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Die NADPH-Oxidasen stellen eine wichtige Quelle für reaktive Sauerstoffspezies (Reactive oxygen species; ROS) im Organismus dar. Hierbei dienen die NADPH-Oxidasen nicht nur der Pathogenabwehr, sondern haben einen Einfluss auf eine Vielzahl an oxidativen, physiologischen Prozessen. Unter den NADPH-Oxidasen ist NOX4 einzigartig, da es hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert ist, konstitutiv aktiv ist und Wasserstoffperoxid (H2O2) produziert. Wir vermuten, dass diese besonderen Eigenschaften eine Konsequenz aus der Interaktion mit bislang unentdeckten NOX4-interagiereden Proteinen ist.
Zweidimensionale blau-native Polyacrylamid-Gelelektrophorese (BN-PAGE) kombiniert mit SDS-PAGE zeigte NOX4 in makromolekularen Komplexen. Interagierende Proteine wurden durch eine quantitative SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture)-Co-immunopräzipitation (Co-IP) in NOX4-überexprimierenden HEK293-Zellen gescreent. Hierdurch konnten verschiedene interagierende Proteine identifiziert werden, wobei Calnexin die robusteste Interaktion aufwies. Calnexin konnte zudem in NOX4-haltigen Komplexen durch Complexome Profiling der BN-PAGE oder gleichzeitiger Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die Calnexin-NOX4-Interaktion konnte mittels reverser Co-IP und Proximity ligation assay bestätigt werden, während NOX1, NOX2 und NOX5 nicht mit Calnexin interagierten. Calnexin-Defizienz, untersucht in embryonalen Mausfibroblasten oder durch shRNA gegen Calnexin, reduzierte die NOX4-Proteinexpression und ROS-Bildung, wobei die mRNA-Expression unverändert blieb. Des Weiteren wurde untersucht, ob der bekannte Interaktionspartner von NADPH-Oxidasen, p22phox, wirklich essentiell für die Expression oder Aktivität von NOX4 ist, da es nur in manchen der NOX4-Co-IPs nachgewiesen wurde. Um den Einfluss von p22phox für NOX4 aufzuklären wurde ein CRISPR/Cas9 Knockdown in NOX4-überexprimierenden HEK293 Zellen etabliert. p22phox zeigte keinen Einfluss auf die NOX4-Expression, jedoch war die NOX4-abhängige ROS-Produktion in p22phox-Knockout Zellen verschwunden.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass endogenes NOX4 makromolekulare Komplexe mit Calnexin ausbildet, welches für die korrekte Reifung, Prozessierung und Funktion von NOX4 im ER nötig ist. Darüber hinaus ist p22phox nicht für die Reifung von NOX4, aber für dessen Aktivität nötig. Diese Ergebnisse zeigen eine vielfältige Regulation von NOX4 auf Proteinebene.
Cells perform a wide range of functions such as signalling, transportation, immunoprotection and metabolism. Unravelling the molecular mechanism behind those processes will provide a platform for more targeted and rational drug design. This is achieved by discerning the structural and functional aspects of the biological macromolecules involved. This thesis discusses about the biophysical characterization of protein structures and the biological importance of protein dynamics. Membrane receptors and enzymes which are ubiquitously present in our biological systems and regulate wide variety of functions are excellent choice for such study. From a pharmaceutical point of view, receptor and enzymes are exceptionally important drug targets as they represent the major share (receptor, 30% and enzymes, 47%) of all marketed drugs. Therefore, apart from biological insights, the detailed study of receptors and enzymes will provide the basis for new pharmaceutical applications. Most information about receptor activation and enzyme activity come from the structural and functional analysis of target members of the above mentioned systems.
In “Chapter 1 – General Introduction” the readers are introduced to the world of proteins with special focus on G-protein coupled receptors (GPCRs) and methyltransferases. The first part of this chapter discusses about GPCRs with emphasis on their classification, structural features and functions. GPCRs are the most abundant membrane receptors present in mammalian cells, accounting for almost 15% of all membrane proteins. The GPCR superfamily consists of ~800 members and can be subdivided into six classes (A-F). Class A containing rhodopsin, peptide hormones, olfactory GPCRs, is the most abundant with a large share of 85% of GPCR protein family. GPCRs share a common architecture of 7 transmembrane a-helices, with different ligand binding sites. Although a variety of ligands ranging from subatomic particles (a photon) to large proteins can activate a GPCR, their mechanism of signal transduction is almost similar. There are two major signal transduction pathways identified for GPCRs: the cAMP pathway and the phosphatidylinositol pathway. The therapeutic relevance of GPCRs has also been pointed out here since a large share (30%) of modern marketed drugs target GPCRs.
In the second part of this chapter, the structural and functional characterizations of methyltransferases (MTs) are discussed in detail. Several important biological processes in cells e.g. drug metabolism, gene transcription, epigenetic regulations are modulated by methylation of targets ranging from small biomolecules to large proteins. MTs are the proteins which catalyze this methylation reaction and transfer the methyl group to an acceptor molecule through SN2 like nucleophilic substitution reaction. The MTs can be classified on the basis of the substrate atoms they methylate: O (54% of all MTs), N (23%), C (18%), S (3%) and other acceptors (such as halides; 2%). They can also be categorized into five different classes (Class I-V) depending upon distinctive structural features facilitating substrate binding or catalytic activity. Rossmann fold and SET (acronym acquired from the Drosophila Su(var)3-9 and 'Enhancer of zeste' proteins) domain are the two characteristic structural motifs commonly found in MTs. Similar to GPCRs, MTs dysfunction has been shown to be involved in various diseases including neuropsychiatric diseases and cancer. Therefore they are also interesting targets for drug development. The final part of this chapter discusses the importance of structural biology in gathering information related to structure and conformational dynamics of proteins. The two prominent biophysical techniques used in structural biology, X-ray crystallography and NMR, are discussed with focus on their advantages and limitation. The importance of NMR spectroscopic techniques to investigate different dynamic processes of protein at atomic resolution under physiological conditions is also discussed. Real time NMR spectroscopy required for the analysis of slow protein dynamic processes (protein folding, enzyme catalysis, domain rearrangement) has been explained in detail.
