Diffusion processes in the interphase cell nucleus [Elektronische Ressource] : connections between chromatin structure, chromatin dynamics and macromolecular transport / presented by Christian Claus Fritsch

Christian Fritsch

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Christian Claus Fritsch
born in Baden-Baden, Germany
Oral examination: February 2nd, 2011Diffusion Processes in the Interphase Cell Nucleus –
Connections between Chromatin Structure, Chromatin
Dynamics and Macromolecular Transport
Referees: Prof. Dr. J¨org Langowski
Prof. Dr. Jeremy SmithDie vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Januar 2007 bis November 2010 unter der
wissenschaftlichen Anleitung von Herrn Prof. Dr. Jo¨rg Langowski in der Arbeitsgruppe
Biophysik der Makromoleku¨le des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg ange-
fertigt.Zusammenfassung
Diffusionsprozesse im Interphasenzellkern –
Zusammenhange zwischen Chromatinstruktur, Chromatindynamik und¨
Makromolekularem Transport
Der Stoffwechsel einer lebenden Zelle erfordert einen dauerhaften Transport verschiedener
Makromolekule. Im Zellkern geschieht dieser Transport im Wesentlichen durch Diffusion¨
und findet in einem dichten Netzwerk aus Chromatinfasern statt. Diese Arbeit behandelt
die Zusammenhange zwischen der Struktur von Chromatinfasern, deren Dynamik und dem¨
diffusiven Transport von Makromoleku¨len im Zellkern. Hierfu¨r werden die Chromatinfasern
basierendaufdemModellsemiflexiblerKettenpolymereaufeinem Kartesischen Gitter darge-
stellt, und dann durch ein Monte-Carlo-Verfahren in einen Zustand gebracht, der dem in der
Interphase eines Zellkerns entspricht. Anschließend wird durch Random Walks die Diffusion
von Makromoleku¨len in dem so erzeugten Chromatinnetzwerk simuliert.
Es wird untersucht wie die Strukturvon Chromatinfasern,insbesonderedie Faltung in raum-¨
lich voneinander abgrenzbare Teilregionen des Zellkerns – ein Prinzip, das als Kompartimen-
tierung bezeichnet wird, und das durch die Bildung von Chromatinschleifen erreicht wird –
die Mobilitat diffundierender Makromolekule beeinflusst. Die Simulationen zeigen, dass die¨ ¨
Faserstruktur die ra¨umliche Verteilung von Chromatin auf verschiedenen L¨angenskalen im
Zellkern reguliert. Es wird ein Maß fur Inhomogenitat eingefuhrt, das die raumliche Ver-¨ ¨ ¨ ¨
teilung mit dem Diffusionskoeffizienten, dem Anomalieparameter und der charakteristischen
Langeskala, auf der die Diffusion anomal ist, verbindet. Die Bestimmbarkeit dieses Maßes fur¨ ¨
Inhomogenita¨t durch Konfokalmikroskopie und DNA-Sequenzanalysen wird untersucht und
verschiedene Modelle fur den diffusiven Transportin Polymersystemen mit den Simulationen¨
verglichen.
ImWeiteren werdendieAuswirkungenderDynamikderChromatinfasernundeinererhohten¨
Konzentration von frei beweglichen Makromolekulen auf das Diffusionsverhalten analysiert.¨
Es wird gezeigt, dass die Chromatindynamik die Zuga¨nglichkeit des Chromatinnetzwerks
erhoht, insbesondere im Fall einer hohen Dichte von diffundierenden und sich gegenseitig be-¨
hinderndenMakromoleku¨len. Die Behinderungder einzelnen diffundierendenMakromoleku¨le
durch die Chromatinfasern lasst sich von der, die durch andere frei diffundierende Makro-¨
moleku¨le hervorgerufen wird, bei hohen makromolekularen Dichten anhand der Diffusionsko-
effizienten und der charakteristischen Langeskala der anomalen Diffusion unterscheiden. Die¨
Chromatindynamik selbst wird nur geringfu¨gig durch hohe Konzentrationen frei diffundie-
render Makromolekule verlangsamt. Eine viel starkere Verlangsamung wird durch eine hohe¨ ¨
Chromatindichte und eine Verflechtung der Chromatinfasern hervorgerufen.
