TY  - THES
A1  - Dietzsch, Julia
T1  - Nucleic acid-mediated fluorescence activation and chromophore assembly
T1  - Nukleinsäure-vermittelte Fluoreszenzaktivierung und Chromophorassemblierung
N2  - Nucleic acids are not only one of the most important classes of macromolecules in biochemistry but also a promising platform for the defined arrangement of chromophores. Thanks to their precise organization by directional polar and hydrophobic interactions, oligonucleotides can be exploited as suitable templates for multichromophore assemblies with predictable properties. To expand the toolbox of emissive, base pairing nucleobase analogs several barbituric acid merocyanine (BAM) chromophores with tunable spectroscopic properties were synthesized and incorporated into RNA, DNA and glycol nucleic acid (GNA) oligonucleotides. A multitude of duplexes containing up to ten BAM chromophores was obtained and analysis by spectroscopic methods revealed the presence of dipolarly coupled merocyanine aggregates with properties
strongly dependent on the chromophore orientation toward each other and the backbone conformation. These characteristics were exploited for various applications such as FRET pair formation and polymerase chain reaction (PCR) experiments. The observed formation of higher-order aggregates implies future applications of these new oligonucleotide-chromophore systems as light-harvesting DNA nanomaterials. Besides oligonucleotide templated covalent assembly of chromophores also non-covalent nucleic acid-chromophore complexes are a broad field of research. Among these, fluorogenic RNA aptamers are of special interest with the most versatile ones based on derivatives of the GFP chromophore hydroxybenzylidene imidazolone (HBI). Therefore, new HBI-derived chromophores with an expanded conjugated system and an additional exocyclic amino group for an enhanced binding affinity were synthesized and analyzed in complex with the Chili aptamer. Among these, structurally new fluorogenes with strong fluorescence activation upon binding to Chili were identified which are promising for further derivatization and application as color-switching sensor devices for example.
N2  - Nukleinsäuren sind nicht nur eine der wichtigsten Klassen biochemisch relevanter Makromoleküle, sondern stellen auch eine vielversprechende Plattform für die definierte räumliche Organisation kleiner funktioneller Moleküle, wie beispielsweise Chromophore, dar. Oligonu-kleotide können aufgrund ihrer präzise gegliederten Struktur, die durch gerichtete polare und hydrophobe Wechselwirkungen hervorgerufen wird, als nützliche Template für die mehrfache kovalente und nicht-kovalente Anordnung von Chromophoren zu Aggregaten mit vorhersagbaren spektroskopischen Eigenschaften genutzt werden. Obwohl eine Vielzahl solcher Chromophorsysteme bereits in der Literatur beschrieben ist, basieren die meisten Chromophordesigns nur auf hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Chromophoren und lassen die intrinsische Fähigkeit kanonischer Nukleobasen, komplementäre Basenpaare zu bilden, außen vor. Allerdings liegt es auf der Hand, dass die Berücksichtigung dieser polaren Wechselwirkungen nicht nur zu einer Stabilisierung der Oligonukleotid-Sekundärstruktur führen kann, sondern auch die Interpretation spektroskopischer Effekte vereinfacht.

Um das bekannte Spektrum emittierender Nukleobasen-Analoga zu erweitern und den zusätz-lichen Einfluss dieser polaren Wechselwirkungen auszunutzen, wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene, strukturell unterschiedliche Barbitursäure-Merocyanin-Chromophore (BAM) entworfen. Die Barbitursäure-Akzeptoreinheit dieser künstlichen Nukleobasensurrogate ähnelt der Watson-Crick-Basenpaarungsseite der natürlichen T- und U-Nukleobasen und soll somit die Basenpaarung mit Adenosin ermöglichen. Durch die Kombination dieses Akzeptors mit unterschiedlich aufgebauten aromatischen Donoreinheiten, wie zum Beispiel Indol und Benzothiazol, konnten Merocyanine mit interessanten spektroskopischen Eigenschaften erhalten werden.
 
 Da die Konstitution des Nukleinsäurerückgrates einen starken Einfluss auf die Strukturparameter und die thermodynamische Stabilität der resultierenden Duplexstruktur hat, wurden die synthetisierten BAM-Chromophore in Phosphoramiditbausteine für die kovalente Assemblierung innerhalb verschiedener Oligonukleotidsysteme umgewandelt. Neben der Synthese entsprechender DNA- und RNA-Nukleotide wurden die BAM-Chromophore auch als Glykolnukleinsäure-Bausteine (GNA) mit einem azyklischen Rückgrat hergestellt. Der erfolgreiche Einbau der erhaltenen künstlichen Nukleoside konnte durch Festphasensynthese erreicht werden, wobei über 100 modifizierte Einzelstränge erhalten werden konnten.
