German Title: Analyse von Raum-Zeit-Korrelationen diffusiver Partikel in viskoelastischen Medien

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Abstract

Diffusion is the major short-range transport mechanism in living cells. Within individual compartments of a eukaryotic cell, such as the nucleus, mitochondria or the cytosol, biological macromolecules find their targets mostly by thermally driven random motion. For instance, specific access of DNA-binding proteins to their target sequences in the genome occurs through a sequence of three-dimensional diffusion, DNA-binding and one-dimensional search events on the DNA. The DNA/chromatin network in the cell nucleus thus has two effects on protein diffusion: obstruction due to crowding and accelerated association to specific sequences through guided diffusion along the DNA chain. The problem of target finding of proteins in the cell nucleus is only one example of diffusion-controlled reactions in a dense polymer network. Outside the direct relevance for molecular and cellular biology, the study of diffusing particles in viscoelastic media has important applications in many fields of physics. By recording fast image series of two-dimensional sections of live cells, we monitor these diffusion processes in real time and gain better understanding of the underlying physics. The method used is light sheet fluorescence microscopy followed by auto (-cross) correlation analysis. We particularly studied the random motion of chromatin and its interconnection with nucleoplasmic A-type lamins. Utilizing this method, we find that 1. Nucleoplasmic lamin As and chromatin show significant co-mobility, indicating that their motions are interconnected in the nucleus. 2. The random motion of histones H2A within the chromatin network is subdiffusive, i.e. the effective diffusion coefficient decreases for slow timescales. Knocking out lamin A changes the diffusion back to normal. Thus, lamin A influences the dynamics of the entire chromatin network. 3. A-type lamins affect the spatial organisation of chromatin inside the cellular interior. We have also attempted to develop a modelling framework that describes chromatin dynamics within the cell nucleus in the presence and absence of nucleoplasmic A-type lamins. Our conclusion is that lamin A plays a central role in determining the viscoelasticity of the chromatin network and helping to maintain local ordering of interphase chromosomes. These findings enabled us to derive a qualitative description of diffusion based on the viscoelasticity of the cellular environment.

Translation of abstract (German)

Diffusion ist der wichtigste kurzstreckige Transportmechanismus in lebenden Zellen. In einzelnen Kom- partimenten einer eukaryotischen Zelle, wie dem Kern, den Mitochondrien oder dem Zytosol, finden biologische Makromoleküle ihre Ziele meist durch thermisch angetriebene Zufallsbewegung. Zum Beispiel erfolgt der spezifische Zugriff von DNA-bindenden Proteinen an ihre Zielsequenzen im Genom durch eine Abfolge von dreidimensionaler Diffusion, DNA-Bindung und eindimensionaler Suche auf der DNA. Das Problem der Zielfindung von Proteinen im Zellkern ist nur ein Beispiel für diffusionskontrol- lierte Reaktionen in einem dichten Polymernetzwerk. Außerhalb der Relevanz für die Molekular- und Zellbiologie hat die Untersuchung von diffundierenden Partikeln in viskoelastischen Medien wichtige Anwendungen in vielen Bereichen der Physik. Indem wir schnelle Bildserien von zweidimensionalen Abschnitten lebender Zellen aufzeichnen, können wir diese Diffusionsprozesse in Echtzeit überwachen und gewinnen ein besseres Verständnis der ihnen zugrunde liegenden Physik. Die hier verwendete Methode ist die Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie, gefolgt von einer Auto- (Kreuz-) Korrelationsanalyse. Wir untersuchten insbesondere die zufällige Bewegung von Chromatin und dessen Verknüpfung mit nukleoplasmatischen Typ A Laminen. Mithilfe dieser Methode fanden wir, dass: 1. Nucleoplasmische Typ A Lamine und Chromatin zeigten signifikante Co-Mobilität, was darauf hinweist, dass ihre Bewegungen im Kern miteinander verbunden sind. 2. Die ungeordnete Bewegung der H2A Histone innerhalb des Chromatin-Netzwerks ist subdiffusiv. Durch Ausschalten des Lamin A Gens wird die Diffusion wieder normalisiert. Somit beeinflusst Lamin A die Dynamik des gesamten Chromatin-Netzwerks. 3. Typ A Lamine beeinflussen die räumliche Organisation des Chromatins im Zellinneren. Zusätzlich haben wir angestrebt, ein Modell-Framework zu entwickeln, das die Chromatindynamik innerhalb des Zellkerns in Gegenwart und in Abwesenheit von nukleoplasmatischen Typ A Laminen beschreibt. In diesen Modellierungen zeigte sich, dass Lamin A eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Viskoelastizität des Chromatin-Netzwerks spielt und dabei hilft, die lokale Anordnung der Interphasen- Chromosomen aufrechtzuerhalten. Diese Ergebnisse ermöglichten es uns, eine qualitative Beschreibung der Diffusion auf der Grundlage der Viskoelastizität der zellulären Umgebung abzuleiten