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Bayesian imaging with ground-based telescopes
Get PDFAstronomical observations have an immense impact not only on astrophysics and cosmology but also on physics in general. Over the past decades and centuries, increasingly sensitive telescopes have been developed to study the universe in ever greater detail. Nowadays, astronomy is closely connected with statistics and data science to analyze observational data and to exploit the full potential of modern telescopes. This thesis contributes algorithms to improve the reconstruction of astronomical images from raw observational data.
Modern astronomy observes radiation originating from the universe across the entire electromagnetic spectrum. However, observations of optical light and radio waves continue to play a unique role, as these are the only frequencies at which the atmosphere of the Earth is transparent, such that ground-based observations are possible. The algorithms presented in this thesis have been developed for ground-based optical and radio telescopes to reduce the influence of atmospheric fluctuations on the images and to improve the processing of large radio interferometer data sets.
Without precise correction techniques, atmospheric fluctuations lead to a blurring of telescope images, reducing the resolution and dynamic range. The first part of the thesis deals with the reconstruction of images in the presence of atmospheric perturbations. In particular, the thesis contributes two algorithms for optical and radio telescopes that reconstruct estimates of the perturbations together with the unperturbed image from the raw telescope data. The algorithms significantly increase the resolution and dynamic range of the recovered images.
Modern radio interferometers constructed in recent years produce significantly larger measurement datasets than previous generation telescopes, and the amount of data will continue to increase with future instruments. This increase in data size imposes challenges for image reconstruction algorithms, especially when aiming at high precision. The second part of the thesis addresses these challenges and introduces the fast-resolve algorithm, which uses concepts of the computationally cheaper but less accurate CLEAN algorithm to significantly speed up the high-precision reconstruction of radio interferometric datasets.
The algorithms introduced in this thesis are based on Bayesian inference, enabling an uncertainty quantification of the recovered results. Besides the high accuracy of the presented algorithms, this is an additional advantage, as many commonly used imaging methods cannot provide reliable uncertainty estimates.Astronomische Beobachtungen sind nicht nur für die Astrophysik und Kosmologie von großer Bedeutung, sondern auch für die Physik im Allgemeinen. In den letzten Jahrzehnten und Jahrhunderten wurden immer empfindlichere Teleskope entwickelt, um das Universum immer genauer zu erforschen. Heutzutage ist die Astronomie eng mit der Statistik und den Datenwissenschaften verbunden, um Beobachtungsdaten zu analysieren und das volle Potenzial moderner Teleskope auszuschöpfen. In dieser Arbeit werden Algorithmen zur Verbesserung der Rekonstruktion astronomischer Bilder aus den Rohdaten der Beobachtungen vorgestellt.
Die moderne Astronomie misst die Strahlung aus dem Universum im gesamten elektromagnetischen Spektrum. Die Beobachtung von optischem Licht und Radiowellen spielt jedoch nach wie vor eine einzigartige Rolle, da nur in diesen Frequenzen die Erdatmosphäre transparent ist und somit Beobachtungen vom Erdboden aus möglich sind. Die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen wurden für bodengebundene optische Teleskope und Radioteleskope entwickelt, um den Einfluss atmosphärischer Fluktuationen auf die Bilder zu reduzieren und die Verarbeitung großer Radiointerferometer-Datensätze zu verbessern.
Ohne genaue Korrektur führen atmosphärische Fluktuationen zu unscharfen Teleskopbildern mit reduziertem Kontrast. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Rekonstruktion von Bildern in Gegenwart atmosphärischer Störungen. Insbesondere werden zwei Algorithmen für optische und Radioteleskope entwickelt, die aus den Rohdaten der Teleskope Schätzungen der Störungen zusammen mit dem ungestörten Bild rekonstruieren. Die Algorithmen erhöhen die Auflösung und den Kontrast der rekonstruierten Bilder erheblich.
