La réplication des chromosomes est altérée par les facteurs endogènes et/ou exogènes qui perturbent la progression des fourches de réplication. Les cellules doivent donc coordonner la synthèse d’ADN avec des mécanismes assurant la stabilité et le rétablissement des fourches bloquées. La recombinaison homologue (RH) est un mécanisme universel qui permet la réparation de l’ADN et participe au maintien de la réplication des chromosomes. Néanmoins, les mécanismes qui régulent la RH, notamment la RH ectopique versus la RH allélique, restent mal compris. Un autre mécanisme essentiel assurant la stabilité des génomes est l’assemblage de l’ADN néo-synthétisé autour de nucléosomes, conduisant à la constitution de fibres chromatiniennes nécessaires à l’organisation structurale du matériel génétique. Chez Saccharomyces cerevisiae, des défauts d’assemblage de la chromatine conduisent à une instabilité des fourches de réplication et augmentent le taux de RH. Sachant que les chaperonnes d’histones jouent un rôle crucial durant l’assemblage de la chromatine, j'ai décidé de me concentrer sur le rôle de la chaperonne d’histones H3-H4 appelé Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1) dans les mécanismes de RH, chez Schizosaccharomyces pombe. En effet, la RH est associée à une étape de synthèse de l’ADN, et peu de choses sont connues sur l’assemblage de la chromatine au cours de cette synthèse. Mes résultats ont exclu un rôle de CAF-1 dans la recombinaison allelique et le maintien de la stabilité des fourches de réplication. Par contre, CAF-1 joue un rôle important dans les mécanismes de recombinaisons ectopique et dans la formation de réarrangements chromosomiques induits par des blocages de fourches. Mes données suggèrent un modèle selon lequel CAF-1 permet la stabilisation d’intermédiaires de recombinaison précoces (D-loop), via le dépôt de nucleosomes au cours de l’extension par polymérisation de ces intermédiaires. Ainsi CAF-1 neutralise la dissociation des intermédiaires de recombinaison précoces par l’ADN helicase Rqh1. CAF-1 ferait partie d'un équilibre qui règle la stabilité/dissociation des intermédiaires de recombinaison précoces. J'ai montré que le rôle de CAF-1 dans cet équilibre a une importance toute particulière pendant la recombinaison non-allelique, révélant ainsi un nouveau niveau de régulation des mécanismes de RH par l'assemblage de la chromatine. / The replication of chromosomes can be challenged by endogenous and environmental factors, interfering with the progression of replication forks. Therefore, cells have to coordinate DNA synthesis with mechanisms ensuring the stability and the recovery of halted forks. Homologous recombination (HR) is a universal mechanism that supports DNA repair and the robustness of DNA replication. Nonetheless, mechanisms regulating HR pathways, such as ectopic versus allelic recombination, remain poorly understood. Another essential pathway for genome stability is the wrapping of newly replicated DNA around nucleosomes, leading to the constitution of a chromatin fibre, which allows the structural organization of the genetic material. In Saccharomyces cerevisiae, deficiencies in chromatin assembly pathways lead to replication forks instability and consequent increase in the rate of HR. Histone chaperones play a crucial role during chromatin assembly, thus I decided to focus on the H3-H4 histone chaperone Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1), to study its role in HR processes in Schizosaccharomyces pombe. Indeed, HR includes a DNA synthesis step and little is known about the associated chromatin assembly. My data excluded a role for CAF-1 in allelic recombination and in the maintenance of forks stability. However, CAF-1 was found to play an important role during ectopic recombination, in promoting chromosomal rearrangements induced by halted replication forks. My data support a model according to which CAF-1 allows the stabilization of early recombination intermediates (D-loop), via nucleosome deposition during the elongation of these intermediates. Doing so, CAF-1 counteracts the dissociation of early recombination intermediates by the helicase Rqh1. Therefore, CAF-1 appears to be part of an equilibrium that regulates stability/dissociation of early steps of recombination events. Importantly, I found that the role of CAF-1 in this equilibrium is of particular importance during non-allelic recombination, revealing a novel regulation level of HR mechanisms and outcomes by chromatin assembly.

