Während die grundlegende Zusammensetzung der DNA-Doppelhelix seit Jahrzehnten bekannt ist, mehren sich die Hinweise auf das stabile Vorhandensein von modifizierten DNA Basen im Genom. Ebenso ist bekannt, dass der Großteil unseres genetischen Materials aus nicht-kodierender und sich wiederholender DNA besteht, die wichtige Funktionen in der Regulierung, Erhaltung und Organisation des Genoms haben. Zur Vermeidung von Genominstabilität durch den Prozess der (Epi-)Genomverdopplung werden die zugrunde liegenden Prozesse räumlich und zeitlich eng reguliert. Während viele Studien den Replikationszeitpunkt und die Chromatinlandschaften von nicht-repetitiver DNA analysieren, sind ’repeat’ Regionen schwer zu sequenzieren und zuzuordnen, und werden daher in genomweiten Studien häufig ausgeschlossen. Um diesen Nachteil zu überwinden, haben wir ein Protokoll zur gleichzeitigen Visualisierung von spezifischen DNA Repeat-Elementen und DNA Replikation (oder Reparatur) in einzelnen und strukturell intakten 3-dimensionalen Zellkernen (Repli-FISH), entwickelt. Unter Verwendung dieses einzelzellmikroskopischen Ansatzes in menschlichen somatischen Zellen zeigen wir, dass das euchromatische Alu-Element (short interspersed nuclear element (SINE)) in der frühen Synthese (S-) Phase repliziert wird, während der pericentromerische Satellit III ausschließlich in der späten S-Phase repliziert wird. Die Replikation des ’long interspersed nuclear element’ 1 (LINE-1) wird jedoch während der gesamten S-Phase durchgeführt. Der Zusammenschluss von Genomdaten und unserer Einzelzellmikroskopie weist darauf hin, dass die meisten LINE-1 Elemente entsprechend ihrer jeweiligen Histonmodifikationen dupliziert werden. Im Gegensatz dazu wird das perizentromere Heterochromatin in embryonalen Stammzellen (mES) der Maus während der frühen/mittleren S-Phase (Stadium II) repliziert. In ähnlicher Weise werden in diesem Zeitraum auch Mikrosatelliten DNA und Telomere auf dem chromosomalen p-Arm dupliziert, was wir auf eine domino-ähnliche Aktivierung von Replikationsursprüngen zurückführen. Wir zeigen, dass dieser versetzte Replikationszeitpunkt von einem erhöhten Histonacetylierungsniveau und einer offeneren Chromocenterstruktur abhängt. Ebenso beobachten wir eine synchrone Replikation des Y Chromosoms, die unabhängig vom Pluripotenzzustand der Zelle das Ende der S-Phase markiert. Wir untersuchten zusätzlich die Eigenschaften des mES-Zellreplikons, d.h. der DNA, die von einem Ursprung ausgehend repliziert wird, und die Anzahl der aktiven Replikationsorte. Durch eine Kombination aus genomweiter Kartierung von Replikationsursprüngen, Einzelmolekül- und hochauflösender Mikroskopie (3D-SIM) zeigen wir, dass jeder Replikationsfokus, der durch 3D-SIM visualisiert wird, einem einzelnen Replikon entspricht. Darüber hinaus stellen bis zu einem Viertel der Foci unidirektionale Replikationsgabeln dar. Des Weiteren sind die Replikons von Stammzellen kleiner als die in somatischen Zellen, was auf die Aktivierung von doppelt so vielen Replikationsursprüngen die in halber Entfernung voneinander angeordnet sind, zurückzuführen ist. Angesichts der dramatischen Auswirkungen von Veränderungen der Histonacetylierunglevel auf die DNA Replikation untersuchten wir zusätzlich den Einfluss von Cytosin-Modifikationen auf metabolische Kernprozesse. Wir etablierten daher zelluläre Systeme zur Modulation der Menge an modifizierten Cytosinen. Diese basieren auf der Veränderung der Expression von Enzymen, die die Modifikationen anlegen, sowie auf der Transfektion von modifizierten Nukleotiden in Zellen. Wir messen die höchsten Duplex-Stabilitäten für methylierte DNA (5mC), in vitro und in vivo. Dieser Effekt wird von allen oxidierten Cytosin-Varianten aufgehoben. Dementsprechend finden wir höhere Transkriptions-, Replikations- und DNA-Abwicklungsraten in Gegenwart des destabilisierenden 5-Hydroxymethylcytosins (5hmC) und in Abwesenheit des stabilisierenden 5mC. Wir zeigen, dass mES-Zellen, denen 5mC fehlt, das S-Phasen-Stadium II schneller durchlaufen und folgerichtig schnellere Replikationsgabeln aufweisen. Diese Beobachtungen sind nicht das Ergebnis einer veränderten Chromatinkondensation, -struktur, -zugänglichkeit oder -histonlandschaft. Alles in allem kommen wir zu dem Schluss, dass das Fehlen von 5mC die DNA Entwindung und folglich die DNA Replikation und Transkription beschleunigt. Daher könnten modifizierte Cytosine einen Mechanismus für die lokale Feinabstimmung von DNA-Prozessen darstellen. Zusammenfassend tragen unsere Daten zu einem besseren Verständnis der verschiedenen Ebenen der epigenetischen Regulation bei, die an Kern-assoziierten Stoffwechselprozessen beteiligt sind.