  
  Die Hybridisierung der künstlichen Oligonukleotid-Einzelstränge mit ihren jeweiligen Gegensträngen führte zu einer Vielzahl kurzer Duplexstrukturen mit bis zu zehn BAM-Chromophoren in unterschiedlicher Anordnung. Mithilfe verschiedenster spektroskopischer Methoden konnte ein Einblick in die strukturelle Organisation der Merocyanine innerhalb dieser Systeme erhalten werden, wobei sich die Bildung dipolar-gekoppelter Merocyanin-Dimere und -Multimere zeigte. Die hierfür erforderliche ungewöhnliche \textit{syn}-Konformation der BAM-Chromophore wurde weiterhin durch Oligonukleotid-NMR bestätigt. Erstaunlicherweise wiesen die spektroskopischen und thermodynamischen Eigenschaften BAM-modifizierter Nukleinsäuren eine starke Abhängigkeit von der Chromophororientierung und der Konformation des Rückgrates auf. Dieser Effekt konnte für verschiedene Anwendungen wie die Bildung von FRET-Paaren und die Verwendung als internes fluoreszentes Stop-Nukleotid in Polymerasekettenreaktionen ausgenutzt werden. Mithilfe von Rasterkraftmikroskopie wurde außerdem die Bildung von Aggregaten höherer Ordnung beobachtet, was eine zukünftige Verwendung dieser neuen Oligonukleotid-Chromophor-Systeme als Materialien für Lichtsammelkomplexe oder für die DNA-Nanotechnologie denkbar macht.
  
  Ein weiteres großes Forschungsfeld neben kovalenten Chromophoranordnungen mit Oligonukleotiden als Templat sind nicht-kovalente Nukleinsäure-Chromophorkomplexe. Insbesondere fluorogene RNA-Aptamere sind hier von großer Bedeutung wobei die wichtigsten auf der Fluoreszenzaktivierung von Derivaten 4-Hydroxybenzylidenimidazolon-Fluorophors (HBI), dem Chromophor des natürlich vorkommenden grün fluoreszierenden Proteins (GFP), beruhen. Allerdings zeigen viele der berichteten Aptamer-Ligand-Systeme signifikante Nachteile wie unter anderem unspezifische Bindung, eine starke Tendenz zu Photoisomerisierung oder ineffiziente Zellpermeabilität. Deshalb wurden im Zuge dieser Arbeit neue, von HBI abgeleitete Chromophore mit einem vergrößerten konjugierten $\uppi$-System und einer zusätzlichen exozykli-schen Aminogruppe für eine erhöhte Bindungsaffinität synthetisiert und im Komplex mit dem bekannten Chili-Aptamer untersucht. Einige dieser strukturell neuen Chromophore zeigten einen starken Anstieg der Emission bei Bindung an dieses Aptamer und wurden daher weiter charakterisiert. Sie stellen eine vielversprechende Möglichkeit für weitere Derivatisierung und die zukünftige Anwendung beispielsweise als schaltbare Aptamer-basierte Fluoreszenzsensoren dar.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - Merocyanine
KW  - Grün fluoreszierendes Protein
KW  - Aptamer
KW  - Exziton
KW  - Fluoreszenzaktivierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259761
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seitz, Florian
T1  - Synthesis, enzymatic recognition and antiviral properties of modified purine nucleosides
T1  - Synthese, enzymatische Erkennung und antivirale Eigenschaften modifizierter Purin-Nukleoside
N2  - Beyond the four canonical nucleosides as primary building blocks of RNA, posttranscriptional modifications give rise to the epitranscriptome as a second layer of genetic information. In eukaryotic mRNA, the most abundant posttranscriptional modification is N6-methyladenosine (m6A), which is involved in the regulation of cellular processes. Throughout this thesis, the concept of atomic mutagenesis was employed to gain novel mechanistic insights into the substrate recognition by human m6A reader proteins as well as in the oxidative m6A demethylation by human demethylase enzymes. Non-natural m6A atomic mutants featuring distinct steric and electronic properties were synthesized and incorporated into RNA oligonucleotides. Fluorescence anisotropy measurements using these modified oligonucleotides revealed the impact of the atomic mutagenesis on the molecular recognition by the human m6A readers YTHDF2, YTHDC1 and YTHDC2 and allowed to draw conclusions about structural prerequisites for substrate recognition. Furthermore, substrate recognition and demethylation mechanism of the human m6A demethylase enzymes FTO and ALKBH5 were analyzed by HPLC-MS and PAGE-based assays using the modified oligonucleotides synthesized in this work. 