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La chromatine est plus qu’un système d’empaquetage de l’ADN ; elle est le support de toutes les réactions liées à l’ADN dans le noyau des cellules eucaryotes et participe au contrôle de l’accès de l’ARN polymérase II (ARNPolII) à l’ADN. Responsable de la transcription de tous les ARNm des cellules eucaryotes, l’ARNPolII doit, suivant son recrutement aux promoteurs des gènes, transcrire l’ADN en traversant la matrice chromatinienne. Grâce au domaine C-terminal (CTD) de sa sous-unité Rpb1, elle coordonne la maturation de l’ARNm en cours de synthèse ainsi que les modifications de la chromatine, concomitantes à la transcription. Cette thèse s’intéresse à deux aspects de la transcription : la matrice, avec la localisation de la variante d’histone H2A.Z, et la machinerie de transcription avec le cycle de phosphorylation du CTD de l’ARNPolII. Suivant l’introduction, le chapitre 2 de cette thèse constitue un protocole détaillé et annoté de la technique de ChIP-chip, chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Cette technique phare dans l’étude in vivo des phénomènes liés à l’ADN a grandement facilité l’étude du rôle de la chromatine dans les phénomènes nucléaires, en permettant de localiser sur le génome les marques et les variantes d’histones. Ce chapitre souligne l’importance de contrôles adéquats, spécifiques à l’étude de la chromatine. Au chapitre 3, grâce à la méthode de ChIP-chip, la variante d’histone H2A.Z est cartographiée au génome de la levure Saccharomyces cerevisiae avec une résolution d’environ 300 paires de bases. Nos résultats montrent que H2A.Z orne un à deux nucléosomes au promoteur de la majorité des gènes. L’enrichissement de H2A.Z est anticorrélé à la transcription et nos résultats suggèrent qu’elle prépare la chromatine pour l’activation des gènes. De plus H2A.Z semble réguler la localisation des nucléosomes. Le chapitre suivant s’intéresse à la transcription sous l’angle de la machinerie de transcription en se focalisant sur le cycle de phosphorylation de l’ARN polymérase II. Le domaine C-terminal de sa plus large sous-unité est formé de répétitions d’un heptapeptide YSPTSPS dont les résidus peuvent être modifiés au cours de la transcription. Cette étude localise les marques de phosphorylation des trois résidus sérine de manière systématique dans des souches mutantes des kinases et phosphatases. Nos travaux confirment le profil universel des marques de phosphorylations aux gènes transcrits. Appuyés par des essais in vitro, ils révèlent l’interaction complexe des enzymes impliqués dans la phosphorylation, et identifient Ssu72 comme la phosphatase de la sérine 7. Cet article appuie également la notion de « variantes » des marques de phosphorylation bien que leur étude spécifique s’avère encore difficile. La discussion fait le point sur les travaux qui ont suivi ces articles, et sur les expériences excitantes en cours dans notre laboratoire. / Chromatin is more than just the eucaryotic DNA packaging system; it is the substrate of all reactions involving DNA in eukaryotic cells and actively regulates RNA Polymerase II (RNAPolII) access to DNA. Responsible for all mRNA transcription in eucaryotes, the RNAPolII must, following its recruitment to the pre-initiation complex, overcome the chromatin barrier in order to transcribe genes. The RNAPolII CTD allows for the co-transcriptional coordination of mRNA maturation and chromatin modifications. The work covered in this thesis addresses two aspects of transcription: the chromatin substrate, with the localization of H2A variant, H2A.Z, and the transcription complex with the phosphorylation cycle of the RNAPolII CTD. Following the introduction, chapter 2 constitutes a detailed and annotated Saccharomyces cerevisiae ChIP-chip protocol, from the culture to the hybridization of the array, with an emphasis on the proper controls required for chromatin study. This technique, extremely powerful for the in vivo study of all DNA transactions, leads to a better understanding of chromatin function in nuclear phenomena, thanks to the localization of histone variants and modifications. The third chapter maps the H2A.Z variant across the yeast genome at ~300 base pairs resolution using ChIP-chip. Our data shows that H2A.Z is incorporated into one or two promoter-bound nucleosomes at the majority of genes. H2A.Z enrichment is anticorrelated with transcription, and the results suggest that it configures chromatin structure to poise genes for transcriptional activation. Furthermore, we have shown that H2A.Z can regulate nucleosome positioning. The next chapter focuses on the transcription machinery and, more precisely, on the phosphorylation cycle of RNAPolII. The CTD contains repetitions of a heptapeptide (YSPTSPS) on which all serines are differentially phosphorylated along genes in a prescribed pattern during the transcription cycle. Here, we systematically profiled the location of the RNAPII phospho-isoforms in wild-type cells and mutants for most CTD modifying enzymes. The results provide evidence for a uniform CTD cycle across genes. Together with results from in vitro assays, these data reveal a complex interplay between the modifying enzymes, identify Ssu72 as the Ser7 phosphatase and show that proline isomerization is a key regulator of CTD dephosphorylation at the end of genes. Moreover, it reinforces the notion of variants of the phosphorylation marks, even though the exact nature of the variant is still difficult to identify. The discussion introduces the studies that followed this work, including new projects conceived in our lab.

