Physical aspects of chromatin constituents [Elektronische Ressource] : DNA dynamics and nucleosome positioning / vorgelegt von Wolfram Möbius

Wolfram Möbius

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• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 8
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Physical aspects of chromatin constituents
DNA dynamics and nucleosome positioning
Wolfram M obius
Munchen 2010Physical aspects of chromatin constituents
DNA dynamics and nucleosome positioning
Wolfram M obius
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Wolfram M obius
aus Eisenach
Munc hen, den 5. M arz 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Ulrich Gerland
Zweitgutachter: Prof. Dr. Jens Michaelis
Tag der mundlic hen Prufung: 6. Mai 2010Contents
Zusammenfassung ix
Abstract xi
1. DNA and nucleosomes 1
1.1. The structure of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. DNA and the worm-like chain model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. DNA as the substrate for nucleosome formation . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Dynamics of a knotted polymer under strong con nement 13
2.1. Knots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Polymers under con nement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3. Knots in strongly con ned polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4. Outlook: two overlapping p under strong con nement . . . . . . . . . 19
2.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6. W. M obius, E. Frey, and U. Gerland, Nano Letters, 8, 4518 (2008) . . . . . . 21
3. Dynamics of nucleosomal DNA 27
3.1. Introduction to the site exposure mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1. Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2. Interactions mediated by the nucleosome via site exposure . . . . . . . 29
3.1.3. Relevance beyond enabling protein binding . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2. Dynamics of site exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1. Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2. Theoretical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3. Outlook: site exposure in nucleosome arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4. Optimal exibility for rotational barrier crossing . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6. W. M obius, R. A. Neher, and U. Gerland, Phys. Rev. Lett., 97, 208102 (2006) 41
3.7. R. A. Neher, W. M., E. Frey, U. Gerland, Phys. Rev. Lett., 99, 178101 (2007) 45
4. Nucleosome organization in yeast 49
4.1. Methods to determine nucleosome positions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2. Nucleosome organization close to start sites of genes . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3. positioning determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1. Models predicting nucleosome positions based on the DNA sequence . 54
4.3.2. In vitro { in vivo comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56vi Table of contents
4.4. Statistical positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1. Statistical positioning from a biological perspective . . . . . . . . . . . 57
4.4.2. Physics of statistical positioning: the Tonks gas model . . . . . . . . . 59
4.4.3. Quantitative test of statistical positioning . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5. Outlook: the inverse approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.7. W. M obius and U. Gerland, PLoS Comput. Biol., 6, e1000891 (2010) . . . . . 71
A. Simulations and numerical methods 87
A.1. Simulations of polymer dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
A.2. More general Langevin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.3. Recursion relations for partition functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Bibliography 93
Danksagung 105
Curriculum Vitae 107List of Figures
1.1. Structure of double-stranded DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Steps of DNA compaction in a eukaryotic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3. Microscopic structure of the nucleosome core particle . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Geometries of models proposed to describe the 30-nm ber . . . . . . . . . . 10
2.1. Table of prime knots with at most seven crossings . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Regimes of con nement for long worm-like chains with self-exclusion . . . . . 15
3.1. Illustration of the site exposure mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2. Equilibrium constants for site exposure,
Cooperativity and negative cooperativity mediated by the nucleosome . . . . 29
3.3. Sketch of dwell times in open and closed nucleosome con gurations . . . . . . 34
4.1. Typical nucleosome organization close to transcription start sites . . . . . . . 52
4.2. Particle density for a semi-in nite system of hard rods . . . . . . . . . . . . . 57
4.3. One realization of a gas or hard rods placed between two xed particles . . . 59
4.4. Mapping between binding energy landscape and position dependent density . 69
A.1. Bead-spring model for a polymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.2. Gas of hard rods on a lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Zusammenfassung
In Eukaryoten ndet sich fast die gesamte DNA im Zellkern, jedoch nicht als Polymerkn auel,
sondern in dicht und kontrolliert gepackter Form. Die DNA bildet einen Komplex mit ver-
schiedenen Proteinen, der Chromatin genannt wird. Wichtiger Bestandteil von Chromatin
sind Histonproteine, welche eine herausragende Rolle bei der Kompakti zierung spielen. In
regelm a igen Abst anden sind ungef ahr 150 Basenpaare fast zweimal um einen Komplex aus
acht Histonproteinen gewunden. Die Einheit aus DNA und Histonoktamer bezeichnet man
als Nukleosom. Die DNA, welche die einzelnen Nukleosomen verbindet, ist viel kurzer als 150
Basenpaare, so dass sich der gr o te Teil der DNA innerhalb von Nukleosomen be ndet und
damit fur die Bindung von Proteinen und molekularen Maschinen zun achst nicht zug anglich
ist. Alle drei Teile dieser Doktorarbeit besch aftigen sich mit physikalischen Aspekten von
Chromatin beziehungsweise dessen elementaren Bestandteilen: dem Biopolymer DNA, einzel-
nen Nukleosomen und schliesslich der Positionierung von vielen Nukleosomen auf der DNA.