Moderne Radiointerferometer, die in den letzten Jahren gebaut wurden, erzeugen wesentlich größere Messdatensätze als Teleskope früherer Generationen, und die Datenmengen werden bei zukünftigen Instrumenten weiter ansteigen. Diese Zunahme der Datenmenge stellt eine Herausforderung für die Algorithmen zur Bildrekonstruktion dar, insbesondere wenn eine hohe Genauigkeit angestrebt wird. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit diesen Herausforderungen und stellt den fast-resolve Algorithmus vor, der Konzepte des rechnerisch günstigeren, aber weniger genauen CLEAN Algorithmus nutzt und dadurch die hochgenaue Rekonstruktion radiointerferometrischer Datensätze erheblich beschleunigt.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen basieren auf der Bayes'schen Inferenz, die eine Quantifizierung der Unsicherheit der Ergebnisse ermöglicht. Neben der hohen Genauigkeit ist dies ein zusätzlicher Vorteil, da viele andere häufig verwendete bildgebende Verfahren keine zuverlässigen Unsicherheitsabschätzungen erlauben
PSMA-PET/CT-geführte Strahlentherapie beim rezidivierten oder metastasierten Prostatakarzinom
Get PDFSexuelles Risikoverhalten und sexuelle Reviktimisierung bei Patient:innen mit Borderline-Persönlichkeitsstörung in Abhängigkeit von sexuellem Kindesmissbrauch
Get PDFDer Zusammenhang zwischen sexuellem Kindesmissbrauch (CSA) und sexuellem Risikoverhalten (SRV) sowie zwischen der Borderline-Persönlichkeitsstörung (BPS) und SRV ist in der Literatur gut belegt. Es gibt bislang jedoch keine Studien, die den Einfluss von CSA auf zwanghaftes Sexualverhalten (ZSV) und SRV bei Patient:innen mit BPS untersuchten und dabei den Schweregrad der Borderline-Symptomatik berücksichtigten. Außerdem ist bis dato wenig zu sexueller Reviktimisierung und BPS in Abhängigkeit von CSA und SRV bekannt. In der vorliegenden multizentrischen, prospektiven, kontrollierten Studie mit 172 gesunden Proband:innen (Kontrollgruppe; KG) und 120 Patient:innen mit BPS wurde überprüft, wie sich 1. die KG von den Patient:innen und 2. Patient:innen mit und ohne CSA jeweils in folgenden Aspekten voneinander unterscheiden: a) ZSV, b) SRV (operationalisiert durch den Sexual Risk Survey (SRS), Alter beim ersten Geschlechtsverkehr, Anzahl unverbindlicher Sexualpartner:innen und sexuell übertragbarer Erkrankungen (STIs), Verhütung beim Sex, ungeplante Schwangerschaften und Prostitution sowie BDSM und sexuellen Masochismus) und c) sexuelle Selbstbestimmtheit. Zudem wurde untersucht, welche Prädiktoren SRV und sexuelle Reviktimisierung bei Patient:innen mit BPS vorhersagen. Die Ergebnisse von t-Tests, χ2-Tests, einer MANOVA sowie multiplen hierarchischen Regressionsanalysen waren teil-weise hypothesenkonform. Die Patient:innen wiesen im Vergleich zur KG mehr ZSV sowie impulsives sexuelles Verhalten auf, bestanden seltener auf Verhütung beim Sex, begaben sich häufiger in Prostitution und praktizierten häufiger BDSM. Im Unterschied zu den Patient:innen ohne CSA bestanden jene mit CSA seltener auf Verhütung. Bzgl. der anderen Kriterien zeigten die Patient:innen mit CSA nur deskriptiv mehr ZSV, SRV sowie einen niedrigeren Grad an sexueller Selbstbestimmtheit. Ebenso zeichnete sich der Trend ab, dass Patient:innen mit mittlerer bis schwerer Borderline-Symptomatik und CSA mehr SRV aufwiesen als jene ohne CSA bzw. mit niedriger Symptomatik und CSA. Patient:innen mit CSA waren häufiger von sexueller Reviktimisierung betroffen. Dissoziation beim Sex vermittelte den Zusammenhang zwischen CSA und impulsivem sexuellen Verhalten. Alter beim ersten Sex, ZSV und intrinsische Motive für Sexualität waren