DNA und Chromatin

Bioinformatics – die DNA (Deoxyribonucleic Acid) ist der Träger der Erb­infor­mation jeder lebenden Zelle.

DNA-Strang
© istock/phive2015

Beispielsweise befindet sich in einer menschlichen Zelle DNA einer Gesamt­länge von etwa 2 m. Sie befindet sich in einem Zell­kern, der nur 2 Mikro­meter groß ist, also eine Million Mal kleiner ist. Dazu muss die DNA syste­matisch verpackt werden. Die DNA ist zunächst um sogenannte Nukel­somen gewickelt, die das Chromatin bilden. Das Chromatin bildet die Chromo­somen, die wiederum den Zell­kern bilden. Ein Verständnis des Verpackungs­prozesses ist wichtig, da die DNA die ganze Zeit abge­lesen wird und die abge­lesenen Bereiche vom Zustand (z.B aktiv, inaktiv) und Art der Zelle (z.B. Haut­zelle oder Leber­zelle) ab­hängen, und gleich­zeitig die Verpackung eine ent­scheidende Aus­wirkung auf die Aktivität des Ablesens hat.

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Das CC Bioinformatics entwickelt Simulations­soft­ware für DNA und Chromatin. Es unter­sucht biologische Vorgänge mit Simulationen und statistischen Ver­fahren.

Simulation einzelner DNA-Moleküle

In Experimenten wird an das Ende eines kurzen DNA-Stücks ein winziges, para­magnetisches Kügelchen geheftet, wodurch es möglich wird, diese DNA in einem magnetischen Feld zu ziehen und zu ver­drehen. In diesem Projekt werden im Computer­modell solche DNA-Einzel­molekül­experi­mente nach­gestellt. Dazu werden physikalische Modelle der DNA genutzt und unter verschiedenen Ein­fluss­faktoren mit einem sogenannten Metro­polis-Monte Carlo-Algo­rithmus berechnet. Damit kann das Verhalten der DNA detailliert unter­sucht werden und Ein­blicke gewonnen werden, die im Mikro­skop nicht beobachtbar sind. Die gewonnenen Ergebnisse werden mit neuesten experimentellen Ergebnissen verglichen und helfen, theoretische Modelle auf­zu­stellen und zu verbessern.

Diese Arbeit erfolgt in Kooperation mit der Gruppe „Single molecule investigations of DNA motors“ von Ralf Seidel am Bio­technology Center der TU Dresden.

Computersimulationen von Chromatin

Trotz intensiver Bemühungen ist die drei­dimensionale Struktur des Chromatins auch 30 Jahre nach seiner Entdeckung unklar. Das CC Bio­infor­matics hat in den letzten Jahren ein Computer­modell ent­wickelt, das die drei­dimensionale Struktur von Chromatin quantitativ beschreibt.

Die Simulationen helfen zu erklären, wie die Stärke der inter­nukleo­somalen Wechsel­wirkung und andere Faktoren wie der genomische Abstand zwischen den Nukleo­somen oder die Bindung von Proteinen wie H1 die Struktur regulieren.

Diese Arbeiten werden in Zusammen­arbeit mit der Arbeits­gruppe Genome Organisation & Function von PD Dr. Karsten Rippe am Bioquant/Deutsches Krebs­forschungs­zentrum Heidel­berg durch­ge­führt.

Positionen von Nukleosomen und deren Funktion

Die Lage von Nukleosomen auf der DNA wird in der lebenden Zelle aktiv gesteuert und hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gen­aktivität. Die Positionen können genom­weit durch Hoch­durch­satz­ver­fahren bestimmt werden. Im Projekt EpiGenSys, das von EraSysBio+ bzw. dem BMBF gefördert wird, unter­suchen wir den Zusammen­hang zwischen dem Zell­zustand, der Position von Nukleo­somen und der räumlichen Struktur.

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