Tandem repetitive DNA: Stabilität und Wirkung auf die Genexpression im transgenen System

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Eigenschaften von tandem repetitiver DNA (trDNA) analysiert. Drei der untersuchten trDNA-Familien (Cla-Elemente, Alu-Elemente, 1,688-Satelliten-DNA) stammen aus der genomischen DNA von Insekten, während ein trDNA-Cluster artifiziell aus Hsp70 Promotoren hergestellt wurde. Untersucht wurde die Stabilität dieser trDNA-Sequenzfamilien innerhalb eines Plasmidvektors in E. coli bzw. nach Integration der trDNA auch im Genom von D. melanogaster. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch in der Analyse des Einflusses von trDNA auf die Expression eines benachbarten Reportergens in D. melanogaster.Ziel der Untersuchungen zur Stabilität war es, Eigenschaften von trDNA-Clustern und Mechanismen aufzuzeigen, die die Stabilität derselben in E. coli und im Genom von D. melanogaster beeinflussen. Mit Ausnahme der Alu-Elemente zeigen alle trDNA-Familien eine deutliche Instabilität in E. coli. Am Beispiel der Cla-Elemente wurde gezeigt, daß spezifische Eigenschaften der trDNA-Familie, wie etwa die sequenzbedingte Krümmung der Helixachse, keinen Einfluß auf die Stabilität des trDNA-Clusters haben, sondern die Orientierung des trDNA-Clusters innerhalb des Vektors ausschlaggebend ist. Ein entscheidender Faktor könnte die Orientierung des trDNA-Clusters relativ zur Wanderungsrichtung der Replikationsgabel in E. coli sein. Am Beispiel des trDNA-Clusters aus artifiziellen Hsp70 Promotoren konnte gezeigt werden, daß verschiedene Rekombinationssysteme an der Instabilität in E. coli beteiligt sind. Die meisten beobachteten Deletionen von trDNA sind RecA-abhängig. Zusätzlich findet jedoch in einem kleinen Teil der Plasmide auch eine RecA-unabhängige Rekombination statt. Sowohl in E. coli als auch in D. melanogaster wurde als vorherrschender Mechanismus der trDNA-Instabilität die homologe Rekombination identifiziert. TrDNA-Cluster, die in E. coli deutlich instabil sind, können jedoch im Genom von D. melanogaster weitgehend stabil sein. Auch Faktoren, die in E. coli die Stabilität eines trDNA-Clusters beeinflussen, wie etwa die Orientierung, zeigen in D. melanogaster keinen Einfluß auf die Stabilität der trDNA-Cluster. Ergebnisse aus Stabilitätsuntersuchungen in E. coli können damit nicht ohne Überprüfung auf andere Organismen übertragen werden. Im Hauptteil der Arbeit sollte geklärt werden, ob trDNA generell die Expression benachbarter Gene beeinflußt und welche Eigenschaften der trDNA für diesen inhibitorischen oder stimulierenden Effekt verantwortlich sind. Keine der untersuchten trDNA-Familien zeigt einen inhibitorischen Effekt auf ein benachbartes Reportergen. Entgegen dem Modell von Dorer und Henikoff (1994) führen trDNA-Cluster nicht per se zu der Entstehung von Heterochromatin. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, daß sowohl ein trDNA-Cluster aus Cla-Elementen als auch aus Hsp70 Promotor-Elementen eine deutliche Steigerung der Expression des miniwhite-Reportergens bewirken. Diese Steigerung ist für beide trDNA-Familien unabhängig von der chromosomalen Lage des Transgens im Euchromatin. In beiden Fällen ist der Effekt von der Orientierung des trDNA-Clusters abhängig und verstärkt sich mit wachsender Kopienzahl der trDNA-Einheiten. Während eines der trDNA-Cluster aus trDNA-Einheiten besteht, die bekanntermaßen eine Promotoraktivität aufweisen (Hsp70 Promotoren), war für die Cla-Elemente kein Einfluß auf die Expression eines benachbarten Gens bekannt. Damit wurde für eine trDNA-Familie aus Chironomus nachgewiesen, daß sie auf ein benachbartes Gen ähnlich wirkt wie zusätzliche Promotoren. Die experimentellen Befunde unterstützen ein Modell, demzufolge die Cla-Elemente in gleicher Weise wie tandem repetitive Promotoren auf ein benachbartes Gen expressionssteigernd wirken. Die TATA-Box ist für das Modell ein wichtiges Strukturelement, da diese in beiden expressionssteigernden DNA-Sequenzen der trDNA-Cluster vorkommt und ausschließlich in einer Orientierung wirkt. Das Modell besagt, daß durch die Verbindung einer offenen Chromatinstruktur mit korrekt orientierten Bindungsstellen für TBP der Aufbau von vollständigen Transkriptionskomplexen an den tandem repetitiven Promotoren initiiert wird. Einer Perlenschnur ähnlich wären die Transkriptionskomplexe direkt verfügbar, nachdem ein Transkriptionskomplex den Promotor zur Transkription verlassen hat (Abb. 32). Dies würde zu der beobachteten Steigerung der Expression des Reportergens sowohl durch die tandem repetitiven Hsp70 Promotoren als auch durch die Cla-Elemente führen.