Prädiktoren für die Anzahl unverbindlicher Sexualpartner:innen; CSA und Anzahl unverbindlicher Sexualpartner:innen sagten die Anzahl an STIs vorher. Außerdem moderierten Anzahl unverbindlicher Sexualpartner:innen, Bestehen auf Verhütung sowie Eingehen von sexuellen Risiken mit losen Sexualkontakten den Zusammenhang von CSA und Anzahl an STIs. Sexueller Missbrauch im Erwachsenenalter (ASA) wurde durch CSA, Posttraumatische Belastungsstörung (PTBS), ZSV, Alter beim ersten Sex sowie Dissoziation beim Sex vorhergesagt. Die Ergebnisse liefern Hinweise da-rauf, dass SRV bei Patient:innen mit BPS von CSA und dem Borderline-Schweregrad abhängt. Es ist zu erwarten, dass sich in Folgestudien mit einem größeren Stichprobenumfang auch inferenzstatistisch signifikante Effekte zeigen würden
Identifying differential read density in functional genomics data
Get PDFThe introduction of high-throughput next-generation sequencing (NGS) methods now allows genome-wide investigations into gene regulation at unprecedented detail and scale. Yet, this also increased complexity of analyses and has introduced new challenges for bioinformatics. One major challenge that has hardly been addressed so far is the identification of differences in read distributions on individual genomic regions, e.g., genes or promoters.
In this thesis, we developed novel methods to identify genomic regions exhibiting significant changes in read distributions. This was motivated by analyses of changes in promoterproximal pausing of polymerase II (Pol II) and chromatin accessibility in lytic Herpes virus type 1 (HSV-1) infection. Existing methods for analyzing changes in Pol II pausing focus only on ratios of read counts within specific windows and cannot distinguish between simple increases or decreases in pausing or more complex changes in Pol II distribution.
To address this limitation, we first developed an approach based on clustering Pol II occupancy profiles around promoters. This revealed a prevalent delay of Pol II pausing to more downstream sites for most host genes in HSV-1 infection. Since this first method was still incapable of detecting changes in read distributions at single-gene level, we developed RegCFinder to determine subregions of genomic windows that exhibit differences in read distributions between two conditions. RegCFinder allows to focus on any regions of interest for any type of sequencing assay. We applied RegCFinder to investigate changes of chromatin accessibility and nucleosome positioning in promoter regions during HSV-1 infection. This uncovered a major change in chromatin architecture upon HSV-1 infection for the majority of host genes. Here, relaxation of +1 nucleosome positions led to a broadening of accessible chromatin regions at the transcription start site (TSS) into downstream regions depending on transcription levels in uninfected cells.
In summary, this thesis presents novel contributions toward identifying changes in read density at gene level for any type of sequencing data. Furthermore, application of these methods provided new insights into infection with a common human pathogen.Die Einführung von Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation (NGS) ermöglicht nun genomweite Untersuchungen zur Genregulation in bisher nicht gekanntem Detailgrad und Maßstab. Dies hat jedoch auch die Komplexität der Analysen erhöht und zu neuen Herausforderungen für die Bioinformatik geführt. Darunter wurde die Identifizierung von Unterschieden in der Verteilung von Reads in einzelnen genomischen Regionen, zum Beispiel in Genen oder Promotoren, bisher nur wenig adressiert.