Eukaryotic genomes are typically organized as chromatin, the complex of DNA and proteins that forms chromosomes within the cell\\\'s nucleus. Chromatin has pivotal roles for a multitude of functions, most of which are carried out by a complex system of covalent chemical modifications of histone proteins. The propagation of patterns of these histone post-translational modifications across cell divisions is particularly important for maintenance of the cell state in general and the transcriptional program in particular. The discovery of epigenetic inheritance phenomena - mitotically and/or meiotically heritable changes in gene function resulting from changes in a chromosome without alterations in the DNA sequence - was remarkable because it disproved the assumption that information is passed to daughter cells exclusively through DNA. However, DNA replication constitutes a dramatic disruption of the chromatin state that effectively amounts to partial erasure of stored information. To preserve its epigenetic state the cell reconstructs (at least part of) the histone post-translational modifications by means of processes that are still very poorly understood. A plausible hypothesis is that the different combinations of reader and writer domains in histone-modifying enzymes implement local rewriting rules that are capable of \\\"recomputing\\\" the desired parental patterns of histone post-translational modifications on the basis of the partial information contained in that half of the nucleosomes that predate replication. It is becoming increasingly clear that both information processing and computation are omnipresent and of fundamental importance in many fields of the natural sciences and the cell in particular. The latter is exemplified by the increasingly popular research areas that focus on computing with DNA and membranes. Recent work suggests that during evolution, chromatin has been converted into a powerful cellular memory device capable of storing and processing large amounts of information. Eukaryotic chromatin may therefore also act as a cellular computational device capable of performing actual computations in a biological context. A recent theoretical study indeed demonstrated that even relatively simple models of chromatin computation are computationally universal and hence conceptually more powerful than gene regulatory networks. In the first part of this thesis, I establish a deeper understanding of the computational capacities and limits of chromatin, which have remained largely unexplored. I analyze selected biological building blocks of the chromatin computer and compare it to system components of general purpose computers, particularly focusing on memory and the logical and arithmetical operations. I argue that it has a massively parallel architecture, a set of read-write rules that operate non-deterministically on chromatin, the capability of self-modification, and more generally striking analogies to amorphous computing. I therefore propose a cellular automata-like 1-D string as its computational paradigm on which sets of local rewriting rules are applied asynchronously with time-dependent probabilities. Its mode of operation is therefore conceptually similar to well-known concepts from the complex systems theory. Furthermore, the chromatin computer provides volatile memory with a massive information content that can be exploited by the cell. I estimate that its memory size lies in the realms of several hundred megabytes of writable information per cell, a value that I compare with DNA itself and cis-regulatory modules. I furthermore show that it has the potential to not only perform computations in a biological context but also in a strict informatics sense. At least theoretically it may therefore be used to calculate any computable function or algorithm more generally. Chromatin is therefore another representative of the growing number of non-standard computing examples. As an example for a biological challenge that may be solved by the \\\"chromatin computer\\\", I formulate epigenetic inheritance as a computational problem and develop a flexible stochastic simulation system for the study of recomputation-based epigenetic inheritance of individual histone post-translational modifications. The implementation uses Gillespie\\\'s stochastic simulation algorithm for exactly simulating the time evolution of the chemical master equation of the underlying stochastic process. Furthermore, it is efficient enough to use