TY  - THES
A1  - Siewert, Aaron
T1  - Nucleotide analogs as rigid spin labels for DNA and RNA
T1  - Nukleotidanaloga als starre Spinmarker für DNA und RNA
N2  - Nucleic acids are one of the important classes of biomolecules together with carbohydrates, proteins and lipids. Both deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA) are most well known for their respective roles in the storage and expression of genetic information. 
Over the course of the last decades, nucleic acids with a variety of other functions have been discovered in biological organisms or created artificially. Examples of these functional nucleic acids are riboswitches, aptamers and ribozymes. In order to gain information regarding their function, several analytical methods can be used.
Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is one of several techniques which can be used to study nucleic acid structure and dynamics. However, EPR spectroscopy requires unpaired electrons and because nucleic acids themselves are not paramagnetic, the incorporation of spin labels which carry a radical is necessary.
Here, three new spin labels for the analysis of nucleic acids by EPR spectroscopy are presented. All of them share two important design features. First, the paramagnetic center is located at a nitroxide, flanked by ethyl groups to prevent nitroxide degradation, for example during solid phase synthesis. Furthermore, they were designed with rigidity as an important quality, in order to be useful for applications like pulsed electron double resonance (PELDOR) spectroscopy, where independent motion of the spin labels relative to the macromolecule has a noticeable negative effect on the precision of the measurements.
Benzi-spin is a spin label which differs from most previous examples of rigid spin labels in that rather than being based on a canonical nucleoside, with a specific base pairing partner, it is supposed to be a universal nucleoside which is sufficiently rigid for EPR measurements when placed opposite to a number of different nucleosides. Benzi-spin was successfully incorporated into a 20 nt oligonucleotide and its base pairing behavior with seven different nucleosides was examined by UV/VIS thermal denaturation and continuous wave (CW) EPR experiments. The results show only minor differences between the different nucleosides, thus confirming the ability of benzi-spin to act as a universally applicable spin label.
Lumi-spin is derived from lumichrome. It features a rigid scaffold, as well as a free 2'-hydroxy group, which should make it well suited for PELDOR experiments once it is incorporated into RNA oligonucleotides.
EÇr is based on the Ç family of spin labels, which contains the most well known rigid spin labels for nucleic acids to this day. It is essentially a version of EÇm with a free 2'-hydroxy group. It was converted to triphosphate EÇrTP and used for primer extension experiments to test the viability of enzymatic incorporation of rigid spin labels into oligonucleotides as an alternative to solid-phase synthesis. Incorporation into DNA by Therminator III DNA polymerase in both single-nucleotide and full-length primer extensions was achieved. 
All three of these spin labels represent further additions to the expanding toolbox of EPR spectroscopy on nucleic acids and might prove valuable for future research.
N2  - Nukleinsäuren sind neben den Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden eine der wichtigen Klassen von Biomolekülen. Sowohl Deoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA) sind am besten für ihre Funktionen bei der Speicherung und Expression der genetischen Informationen bekannt.  
Während der letzten Jahrzehnte wurden Nukleinsäuren mit einer Vielzahl von Funktionen in biologischen Organismen entdeckt oder künstlich hergestellt. Beispiele für diese funktionellen Nukleinsäuren sind Riboswitches, Aptamere und Ribozyme. Um Informationen über ihre Funktionsweisen zu erhalten, können verschiedene analytische Methoden verwendet werden. 
Elektronenspinresonanzspektroscopie (ESR) ist eine Analysetechnik, die Aufschluss über Struktur und Dynamik von Nukleinsäuren geben kann. Für ESR Messungen werden ungepaarte Elektronen benötigt, sodass nicht paramagnetische Verbindungen mit einem Spinmarker modifiziert werden müssen, der ein Radikal trägt. 
In dieser Arbeit werden drei neue Spinmarker für die ESR Analyse von Nukleinsäuren vorgestellt. Allen liegen zwei Designprinzipien zugrunde. Erstens wird als paramagnetische Verbindung ein Nitroxid verwendet, welches von Ethylgruppen flankiert wird um das Radikal zu stabilisieren, zum Beispiel gegen Reagenzien, die in der Festphasensynthese verwendet werden. Zweitens sind die Nitroxide Teil starrer Ringsysteme. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie Abstandsmessungen mittels Pulselektronendoppelresonanzspektroskopie (PELDOR), wo die Genauigkeit der Messung von Bewegungen der Spinmarker relativ zum Makromolekül beeinträchtigt wird. 