Modified nucleosides not only expand the genetic alphabet, but are also extensively researched as drug candidates. In this thesis, the antiviral mechanism of the anti-SARS-CoV-2 drug remdesivir was investigated, which causes delayed stalling of the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). Novel remdesivir phosphoramidite building blocks were synthesized and used to construct defined RNA-RdRp complexes for subsequent studies by cryogenic electron microscopy (cryo-EM). It was found that the 1'-cyano substituent causes Rem to act as a steric barrier of RdRp translocation. Since this translocation barrier can eventually be overcome by the polymerase, novel derivatives of Rem with potentially improved antiviral properties were designed.
N2  - Über die vier kanonischen Nukleoside als primäre RNA-Bausteine hinausgehend bauen posttranskriptionelle Modifikationen eine zweite Informationsebene, das Epitranskriptom, auf. Die häufigste posttranskriptionelle Modifikation in eukaryotischer mRNA ist N6-Methyladenosin (m6A), welches in die Regulierung zellulärer Prozesse involviert ist. In dieser Arbeit wurde das Konzept der atomaren Mutagenese genutzt, um neue Einblicke in die Erkennung von m6A durch menschliche m6A-bindende Proteine sowie in die oxidative Demethylierung von m6A durch menschliche Demethylase-Enzyme zu gewinnen. Es wurden nicht natürlich vorkommende m6A Atommutanten mit unterschiedlichen elektronischen und sterischen Eigenschaften synthetisiert und in RNA-Oligonukleotide eingebaut. Durch Fluoreszenzanisotropie-Messungen mit diesen Oligonukleotiden wurde der Einfluss der Atommutagenese auf die molekulare Erkennung durch die menschlichen m6A-bindenden Proteine YTHDF2, YTHDC1 und YTHDC2 untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse ließen Rückschlüsse auf die strukturellen Voraussetzungen für die Erkennung eines Substrates zu. Weiterhin wurden die in dieser Arbeit synthetisierten modifizierten Oligonukleotide zur Untersuchung von Substraterkennung und Demethylierungs-Mechanismus der menschlichen
m6A-Demethylasen FTO und ALKBH5 mittels HPLC-MS- und PAGE-basierter Analysen verwendet. 
Modifizierte Nukleoside dienen nicht nur zur Erweiterung des genetischen Alphabets, sondern werden auch als potentielle Wirkstoff-Kandidaten erforscht. In dieser Arbeit wurde der antivirale Wirkmechanismus des Anti-SARS-CoV-2-Wirkstoffes Remdesivir untersucht, der eine verzögerte Blockade der viralen RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRp) bewirkt. Neuartige Remdesivir Phosphoramidit-Bausteine wurden synthetisiert und genutzt, um RNA-RdRp-Komplexe mit definierter Struktur zu konstruieren, welche anschließend mittels Cryoelektronenmikroskopie (Cryo-EM) untersucht wurden. Es wurde herausgefunden, dass der 1'-Cyano-Substituent dazu führt, dass Rem als sterische Blockade der RdRp-Translokation agiert. Da diese Tranlokationsbarriere von der Polymerase überwunden werden kann, wurden neuartige Rem-Derivate mit potentiell verbesserten antiviralen Eigenschaften entworfen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - Nucleoside
KW  - Demethylierung
KW  - COVID-19
KW  - SARS-CoV-2
KW  - Demethylase
KW  - Epitranskriptom
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-313238
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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  - 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  - Stiller, Carina
T1  - Synthesis and applications of modified nucleosides and RNA nucleotides
T1  - Synthese und Anwendungen von modifizierten Nukleosiden und RNA-Nukleotiden
N2  - As central components of life, DNA and RNA encode the genetic information. However, RNA performs several functions that exceed the competences stated in the ‘central dogma of life‘. RNAs undergo extensive post-transcriptional processing like chemical modifications. Among all classes of RNA, tRNAs are the most extensively modified. Their modifications are chemically diverse and vary from simple methylations (e.g. m3C, m6A) to more complex residues, like isopentenyl group (e.g. i6A, hypermodifications: e.g. ms2i6A) or even amino acids (e.g. t6A). Depending on their location within the overall structure, modifications can have an impact on tRNA stability and structure, as well as affinity for the ribosome and translation efficiency and fidelity. Given the importance of  tRNA modifications new tools are needed for their detection and to study their recognition by proteins and enzymatic transformations.
