Von Fasern zum See von Nukleosomen: Computer-Simulationen der Regulation der räumlichen Struktur von Mbp Chromatin-Domänen im Zellkern

• Antragsteller: Professor Dr. Gero Wedemann
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422780392

Im Zellkern von Eukaryoten ist DNA um Histon-Proteine gewickelt, die zylindrische Einheiten bilden die Nukleosomen genannt werden. Nukleosomen sind durch Linker-DNA verbunden und bilden eine Perlenkettenähnliche Struktur, die als Chromatin bezeichnet wird. In vitro nimmt Chromatin eine faserartige Struktur mit einem Durchmesser von 30 nm an, während in vivo im Allgemeinen keine solche Struktur beobachtet wird. In der beantragten Forschung werden wir grobkörnige Computersimulationen von Chromatin durchführen, um die Bedingungen und Eigenschaften der Faltung von Chromatin, ihrer Regulation und deren Auswirkungen aufzuklären. Die Linker-DNA und die Nukleosomen werden durch zylindrische Einheiten modelliert, die durch elastische und elektrostatische Kräfte interagieren. Metropolis Monte Carlo- und Replica Exchange-Verfahren werden verwendet, um ein Ensemble von Konfigurationen im thermischen Gleichgewicht zu generieren. Die Bedingungen hoher Nukleosomendichte wie im Zellkern werden in den Simulationen nachgeahmt, indem lange Nukleosomenketten im Bereich von 1,5 Mbp und größer unter Anwendung periodischer Randbedingungen modelliert werden. Der Abstand der Nukleosomen basiert auf synthetischen und realen Nukleosomenpositionen aus Experimenten. Aus diesen Simulationen werden grundlegende räumliche Eigenschaften der Faltung von Modellen höherer Ordnung berechnet. Das Modell wird um Potentiale erweitert, die die Schleifenbildenden Proteine Cohesin und CTCF beschreiben. Die Analyse von Daten aus Simulationen wird die Verteilung von Kontaktwahrscheinlichkeiten erklären, wie sie z.B. in sogenannten Chromosome Conformation Capture-Techniken gemessen werden. Sie werden Veränderungen der räumlichen Struktur durch Repositionierung von Nukleosomen und/oder CTCF/Cohesin-Abnahme in Verbindung mit Genregulation erklären. Daten aus ATAC-Seq und Hi-C aus gesunden und malignen Zellen liefern Informationen über Chromatin-Zugänglichkeit und die räumliche Struktur. Wir werden diese Daten in Modellen großer Chromatindomänen, sogenannten TADS, kombinieren, um die cis- und trans-Regulationsmechanismen von Genen und die Deregulation von Genen in malignen Zellen zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2202: 3-D-Genomarchitektur in Entwicklung und Krankheit