Als vielleicht bekanntestes Beispiel eines semi exiblen Polymers ist DNA seit langem Gegen-
stand theoretischer und experimenteller Untersuchungen. Seit einigen Jahren ist es m oglich,
einzelne, m oglicherweise verknotete, DNA-Molekule in sehr engen Kan alen experimentell zu
beobachten. Motiviert durch solche Experimente untersuchen wir die Dynamik eines lan-
gen verknoteten semi exiblen Polymeres in einem engen Kanal. Wir nden, dass aufgrund
thermischer Fluktuationen sowohl die Gr o e des Knotens als auch seine Position entlang der
DNA variieren. Die gekoppelte Dynamik von Gr o e und Position fuh rt schlussendlich zum
Au osen des Knotens. Unsere Arbeit zeigt, dass die Gr o e des Knotens im Mittel mit der
Polymerl ange vergleichbar ist, kurz bevor der Knoten verschwindet. Eine zus atzliche Kraft,
angelegt an die Enden des Polymeres, verhindert hingegen ein Wachsen des Knotens, was sich
in einem schnelleren Au osen des Knotens niederschl agt.
Polymerdynamik steht auch im zweiten Teil dieser Arbeit im Vordergrund, jedoch mo-
tiviert von einer anzlicg h anderen Fragestellung. Wie bereits angedeutet, ist ein gro er Teil
eukaryotischer DNA in Nukleosomen ‘verborgen’. Auf den ersten Blick steht somit der gr o te
Teil der DNA-Sequenz nicht fur das Binden regulatorischer Proteine zur Verfugung. Jedoch
sind Nukleosomen keine statischen Gebilde. Thermische Fluktuationen sorgen dafur, dass
sich Teile der DNA von dem Histonkomplex osel n k onnen. Dieser Prozess wird site expo-
sure oder nucleosome breathing genannt und erm oglicht das Binden von Proteinen auch an
nukleosomale DNA. Mit Hilfe eines vergr oberten Modells untersuchen wir die Dynamik der
DNA im Nukleosom, insbesondere das Abl osen vom und das Binden an den Histonkomplex.
Beim Abl osen bzw. Binden vollfuhrt die DNA eine Rotationsbewegung, wobei durch ther-
mische Fluktuationen induziert eine Energiebarriere ub erquert wird. Mit Hilfe eines weiter
vereinfachten Modells zeigen wir, dass das Uberqueren der Barriere beschleunigt wird durch
die Flexibilit at der DNA auf L angenskalen deutlich kleiner als die Persistenzl ange. Damit
k onnen wir die Ergebnisse der Simulation unseres Nukleosommodelles verstehen. Zukunftige
Experimente werden unsere Vorhersagen best atigen oder falsi zieren k onnen. In einer Fol-
gearbeit ersetzen wir innerhalb unseres vereinfachten Modells das semi exible Polymer durch
eine Scharnierstruktur. Auch hier