an evolutionary algorithm to find a system of enzymes that can stably maintain a particular chromatin state across multiple cell divisions. I find that it is easy to evolve such a system of enzymes even without explicit boundary elements separating differentially modified chromatin domains. However, the success of this task depends on several previously unanticipated factors such as the length of the initial state, the specific pattern that should be maintained, the time between replications, and various chemical parameters. All these factors also influence the accumulation of errors in the wake of cell divisions. Chromatin-regulatory processes and epigenetic (inheritance) mechanisms constitute an intricate and sensitive system, and any misregulation may contribute significantly to various diseases such as Alzheimer\\\'s disease. Intriguingly, the role of epigenetics and chromatin-based processes as well as non-coding RNAs in the etiology of Alzheimer\\\'s disease is increasingly being recognized. In the second part of this thesis, I explicitly and systematically address the two hypotheses that (i) a dysregulated chromatin computer plays important roles in Alzheimer\\\'s disease and (ii) Alzheimer\\\'s disease may be considered as an evolutionarily young disease. In summary, I found support for both hypotheses although for hypothesis 1, it is very difficult to establish causalities due to the complexity of the disease. However, I identify numerous chromatin-associated, differentially expressed loci for histone proteins, chromatin-modifying enzymes or integral parts thereof, non-coding RNAs with guiding functions for chromatin-modifying complexes, and proteins that directly or indirectly influence epigenetic stability (e.g., by altering cell cycle regulation and therefore potentially also the stability of epigenetic states). %Notably, we generally observed enrichment of probes located in non-coding regions, particularly antisense to known annotations (e.g., introns). For the identification of differentially expressed loci in Alzheimer\\\'s disease, I use a custom expression microarray that was constructed with a novel bioinformatics pipeline. Despite the emergence of more advanced high-throughput methods such as RNA-seq, microarrays still offer some advantages and will remain a useful and accurate tool for transcriptome profiling and expression studies. However, it is non-trivial to establish an appropriate probe design strategy for custom expression microarrays because alternative splicing and transcription from non-coding regions are much more pervasive than previously appreciated. To obtain an accurate and complete expression atlas of genomic loci of interest in the post-ENCODE era, this additional transcriptional complexity must be considered during microarray design and requires well-considered probe design strategies that are often neglected. This encompasses, for example, adequate preparation of a set of target sequences and accurate estimation of probe specificity. With the help of this pipeline, two custom-tailored microarrays have been constructed that include a comprehensive collection of non-coding RNAs. Additionally, a user-friendly web server has been set up that makes the developed pipeline publicly available for other researchers. / Eukaryotische Genome sind typischerweise in Form von Chromatin organisiert, dem Komplex aus DNA und Proteinen, aus dem die Chromosomen im Zellkern bestehen. Chromatin hat lebenswichtige Funktionen in einer Vielzahl von Prozessen, von denen die meisten durch ein komplexes System von kovalenten Modifikationen an Histon-Proteinen ablaufen. Muster dieser Modifikationen sind wichtige Informationsträger, deren Weitergabe über die Zellteilung hinaus an beide Tochterzellen besonders wichtig für die Aufrechterhaltung des Zellzustandes im Allgemeinen und des Transkriptionsprogrammes im Speziellen ist. Die Entdeckung von epigenetischen Vererbungsphänomenen - mitotisch und/oder meiotisch vererbbare Veränderungen von Genfunktionen, hervorgerufen durch Veränderungen an Chromosomen, die nicht auf Modifikationen der DNA-Sequenz zurückzuführen sind - war bemerkenswert, weil es die Hypothese widerlegt hat, dass Informationen an Tochterzellen ausschließlich durch DNA übertragen werden. Die Replikation der DNA erzeugt eine dramatische Störung des Chromatinzustandes, welche letztendlich ein partielles Löschen der gespeicherten Informationen zur Folge hat. Um den epigenetischen Zustand zu erhalten, muss die