Benzi-spin unterscheidet sich von vielen anderen starren Spinmarkern dadurch, dass es nicht auf einem kanonischen Nukleosid mit einem spezifischen Bindungspartner basiert. Stattdessen handelt es sich um ein universelles Nukleosid, das unabhängig vom gegenüberliegenden Nukleosid starr genug für ESR Messungen ist. Benzi-spin wurde erfolgreich in ein Oligonucleotid eingebaut und seine Basenpaarung mit sieben verschiedenen Nukleosiden mittels UV/VIS Schmelzkurven und Continuous Wave (CW) ESR Experimenten untersucht. Die Ergebnisse zeigen nur geringe Unterschiede zwischen den verschiedenen Nukleosiden, was die Einsetzbarkeit von Benzi-spin als universeller Spinmarker bestätigt.  
Lumi-spin ist vom Lumichrom abgeleitet. Es zeichnet sich durch ein starres Gerüst und eine freie 2'-Hydroxygruppe aus, wodurch es gut für PELDOR Messungen in RNA geeignet sein sollte.  
EÇr gehört zur Ç Familie, welche die am besten bekannten starren Spinmarker für Nukleinsäuren enthält. Es handelt sich um eine Version von EÇm mit einer freien 2'-Hydroxygruppe. EÇr wurde zum Triphosphat EÇrTP konvertiert und für Primer Extension Experimente verwendet um die Möglichkeit des enzymatischen Einbaus starrer Spinmarker in Oligonukleotide als Alternative zur Festphasensynthese zu prüfen. Der Einbau in DNA mit Therminator III DNA Polymerase in Primer Extensions war erfolgreich. 
Alle drei Spinmarker erweitern die Möglichkeiten der ESR-spektroskopischen Untersuchung von Nukleinsäuren und können sich für zukünftige Forschung als nützlich erweisen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - DNS
KW  - RNS
KW  - Elektronenspinresonanzspektroskopie
KW  - Spin-Sonde
KW  - Nucleic acids
KW  - DNA
KW  - RNA
KW  - EPR spectroscopy
KW  - Spin labels
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-247657
ER  - 
TY  - THES
A1  - Esch, Mandy
T1  - Novel Nucleic Acid Sensors for the Rapid Detection of Cryptosporidium Parvum
T1  - Neue Nukleinsäure-Sensoren für die Detektion von Cryptosporidium parvum
N2  - Recent advances in the development of immunoassays and nucleic acid assays have improved the performance and increased the sensitivity of sensors that are based on biochemical recognition. The new approaches taken by researchers include detecting pathogens by detecting their nucleic acids, using new nontoxic reporter entities for generating signals, and downscaling and miniaturizing sensors to micromigration and microfluidic formats. This dissertation connects some of these successful approaches, thereby leading to the development of novel nucleic acid sensors for rapid and easy detection of pathogens. The author's goal was to develop diagnostic tools that enable investigators to detect pathogens rapidly and on site. While the sensors can be used to detect any pathogen, the author first customized them for detecting particularly Cryptosporidium parvum, a pathogen whose detection is important, yet presents many challenges. Chapter 2 of this thesis presents a novel test-strip for the detection of C. parvum. The test-strip is designed to detect nucleic acids rather than proteins or other epitopes. While test strips are commonly used for sensors based on immunological recognition, this format is very new in applications in which nucleic acids are detected. Further, to indicate the presence or absence of a specific target on the test strip, dye-entrapped, oligonucleotide-tagged liposomes are employed. Using liposomes as reporter particles has advantages over using other reporter labels, because the cavity that the phospholipidic membranes of the liposomes form can be filled with up to 106 dye molecules. By using heterobifunctional linkers liposomes can be tagged with oligonucleotides, thereby enabling their use in nucleic acid hybridization assays. The developed test-strip provides an internal control. The limit of detection is 2.7 fmol/mL with a sample volume of 30 mL. In chapter 3 the detection of nucleic acids by means of oligonucleotide-tagged liposomes is scaled down to a microfluidic assay format. Because the application of biosensors to microfluidic formats is very new in the field of analytical chemistry, the first part of this chapter is devoted to developing the design and the method to fabricate the microchip devices. The performance of the microchips is then optimized by investigating the interactions of nucleic acids and liposomes with the material the chips consist of and by passivating the surface of the chips with blocking reagents. The developed microfluidic chip enabled us to reduce the sample volume needed for one assay to 12.5 mL. The limit of detection of this assay was determined to be 0.4 fmol/mL. Chapters 4 and 5 expand on the development of the microfluidic assay. A prototype microfluidic array that is able to detect multiple analytes in a single sample simultaneously is developed. Using such an array will enable investigators to detect pathogens that occur in the same environment, for example, C. parvum and Giardia duodenalis by conducting a single test. The array's ability to perform multiple sample analysis is shown by detecting different concentrations of target nucleic acids. Further, the author developed a microfluidic chip in which interdigitated microelectrode arrays (IDAs) that consist of closely spaced microelectrodes are integrated. The IDAs facilitate electrochemical detection of cryptosporidial RNA. Electrochemical detection schemes offer benefits of technical simplicity, speed, and sensitivity. In this project liposomes are filled with electrochemically active molecules and are then utilized to generate electrochemical signals. Chapter 6 explores the feasibility of liposomes for enhancing signals derived from nucleic acid hybridization in surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. SPR spectroscopy offers advantages because nucleic acid hybridization can be monitored in real time and under homogeneous conditions because no washing steps are required. SPR spectroscopy is very sensitive and it can be expected that, in the future, SPR will be integrated into microfluidic nucleic acid sensors.
