Storage-System für Daten aus Hochdurchsatzexperimenten
Final Report Abstract
Im Genom höherer Lebewesen befindet sich die DNA im Zellkern. Sie bildet mit spezialisierten Proteinen die Nukleosomen, die wie eine Perlenkette aufgereiht sind. Diese Struktur kondensiert zum sog. Chromatin. Die Positionen der Nukleosomen sowie die dreidimensionale Struktur des Chromatins sind für die Aktivität im Zellkern von entscheidender Bedeutung. Das Storage-System wurde schwerpunktmäßig im EU-weiten Verbundprojekt EpiGenSys und in anschließenden Arbeiten eingesetzt, in denen der Zusammenhang der Aktivität mit Position und Struktur mit einer Kombination aus experimentellen Verfahren und Modellierung untersucht wurde. Mit Hilfe von Computersimulationen konnte gezeigt werden, dass in dicht gepackten Chromatinfasern die räumliche Verschiebung eines einzelnen Nukleosoms um nur wenige Basenpaare die gesamte Struktur beträchtlich ändert. Für diesen Vorgang ist eine erhebliche Energiebarriere zu überwinden. Weiterhin konnte mit Computersimulationen quantitativ untersucht werden, wie verschiedene Konzentrationen des Proteins Swi6 durch seine Bindung an Nukleosomenketten zur Bildung von inaktivem Chromatin, sogenanntem Heterochromatin führt. Die Daten der Computersimulationen werden auf dem beschafften System gespeichert. Bei der Analyse experimenteller Daten zur Bestimmung der Positionen von Nukleosomen im Genom ist es nicht-trivial eindeutige Positionen zu ermitteln, da diese aus verschiedenen Zellen in unterschiedlichen Zuständen stammen. Um dieses Problem zu lösen wurden zwei neuartige Verfahren entwickelt, die mit der Mehrdeutigkeit der experimentellen Daten umgehen können und mehr Positionen als andere Softwarelösungen zuvor ergeben. Die Testdaten für genomweite Auswertungen wurden auf dem System gespeichert. Von unseren Partnern wurden experimentell die Nukleosomenpositionen und die dreidimensionale Struktur mit 3C-Methodik bei HUVEC-Zellen vor und nach Stimulation mit dem Tumornekrosefaktor TNFα bestimmt und mit unseren Systemen analysiert und simuliert. Der Ablauf der Veränderungen wurde zeitlich aufgelöst verfolgt. Dabei konnte gezeigt werden, wie die Struktur in dem betroffenen Gen immer offener wird und dass die Nukleosomenstruktur sich verändert, bevor Transkriptionsfaktoren binden und bevor die Polymerasen beginnen zu arbeiten. Darüber hinaus kam das System bei anderen Arbeiten des Konsortiums zum Einsatz. Die Datenauswertung für diese drei Publikationen wurde u.a. auf der privaten Galaxy- Instanz (https://galaxyproject.org/) durchgeführt, die den beschafften Storage nutzt.
Publications
- Genome-wide nucleosome positioning during embryonic stem cell development. Nature Structural & Molecular Biology 19.11 (2012): 1185-1192
Vladimir B Teif, Yevhen Vainshtein, Maïwen Caudron- Herger, Jan-Philipp Mallm, Caroline Marth, Thomas Höfer, Karsten Rippe
(See online at https://doi.org/10.1038/nsmb.2419) - Modeling Nucleosome Position Distributions from Experimental Nucleosome Positioning Maps. Bioinformatics 29 (19) 2013: 2380–86
Robert Schöpflin, Vladimir B. Teif, Oliver Müller, Christin Weinberg, Karsten Rippe, Gero Wedemann
(See online at https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btt404) - Changing Chromatin Fiber Conformation by Nucleosome Repositioning. Biophysical Journal 107.9 (2014): 2141-2150
Oliver Müller, Nick Kepper, Robert Schöpflin, Ramona Ettig, Karsten Rippe, Gero Wedemann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.bpj.2014.09.026) - Nucleosome repositioning links DNA (de) methylation and differential CTCF binding during stem cell development. Genome Research 24.8 (2014): 1285-1295)
Vladimir B. Teif, Daria A. Beshnova, Yevhen Vainshtein, Caroline Marth, Jan-Philipp Mallm, Thomas Höfer, Karsten Rippe
(See online at https://doi.org/10.1101/gr.164418.113) - TNFα signalling primes chromatin for NF-κB binding and induces rapid and widespread nucleosome repositioning. Genome Biology 15.12 (2014): 536
Sarah Diermeier, Petros Kolovos, Leonhard Heizinger, Uwe Schwartz, Theodore Georgomanolis, Anne Zirkel, Gero Wedemann, Frank Grosveld, Tobias A Knoch, Rainer Merkl, Peter R Cook, Gernot Längst, Argyris Papantonis
(See online at https://doi.org/10.1186/s13059-014-0536-6) - Affinity, stoichiometry and cooperativity of heterochromatin protein 1 (HP1) binding to nucleosomal arrays. Journal of Physics: Condensed Matter 27.6 (2015): 064110
Vladimir B Teif, Nick Kepper, Klaus Yserentant, Gero Wedemann, Karsten Rippe
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/6/064110)
