Dreidimensionale Organisation von Chromosomen-Domänen in Simulation und Experiment. (Three-dimensional organization of chromosome domains in simulation and experiment.) - New Final Edition Book Version

Zusammenfassung: Um Aussagen uber die dreidimensionale Organisation von Chromosomen in der Interphase zu machen, wurden Monte-Carlo und Brownsche-Dynamik Simulationen von Chromosomenterritorien mit Hilfe eines Polymeransatzes durchgefuhrt. Daraus wurden Observable (verschiedene Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern, Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Dichte) berechnet, die fur die Vorhersage und Interpretation von Experimenten dienen. Damit konnen Modelle der chromosomalen Organisation, insbesondere das Random-Walk/Giant-Loop- (MLS) und das Multi-Loop-Subcompartment Modell, unterschieden werden. Fur die Bestimmung von Abstandsverteilungen zwischen genomischen Markern der Prader-Labhart-Willi/ Angelmann (PLW/A) Region wurden Experimente mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) durchgefuhrt. Zellkerne von Fibroblasten wurden mit schonender Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) prapariert. Uber die Signal-Brightness, das Signalvolumen, die Intergrierte Fluoreszenz Intensitat (IFI) und den Abstand homologer Chromosomen wurden ebenfalls Aussagen gemacht. Vergleiche zwischen Simulation und Experiment ergaben starke Hinweise fur das MLS Modell, sowie eine unterschiedliche Organisation zwischen mutterlichem und vaterlichem Chromosom 15. Im Hinblick auf zukunftige komplexere Fragestellungen der Gesamtorganisation des Zellkerns stellte sich die Theorie der Fraktale fur neue Analysemethoden als geeignet heraus. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten dabei multifraktales Verhalten. Erstmals konnte damit die Fraktalitat und Multifraktalitat einer zellularen Organisationsstruktur gezeigt worden sein. Damit besteht nun die Moglichkeit aus der fraktalen Struktur Aussagen uber Diffusionseigenschaften und andere Organisationsmerkmale im Zellkern zu treffen. Abstract: To draw conclusions about the three-dimensional organization of interphase chromosomes, Monte-Carlo and Brownian-Dynamic simulations of chromosomal territories were conducted, using a polymer model for the chromatin fiber. From the simulated configuration ensembles observables (various distance distributions between genomic markers, radial space distribution and density) were calculated and used for predictions and interpretation of experiments. It was possible to distinguish between different models of chromosomal organization, especially between the Random-Walk/Giant-Loop (RWGL) and the Multi-Loop-Subcompartment model. For the determination of distance distributions between genomic markers of the Prader-Labhart-Willi/Angelmann region (PLW/A) experiments were made with a confocal Laser-Scanning-Microscope (CLSM). Cell nuclei of fibroblast cells were prepared with soft Fluorescence in situ Hybridization (FISH). Conclusions can be drawn from the signal-brightness, signal-volume, Integrated Fluorescent Intensity (IFI) and the distance between homologous chromosomes. Comparisons between simulation and experiment lead to strong hints for the MLS model, as well as a different organization of maternal and paternal chromsome15. With respect to future aspects of more complex questions on the total organization of cell nuclei the theory of fractals proved very worthwhile for new methods of analysis. The results of the simulations thereby showed multi-fractal behaviour. Thus, for the first time the fractal and multi-fractal behaviour of a cellular organization structure was determined. Consequently possibilities exist to draw conclusions from the fractal structure for the diffusion behaviour and other organizational patterns of the cell nucleus.