N2  - Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von Immuno- und Nucleinsäure- Assays haben die Arbeitsleistung und die Spezifität von Sensoren, die auf biochemischer Erkennung basieren (Biosensoren), verbessert. Neu entwickelte Methoden umfassen die Detektion von Pathogenen durch die Detektion ihrer RNA oder DNA, das Benutzen von neuen nicht-toxischen Reporter Molekülen, um Signale in Sensoren zu erzeugen, und die Verkleinerung und Miniaturisierung von Sensoren zu Mikromigrations- und Mikrofluid Formaten. Die in dieser Dissertation entwickelten Sensoren, die der Detektion von Pathogenen dienen, verbinden einige der neu entwickelten Methoden. Das Ziel der Autorin war es, Sensoren zu entwickeln, die es ermöglichen, Pathogene an Ort und Stelle zu detektieren. Die entwickelten Sensoren können zur Detektion von einer Reihe von Pathogenen benutzt werden. In dieser Dissertation sind sie für die spezifische Detektion von Cryptosporidium parvum entwickelte worden. Kapitel 2 der Dissertation präsentiert einen neuen Teststreifen für die Detektion von C. parvum. Der Teststreifen detektiert die RNA von C. parvum, die als Reaktion auf einen Hitzeschock produziert wird. Das Teststreifen-Format ist üblich für Sensoren, die auf immunologischer Erkennung basieren. Es ist jedoch neu für Anwendungen in denen RNA oder DNA detektiert werden sollen. Die An- oder Abwesenheit eines bestimmten Ziel Moleküls wird durch Liposomen, die Oligonukleotide auf der Aussenseite ihrer Membranen enthalten und mit Farbstoff gefüllt sind, angedeutet. Die Experimente zeigten, dass die mit dem entwickelten Test-Streifen kleinste detektierbare Konzentration von RNA in einem 30 mL Probenvolumen 2.7 fmol/mL ist. In Kapitel 3 ist die Signalerzeugung durch Liposomen in ein Mikrofliess-System integriert. Da die Entwicklung von Mikrofliess-Systemen ein sehr neues Forschungsgebiet ist, befasst sich ein Teil dieses Kapitels mit dem Design und der Herstellung des Microchips. Die Untersuchung von Interaktionen von Nukleinsäuren und Liposomen mit dem Material aus dem der Chip hergestellt ist und die Passivierung dieses Materials ist dabei ein Schwerpunkt. Das Probenvolumen, dass zur Detektion mit dem entwickelten Mikrofliess-Sensor nötig ist, konnte auf 12.5 mL reduziert werden. Die kleinste detektierbare Konzentration von Nucleinsäuren ist 5 fmol/mL. In Kapitel 4 und 5 erweitert die Autorin die Entwicklung des Mikrofliess-Sensors aus Kapitel 3. Das Detektionsformat ist auf ein Array, das für die gleichzeitige Detektion von mehreren Pathogenen benutzt werden kann, angewandt. Eine Methode zum Herstellen eines Arrays-Prototypen ist entwickelt. Ferner, stellte die Autorin verzahnte Mikroelektroden her und benutzte diese um die elektrochemische Detektion der RNA von C. parvum zu ermöglichen. In Kapitel 6 ist die Anwendbarkeit von Liposomen zur Erhöhung von Signalen von Nukleinsäure-Hybridisierungen in Surface Plasmon Resonance Spectroscopy (SPR) untersucht.