Zelle Teile der parentalen Muster der Histonmodifikationen durch Prozesse rekonstruieren, die noch immer sehr wenig verstanden sind. Eine plausible Hypothese postuliert, dass die verschiedenen Kombinationen der Lese- und Schreibdomänen innerhalb von Histon-modifizierenden Enzymen lokale Umschreibregeln implementieren, die letztendlich das parentale Modifikationsmuster der Histone neu errechnen. Dies geschieht auf Basis der partiellen Informationen, die in der Hälfte der vererbten Histone gespeichert sind. Es wird zunehmend klarer, dass sowohl Informationsverarbeitung als auch computerähnliche Berechnungen omnipräsent und in vielen Bereichen der Naturwissenschaften von fundamentaler Bedeutung sind, insbesondere in der Zelle. Dies wird exemplarisch durch die zunehmend populärer werdenden Forschungsbereiche belegt, die sich auf computerähnliche Berechnungen mithilfe von DNA und Membranen konzentrieren. Jüngste Forschungen suggerieren, dass sich Chromatin während der Evolution in eine mächtige zelluläre Speichereinheit entwickelt hat und in der Lage ist, eine große Menge an Informationen zu speichern und zu prozessieren. Eukaryotisches Chromatin könnte also als ein zellulärer Computer agieren, der in der Lage ist, computerähnliche Berechnungen in einem biologischen Kontext auszuführen. Eine theoretische Studie hat kürzlich demonstriert, dass bereits relativ simple Modelle eines Chromatincomputers berechnungsuniversell und damit mächtiger als reine genregulatorische Netzwerke sind. Im ersten Teil meiner Dissertation stelle ich ein tieferes Verständnis des Leistungsvermögens und der Beschränkungen des Chromatincomputers her, welche bisher größtenteils unerforscht waren. Ich analysiere ausgewählte Grundbestandteile des Chromatincomputers und vergleiche sie mit den Komponenten eines klassischen Computers, mit besonderem Fokus auf Speicher sowie logische und arithmetische Operationen. Ich argumentiere, dass Chromatin eine massiv parallele Architektur, eine Menge von Lese-Schreib-Regeln, die nicht-deterministisch auf Chromatin operieren, die Fähigkeit zur Selbstmodifikation, und allgemeine verblüffende Ähnlichkeiten mit amorphen Berechnungsmodellen besitzt. Ich schlage deswegen eine Zellularautomaten-ähnliche eindimensionale Kette als Berechnungsparadigma vor, auf dem lokale Lese-Schreib-Regeln auf asynchrone Weise mit zeitabhängigen Wahrscheinlichkeiten ausgeführt werden. Seine Wirkungsweise ist demzufolge konzeptionell ähnlich zu den wohlbekannten Theorien von komplexen Systemen. Zudem hat der Chromatincomputer volatilen Speicher mit einem massiven Informationsgehalt, der von der Zelle benutzt werden kann. Ich schätze ab, dass die Speicherkapazität im Bereich von mehreren Hundert Megabytes von schreibbarer Information pro Zelle liegt, was ich zudem mit DNA und cis-regulatorischen Modulen vergleiche. Ich zeige weiterhin, dass ein Chromatincomputer nicht nur Berechnungen in einem biologischen Kontext ausführen kann, sondern auch in einem strikt informatischen Sinn. Zumindest theoretisch kann er deswegen für jede berechenbare Funktion benutzt werden. Chromatin ist demzufolge ein weiteres Beispiel für die steigende Anzahl von unkonventionellen Berechnungsmodellen. Als Beispiel für eine biologische Herausforderung, die vom Chromatincomputer gelöst werden kann, formuliere ich die epigenetische Vererbung als rechnergestütztes Problem. Ich entwickle ein flexibles Simulationssystem zur Untersuchung der epigenetische Vererbung von individuellen Histonmodifikationen, welches auf der Neuberechnung der partiell verlorengegangenen Informationen der Histonmodifikationen beruht. Die Implementierung benutzt Gillespies stochastischen Simulationsalgorithmus, um die chemische Mastergleichung der zugrundeliegenden stochastischen Prozesse über die Zeit auf exakte Art und Weise zu modellieren. Der Algorithmus ist zudem effizient genug, um in einen evolutionären Algorithmus eingebettet zu werden. Diese Kombination erlaubt es ein System von Enzymen zu finden, dass einen bestimmten Chromatinstatus über mehrere Zellteilungen hinweg stabil vererben kann. Dabei habe ich festgestellt, dass es relativ einfach ist, ein solches System von Enzymen zu evolvieren, auch ohne explizite Einbindung von Randelementen zur Separierung differentiell modifizierter Chromatindomänen. Dennoch ängt der Erfolg dieser Aufgabe von mehreren bisher unbeachteten Faktoren ab, wie zum Beispiel der Länge der Domäne, dem bestimmten zu vererbenden Muster, der Zeit zwischen Replikationen sowie