Forschung im HLRN-Verbund 2011

202Erforschung der räumlichen Organisation des GenomsUntersuchung strukturregulierender Parameter für kurze und langeChromatinfasern durch Monte-Carlo-SimulationenG. Wedemann, CC Bioinformatics, Institute for AppliedComputer Science, Fachhochschule StralsundKurzgefasst• DNA liegt im Zellkern hochgradig verpackt alsChromatin vor• Struktur und Zugänglichkeit der DNA beeinflussenmassgeblich Transkription, Replikation undDNA–Reparatur• Die Strukturen im Zellkern sind experimentell nurschwer zugänglich• Simulationen physikalischer Modelle von Chromatinfasernim thermodynamischen Gleichgewicht• Ziel ist die Identifikation strukturregulierenderFaktoren, ein besseres Verständnis von experimentellenDaten und die Überprüfung theore tischerChromatinmodelleDie Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist der Trägerder Erbinformation und liegt bei höheren Lebensformenim Zellkern vor. Bei einer menschlichenZelle beträgt die Gesamtlänge der DNA etwa 2 m.Das bedeutet, dass die DNA eng gepackt werdenmuss, um im wenige Mikrometer großen ZellkernPlatz zu finden. Gleichzeitig muss die DNA aberauch leicht zugänglich bleiben, damit sie abgelesenwerden kann. Im Zellkern ist die DNA deshalbhierarchisch verpackt: Im ersten Schritt ist dieDNA um ein Oktamer aus Proteinen, den Histonen,gewunden und bildet so eine zylinderförmigeStruktur, das Nukleosom. Durch die Aneinanderreihungder Nukleosomen entsteht eine Struktur, diean eine Perlenkette erinnert. Diese Struktur wirdals Chromatin bezeichnet, welches wiederum dasBaumaterial für die Chromosomen darstellt. DieStruktur des Chromatins und der Chromosomen istallerdings nicht statisch, sondern wird aktiv von derZelle reguliert.Die Struktur des Chromatins hat direkten Einflussauf die Zugänglichkeit der DNA und beeinflusstsomit das Ablesen der Erbinformation(Transkription), seine Vervielfältigung (Replikation)und DNA-Reparatur. Für eine Vielzahl von Genenkonnte ein direkter Zusammenhang zwischender Chromatinstruktur und der Genaktivität gezeigtwerden. Weiterhin konnte ein Zusammenhangzwischen Faktoren, die die Chromatinstrukturbeeinflussen (Histonmodifikation oder DNA-Methylierung) und verschiedenen Formen vonKrebs sowie neurodegenerativen Krankheiten festgestelltwerden. Aus diesen Gründen ist es sehrwichtig, den Zusammenhang zwischen der Chromatinstrukturund der Genexpression genau zuverstehen.Auch mehr als 30 Jahre nach der Entdeckungdes Nukleosoms bleiben die 3D–Struktur desChromatins und die Mechanismen der Regulationder Struktur unklar, da Experimente nur sehreingeschränkt Informationen über die Struktur desChromatins liefern, z.B. ist die DNA in ElektronenmikroskopischenAufnahmen nicht sichtbar.In diesem Projekt untersuchen wir, welchen Einflusslokale Strukturparameter auf die Struktur desChromatin haben. Die Simulationen leisten einenwichtigen Beitrag zum Verständnis der Strukturregulation,verbessern das Verständnis von experimentellenErgebnissen und ermöglichen dieÜberprüfung von verschiedenen Modellen undTheorien.Für die Simulationen der Eigenschaften einzelnerNukleosomen verwenden wir atomare Modelleund simulieren diese mit der Technik der Molekulardynamik.Dabei untersuchen wir die Unterschiedezwischen Nukleosomen, die auf verschiedeneArt und Weise modifiziert worden sind. Diesesehr aufwändigen Berechnungen liefern Einblickein die Dynamik von Nukleosomen und ihren einzelnenKomponenten[1]. Weiterhin erlauben sie dieUntersuchung der Wechselwirkung von zwei Nukleosomen.Diese Erkenntnisse dienen dazu, gröberauflösende Chromatinmodelle zu entwickeln. Bereitsein einzelnes Nukleosom besteht aus etwa28000 einzelnen Atomen. Das bedeutet, dass bereitskleinere Chromatinfasern nicht mehr auf atomarerEbene abgebildet werden können, da derdafür benötigte Rechen- und Speicherbedarf zugroß wäre. Deshalb haben wir ein vereinfachtesChromatinmodell entwickelt, welches aber gleichzeitigdetailliert genug ist, um alle relevanten physikalischenEigenschaften abzubilden. Im Modellwird die DNA-Helix als Kette elastischer Segmenteabgebildet. Diese besitzen, wie auch die DNA,eine negative Ladung, was dazu führt dass sicheinzelne Segmente voneinander abstoßen. DieNukleosomen werden durch spezielle anisotropePotentiale modelliert, deren Stärke und Größevon der Orientierung der Nukleosomen zueinanderabhängig ist. Dabei ist die lokale Geometrieder Nukleosomen durch diverse Parameter (z.B.Physik