KW  - Cryptosporidium
KW  - RNS
KW  - Biosensor
KW  - Nucleinsäure-Sensoren
KW  - RNA
KW  - Cryptosporidium parvum
KW  - Mikrofliess-System
KW  - Liposomen
KW  - Teststreifen
KW  - Nuleic Acids Sensors
KW  - RNA
KW  - Cryptosporidium parvum
KW  - Microfluidic Chip
KW  - Liposomes
KW  - Test-Strip
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-323
ER  - 
TY  - THES
A1  - Matera, Gianluca
T1  - Global mapping of RNA-RNA interactions in \(Salmonella\) via RIL-seq
T1  - Globale Analyse der RNA-RNA-Interaktionen in \(Salmonella\) mittels RIL-seq
N2  - RNA represents one of the most abundant macromolecules in both eukaryotic and prokaryotic cells. Since the discovery that RNA could play important gene regulatory functions in the physiology of a cell, small regulatory RNAs (sRNAs) have been at the center of molecular biology studies. Functional sRNAs can be independently transcribed or derived from processing of mRNAs and other non-coding regions and they often associate with RNA-binding proteins (RBPs). Ever since the two major bacterial RBPs, Hfq and ProQ, were identified, the way we approach the identification and characterization of sRNAs has drastically changed. Initially, a single sRNA was annotated and its function studied with the use of low-throughput biochemical techniques. However, the development of RNA-seq techniques over the last decades allowed for a broader identification of sRNAs and their functions. The process of studying a sRNA mainly focuses on the characterization of its interacting RNA partner(s) and the consequences of this binding. By using RNA interaction by ligation and sequencing (RIL-seq), the present thesis aimed at a high-throughput mapping of the Hfq-mediated RNA-RNA network in the major human pathogen Salmonella enterica.
RIL-seq was at first performed in early stationary phase growing bacteria, which enabled the identification of ~1,800 unique interactions. In- depth analysis of such complex network was performed with the aid of a newly implemented RIL-seq browser. The interactome revealed known and new interactions involving sRNAs and genes part of the envelope regulon. A deeper investigation led to the identification of a new RNA sponge of the MicF sRNA, namely OppX, involved in establishing a cross-talk between the permeability at the outer membrane and the transport capacity at the periplasm and the inner membrane. Additionally, RIL-seq was applied to Salmonella enterica grown in SPI-2 medium, a condition that mimicks the intracellular lifestyle of this pathogen, and finally extended to in vivo conditions during macrophage infection. Collectively, the results obtained in the present thesis helped unveiling the complexity of such RNA networks.
This work set the basis for the discovery of new mechanisms of RNA-based regulation, for the identification of a new physiological role of RNA sponges and finally provided the first resource of RNA interactions during infection conditions in a major human pathogen.
N2  - RNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle sowohl in eukaryontischen als auch in prokaryontischen Zellen. Seit der Entdeckung, dass RNA wichtige genregulatorische Funktionen in der Physiologie einer Zelle spielen könnte, stehen kleine regulatorische RNAs (sRNAs) im Mittelpunkt molekularbiologischer Studien. Funktionelle sRNAs können alleinstehend von nicht-codierenden oder codierenden Bereichen des Genoms transkribiert werden, aber sie können auch durch die Prozessierung einer mRNA entstehen. Des Weiteren sind sRNAs häufig mit RNA- bindenden Proteinen (RBPs) assoziiert. Seitdem die beiden wichtigsten bakteriellen RBPs, Hfq und ProQ, identifiziert wurden, hat sich die Art und Weise, wie wir an die Identifizierung und Charakterisierung von sRNAs herangehen, drastisch verändert. Ursprünglich wurden sRNAs annotiert und anschließend für einzelne sRNAs die Funktion mit biochemischen Techniken untersucht. Die Entwicklung von RNA-seq-Techniken in den letzten Jahrzehnten ermöglichte nun jedoch eine globale Identifizierung von sRNAs und ihren Funktionen. Der Prozess der Untersuchung einer sRNA konzentriert sich hauptsächlich auf die Charakterisierung ihrer interagierenden RNA-Partner und die Folgen dieser Bindung. Mit Hilfe der RNA-Interaktion durch Ligation und Sequenzierung (RIL-seq) wurde in der vorliegenden Arbeit eine Hochdurchsatzkartierung des Hfq-vermittelten RNA-RNA-Netzwerks in dem wichtigen humanen Krankheitserreger Salmonella enterica durchgeführt.