verschiedenen chemischen Parametern. Alle diese Faktoren beeinflussen die Anhäufung von Fehlern als Folge von Zellteilungen. Chromatin-regulatorische Prozesse und epigenetische Vererbungsmechanismen stellen ein komplexes und sensitives System dar und jede Fehlregulation kann bedeutend zu verschiedenen Krankheiten, wie zum Beispiel der Alzheimerschen Krankheit, beitragen. In der Ätiologie der Alzheimerschen Krankheit wird die Bedeutung von epigenetischen und Chromatin-basierten Prozessen sowie nicht-kodierenden RNAs zunehmend erkannt. Im zweiten Teil der Dissertation adressiere ich explizit und auf systematische Art und Weise die zwei Hypothesen, dass (i) ein fehlregulierter Chromatincomputer eine wichtige Rolle in der Alzheimerschen Krankheit spielt und (ii) die Alzheimersche Krankheit eine evolutionär junge Krankheit darstellt. Zusammenfassend finde ich Belege für beide Hypothesen, obwohl es für erstere schwierig ist, aufgrund der Komplexität der Krankheit Kausalitäten zu etablieren. Dennoch identifiziere ich zahlreiche differentiell exprimierte, Chromatin-assoziierte Bereiche, wie zum Beispiel Histone, Chromatin-modifizierende Enzyme oder deren integrale Bestandteile, nicht-kodierende RNAs mit Führungsfunktionen für Chromatin-modifizierende Komplexe oder Proteine, die direkt oder indirekt epigenetische Stabilität durch veränderte Zellzyklus-Regulation beeinflussen. Zur Identifikation von differentiell exprimierten Bereichen in der Alzheimerschen Krankheit benutze ich einen maßgeschneiderten Expressions-Microarray, der mit Hilfe einer neuartigen Bioinformatik-Pipeline erstellt wurde. Trotz des Aufkommens von weiter fortgeschrittenen Hochdurchsatzmethoden, wie zum Beispiel RNA-seq, haben Microarrays immer noch einige Vorteile und werden ein nützliches und akkurates Werkzeug für Expressionsstudien und Transkriptom-Profiling bleiben. Es ist jedoch nicht trivial eine geeignete Strategie für das Sondendesign von maßgeschneiderten Expressions-Microarrays zu finden, weil alternatives Spleißen und Transkription von nicht-kodierenden Bereichen viel verbreiteter sind als ursprünglich angenommen. Um ein akkurates und vollständiges Bild der Expression von genomischen Bereichen in der Zeit nach dem ENCODE-Projekt zu bekommen, muss diese zusätzliche transkriptionelle Komplexität schon während des Designs eines Microarrays berücksichtigt werden und erfordert daher wohlüberlegte und oft ignorierte Strategien für das Sondendesign. Dies umfasst zum Beispiel eine adäquate Vorbereitung der Zielsequenzen und eine genaue Abschätzung der Sondenspezifität. Mit Hilfe der Pipeline wurden zwei maßgeschneiderte Expressions-Microarrays produziert, die beide eine umfangreiche Sammlung von nicht-kodierenden RNAs beinhalten. Zusätzlich wurde ein nutzerfreundlicher Webserver programmiert, der die entwickelte Pipeline für jeden öffentlich zur Verfügung stellt.

This work explores the equilibrium structure and thermodynamic phase behavior of complexes formed by charged polymer chains (polyelectrolytes) and oppositely charged spheres (macroions). Polyelectrolyte-macroion complexes form a common pattern in soft-matter physics, chemistry and biology, and enter in numerous technological applications as well. From a fundamental point of view, such complexes are interesting in that they combine the subtle interplay between electrostatic interactions and elastic as well as entropic effects due to conformational changes of the polymer chain, giving rise to a wide range of structural properties. This forms the central theme of theoretical studies presented in this thesis, which concentrate on a number of different problems involving strongly coupled complexes, i.e. complexes that are characterized by a large adsorption energy and small chain fluctuations. <br><br> In the first part, a global analysis of the structural phase behavior of a single polyelectrolyte-macroion complex is presented based on a dimensionless representation, yielding results that cover a wide range of realistic system parameters. Emphasize is made on the interplay between the effects due to the polyelectrolytes chain length, salt concentration and the macroion charge as well as the mechanical chain persistence length. The results are summarized into generic phase diagrams characterizing the wrapping-dewrapping behavior of a polyelectrolyte chain on a macroion. A fully wrapped chain state is typically obtained at intermediate salt concentrations and chain lengths, where the amount of polyelectrolyte charge