viiAbstract
Diffusion Processes in the Interphase Cell Nucleus –
Connections between Chromatin Structure, Chromatin Dynamics and
Macromolecular Transport
The metabolism of a living cell requires a permanent transport of various macro-
molecules. In the cell nucleus, this transport is accomplished by diffusion and takes
place in a dense network of chromatin fibers. This work deals with connections be-
tween thestructure ofchromatin fibers, theirdynamics andthediffusional transportof
macromolecules in the cell nucleus. The chromatin fibers are represented on a Carte-
sian lattice, based on the model of a semi-flexible chain polymer. Using a Monte Carlo
procedure, specific lattice chain conformations that correspond to chromatin fibers
in interphase are generated. Thereafter, random walks simulate the macromolecular
diffusion in the thus created chromatin network
The influences of chromatin structure on the mobility of diffusing macromolecules are
investigated, particularly those arising from the folding into spatially separated sub-
volumes of the cell nucleus. This folding principle is known as compartmentalization
and can be induced by the formation of specific chromatin loops. The simulations
show that the fiber structure governs the spatial distribution of chromatin on different
length scales in the cell nucleus. A measure of inhomogeneity is introduced to connect
the spatial distribution of chromatin to the diffusion coefficient, the anomaly parame-
ter and the characteristic length scale of anomalous diffusion. The determinability of
this measure of inhomogeneity with confocal microscopy and DNA sequence analyses
is examined, and different models of diffusion in polymer systems are compared to the
simulations.
Further,theeffectsofchromatindynamics andahighconcentrationofdiffusingmacro-
molecules on the diffusion behavior are analyzed. Chromatin dynamics enhances the
accessibility of the chromatin network, particularly in the case of a high concentra-
tion of mutually obstructing diffusing macromolecules. The obstruction of individual
diffusing macromolecules by chromatin fibers can be distinguished from the obstruc-
tion caused by other diffusing macromolecules in terms of diffusion coefficients and the
characteristic length scales of anomalous diffusion. The dynamics of chromatin is only
slightlydeceleratedbyahighconcentrationofdiffusingmacromolecules. Ahighdensity
ofchromatinandtheentanglementofchromatinfiberscausemuchgreaterdeceleration.
viiiContents
1 Introduction 1
1.1 Intention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Cell Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Organization of the Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Deoxyribonucleic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 The Nucleosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 The Chromatin Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.4 HigherOrderChromatinStructureandChromosomalArchitecture 6
1.4 Transport in the Cell Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Diffusion and Molecular Crowding . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2 The Effect of Chromatin on Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Theoretical Background 13
2.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Random Walks and Normal Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Anomalous Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Fractals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Polymer Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Ideal Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Worm-like Chain Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Polymer Solutions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.4 Excluded Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.5 Rouse Model of Polymer Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Transport in Random Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Percolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2 Effectively Accessible Space of a Polymer Solution . . . . . . . . 22
2.3.3 Viscoelasticity and Microrheology . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Metropolis Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Modeling Approach and Simulation Methods 29
3.1 Approach to Modeling Molecular Transport in Chromatin Networks . . 29
3.2 Lattice Model of Chromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Representation of a Chain Polymer . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Monte Carlo Bond Fluctuation Procedure . . . . . . . . . . . . 32
3.2.3 Persistence Length of a Worm-like Chain on a Lattice . . . . . . 32
ix3.3 Generating Interphase Chromatin with Subcompartments . . . . . . . . 35
3.3.1 Nested Monte Carlo Equilibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 Chromatin Compartmentalization . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Diffusion Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 Obstructed Random Walks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.2 Processing Random Walk Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Simulation of Dynamic Interphase Chromosomes . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.1 Conversion of Lattice Units to Physical Units . . . . . . . . . . 43
3.5.2 Extrapolating the Continuum Limi