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.