The chemical synthesis of these naturally occurring tRNA modifications as phosphoramidite building blocks is a prerequisite to incorporate the desired modification via solid-phase synthesis into oligonucleotides. With the help of the m3C, (ms2)i6A, and t6A oligonucleotides, the importance and impact of tRNA modifications was investigated in this thesis. To this end, the role of METTL8 as the methyltransferase responsible for the installation of the methyl group at C32 for mt-tRNAThr and mt-tRNASer(UCN) was resolved. Thereby, the respective adenosine modification on position 37 is essential for the effectiveness of the enzyme. Besides, by means of NMR analysis, CD spectroscopy, thermal denaturation experiments, and native page separation, the impact of m3C32 on the structure of the tRNA ASLs was shown. The modification appeared to fine-tune the tRNA structure to optimize mitochondrial translation. To investigate the regulation of the dynamic modification pathway of m3C, demethylation assays were performed with the modified tRNA-ASLs and the (α-KG)- and Fe(II)-dependent dioxygenase ALKBH1 and ALKHB3. A demethylation activity of ALKBH3 on the mt-tRNAs was observed, even though it has so far only been described as a cytoplasmic enzyme. Whether this is physiologically relevant and ALKBH3 present a mitochondrial localization needs further validation. In addition, ALKBH1 was confirmed to not be able to demethylate m3C on mt-tRNAs, but indications for a deprenylation and exonuclease activity were found. Furthermore, the aforementioned naturally occurring modifications were utilized to find analytical tools that can determine the modification levels by DNAzymes, which cleave RNA in the presence of a specific modification. Selective DNA enzymes for i6A, as well as the three cytidine isomers m3C, m4C, and m5C have been identified and characterized. 
Besides the naturally occurring tRNA modifications, the investigation on artificially modified nucleosides is also part of this thesis. Nucleosides with specific properties for desired applications can be created by modifying the scaffold of native nucleosides.
During the pandemic, the potential of antiviral nucleoside analogues was highlighted for the treatment of the SARS-CoV-2 infection. For examinations of the potential drug-candidate Molnupiravir, the N4-hydroxycytidine phosphoramidite building block was synthesized and incorporated into several RNA oligonucleotides. A two-step model for the NHC-induced mutagenesis of SARS-CoV-2 was proposed based on RNA elongation, thermal denaturation, and cryo-EM experiments using the modified RNA strands with the recombinant SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase. Two tautomeric forms of NHC enable base pairing with guanosine in the amino and with adenosine in the imino form, leading to error catastrophe after the incorporation into viral RNA. These findings were further corroborated by thermal melting curve analysis and NMR spectroscopy of the NHC-containing Dickerson Drew sequence. In conclusion, the anti-amino form in the NHC-G base pair was assigned by NMR analysis using a 15N-labeld NHC building block incorporated into the Dickerson Drew sequence. 
This thesis also addressed the synthesis of a 7-deazaguanosine crosslinker with a masked aldehyde as a diol linker for investigations of DNA-protein interactions. The diol functional group can be unmasked to release the reactive aldehyde, which can specifically form a covalent bond with amino acids Lys or Arg within the protein complex condensin. The incorporation of the synthesized phosphoramidite and triphosphate building blocks were shown and the functionality of the PCR product containing the crosslinker was demonstrated by oxidation and the formation of a covalent bond with a fluorescein label. 
The development of assays that detect changes in this methylation pattern of m6A could provide new insights into important biological processes. In the last project of this thesis, the influence of RNA methylation states on the structural properties of RNA was analyzed and a fluorescent nucleoside analog (8-vinyladenosine) as molecular tools for such assays was developed. Initial experiments with the fluorescent nucleoside analog N6-methyl-8-vinyladenosine (m6v8A) were performed and revealed a strong fluorescence enhancement of the free m6v8A nucleoside by the installation of the vinyl moiety at position 8.