In dieser Arbeit haben wir neuartige Methoden entwickelt, um genomische Regionen mit signifikanten Veränderungen in der Verteilung von Reads zu identifizieren. Dies wurde motiviert durch Analysen von Veränderungen im promoter-proximalen Pausieren der Polymerase II (Pol II) und der Chromatin-Zugänglichkeit bei einer lytischen Infektion mit dem Herpesvirus Typ 1 (HSV-1). Bestehende Methoden zur Analyse von Veränderungen im Pausieren von Pol II konzentrieren sich ausschließlich auf Verhältnisse von Read-Zahlen innerhalb bestimmter Fenster und können nicht zwischen einfachen Zu- oder Abnahmen des Pausierens oder komplexeren Veränderungen in der Pol II-Verteilung unterscheiden.
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir zuerst einen Ansatz entwickelt, der auf dem Clustern von Pol II Profilen um Promotoren basiert. Dabei zeigte sich, dass Pol II bei den meisten Wirtsgenen bei einer HSV-1-Infektion häufiger an stromabwärts gelegenen Stellen pausiert. Da diese erste Methode immer noch nicht in der Lage war, Veränderungen in der Verteilung von Reads auf Einzelgen-Ebene zu erkennen, haben wir RegCFinder entwickelt, um Unterregionen von genomischen Fenstern zu bestimmen, die Unterschiede in der Verteilung von Reads zwischen zwei Bedingungen aufweisen.
RegCFinder ermöglicht es, sich auf beliebige gewünschte Regionen für jede Art von Sequenzierungsdaten zu konzentrieren. Wir haben RegCFinder angewendet, um Veränderungen der Chromatin-Zugänglichkeit und der Positionierung der Nukleosomen in Promotorregionen während einer HSV-1-Infektion zu untersuchen. Dies enthüllte eine wesentliche Veränderung der Chromatin-Architektur bei einer HSV-1-Infektion für die Mehrheit der Wirtsgene. Hier führte die Relaxation von +1-Nukleosomen zu einer Verbreiterung der zugänglichen Chromatin-Regionen an der Transkriptions-Startstelle (TSS) in Abhängigkeit vom Transkriptionsniveau in nicht infizierten Zellen.
Zusammenfassend liefert diese Arbeit neue Beiträge zur Identifizierung von Änderungen in der Read-Dichte auf Gen-Ebene für jede Art von Sequenzierungsdaten. Die Anwendung dieser Methoden lieferte darüber hinaus neue Erkenntnisse über die Infektion mit einem weitverbreiteten menschlichen Krankheitserreger
Eine retrospektive Kohortenanalyse: klinische Charakteristika und Immuntherapien bei Patienten mit Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankungen und Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein-Antikörper assoziierten Erkrankungen am Institut für Klinische Neuroimmunologie
Get PDFDie Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung (NMOSD) ist eine seltene Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS). Bei über 80 % der Patienten mit Diagnose einer NMOSD können Aquaporin-4-Antikörper (AQP4-AK) detektiert werden. Bei einem Teil der NMOSD-Patienten ohne AQP4-AK kann der Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein-Antikörper (MOG-AK) nachgewiesen werden. Die MOG-AK assoziierten Erkrankungen (MOGAD) haben sich inzwischen als eigenes Krankheitsbild etabliert. Patienten, die keinen der beiden Antikörper aufweisen und dennoch die Diagnosekriterien für eine NMOSD nach Wingerchuk et al.(6) erfüllen, können mit seronegativer NMOSD diagnostiziert werden. Phänotypisch können die NMOSD und MOGAD sehr ähnlich sein und manifestieren sich häufig mit schweren Optikusneuritiden und teils langstreckigen Myelitiden. Jedoch ergeben sich sowohl Unterschiede hinsichtlich der Erstmanifestation und des Krankheitsverlaufs wie auch bezüglich der Therapiestrategien. Bei beiden Erkrankungen kann es durch das Auftreten von Erkrankungsschüben mit teils schlechter Remission zu einer zunehmenden neurologischen Behinderung kommen. Diese wird üblicherweise mit Hilfe einer für die Multiple Sklerose (MS) etablierten Skala, dem expanded disability status scale (EDSS), gemessen und beurteilt.