Morphology and charge transport in conjugated polymers

To assist rational compound design of organic semiconductors, two problems need to be addressed. First, the material morphology has to be known at an atomistic level. Second, with the morphology at hand, an appropriate charge transport model needs to be developed in order to link charge carrier mobility to structure.rnrnThe former can be addressed by generating atomistic morphologies using molecular dynamics simulations. However, the accessible range of time- and length-scales is limited. To overcome these limitations, systematic coarse-graining methods can be used. In the first part of the thesis, the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining Applications is introduced, which provides a platform for the implementation of coarse-graining methods. Tools to perform Boltzmann inversion, iterative Boltzmann inversion, inverse Monte Carlo, and force-matching are available and have been tested on a set of model systems (water, methanol, propane and a single hexane chain). Advantages and problems of each specific method are discussed.rnrnIn partially disordered systems, the second issue is closely connected to constructing appropriate diabatic states between which charge transfer occurs. In the second part of the thesis, the description initially used for small conjugated molecules is extended to conjugated polymers. Here, charge transport is modeled by introducing conjugated segments on which charge carriers are localized. Inter-chain transport is then treated within a high temperature non-adiabatic Marcus theory while an adiabatic rate expression is used for intra-chain transport. The charge dynamics is simulated using the kinetic Monte Carlo method.rnrnThe entire framework is finally employed to establish a relation between the morphology and the charge mobility of the neutral and doped states of polypyrrole, a conjugated polymer. It is shown that for short oligomers, charge carrier mobility is insensitive to the orientational molecular ordering and is determined by the threshold transfer integral which connects percolating clusters of molecules that form interconnected networks. The value of this transfer integral can be related to the radial distribution function. Hence, charge mobility is mainly determined by the local molecular packing and is independent of the global morphology, at least in such a non-crystalline state of a polymer.

Between the scales: Water from different perspectives

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Wassermodelle in sogenannten Multiskalen-Computersimulationen mit zwei Auflösungen untersucht, in atomistischer Auflösung und in einer vergröberten Auflösung, die als "coarse-grained" bezeichnet wird. In der atomistischen Auflösung wird ein Wassermolekül, entsprechend seiner chemischen Struktur, durch drei Atome beschrieben, im Gegensatz dazu wird ein Molekül in der coarse-grained Auflösung durch eine Kugel dargestellt.rnrnDie coarse-grained Modelle, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, werden mit verschiedenen coarse-graining Methoden entwickelt. Hierbei kommen hauptsächlich die "iterative Boltzmann Inversion" und die "iterative Monte Carlo Inversion" zum Einsatz. Beides sind struktur-basierte Ansätze, die darauf abzielen bestimmte strukturelle Eigenschaften, wie etwa die Paarverteilungsfunktionen, des zugrundeliegenden atomistischen Systems zu reproduzieren. Zur automatisierten Anwendung dieser Methoden wurde das Softwarepaket "Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-Graining Applications" (VOTCA) entwickelt.rnrnEs wird untersucht, in welchem Maße coarse-grained Modelle mehrere Eigenschaftenrndes zugrundeliegenden atomistischen Modells gleichzeitig reproduzieren können, z.B. thermodynamische Eigenschaften wie Druck und Kompressibilität oder strukturelle Eigenschaften, die nicht zur Modellbildung verwendet wurden, z.B. das tetraedrische Packungsverhalten, welches für viele spezielle Eigenschaft von Wasser verantwortlich ist.rnrnMit Hilfe des "Adaptive Resolution Schemes" werden beide Auflösungen in einer Simulation kombiniert. Dabei profitiert man von den Vorteilen beider Modelle:rnVon der detaillierten Darstellung eines räumlich kleinen Bereichs in atomistischer Auflösung und von der rechnerischen Effizienz des coarse-grained Modells, die den Bereich simulierbarer Zeit- und Längenskalen vergrössert.rnrnIn diesen Simulationen kann der Einfluss des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerks auf die Hydration von Fullerenen untersucht werden. Es zeigt sich, dass die Struktur der Wassermoleküle an der Oberfläche hauptsächlich von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Fulleren und Wasser und weniger von dem Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird.rn