Overall, this thesis contributes to various research topics regarding the application of naturally occurring and artificial nucleoside analogues. Starting with the chemical synthesis of RNA and DNA modifications, this thesis has unveiled several open questions regarding the dynamic (de-)methylation pathway of m3C and the mechanism of action of molnupiravir through in-depth analysis and provided the basis for further investigations of the protein complex condensin, and a new fluorescent nucleoside analog m6v8A.
N2  - Als zentrale Bestandteile des Lebens kodieren DNA und RNA die genetische Information. Die RNA erfüllt jedoch noch mehr Funktionen, die über die im 'zentralen Dogma des Lebens' ge-nannten Kompetenzen hinausreichen. RNA Stränge werden posttranskriptionell verändert, wie zum Beispiel durch chemische Modifikationen. tRNAs sind unter allen RNA-Klassen am umfangreichsten und chemisch vielfältigsten modifiziert. Ihre Modifikationen reichen von ein-fachen Methylierungen (z. B. m3C oder m6A) bis hin zu komplexeren Resten, wie einer Iso-pentenyl-Gruppe (i6A, Hypermodifikation: z. B. ms2i6A) oder sogar Aminosäuren (t6A). Ab-hängig von ihrer Position innerhalb der tRNA können Modifikationen Einfluss auf die tRNA Stabilität und Struktur, sowie die Affinität zu den Ribosomen und die Translationseffizienz und Genauigkeit, haben. Angesichts dieser Bedeutung von tRNA-Modifikationen werden zum einen Nachweisemethoden zur Detektion von Modifikationen, als auch Werkzeuge zur Unter-suchung der Erkennungsmechanismen spezifischer Proteine und deren enzymatischer Funk-tionalisierung benötigt. 
Dabei ist die chemische Synthese dieser natürlichen Modifikationen als Phosphoramidit-Bausteine die Voraussetzung, um die gewünschte Modifikation überhaupt erst über Festpha-sensynthese in Oligonukleotide einbauen zu können. Mit Hilfe der m3C-, (ms2)i6A- und t6A-modifizierten Oligonukleotide wurde die Bedeutung dieser tRNA-Modifikationen für die Struk-tur und Funktionalität des jeweiligen tRNA Anticodon-Loops (ACL) untersucht.
Ein Kapitel dieser Arbeit klärte die tatsächliche Rolle von METTL8 auf. Als Methyltransferase ist das Protein für den Einbau der Methylgruppe an C32 in den mitochondrialen tRNAThr und tRNASer(UCN) verantwortlich, kann dies aber nur bewerkstelligen, wenn zuvor bereits eine ent-sprechende Adenosin-Modifikation an A37 installiert wurde. Außerdem wurde mittels NMR-Analyse, CD-Spektroskopie, Schmelzkurvenanalysen und Gelelektrophorese der Einfluss von m3C32 auf die Struktur der tRNA Anticodon-Stem-Loops (ASLs) gezeigt. Die Modifikation scheint die tRNA-Struktur anzupassen, um die mitochondriale Translation zu optimieren.
Um herauszufinden, wie die dynamischen Modifikationswege von m3C reguliert werden, wurden mit den modifizierten tRNA-ASLs und den (α-KG)- und Fe(II)-abhängigen Dio-xygenasen ALKBH1 und ALKHB3 Demethylierungsassays durchgeführt. Obwohl ALKBH3 bisher nur als 
cytoplasmatisches Enzym bekannt war, konnte es mt-tRNAs demethylieren. Inwiefern diese Aktivität physiologisch relevant ist und ob ALKBH3 vielleicht zusätzlich auch eine mitochond-riale Lokalisierung aufweist, muss noch weiter untersucht werden. Zudem wurde gezeigt, dass ALKBH1 m3C32-modifizierte mt-tRNAs nicht demethylieren kann, es jedoch Hinweise darauf gibt, dass ALKBH1 zusätzlich zu der bereits beschriebenen Aktivität der Oxidation von m5C zu f5C in mitochondrialer tRNAMet eine noch näher zu untersuchende Deprenylierungs- und Exonuklease-Aktivität besitzt.
Außerdem wurden die zuvor erwähnten natürlichen Modifikationen verwendet, um DNA-Enzyme als analytische Werkzeuge zur Bestimmung des Modifikationsgrades zu finden. Die Enzyme katalysieren die Spaltung von RNA, falls eine spezielle Modifikation vorhanden ist. Es wurden selektive DNA-Enzyme für i6A sowie die drei Cytidin-Isomere m3C, m4C und m5C identifiziert und charakterisiert.