In dieser Arbeit wurden eine für die Seltenheit der Erkrankungen große monozentrische Patientenkohorte (n=86) des Instituts für Klinische Neuroimmunologie anhand von retrospektiven Datensätzen von Patienten, die am Neuromyelitis optica Studienregister (NEMOS) teilnehmen, detailliert analysiert. Dabei wurden die klinischen Charakteristika und der Langzeitverlauf der Erkrankung sowie dokumentierte Immuntherapien einschließlich Nebenwirkungen im Detail herausgearbeitet.
Die Patienten gliederten sich in folgende drei Kohorten: Kohorte 1: AQP4-AK-seropositive Patienten (n=50), Kohorte 2: MOG-AK-seropositive Patienten (n=28) und Kohorte 3: doppelt-seronegative Patienten (n=8, wobei bei fünf Patienten die Diagnose NMOSD gestellt werden konnte).
Das Alter bei Erkrankungsbeginn war bei den AQP4-AK-seropositiven Patienten (Kohorte 1) im Durchschnitt mit 45,6 Jahren signifikant höher als bei den MOG-AK-seropositiven Patienten (Kohorte 2) mit 34,1 Jahren. Bei der AQP4-AK-seropositiven NMOSD war das weibliche Geschlecht mit einem Geschlechterverhältnis von 7,3 : 1 (w : m) am stärksten betroffen im Vergleich zu den MOG-AK-seropositiven (1,2 : 1) und doppelt-seronegativen Patienten (0,6 : 1). Der durchschnittliche aktuellste EDSS als Ausdruck des Schweregrades der Behinderung war signifikant höher bei AQP4-AK-seropositiven Patienten (EDSS=4,3) im Vergleich zu MOG-AK-seropositiven Patienten (EDSS=2,2). Auch bei den doppelt-seronegativen Patienten war der durchschnittliche EDSS mit 5,0 signifikant höher als bei den MOG-AK-seropositiven Patienten. Allerdings unterschied sich die durchschnittliche Erkrankungsdauer zwischen den drei Kohorten. Sie war bei den AQP4-AK seropositiven Patienten mit 11,0 Jahren am längsten, gefolgt von den doppelt-seronegativen Patienten mit 8,6 und den MOG-AK seropositiven Patienten mit 7,0 Jahren. Es ist nicht auszuschließen, dass mit einer längeren Beobachtungsdauer weitere Schübe auftreten, die zu einer Zunahme der Behinderung beziehungsweise des EDSS führen. Neuerkrankungen ab dem 66. Lebensjahr (Very-late-onset) gab es nur bei sechs NMOSD Patienten aus Kohorte 1.
Die Erkrankung manifestierte sich zu Beginn bei AQP4-AK-seropositiven und doppelt-seronegativen Patienten am häufigsten mit einer Myelitis, wobei sich die MOG-AK-seropositiven Patienten öfter mit einer Optikusneuritis präsentierten. Ein Area-postrema-Syndrom als Erstmanifestation wurde häufiger bei AQP4-AK seropositiver NMOSD (16 %) und doppelt-seronegativer NMOSD (25 %) als bei MOG-AK seropositiven Patienten (7 %) verzeichnet.
Wiederholte AQP4- und MOG-AK Messungen ergaben, dass bei 13 AQP4-AK-seropositiven Patienten und bei drei MOG-AK-seropositiven Patienten im Verlauf kein Antikörper mehr nachgewiesen werden konnte. Die AQP4-AK-seropositiven Patienten konvertierten im Schnitt 6,7 Jahre nach Erkrankungsbeginn seronegativ und die MOG-AK-seropositiven Patienten 0,8 Jahre nach Erkrankungsbeginn. Davon erhielt nur ein AQP4-AK-seropositiver Patient keine Immuntherapie zwischen beiden Messungen. Die Bedeutung einer Seroreversion im Langzeitverlauf dieser Erkrankungen ist noch nicht abschließend geklärt.