Charakterisierung und Analyse der geschlechtsbestimmenden Region von Chironomus riparius

Die durch eine männchenspezifisch auftretende heterochromatische Bande und ein hemizygotes Cla-Element-Cluster gekennzeichnete geschlechtsbestimmende Region („sex determining region“: SDR) auf Chromosom III von C. riparius stellt ein frühes Stadium in der Evolution von Geschlechtschromosomen dar. Diese eindeutig lokalisierte chromosomale Region, die den molekular noch unbekannten männchen¬bestimmenden Faktor M enthalten muss, ist im Vergleich zu den Y-Chromosomen anderer Dipterenarten wie unter anderem M. domestica, die ebenfalls einen dominanten Männchenbestimmer besitzen, relativ klein. Aus diesem Grund bietet die SDR von C. riparius eine Möglichkeit, den männchenbestimmenden Faktor einzugrenzen und zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit konnte ein Bereich einer Größe von ca. 200 kb aus der SDR von C. riparius charakterisiert und analysiert werden. Durch bioinformatische Sequenzanalysen konnten an 20 Stellen der SDR mögliche Genstrukturen nachgewiesen werden. Von den gefundenen möglichen Genen ist bisher die Funktion in C. riparius unbekannt. Bei den Genen mit vermuteter Funktion deutet nichts eindeutig auf eine Beteiligung an der Geschlechtsbestimmung von C. riparius hin. Da allerdings davon auszugehen ist, dass für die Funktion des Männchenbestimmers M ein Gen rekrutiert wurde, welches zur Interaktion mit dem nachgeschalteten Gen der Geschlechts¬bestimmungskaskade fähig ist, muss die geschlechtsbestimmende Funktion des Gens M nicht unbedingt offensichtlich sein. Aus geschlechtsbestimmenden Genkaskaden anderer Dipteren bekannte Gene wie transformer und doublesex konnten im analysierten Bereich nicht nachgewiesen werden, obwohl zumindest zu doublesex homologe Gene im Genom von C. riparius vorkommen. Um möglicherweise proto-X- und proto-Y-Chromosom miteinander vergleichen zu können und einen Hinweis auf die chromosomale Herkunft der analysierten Sequenzen aus der SDR zu erlangen, wurden Sequenzen von 31 teilweise parallel liegenden BAC-Klonen aus der untersuchten Region verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Klone zwei Gruppen bilden, deren Sequenzen sich durch 500 SNPs und 110 Indels unterschiedlicher Größe (1-800 Bp) unterscheiden, was für eine Herkunft von zwei sich erst seit kurzer Zeit unterscheidenden Geschlechtschromosomen spricht. Die zwölf größten dieser Indels wurden auf geschlechtsspezifische Unterschiede hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Unterschiede zwischen den beiden Klongruppen zwar im 30 Jahre alten Laborstamm, der auch für die Konstruktion der durchsuchten BAC-Bibliotheken verwendet wurde, tatsächlich geschlechtsspezifisch sind, in zwei Wildfangpopulationen jedoch keine derartige Geschlechtsspezifität aufweisen. Somit kann keine Aussage zur Herkunft der untersuchten Klone aus der SDR von C. riparius getroffen werden, und es bleibt unklar, ob die analysierten Sequenzen vom proto-X oder vom proto-Y-Chromosom stammen.

Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.