Neben den posttranskriptionalen Modifikationen war auch die Untersuchung künstlich modifi-zierter Nukleoside ein Teil dieser Arbeit. Das Gerüst nativer Nukleoside kann so modifiziert werden, dass die Nukleoside spezifischen Eigenschaften für die gewünschte Anwendung erhalten.
Während der Pandemie wurde antiviralen Nukleosidanaloga zur Behandlung der SARS-CoV-2-Infektion eine große Bedeutung zugeschrieben. Um den potenziellen Arzneimittelkandidaten Molnupiravir zu untersuchen, wurde N4-Hydroxycytidin als Phosphoramidit-Baustein syntheti-siert und in mehrere RNA-Oligonukleotide mittels Festphasensynthese eingebaut. Basierend auf den Ergebnissen von RNA-Elongations-, thermischen Denaturierungs- und Cryo-EM-Experimenten, bei denen die modifizierten RNA-Stränge und die rekombinante SARS-CoV-2-RNA-abhängige RNA-Polymerase verwendet wurde, wurde ein zweistufiges Modell für die NHC-induzierte Mutagenese von SARS-CoV-2 postuliert. Dieser Mechanismus wird durch die zwei tautomeren Formen von NHC ermöglicht, wobei die Amino-Form ein Basenpaar mit Guanosin bildet und die Imino-Form mit Adenosin basenpaaren kann. Nach dem Einbau in die virale RNA kommt es zu Mutationen und zur sogenannten Fehlerkatastrophe. Diese Er-kenntnisse wurden durch thermische Schmelzkurvenanalyse und NMR-Spektroskopie der NHC-haltigen Dickerson Drew Sequenz ergänzt. Mit Hilfe eines 15N-markierten NHC-Bausteins, der in die Dickerson Drew Sequenz eingebaut wurde, konnte schließlich die Anti-Amino Form in dem NHC-G Basenpaar durch NMR-Analyse eindeutig nachgewiesen wer-den. 
Ein weiteres Forschungsprojekt dieser Arbeit befasste sich mit der Synthese eines 7-Deazaguanosin-Crosslinkers, welcher einen geschützten Aldehyd als Diol-Linker enthielt. Die-ser Crosslinker sollte zur Untersuchung von DNA-Protein-Interaktionen dienen. Der Einbau der synthetisierten Phosphoramidit- und Triphosphat-Bausteine konnte erfolgreich durchge-führt werden und die Funktionalität des PCR-Produktes, welches den Crosslinker enthielt, wurde durch Oxidation und die Bildung einer kovalenten Bindung mit einem Fluorescein-Label demonstriert.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der der Entwicklung eines Assays, um Ver-änderungen im Methylierungslevel von m6A nachweisen zu können. Dies könnte neue Einbli-cke in wichtige biologische Prozesse liefern. Daher wurde im letzten Projekt der Einfluss von RNA-Methylierungszuständen auf die strukturellen Eigenschaften von RNA untersucht und dafür ein fluoreszierendes Nukleosidanalog (8-Vinyladenosin) als molekulares Werkzeug ent-wickelt. Die ersten Experimente mit dem Nukleosidanalog N6-Methyl-8-Vinyladenosin (m6v8A) zeigten einen deutlichen Fluoreszenzanstieg durch den Einbau der Vinyleinheit an Position 8 im Vergleich zu dem nicht fluoreszierenden m6A.
Insgesamt trägt diese Arbeit zu verschiedenen Forschungsthemen bezüglich der Anwendung von natürlich vorkommenden und künstlichen Nukleosidanaloga bei. Ausgehend von der chemischen Synthese von RNA- und DNA-Modifikationen hat diese Arbeit durch eingehende Analysen mehrere offene Fragestellungen zum dynamischen (De-)Methylierungsweg von m3C und zum Wirkmechanismus von Molnupiravir aufgedeckt und die Grundlage für weitere Untersuchungen des Proteinkomplexes Condensin und eines neuen fluoreszierenden Nukle-osidanalogons m6v8A geschaffen.
KW  - Nucleinsäuren
KW  - Chemische Synthese
KW  - SARS-CoV-2
KW  - Oligonucleotide
KW  - Festphasensynthese
KW  - Crosslinker
KW  - Phosphoramidite
KW  - Methyltransferase
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-311350
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