbessern, dass präziser zwischen Zufallskontakten und spezifischen Kontakten der DNA unterschieden werden kann. Grosse Teile dieser Arbeit wurden bereits veröffentlicht [63; 64], werden zur Zeit geprüft [65; 66] oder für eine Veröffentlichung vorbereitet [26; 27; 67; 68].

Translation of abstract (English)

This thesis addressed and succeeded in answering a fundamental question concerning genome folding at the 30nm scale by proving that a higher-order DNA folding pattern beyond the nucleosome, i.e. chromatin, actually exists. A model for chromatin was developed that allows to study very long fibers (in the range of Mega base pairs). Furthermore, linker histone depletion as well as nucleosome depletion have been included for the first time in a chromatin model. This allowed to study the chromatin phase diagram and the corresponding structures are discussed against the background of compaction and DNA accessibility and other important chromatin features. The basic model parameter distributions come from experimental data [186; 187]. Together with the histone depletion effects they show that every chromatin conformation consists of a distribution of dierent structures. This explains why regular 30nm fibers are so hard to find experimentally. The results show that histone depletion massively affects the properties of chromatin. Nucleosome depletion can either lead to a collapse or to swelling of chromatin and the predicted regime of optimal DNA condensation coincides with experimental data [187] which proves that histone depletion is used as a regulatory tool for DNA extension. Moreover, the model is in good agreement with many experimentally determined chromatin properties. A comparison of the developed model with 5C experimental data [72] proves that histone depletion is an important chromatin feature because only fibers with depletion allow the important physical contacts on a small length scale. Random chromatin collisions are theoretically studied to improve 3C-based experimental technologies by allowing to distinguish more accurately between specific and random DNA contacts. Major parts of this work have already been published [63; 64] are currently under revision [65; 66] or respectively under preparation [26; 27; 67; 68].

Item Type: Dissertation
Supervisor: Heermann, Prof. Dieter
Date of thesis defense: 17 June 2009
Date Deposited: 14 Jul 2009 13:38
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Chromatin, Monte-Carlo-Simulation, Zellkern, Nucleosom, DNS, Genom
Uncontrolled Keywords: 30nm Faser , Monte-Carlo Modellgenome folding , 30nm fiber , chromatin
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