Zusätzlich zur NMOSD oder MOGAD auftretende koexistenzielle Autoimmunerkrankungen kamen bei AQP4-AK-seropositiven Patienten mit 26 % häufiger vor als bei Patienten mit MOG-AK (3,6 %). Bei doppelt-seronegativen Patienten gab es keine koexistenzielle Autoimmunerkrankung. Es traten 13 Tumorerkrankungen bei zwölf verschiedenen Patienten auf (zehn AQP4-AK-seropositive und zwei MOG-AK-seropositive Patienten), von denen vier im zeitlichen Zusammenhang mit der NMOSD-Ersterkrankung standen. Eine Einordnung als paraneoplastische NMOSD wäre grundsätzlich in diesen Fällen möglich.
Bezüglich der Langzeit-Immuntherapien zeigte sich, dass Rituximab in den zehn Jahren des untersuchten Zeitraums (2010-2020) in der gesamten Kohorte zuneh-mend häufiger verabreicht wurde. Zuletzt wurden AQP4-AK-seropositive Patienten am häufigsten mit Rituximab behandelt, wohingegen MOG-AK-seropositive Patienten oft unbehandelt waren (30 % im Jahre 2020) oder Therapien mit klassischen Immunsuppressiva (CIS: Azathioprin, Mycophenolat Mofetil und Methotrexat) erhielten. Hinsichtlich des Erkrankungsverlaufs zeigte sich bei der Analyse der Langzeittherapien, dass vor allem AQP4-AK-seropositive Patienten unter Rituximab-Therapie stabile EDSS-Werte hatten, wohingegen sich unter CIS-Therapie bei diesen Patienten eine Verschlechterung des EDSS-Wertes zeigte. Dagegen blieben die EDSS-Werte bei MOG-AK-seropositiven Patienten unter CIS-Therapie stabil. Bei Betrachtung der Schübe unter Langzeittherapie fiel auf, dass AQP4-AK-seropositive Patienten unter Rituximab-Therapie weniger Schübe als unter CIS-Therapie hatten und, dass MOG-AK-seropositive Patienten unter CIS-Therapie weniger Schübe als AQP4-AK-seropositive Patienten unter CIS-Therapie hatten. Schübe unter Rituximab-Therapie traten häufiger nach verlängertem Infusionsintervall auf.
Generell wurden Rituximab-Therapien seltener beendet (knapp 30 %) als CIS-Therapien (78 %). Hauptgründe für den Abbruch der Therapien waren Therapieversagen (vor allem bei den CIS-Therapien) und Nebenwirkungen in Form von Infekten. Es wurden speziell die Nebenwirkungen unter Langzeittherapie (mindestens 24 Monate) untersucht, wobei auffiel, dass bei Rituximab-Therapien Infektionen bei längerer Therapiedauer tendenziell weniger wurden, allerdings in ihrer Ausprägung schwerer. Unter Azathioprin-Langzeittherapie waren Blutbild- (z.B. Leukozytope-nien) und/oder Leberwertveränderungen am häufigsten.
Messungen der Serumimmunglobulinwerte bei Langzeittherapien (n=49) mit Rituximab (n=29) oder CIS (n=20) zeigten einen stärkeren prozentualen Abfall aller Immunglobulinklassen (IgG, IgA und IgM) bei Rituximab- im Vergleich zu CIS-Therapien nach einem durchschnittlichen Beobachtungszeitraum von 69 Monaten unter Rituximab- und 62 Monaten unter CIS-Therapie. Ebenso hatten Patienten mit Infektionen unter Therapie einen stärkeren Abfall aller Immunglobulinklassen (und insbesondere von IgM) als Patienten ohne Infektion. Als Prädiktor für die Entwicklung für Infektionen stellte sich die Rituximab-Therapie heraus, wohingegen Alter bei Erkrankungsbeginn, Anzahl der Vortherapien, Antikörperkohorte und Komorbiditäten keinen Einfluss hatten
arabisch.digital
Get PDFDie Dissertation „arabisch.digital“ zeigt praxisnah, wie mit digitalen Möglichkeiten der universitäre Arabischunterricht an der LMU München verbessert und den Studierenden der Zugang zur arabischen Sprache erleichtert wurde. Im Rahmen der Arbeit entwickelte und implementierte Juli Singer digitale Lehr- und Lernmaterialien (OER) mit der Open-Source-Software H5P. Die Auswirkungen dieser Materialien auf die Lehre und das Lernen wurden durch iterative Lehrforschungen nach dem Design-Based-Research-Ansatz systematisch evaluiert.