adsorbed on the macroion typically exceeds the bare macroion charge leading thus to a highly overcharged complex. <br><br> Perhaps the most striking features occur when a single long polyelectrolyte chain is complexed with many oppositely charged spheres. In biology, such complexes form between DNA (which carries the cell's genetic information) and small oppositely charged histone proteins serving as an efficient mechanism for packing a huge amount of DNA into the micron-size cell nucleus in eucaryotic cells. The resultant complex fiber, known as the chromatin fiber, appears with a diameter of 30~nm under physiological conditions. Recent experiments indicate a zig-zag spatial arrangement for individual DNA-histone complexes (nucleosome core particles) along the chromatin fiber. A numerical method is introduced in this thesis based on a simple generic chain-sphere cell model that enables one to investigate the mechanism of fiber formation on a systematic level by incorporating electrostatic and elastic contributions. As will be shown, stable complex fibers exhibit an impressive variety of structures including zig-zag, solenoidal and beads-on-a-string patterns, depending on system parameters such as salt concentration, sphere charge as well as the chain contour length (per sphere). The present results predict fibers of compact zig-zag structure within the physiologically relevant regime with a diameter of about 30~nm, when DNA-histone parameters are adopted. <br><br> In the next part, a numerical method is developed in order to investigate the role of thermal fluctuations on the structure and thermodynamic phase behavior of polyelectrolyte-macroion complexes. This is based on a saddle-point approximation, which allows to describe the experimentally observed reaction (or complexation) equilibrium in a dilute solution of polyelectrolytes and macroions on a systematic level. This equilibrium is determined by the entropy loss a single polyelectrolyte chain suffers as it binds to an oppositely charged macroion. This latter quantity can be calculated from the spectrum of polyelectrolyte fluctuations around a macroion, which is determined by means of a normal-mode analysis. Thereby, a stability phase diagram is obtained, which exhibits qualitative agreement with experimental findings. <br><br> At elevated complex concentrations, one needs to account for the inter-complex interactions as well. It will be shown that at small separations, complexes undergo structural changes in such a way that positive patches from one complex match up with negative patches on the other. Furthermore, one of the polyelectrolyte chains may bridge between the two complexes. These mechanisms lead to a strong inter-complex attraction. As a result, the second virial coefficient associated with the inter-complex interaction becomes negative at intermediate salt concentrations in qualitative agreement with recent experiments on solutions of nucleosome core particles. / In dieser Arbeit werden Gleichgewichtsstrukturen und die thermodynamischen Phasen von Komplexen aus geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) und entgegengesetzt geladenen Kugeln (Makroionen) untersucht. Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe bilden ein grundlegendes und wiederkehrendes Prinzip in der Physik weicher Materie sowie in Chemie und Biologie. In zahlreichen technologischen Prozessen finden sich ebenfalls Anwendungsbeispiele für derartige Komplexe. Zusätzlich zu ihrem häufigen Auftreten sind sie aufgrund ihrer Vielfalt von strukturellen Eigenschaften von grundlegendem Interesse. Diese Vielfalt wird durch ein Zusammenspiel von elektrostatischen Wechselwirkungen sowie elastischen und entropischen Effekten aufgrund von Konformationsänderungen in der Polymerkette bedingt und bildet das zentrale Thema der theoretischen Studien, die mit dieser Arbeit vorgelegt werden. Verschiedene Strukturen und Prozesse, die stark gekoppelte Komplexe beinhalten - das sind solche, für die eine hohe Adsorptionsenergie und geringe Fluktuationen in den Polymerketten charakteristisch sind -, bilden das Hauptthema der Arbeit. <br><br> Basierend auf einer dimensionslosen Darstellung wird im ersten Teil der Arbeit in einer umfassenden Analyse das strukturelle Phasenverhalten einzelner Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe behandelt. Der Schwerpunkt wird hier auf das Wechselspiel zwischen Effekten aufgrund der Polyelektrolytkettenlänge, ihrer mechanischen Persistenzlänge, der