RIL-seq wurde zunächst in Bakterien in der frühen stationären Wachstumsphase durchgeführt, was die Identifizierung von ~1.800 einzigartigen Interaktionen ermöglichte. Mit Hilfe eines neu implementierten RIL-seq-Browsers wurde daraufhin eine eingehende Analyse dieses komplexen Netzwerks durchgeführt. Das Interaktom enthüllte bekannte und neue Interaktionen zwischen sRNAs und mRNAs, die Teil des Zellwand-Regulons sind. Eine tiefergehende Untersuchung führte zur Identifizierung eines neuen RNA-Schwammes, OppX, welcher mit der sRNA MicF bindet und so die Herstellung eines Cross-Talks zwischen der Permeabilität an der äußeren Membran und der Transportkapazität am Periplasma und der inneren Membran ermöglicht. Darüber hinaus wurde RIL-seq für Salmonella enterica angewandt, welche in SPI-2-Medium gewachsen waren, wobei diese Bedingung, die den intrazellulären Lebensstil dieses Erregers nachahmt. Durch die Infektion von Makrophagen mit dem Bakterium, wurde das RIL-seq Protokoll des Weiteren unter in vivo Bedingungen getestet. Insgesamt trugen die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse dazu bei, die Komplexität solcher RNA- Netzwerke zu enthüllen. Diese Arbeit bildete die Grundlage für die Entdeckung neuer Mechanismen der RNA-basierten Regulierung als auch für die Identifizierung einer neuen physiologischen Rolle von RNA- Schwämmen und lieferte letztendlich die erste Untersuchung für RNA- Interaktionen unter Infektionsbedingungen in einem wichtigen menschlichen Krankheitserreger.
KW  - Small RNA
KW  - RNA
KW  - infection biology
KW  - Salmonella
KW  - MicF
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268776
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TY  - THES
A1  - Steinmetzger, Christian
T1  - Fluorogenic Aptamers and Fluorescent Nucleoside Analogs as Probes for RNA Structure and Function
T1  - Fluorogene Aptamere und Fluoreszierende Nukleosid-Analoga als Sonden für RNA-Struktur und -Funktion
N2  - RNA plays a key role in numerous cellular processes beyond the central dogma of molecular biology. Observing and understanding this wealth of functions, discovering new ones and engineering them into purpose-built tools requires a sensitive means of observation. Over the past decade, fluorogenic aptamers have emerged to fill this niche. These short oligonucleotides are generated by in vitro selection to specifically interact with small organic fluorophores and can be utilized as genetically encoded tags for RNAs of interest.
The most versatile class of fluorogenic aptamers is based on derivatives of hydroxybenzylidene imidazolone (HBI), a conditional fluorophore mimicking the chromophore structure found in green and red fluorescent proteins. The respective aptamers are well-known by the “vegetable” nomenclature, including Spinach, Broccoli and Corn, and have found numerous applications for studying RNA function in vitro and in cells.
Their success, however, is somewhat overshadowed by individual shortcomings such as a propensity for misfolding, dependence on unphysiologically high concentrations of magnesium ions or, in the case of Corn, dimerization that might affect the function of the tagged RNA. Moreover, most fluorogenic aptamers exhibit limited ligand promiscuity by design, thereby restricting their potential for spectral tuning to a narrow window of wavelengths.
This thesis details the characterization of a new fluorogenic aptamer system nicknamed Chili. Chili is derived from an aptamer that was originally selected to bind 4-hydroxy-3,5-dimethoxy¬hydroxy-benzylidene imidazolone (DMHBI), resulting in a green fluorescent complex. Unlike other aptamers of its kind, Chili engages in a proton transfer cycle with the bound ligand, resulting in a remarkably large Stokes shift of more than 130 nm.
By means of an empirical ligand optimization approach, several new DMHBI derivatives were found that bind to Chili with high affinity, furnishing complexes up to 7.5 times brighter compared to the parent ligand. In addition, Chili binds to π-extended DMHBI derivatives that confer fluorescence in the yellow–red region of the visible spectrum. The highest affinity and degree of fluorescence turn-on for both green and red fluorogenic ligands were achieved by the incorporation of a unique, positively charged substituent into the HBI scaffold.
Supplemented by NMR spectroscopy, kinetic and thermodynamic studies showed that the binding site of Chili is loosely preorganized in the absence of ligand and likely forms a G-quadruplex upon ligand binding.
To showcase future applications, Chili was incorporated into a FRET sensor for monitoring the cleavage of an RNA substrate by a 10-23 DNAzyme.
