Chromatin Organisation and Genome Architecture

Dynamic yet functionally stable organization of cellular processes is a crucial feature of biological systems, allowing them to respond to external stimuli and survive. The eukaryotic nucleus represents a complex subcellular organelle where DNA and RNA metabolism occurs through spatio-temporally organized processes that change dynamically during the cell cycle and cellular differentiation. This organization is inherently dependent on chromatin dynamics and mobility within the nucleus, which concomitantly controls DNA folding, chromosome architecture, and genomic interactions. This thesis addresses fundamental questions about how chromatin structure is reorganized and maintained during critical cellular processes, and how this affects chromatin motion. Novel methodologies were utilized to label DNA genome-wide and visualize chromatin in living cells. Live cell microscopy was used to perform chromatin tracking combined with computational methods to segment, register and track chromatin structures at different spatial resolution levels. Chromatin dynamics were investigated across multiple organizational scales and cellular contexts. Our findings demonstrate that chromatin mobility is inversely related to organizational complexity, with smaller chromatin domains exhibiting greater freedom of movement. Chromatin motion was actively constrained during DNA replication, with replication stress further reducing mobility through specific molecular mechanisms essential for maintaining genomic stability. Spatial analysis revealed that nuclear positioning influences chromatin mobility, representing an additional regulatory layer of nuclear organization. During cellular differentiation from pluripotency to committed neural lineages, chromatin dynamics progressively change, correlating with loss of developmental plasticity and establishment of cellular identity. These changes involve global chromatin reorganization and alter accessibility patterns that fundamentally reshape nuclear architecture. This work establishes chromatin mobility as a fundamental property intimately connected to chromatin organization and cellular function. The findings reveal that chromatin dynamics represent actively regulated processes that contribute to genome stability, gene regulation, and cellular identity, providing new insights into how dynamic nuclear organization supports diverse biological functions while maintaining functional stability.

Ein entscheidendes Merkmal biologischer Systeme ist die strenge Organisation zellulärer Prozesse, die es ihnen auch erlaubt, dynamisch auf äußere Reize zu reagieren, um ihr Überleben zu sichern. Der eukaryotische Zellkern stellt eine komplexe subzelluläre Organelle dar, in der DNA- und RNA-Stoffwechsel durch räumlich-zeitlich organisierte Prozesse ablaufen, die sich während des Zellzyklus und der Zelldifferenzierung verändern. Diese Organisation ist inhärent abhängig von der Chromatindynamik und - mobilität innerhalb des Zellkerns, welche gleichzeitig die DNA-Faltung, Chromatinarchitektur und genomische Interaktionen kontrolliert. Diese Dissertation behandelt grundlegende Fragen darüber, wie die Chromatinstruktur während kritischer zellulärer Prozesse reorganisiert und aufrechterhalten wird und wie dies die Chromatinbewegung beeinflusst. Wir nutzten neuartige Methoden zur genomweiten DNA-und Chromatinmarkierung in lebenden Zellen. Lebendzellmikroskopie wurde verwendet zur Chromatinverfolgung in Kombination mit rechnergestützten Methoden zur Segmentierung, Registrierung und Beobachtung von Chromatinstrukturen auf verschiedenen räumlichen Auflösungsebenen. Die Chromatindynamik wurde über mehrere Organisationsebenen und zelluläre Kontexte hinweg untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Chromatinmobilität umgekehrt proportional zur organisatorischen Komplexität steht, wobei kleinere Chromatindomänen eine größere Bewegungsfreiheit aufweisen. Die Chromatinbewegung wird während der DNA-Replikation aktiv eingeschränkt, wobei Replikationsstress die Mobilität durch spezifische molekulare Mechanismen weiter reduziert, die für die Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität essentiell sind. Räumliche Analysen ergaben, dass die Kernpositionierung die Chromatinmobilität beeinflusst und eine zusätzliche regulatorische Ebene der Kernorganisation darstellt. Während der Zelldifferenzierung von Pluripotenz zu festgelegten neuralen Abstammungslinien verändern sich die Chromatindynamiken progressiv und korrelieren mit dem Verlust der Entwicklungsplastizität und der Etablierung der zellulären Identität. Diese Veränderungen beinhalten eine globale Chromatinreorganisation und veränderte Zugänglichkeitsmuster, die die Kernarchitektur grundlegend umgestalten. Diese Arbeit etabliert die Chromatinmobilität als fundamentale Eigenschaft, die eng mit der Chromatinorganisation und Zellfunktion verbunden ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die Chromatindynamik aktiv regulierte Prozesse darstellt, die zur Genomstabilität, Genregulation und zellulären Identität beitragen sowie neue Einblicke darüber liefern, wie die dynamische Kernorganisation vielfältige biologische Funktionen unterstützt und gleichzeitig funktionale Stabilität aufrechterhält.