Salzkonzentration und der Ladung des Makroions gelegt. Die Ergebnisse werden in allgemeinen Phasendiagrammen zusammengestellt, das das Aufwickeln-Abwickeln-Verhalten der Polyelektrolytkette auf einem Makroion beschreibt. Ein Zustand mit komplett aufgewickelter Kette tritt typischerweise bei mittleren Salzkonzentrationen und Kettenlängen auf; häufig ist hier die auf dem Makroion adsorbierte Gesamtladung des Polyelektrolyts größ er als die Ladung des nackten Makroions, d.h. es findet in hohem Grad Ladungsinversion statt. <br><br> Äußerst bemerkenswerte Eigenschaften treten auf, wenn eine einzelne lange Polyelektrolytkette viele, ihr entgegengesetzt geladene Kugeln komplexiert. In biologischen Systemen findet man solche Komplexe zwischen DNS, die die genetische Information einer Zelle trägt, und kleinen, entgegengesetzt geladenen Histonproteinen. Diese Komplexe dienen als effizienter Mechanismus, die groß e Menge an DNS im Mikrometer-groß en Zellkern eukaryotischer Zellen zu komprimieren. Die dadurch erhaltene komplexe Faser, eine Chromatinfaser, hat unter physiologischen Bedingungen einen Durchmesser von nur etwa 30~nm. Neue Experimente haben gezeigt, dass eine räumliche Zickzack-Anordnung einzelner DNA-Histon-Komplexe entlang der Chromatinfaser vorliegt. In der hier vorgelegten Arbeit wird eine numerische Methode vorgestellt, die auf einem einfachen Ketten-Kugel-Zell-Modell basiert und die die systematische Untersuchung des Mechnismus zur Faserbildung ermöglicht, wobei sowohl elektrostatische als auch elastische Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass stabile Komplexfasern in Abhängigkeit von der Salzkonzentration, der Kugelladung und der Kettenkonturlänge eine Vielfalt von Strukturen aufweisen, darunter Zickzack-, Solenoid- und Perlenkettenformen. Für physiologisch relevante Bedingungen werden mit dieser Methode für DNA-Histon-Komplexe Fasern kompakter Zickzack-Struktur mit einem Durchmesser von etwa 30~nm erhalten. <br><br> Im folgenden Teil wird eine numerische Methode entwickelt, um den Einfluss thermischer Fluktuationen auf Struktur und thermodynamisches Phasenverhalten der Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe zu untersuchen. Basierend auf der Sattelpunktsnäherung werden die experimentell beobachteten Reaktionsgleichgewichte in verdünnten Lösungen von Polyelektrolyten und Makroionen systematisch beschrieben. Das Gleichgewicht ist durch einen Verlust an Entropie für die einzelne Polyelektrolytkette durch die Bindung an das entgegengesetzt geladene Makroion gekennzeichnet. Diese Größ e wurde aus dem Spektrum der Polyelektrolytfluktuationen um das Makroion erhalten und mittels einer Analyse der Normalmoden berechnet. Hierüber wird ein Phasendiagramm zur Stabilität der Komplexe erhalten, das qualitativ gute Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen aufweist. <br><br> Bei höheren Komplexkonzentrationen müssen auch die Wechselwirkungen zwischen den Komplexen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass sich die Struktur der Komplexe bei kleinen Abständen so ändert, dass positiv geladene Bereiche eines Komplexes mit negativ geladenen auf einem Nachbarkomplex räumlich korrelieren. Weiterhin können einzelne Polyelektrolytketten als verbrückendes Element zwischen zwei Komplexen dienen. Dieser Mechanismus führt zu starker effektiver Anziehung zwischen den Komplexen. In Übereinstimmung mit kürzlich durchgeführten Experimenten ist als Folge davon der zweite Virialkoeffizient der Wechselwirkung zwischen Komplexen bei mittleren Salzkonzentrationen negativ.

Tip60 is a 60 kDa nuclear protein which exists in three isoforms, belongs to the MYST/HAT family of proteins and was discovered after its interaction with the Human HIV-1 Tat. As a nuclear protein, Tip60 can act as a coactivator or repressor. To understand the HAT action of Tip60, two possible catalytic models exist; the ping-pong and the ternary complex formation models. In correlation with the exploration of HAT catalytic action, mutations of a Cys to Ala and a Glu to Gln on Esa1 (yeast homolog of Tip60 and MYST/HAT prototype), was reported to show wild type-like and decreased acetylating properties, respectively. In this work, Tip60 HAT action was explored. In Tip60, the Cys in the active site is important for acetylation of the H4(1-20) substrate and the Glu showed semi loss in acetylating the H4(1-20) peptide substrate. These data highlight a unique mechanism of Tip60 catalysis.

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