Konzeptionell zielt die Arbeit darauf ab, die Herausbildung einer digitalen Lehrkultur zu fördern, die auf der gemeinschaftlichen Entwicklung und Nutzung von Open Educational Resources (OER) basiert. Wesentliche Elemente sind die Integration offener digitaler Tools und Technologien in ein sich wandelndes Bildungssystem sowie die Kooperation der Lehrenden in Netzwerken. Diese Ansätze bilden die Grundlage für die Schaffung einer digitalen Allmende und einer nachhaltigen, gemeinschaftlich gestalteten digitalen Lehrkultur
Challenging chromatin assembly in vitro: leveraging and expanding the use of the Drosophila embryonic extract system to study chromatin structure and function
Get PDFIn eukaryotes, the genome is packaged into chromatin to compact but also regulate the genome. Chromatin consists of the DNA, histones, and non-histone proteins that interact with the chromatin fiber. The structure of chromatin fiber is highly dynamic and depends on multiple modulators. The question what factors influence the protein association with chromatin is therefore of critical import ance. The influencing factors range from the binding modes that contribute to fiber association to the question whether the chromatome is regulated by its metabolic environment. The challenge in studying these questions is the requirement of sufficiently complex systems that allow the detection of transferable and physiologically relevant effects while still being easy-to-manipulate and well-characterized to allow deconvolution of the factors. The preblastoderm Drosophila embryo extract (DREX) chromatin assembly system is currently the best-characterized method to investigate the assembling chromatin fiber. However, it still lacks thorough characterization regarding total protein composition and metabolic state and activity.
This study characterizes previously unknown key aspects of the DREX in vitro system including a full proteome analysis with a hitherto unreached depth and the first metabolomics profiling of the extract. Notably, this study also proves that the extract is metabolically active and able to degrade proteins and replenish metabolites. These finding significantly advance the understanding of the extracts protein composition and metabolic state. The obtained data provide a crucial baseline reference that can be used as a tool for future research and facilitates the adaption of the DREX as a model with significant potential for advancing the understanding of metabolic processes.
Secondly, the metabolic processes detected within the DREX extract are leveraged to study the link between metabolism and chromatin structure. The DREX chromatin assembly model is challenged using the supplementation of isotopically labeled metabolites. Subsequent mass spectrometry analysis reveals changes in histone modifications, suggesting a strong coupling of metabolism and histone modifications in the extract.
Thirdly, this study addresses the effect of synthetic DNA mimic foldamers that mimic DNA shape on the composition of chromatin. Changes in protein composition revealed insights into the partial contributions of different binding modes to the chromatin association of selected proteins. By using flow cytometry and fractionation coupled with proteomics, similar effects and disruption cell cycle progression in vivo were observed. In addition to the mechanistic insights, this provides a proof-of-concept for the DREX assembly system to be used as a method to screen small molecules for pharmacological intervention with chromatin assembly in the future.
In conclusion, in this study the in vitro chromatin assembly system DREX is characterized in depth, proteomically and metabolomically, to facilitate future research and findings are leveraged to challenge
the system using DNA mimic foldamers, metabolite depletion, and supplementation. Novel insights into the contribution of chromatin protein binding modes and coupling of metabolism and histone modifications during chromatin assembly are gained. This research characterizes and leverages the in vitro system DREX chromatin assembly, expanding the model for adaptation in metabolomics research and establishes it as a pharmacological screening assay with good transferability to in vivo setting