German Title: Chromosomen in der Interphase und der Mitose

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Abstract

The three-dimensional organization of the chromatin fiber is driven by entropy. Therefore, the folding of the chromatin fiber is essentially a problem of statistical physics. In the present thesis, two questions in the context of chromatin folding which are still not fully understood are investigated: on the one hand the organization of chromatin in mitosis and on the other hand the changes of chromatin organization in the damage response to ionizing radiation. In the first part we develop a model that explains the condensation of mitotic chromosomes by size-restricted dynamic looping of the chromatin fiber. Our results show also that chromatin loops can contribute to the experimentally determined bending rigidity of mitotic chromatids and generate the correct force-extension behaviour. In a next step, this folding model is then extended to describe sister chromatids by including dynamic binding and unbinding of sister fibers. We assess the interplay between cohesion and condensation and show that alignment and cohesion of sister chromatids requires detailed control of the abundance of tethering points between them. In the second part we examine the damage response of interphase chromosomes. With an expression-dependent folding model and utilizing experimental data on the transcriptional activity of cells that were exposed to ionizing radiation, we first show that the overall organization of chromatin does not change after irradiation. By modeling actual fiber breaks in local environments we demonstrate that broken ends are passively transported to the surface of their domains and that this facilitates recognition of the break by diffusing proteins. Finally, we use a graph theoretical approach to analyze the structural changes of histone positions in localization microscopy images of cells that were exposed to ionizing radiation. We validate our previous results that no changes of the overall organization of chromatin is recognizable and demonstrate that highly packaged heterochromatic areas of the genome decondense upon irradiation.

Translation of abstract (German)

Entropie steuert die dreidimensionale Organisation der Chromatinfaser. Die Faltung der Chromatinfaser ist daher grundsätzlich eine Aufgabenstellung für die Statistische Physik. Die vorliegende Dissertation untersucht zwei Fragen im Zusammenhang mit der Chromatinfaltung, welche noch immer nicht vollständig geklärt sind: Einerseits die Organisation der Chromatinfaser in der Mitose, andererseits die Änderung der Organisation vom Chromosomen bei der Reaktion auf Strahlungsschäden. Im ersten Teil haben wir ein Modell entwickelt, welches die Kondensation von Chromosomen in der Mitose durch dynamische und in ihrer Größe begrenzte Bildung von Schleifen erklärt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Schleifen der Chromatinfaser einen Beitrag zur experimentell ermittelten iegesteifigkeit von Chromosomen leisten können und die korrekte Kraftauslenkungscharakteristik erzeugen. Im nächsten Schritt haben wir das Faltungsmodell durch die Einbeziehung von dynamischem Binden und Wiederablösen zwischen Schwesterfasern zur Beschreibung von Schwesterchromatiden erweitert. Wir untersuchen an dieser Stelle das Zusammenspiel zwischen Kohäsion und Kondensation und zeigen, dass die Ausrichtung und das Zusammenbinden von Schwesterchromatiden eine genaue Regulierung der Menge an Anbindungspunkte zwischen ihnen erfordert. Im zweiten Teil untersuchen wir die Reaktion auf Schäden in Interphase-Chromosomen. Mit Hilfe eines expressionsabhängigen Faltungsmodells und unter Zuhilfenahme von experimentellen Daten zur Transkriptionsaktivität in Zellen, welche ionisierender Strahlung ausgesetzt waren, zeigen wir zunächst, dass sich die Gesamtorganisation des Chromatins nach einer Bestrahlung nicht verändert. Durch Modellierung von tatsächlichen Faserbrüchen in lokalen Umgebungen demonstrieren wir dann, dass gebrochene Enden passiv an die Oberfläche ihrer Domäne transportiert werden und sich dadurch ihre Erkennung durch diffundierende Proteine verbessert. Schließlich ziehen wir einen graphentheoretischen Ansatz zur Analyse der strukturellen Veränderung von Histon-Positionen in Lokalisationsmikroskopiebildern bestrahlter Zellen heran. Hierbei bestätigen wir, dass keine Änderung der Gesamtorganisation im Zellkern erkennbar ist, und weisen ferner nach, dass stark kompaktifizierte, heterochromatische Bereiche des Genoms eine Dekondensation nach der Bestrahlung vollziehen.