Besides aptamers as macromolecular fluorescent complexes, fluorescent nucleobase analogs are powerful small isomorphic components of RNA suitable for studying structure and folding. Here, the highly emissive nucleobase analog 4-cyanoindole (4CI) was developed into a ribonucleoside (r4CI) for this purpose. A new phosphoramidite building block was synthesized to enable site-specific incorporation of 4CI into RNA.
Thermal denaturation experiments confirmed that 4CI behaves as a universal nucleobase, i.e. without bias towards any particular hybridization partner. Photophysical characterization established r4CI as a generally useful fluorescent ribonucleoside analog. In this work, it was employed to gain further insight into the structure of the Chili aptamer. Using several 4CI-modified Chili–HBI complexes, a novel base–ligand FRET assay was established to obtain a set of combined distance and orientation restraints for the tertiary structure of the aptamer.
In addition to their utility for interrogating structure and binding, supramolecular FRET pairs comprising a fluorescent nucleobase analog donor and an innately fluorogenic acceptor hold great promise for the construction of color-switchable RNA aptamer sensor devices.
N2  - Weit über das zentrale Dogma der Molekularbiologie hinaus ist RNA an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt. Um diese Prozesse aufzuklären, sie umfassend zu verstehen und sich zunutze zu machen bedarf es geeigneter Detektionsmethoden für RNA. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurden fluorogene Aptamere als ideales Werkzeug für diesen Zweck erkannt. Dabei handelt es sich um vergleichsweise kurze Oligonukleotide, die mittels in vitro-Selektion zur spezifischen Bindung bestimmter organischer Fluorophore erzeugt werden. Analog zu fluoreszierenden Proteinen können sie zur Fluoreszenzmarkierung von RNA eingesetzt werden.
Die wichtigste Klasse fluorogener Aptamere bindet und aktiviert Derivate des latenten Fluorophors 4-Hydroxybenzylidenimidazolon (HBI), welcher ursprünglich im Kern fluoreszierender Proteine autokatalytisch aus einem Tripeptid-Fragment entsteht und deren spektrale Eigenschaften bestimmt. Vertreter dieser Klasse, namentlich Spinach, Broccoli und Corn, haben sich als alltägliches Werkzeug zur Fluoreszenzmarkierung von RNA etabliert.
Diesem Erfolg gegenüber stehen Unzulänglichkeiten, die das Potential einzelner Aptamere begrenzen. Beispielsweise kann es zur Ausbildung inaktiver Faltungszustände der RNA kommen oder die Fluoreszenzaktivierung erfordert eine hohe Magnesiumkonzentration, welche in Zellen nicht frei verfügbar ist. Im Fall des Corn-Aptamers bildet sich ein Homodimer, was unter Umständen die zu untersuchende RNA beeinträchtigen kann. Darüber hinaus ist, aufgrund der spezifischen Fluorophorbindung, jeweils nur geringes Potenzial zur gezielten Beeinflussung spektraler Eigenschaften vorhanden.
Kern dieser Arbeit ist die umfassende Charakterisierung des neuen Chili-Systems. Chili ist die optimierte Version eines Aptamers, welches einen grün fluoreszierenden Komplex mit 4-Hydroxy-3,5-dimethoxybenzylidenimidazolon (DMHBI) ausbildet. Im Gegensatz zu anderen HBI-bindenden Aptameren vollzieht Chili einen Protonenaustausch mit seinem Liganden, woraus Fluoreszenz-emission mit einer ungewöhnlich hohen Stokes-Verschiebung von über 130 nm resultiert.
Die Struktur des ursprünglichen Liganden wurde im Hinblick auf höhere Affinität und stärkere Fluoreszenzemission optimiert, wobei ein bis zu 7.5-facher Gewinn an Helligkeit erzielt wurde. Als besonders vorteilhaft hat sich dafür die Einführung eines positiv geladenen Substituenten herausgestellt, der in dieser Form ein Alleinstellungsmerkmal von Chili ist. Auch stark modifizierte DMHBI-Derivate, die ein größeres konjugiertes System besitzen, werden von Chili gebunden und fluoreszieren daraufhin im gelben bis roten Bereich des sichtbaren Spektrums.
Studien zur Ligandenbindungskinetik und thermischen Denaturierung des Aptamers legen nahe, dass die zunächst strukturarme Bindungstasche durch die Aufnahme des Liganden einen G-Quadruplex ausbildet, was ebenfalls durch NMR-spektroskopische Daten bestätigt wird.
Als Beispiel für mögliche Anwendungen wurde das Chili-Aptamer eingesetzt, um die Spaltung eines RNA-Substrats durch ein 10-23 DNA-Enzym zu beobachten, wobei FRET zwischen dem Aptamer und einem Fluoreszenzmarker am Substrat als Reporter ausgenutzt wurde.
