Simulation von Interphase Zellkernen
Vor einigen Jahren noch war es nicht möglich, einzelne Chromosomen im Interphasezellkern von Säugerzellen zu unterscheiden; die elektronenmikroskopischen Aufnahmen deuteten auf eine Struktur hin, bei der die Chromatinfasern einzelner Chromosomen über den gesamten Zellkern ausgedehnt sind.
Die Abbildung links zeigt eine Computersimulation dieser Struktur. Die Chromatinfaser eines Chromosoms
wird dabei als Folge von 300nm langen Segmenten simuliert, die "Excluded Volume" Effekten unterliegen,
sich aber sonst beliebig in einem kugelförmigen Volumen (Zellkernvolumen) anordnen können.
Die Anzahl der Segmente ist proportional zum DNA Gehalt des jeweiligen Chromosoms. Es wird der vollständige
Chromosomensatz des Menschen (46 Chromosomen) simuliert. Zur Visualisierung wurden 4 Chromosomen
ausgewählt (jede Farbe entspricht einem Chromosom). Die Kernhülle wird durch eine halboffene
Kugelschale angedeutet.
Mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und der dreidimensionalen
Laser-Scanning-Mikroskopie konnte vor einigen Jahren erstmals die territoriale Organisation
der Chromosomen im Interphasezellkern sichtbar gemacht werden.
Ausgehend von diesen Beobachtungen wurde 1993 von C. & T. Cremer,
P. Lichter und R. Zirbel das ICD (Inter Chromosome Domain) Modell vorgestellt.
Bei diesem Modell wird angenommen, daß durch elektrostatische abstoßende
Kräfte der Territorienoberflächen ein dreidimensionales Netzwerk
(der ICD Raum) an "Kanälen" zwischen den Territorien gebildet wird.
In diesem Netzwerk bewegen sich dann die für die Replikation,
Transkription und Reparaturmechanismen benötigten Proteine. Weitergehende
Untersuchungen ergaben eine weitere Unterstruktur dieser Territorien den
sogenannten "Subchromosomal Foci", die ein DNA-Gehalt von etwa 1Mbp enthalten
und im Durchmesser etwa 400 - 700nm groß sind. Aufbauend
auf diesen experimentellen Daten wurde ein Computermodell das "Spherical
Subchromosomal Foci" Modell berechnet.
Bei diesem Modell werden die "Subchromosomal Foci" durch Kugeln angenähert,
die durch einen Random Walk verbunden sind, der aus vier Linker-DNA Segmenten besteht.
Die "Subchromosomal Foci" unterliegen "Excluded Volume" Effekten und einer elastischen Kraft F die
auf den Mittelpunkt des Territoriums gerichtet ist. Die Anzahl der "Subchromosomal Foci" ist
proportional zum DNA Gehalt des betreffenden Chromosoms. Es wird wieder
der vollständige Chromosomensatz des Menschen simuliert.
Die Abbildung oben links zeigt einen nach diesem Modell berechneten kugelförmigen Zellkern mit 10000nm
Durchmesser während die Abbildung oben rechts einen mit dem gleichen Algorithmus simulierten ellipsoidförmigen
Zellkern mit etwa 15000nm Durchmesser (entlang der langen Halbachse) zeigt. Homologe Chromosomen werden mit der
gleichen Farbe dargestellt.
Der weitere Organisationsgrad dieser "Subchromosomal Foci" ist bis heute noch weitgehend unklar. Die Abbildung rechts
zeigt die Simulation einer möglichen Organisationsform. Dieser Simulation wird die unterste Organisationsform der
Chromatinfaser, die Nukleosomenkette, zugrundegelegt.
Für diese Organisationsform wird das Foci in 10
gleichgroße "Hypo Foci" unterteilt (jedem "Hypo Foci" entspricht eine Farbe), welche etwa 100kbp groß sind.
Diese Größe entspricht in etwa der Schleifengröße, die für das "Multi-Loop Subcompartment"
Modell verwendet wird (Ch. Münkel and J. Langowski 1998; Physical Review E).
Gruppe J. Langowski
Diese "Hypo Foci" können verschiedene Kompaktierungsgrade aufweisen. In der Abbildung rechts wurde dem gelben
"Hypo Foci" eine geringere Kompaktierungsstufe zugeordnet als den anderen "Hypo Foci".
Anregungen und Fragen bitte an gkreth@kip.uni-heidelberg.de