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A theoretical investigation of protein recruitment during the DNA damage response and of the dynamics of DNA replication

Löb, Daniel :
A theoretical investigation of protein recruitment during the DNA damage response and of the dynamics of DNA replication.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: A theoretical investigation of protein recruitment during the DNA damage response and of the dynamics of DNA replication
Language: English
Abstract:

In this thesis, three interrelated theoretical investigations on the cell-biological topics of DNA double strand break response and DNA replication are presented. The first investigation is concerned with the recruitment of DNA double strand break response proteins to DNA damage sites. In the second, necessary conditions for the appearance of multiple steady states and oscillations in generic protein complex assembly networks are identified. Lastly in the third investigation, the mechanisms underlying the genome-scale organization of DNA replication are analyzed.

It is known from experiment that the recruitment of the pathway-independent double strand break response protein NBS1 qualitatively changes its dynamics beyond a certain damage density, from damage density dependent to damage density independent. A minimal computer model of the recruitment of NBS1 (contained in the MRN complex) and several interacting proteins is developed and compared to experimental data. It becomes evident from the model that the change in dynamics can be interpreted a consequence of the shifting importance of two different MRN binding interactions. At low damage densities, binding in the wider damage site vicinity dominates, while at higher damage densities, binding directly to the damaged double strand ends becomes more important.

Next, generic protein recruitment/protein complex assembly networks are investigated to find the prerequisites of complex dynamical effects such as multistability and oscillation. It is shown that if the networks are limited to association and dissociation reactions and if the protein numbers are conserved for the indivisible “elementary” proteins participating, then at least four such elementary protein species must be present for multistability or oscillations to appear. A rigorous mathematical proof is given that networks with only three elementary species cannot have multiple steady states.

DNA replication in mammals and humans is qualitatively different from the well-understood replication process in simpler eukaryotes such as yeast. Reliable patterns exist in the organization of replication on the scale of chromosomes and chromosome segments, while the microscopic dynamics are known to be stochastic. A stochastic computer model is presented that incorporates the minimal set of model ingredients necessary to reproduce these dynamical properties. The ingredients are a fast-diffusing limiting factor, induced firing of origins depending on proximity to replication forks, a constant replication fork speed that is reduced during early S-phase and the initiation of replication in euchromatic DNA.

Results are consistent with experimental data and the literature, making the model presented here one of the best-benchmarked replication models in existence. A combination of model results with a three-dimensional DNA conformation obtained from a Monte Carlo model shows that chromatin packing is a main cause of the microscopy patterns observed during mammalian DNA replication.

The theoretical investigations presented in this thesis combine methods of physics and applied mathematics with problems from the field of cell-biology. Thus, due to this inherently interdisciplinary character, this thesis is of interest to a readership of both, physicists and biologists.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit befasst sich mit drei theoretischen Untersuchungen zu den zellbiologischen Themen DNA-Doppelstrangbruchreparatur und DNA-Replikation. In der ersten Untersuchung geht es um die Rekrutierung von Proteinen der Schadensantwort bei DNA-Doppelstrangbrüchen zu Schadensstellen. Danach werden die notwendigen Bedingungen für das Auftreten von mehreren stationären Zuständen und Oszillationen in generischen Netzwerken der Proteinkomplexbildung identifiziert. Schließlich werden die der Organisation der DNA-Replikation auf Genomebene zugrunde liegenden Mechanismen analysiert. Aus experimentellen Untersuchungen ist bekannt, dass sich das Rekrutierungsverhalten des an der Doppelstrangbruchschadensantwort beteiligten pfadunabhängigen Proteins NBS1 jenseits einer gewissen Schadensdichte qualitativ andert, von schadensdichteabhängig zu schadensdichteunabhängig. Ein minimales Computermodell der Rekrutierung von NBS1 (als Teil des MRN-Komplexes) und mehrerer mit ihm interagierender Proteine wird dargelegt und mit experimentellen Daten verglichen. Durch das Modell zeigt sich, dass die Veränderung in der Rekrutierungsdynamik als eine Folge der sich verschiebenden Wichtigkeit zweier unter- schiedlicher MRN-Bindungsinteraktionen interpretiert werden kann. Bei niedrigen Schadensdichten dominiert die Bindung im weitläufigeren Schadensumfeld, während bei höheren Schadensdichten die Bindung direkt an die Doppelstrangenden wichtiger wird. Es folgt eine Untersuchung generischer Netzwerke der Proteinrekrutierung bzw. Proteinkomplexbildung mit dem Ziel, die Voraussetzungen für komplexe dynamische Phänomene wie Multistabilität und Oszillationen in diesen Netzwerken zu finden. Dabei zeigt sich, dass auf Assoziations- und Dissoziationsreaktionen beschränkte Netzwerke, in denen die Gesamtkonzentrationen der kleinsten, “elementaren” Proteine erhalten sind, mindestens vier dieser elementaren Proteine benötigen um Multistabilität oder Oszillationen zu zeigen. Zudem wird mathematisch bewiesen, dass mehrere stationäre Zustände für Netzwerke mit nur drei elementaren Proteinen unmöglich sind. DNA-Replikation in Säugetieren und dem Menschen unterscheidet sich qualitativ von der als wohlverstanden geltenden Replikation in einfacheren Eukaryoten wie etwa Hefe. Auf der Skala von Chromosomen und Chromosomsegmenten zeigt der Replikationsprozess einen geordneten Ablauf, während sich die mikroskopische Dynamik stochastisch verhält. Es wird ein stochastisches Computermodell präsentiert, welches die minimalen Bestandteile enthält, die notwendig sind um diese dynamischen Eigenschaften zu reproduzieren. Als Bestandteile wurden identifiziert: eine schnell diffundierende und begrenzt vorhandene Reaktionskomponente, induziertes Auslösen von Replikationsstartpunkten in Abhängigkeit des Abstandes zu nahe gelegenen Replikationsgabeln, eine konstante Geschwindigkeit der Replikationsgabel, die während der frühen S-Phase reduziert wird, und der Beginn des Replikationsprozesses an Startpunkten im Euchromatin. Die Ergebnisse des Modells sind konsistent, sowohl mit experimentellen Daten, als auch mit der Literatur, so dass es sich bei dem hier präsentierten Replikationsmodell um eines der am umfassendsten mit experimentellen Daten verglichenen Modelle der DNA-Replikation handelt, die derzeit existieren. Die Kombination der Modellergebnisse mit einer durch ein Monte-Carlo-Modell erzeugten dreidimensionalen DNA-Konformation zeigt, dass die Packung des Chromatins die Hauptursache für die bei der Mikroskopie von DNA-Replikation in Säugetierzellen beobachtete Fokusanordnung ist. Die in dieser Arbeit präsentierten Untersuchungen kombinieren Methoden der Physik und der angewandten Mathematik mit Problemen aus dem Gebiet der Zellbiologie. Dieser inhärent interdisziplinäre Charakter macht die Arbeit für eine Leserschaft von sowohl Physikern als auch Biologen interessant. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: DNA-Replikation, DNA-Reparatur, Doppelstrangbrüche, Proteinkomplex, Komplexbildung, Stochastisches Modell
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
DNA Replication, DNA Repair, double strand breaks, protein complex, complex formation, stochastic modelEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Bio Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Statistische Physik und komplexe Systeme
Date Deposited: 02 Aug 2013 12:24
Last Modified: 02 Aug 2013 12:24
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35565
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Durante, Prof. PhD. Marco
Refereed: 22 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3556
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