Neben makromolekularen Aptamer-Komplexen können fluoreszierende Nukleobasenanaloga als isomorphe Einheiten in RNA integriert werden, um deren Faltungszustand zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde das fluoreszierende Nukleobasenanalogon 4-Cyanodinol (4CI) in das entsprechende Ribonukleosid (r4CI) umgewandelt und daraus ein neuer Phosphoramiditbaustein zum Einbau des fluoreszierenden von 4CI in RNA synthetisiert.
Anhand thermischer Denaturierungs¬experimente wurde gezeigt, dass es sich bei 4CI um eine universelle Base handelt, die ungeachtet des Hybridisierungskontexts toleriert wird. Die photophysikalische Charakterisierung von r4CI zeigte, dass das fluoreszierendes Ribonukleosid-Analogon seine nützlichen Eigenschaften nach dem Einbau in Oligonukleotide beibehält, sodass es zur Strukturanalyse des Chili-Aptamers verwendet werden konnte. Mithilfe 4CI-modifizierter Chili–HBI-Komplexe wurden erstmals intramolekulare FRET-Paare dieser Art erzeugt und zur Bestimmung kombinierter Abstands- und Orientierungsparameter genutzt.
Über ihre Verwendung für Struktur- und Bindungsstudien hinaus stellen supramolekulare FRET-Paare aus fluoreszierenden Nukleobasen-Analoga als Donoren und intrinsisch fluorogenen Akzeptoren eine Möglichkeit dar, neue schaltbare Aptamer-basierte Sensoren zu entwickeln, welche auf die Erkennung ihrer Zielspezies mit einem Wechsel der Fluoreszenzemissionswellenlänge reagieren.
KW  - Aptamer
KW  - Nucleosidanaloga
KW  - RNS
KW  - Fluoreszenz
KW  - Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer
KW  - RNA
KW  - FRET
KW  - Nucleoside
KW  - Nucleinsäuren
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207604
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TY  - THES
A1  - Hör, Jens
T1  - Discovery of RNA/protein complexes by Grad-seq
T1  - Ermittlung von RNA/Protein-Komplexen mittels Grad-seq
N2  - Complex formation between macromolecules constitutes the foundation of most cellular processes. Most known complexes are made up of two or more proteins interacting in order to build a functional entity and therefore enabling activities which
the single proteins could otherwise not fulfill. With the increasing knowledge about
noncoding RNAs (ncRNAs) it has become evident that, similar to proteins, many of
them also need to form a complex to be functional. This functionalization is usually executed by specific or global RNA-binding proteins (RBPs) that are specialized
binders of a certain class of ncRNAs. For instance, the enterobacterial global RBPs
Hfq and ProQ together bind >80 % of the known small regulatory RNAs (sRNAs),
a class of ncRNAs involved in post-transcriptional regulation of gene expression.
However, identification of RNA-protein interactions so far was performed individually by employing low-throughput biochemical methods and thereby hindered the discovery of such interactions, especially in less studied organisms such
as Gram-positive bacteria. Using gradient profiling by sequencing (Grad-seq), the
present thesis aimed to establish high-throughput, global RNA/protein complexome resources for Escherichia coli and Streptococcus pneumoniae in order to provide a
new way to investigate RNA-protein as well as protein-protein interactions in these
two important model organisms.
In E. coli, Grad-seq revealed the sedimentation profiles of 4,095 (∼85 % of
total) transcripts and 2,145 (∼49 % of total) proteins and with that reproduced
its major ribonucleoprotein particles. Detailed analysis of the in-gradient distribution of the RNA and protein content uncovered two functionally unknown
molecules—the ncRNA RyeG and the small protein YggL—to be ribosomeassociated. Characterization of RyeG revealed it to encode for a 48 aa long, toxic protein that drastically increases lag times when overexpressed. YggL was shown to
be bound by the 50S subunit of the 70S ribosome, possibly indicating involvement
of YggL in ribosome biogenesis or translation of specific mRNAs.
S. pneumoniae Grad-seq detected 2,240 (∼88 % of total) transcripts and 1,301
(∼62 % of total) proteins, whose gradient migration patterns were successfully reconstructed, and thereby represents the first RNA/protein complexome resource
of a Gram-positive organism. The dataset readily verified many conserved major
complexes for the first time in S. pneumoniae and led to the discovery of a specific
interaction between the 3’!5’ exonuclease Cbf1 and the competence-regulating ciadependent sRNAs (csRNAs). Unexpectedly, trimming of the csRNAs by Cbf1 stabilized the former, thereby promoting their inhibitory function. cbf1 was further shown
to be part of the late competence genes and as such to act as a negative regulator of
competence.
