Simulation von Struktur und Strukturregulation von Chromatin
Bei höherentwickelten Organismen ist die DNA in hochkompakten
Strukturen organisiert, die man als Chromatin bezeichnet. Dieses ist
aus Nukleosomen aufgebaut, die durch Linker-DNA zu einer
perlenkettenartigen Struktur verbunden werden. Nukleosomen bestehen
aus DNA, die um spezielle Proteine gewickelt ist, den Histonen.
In dieser Arbeit wird ein neuartiges Modell der Struktur von Chromatin
vorgestellt. Es basiert auf dem Zick-Zack-Modell und vorangegangener
Arbeit über superhelikale DNA und Polynukleosomen. DNA wird unter
Vernachlässigung atomarer Details als flexible, elastische Kette
modelliert. Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen DNA-Segmenten
wird durch die Debye-Hückel-Näherung beschrieben. Die Nukleosomen
werden durch flache Zylinder repräsentiert, die durch
Gay-Berne-Potential wechselwirken. DNA und Nukleosomen werden entweder
direkt am Nukleosom oder am Nukleosomen-Stamm gekoppelt. Mit einem
Metropolis-Monte Carlo-Verfahren werden repräsentative Ensembles von
Konfigurationen erzeugt. Das Computerprogramm zur Simulation wurde in
C++ zur Verwendung auf Parallelrechnern erstellt.
Die simulierten Systeme enthalten 100 Nukleosomen gelöst in Wasser bei
physiologischer Salzkonzentration. Modelle mit einer Repeat-Länge von
200 Basenpaaren (bp), bei denen die Linker-DNA am Nukleosomen-Stamm
gekoppelt ist, reproduzieren charakteristische Eigenschaften der
Fiber: Der berechnete Fiber-Durchmesser von 32 nm und die
Massenbelegungsdichte von 6,2 Nukleosomen pro 11 nm Fiber-Länge sind
in sehr guter Übereinstimmung mit den Literatur-Werten. Der
experimentelle Wert des Neigungswinkels von DNA und Nukleosomen zur
Fiber-Achse wird ebenfalls reproduziert. Die Persistenz-Länge der
simulierten Fiber ist 260 nm, was mit den experimentellen Werten von
50-150 nm verträglich ist. Bei zufälligen, gaußverteilten
Verdrehungswinkeln zwischen benachbarten Nukleosomen verringert sich
die Persistenzlänge bei Vergrößerung der Breite der Verteilung. Der
experimentell beobachtete Abfall der Massenbelegungsdichte bei
Reduktion der Salzkonzentration wird qualitativ
reproduziert. Polynukleosomen mit 212 bp Repeatlänge bilden ebenfalls
Fibern. Die Eigenschaften einer Fiber mit einer kürzeren Repeat-Länge
von 192 bp und einer Kopplung von DNA und Nukleosomen direkt am
Nukleosom sind ebenfalls mit den experimentellen Werten
vereinbar. Systeme mit diesem Typ von DNA-Nukleosom-Kopplung und einer
Repeat-Länge von 217 bp bilden keine Fibern.
DNA in the nucleus of higher organisms is complexed with proteins into highly
compact structures designated as chromatin. It is built of nucleosomes that
are connected by linker DNA resulting in a bead-on-a-string like structure.
Nucleosomes are formed by DNA wrapped around special proteins, the histones.
A new model for the structure of chromatin is presented here. It is based on
the zigzag model as well as previous work on superhelical DNA and
polynucleosomes. DNA is modeled as a flexible elastic chain, neglecting
atomic details. The electrostatic interaction between DNA segments is
described by a Debye-Hückel-approximation. The nucleosomes are represented
by flat disks which interact with each other through a Gay-Berne-potential.
DNA and nucleosomes are linked either at the cylinder of the
nucleosome-core-particle or at the nucleosome stem. Representative ensembles
of configurations are created by a Metropolis Monte Carlo-algorithm. The
simulation program was implemented in C++ for use with parallel computers.
Simulations have been performed on polynucleosomes containing 100 nucleosomes
at physiological ionic strength. For models with a linkage of the DNA at the
nucleosome stem and a repeat length of 200 bp the characteristic experimental
properties of chromatin have been reproduced: The calculated fiber diameter of
32 nm and the mass density of 6.1 nucleosomes per 11 nm fiber length are in
agreement with experimental values from the literature. The experimental value
of the inclination of DNA and nucleosomes to the fiber axis is also
reproduced. The persistence length of the simulated fibers of 260 nm is
compatible with the values of 50-150 nm estimated by experimental data. For
random tilt angles between two nucleosomes chosen according to a Gaussian
distribution the persistence length decreases with the increase of the width
of the distribution. The experimentally observed decrease of the mass density
with decreasing concentration of salt in the surrounding medium is reproduced
qualitatively. Polynucleosomes with repeat lengths of 212 bp also form
fibers whith the expected experimental properties. Systems with larger repeat
length form fibers but the mass density is significantly lower than the
measured value. The theoretical characteristics of a fiber with a repeat
length of 192 bp where DNA and nucleosomes are connected at the
core-particle are in agreement with the experimental values. Systems with the
same type of linkage and a repeat length of 217 bp do not form fibers.