N2  - Makromoleküle, die Komplexe bilden, sind die Grundlage der meisten zellulären
Prozesse. Die meisten bekannten Komplexe bestehen aus zwei oder mehr Proteinen,
die interagieren, um eine funktionelle Einheit zu bilden. Diese Interaktionen ermöglichen Funktionen, die die einzelnen Proteine nicht erfüllen könnten. Wachsende
wissenschaftliche Erkenntnisse über nichtkodierende RNAs (ncRNAs) haben gezeigt, dass, analog zu Proteinen, auch viele ncRNAs Komplexe bilden müssen, um
ihre Funktionen ausüben zu können. Diese Funktionalisierung wird normalerweise von spezifischen oder globalen RNA-bindenden Proteinen (RBPs), die auf eine
bestimmte Klasse an ncRNAs spezialisiert sind, durchgeführt. So binden beispielsweise die in Enterobakterien verbreiteten globalen RBPs Hfq und ProQ zusammen >80 % der bekannten kleinen regulatorischen RNAs (sRNAs)—eine Klasse der
ncRNAs, die in die posttranskriptionelle Genexpressionsregulation involviert ist.
RNA-Protein-Interaktionen wurden bisher anhand einzelner Moleküle und mithilfe von biochemischen Methoden mit niedrigem Durchsatz identifiziert, was
die Entdeckung solcher Interaktionen erschwert hat. Dies gilt insbesondere für
Organismen, die seltener Gegenstand der Forschung sind, wie beispielsweise grampositive Bakterien. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, mittels gradient profiling by sequencing (Grad-seq) globale Hochdurchsatzkomplexomdatensätze der RNA-ProteinInteraktionen in Escherichia coli und Streptococcus pneumoniae zu generieren. Diese
Datensätze ermöglichen es auf eine neue Art und Weise RNA-Protein- und ProteinProtein-Interaktionen in diesen wichtigen Modellorganismen zu untersuchen.
Die E. coli Grad-seq-Daten beinhalten die Sedimentationsprofile von 4095
Transkripten (∼85 % des Transkriptoms) und 2145 Proteinen (∼49 % des Proteoms),
mit denen die wichtigsten Ribonukleoproteine reproduziert werden konnten. Die detaillierte Analyse der Verteilung von RNAs und Proteinen im Gradienten zeigte, dass zwei Moleküle, deren Funktionen bisher unbekannt waren—die ncRNA
RyeG und das kleine Protein YggL—ribosomenassoziiert sind. Durch weitere
Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass RyeG für ein toxisches Protein mit
einer Länge von 48 Aminosäuren kodiert, das bei Überexpression die Latenzphase
drastisch verlängert. Für YggL konnte eine Interaktion mit der 50S Untereinheit von
70S Ribosomen nachgewiesen werden, was auf eine potenzielle Funktion in der
Biogenese von Ribosomen oder bei der Translation bestimmter mRNAs hindeutet.
Die S. pneumoniae Grad-seq Daten beinhalten 2240 Transkripte (∼88 % des
Transkriptoms) und 1301 Proteine (∼62 % des Proteoms), deren Migrationsprofile
im Gradienten erfolgreich rekonstruiert werden konnten. Dieser RNA/ProteinKomplexomdatensatz eines grampositiven Organismus ermöglichte erstmalig die
Verifizierung der wichtigsten konservierten Komplexe von S. pneumoniae. Weiterhin
konnte eine spezifische Interaktion der 3’!5’-Exonuklease Cbf1 mit den ciadependent sRNAs (csRNAs), die an der Regulation von Kompetenz beteiligt sind,
nachgewiesen werden. Überraschenderweise stabilisiert das von Cbf1 durchgeführte Kürzen der csRNAs die selbigen, was deren inhibitorische Funktion unterstützt.
Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass cbf1 eines der späten Kompetenzgene
ist und als solches als negativer Regulator der Kompetenz agiert.
KW  - Multiproteinkomplex
KW  - RNS-Bindungsproteine
KW  - RNS
KW  - Escherichia coli
KW  - Streptococcus pneumoniae
KW  - Complexome
KW  - RNA-binding protein
KW  - RNA
KW  - Escherichia coli
KW  - Streptococcus pneumoniae
KW  - Grad-seq
KW  - Bacteria
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211811
ER  -