The second part of the thesis (Chapters 3-4), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped into 2 chapters according to their topic:
• NMR-spectroscopic characterization of the transiently populated photointermediates of bovine rhodopsin and it’s interaction with arrestin (Chapter 3)
• Structural and biophysical characterization of PaMTH1, a putative SAM dependent O-methyltransferase from filamentous fungi Podospora anserina (Chapter 4)
Each chapter is initiated by a detailed introduction to the topic, providing the framework for the following papers. The personal contribution of this thesis’ author to each publication is stated in the introduction to the respective article.
A growing body of evidence suggests that macrophage polarization dictates the expression of iron-regulated genes. Polarization towards iron sequestration depletes the microenvironment, whereby extracellular pathogen growth is limited and inflammation is fostered. In contrast, iron release contributes to cell proliferation, which is important for tissue regeneration. Moreover, macrophages constitute a major component of the infiltrates in most solid tumors. Considering the pivotal role of macrophages for iron homeostasis and their presence in association with poor clinical prognosis in tumors, we approached the possibility to target macrophages with intracellular iron chelators. Analyzing the expression of iron-regulated genes at mRNA and protein level in primary human macrophages, we found that the iron-release phenotype is a characteristic of polarized macrophages that, in turn, stimulate tumor cell growth and progression. The application of the intracellular iron chelator (TC3-S)2 shifted the macrophage phenotype from iron release towards sequestration, as determined by the iron-gene profile and atomic absorption spectroscopy (AAS). Moreover, whereas the addition of macrophage supernatants to tumor cells induced tumor growth and metastatic behavior, the supernatant of chelator-treated macrophages reversed this effect. Iron chelators demonstrated potent anti-neoplastic properties in a number of cancers, both in cell culture and in clinical trials. Our results suggest that iron chelation could affect not only cancer cells but also the tumor microenvironment by altering the iron-release phenotype of tumor-associated macrophages (TAMs). The study of iron chelators in conjunction with the effect of TAMs on tumor growth could lead to an improved understanding of the role of iron in cancer biology and to novel therapeutic avenues for iron chelation approaches.
An optochemokine tandem was developed to control the release of calcium from endosomes into the cytosol by light and to analyze the internalization kinetics of G-protein coupled receptors (GPCRs) by electrophysiology. A previously constructed rhodopsin tandem was re-engineered to combine the light-gated Ca2+-permeable cation channel Channelrhodopsin-2(L132C), CatCh, with the chemokine receptor CXCR4 in a functional tandem protein tCXCR4/CatCh. The GPCR was used as a shuttle protein to displace CatCh from the plasma membrane into intracellular areas. As shown by patch-clamp measurements and confocal laser scanning microscopy, heterologously expressed tCXCR4/CatCh was internalized via the endocytic SDF1/CXCR4 signaling pathway. The kinetics of internalization could be followed electrophysiologically via the amplitude of the CatCh signal. The light-induced release of Ca2+ by tandem endosomes into the cytosol via CatCh was visualized using the Ca2+-sensitive dyes rhod2 and rhod2-AM showing an increase of intracellular Ca2+ in response to light.
The P300/CBP-associated factor plays a central role in retroviral infection and cancer development, and the C-terminal bromodomain provides an opportunity for selective targeting. Here, we report several new classes of acetyl-lysine mimetic ligands ranging from mM to low micromolar affinity that were identified using fragment screening approaches. The binding modes of the most attractive fragments were determined using high resolution crystal structures providing chemical starting points and structural models for the development of potent and selective PCAF inhibitors.
Recently, two of the most common types of bone cancers in children and young adults have been proven to exhibit vulnerability to poly(ADP)-ribose polymerase, (PARP) inhibitors (e.g. olaparib, talazoparib). Ewing’s sarcoma (ES) are reported to harbor a fusion gene EWS-FLI1 (85%), inducing tumorigenesis. Additional, as the fusion gene acts as aberrant transcription factor, it similarly induces elevated PARP expression levels sensitizing ES to PARP inhibition. Second, by an exome sequencing approach in a set of primary osteosarcomas (OS) we identified mutation signatures being reminiscent of BRCA deficiency. Therefore, the sensitivity of a panel of OS cell lines to either talazoparib single treatment or in combination with several chemotherapeutic drugs was investigated.
To screen ES tumor cell lines against PARP inhibitors we applied four different PARP inhibitors (talazoparib, olaparib, niraparib and veliparib) that are frequently being used for clinical studies. We combined those PARP inhibitors with a set of chemotherapeutics (temozolomide (TMZ), SN-38, etoposide, ifosfamide, doxorubicin, vincristine and actinomycin D) that are part of the first-line therapy of ES patients. Here, we demonstrate how PARP inhibitors synergize with TMZ or SN-38 to induce apoptosis, whereas the combination of PARP inhibitors with the other drugs are not favorable. By investigation of key checkpoints in the molecular mechanisms of cell death, the pivotal role of the mitochondrial pathway of apoptosis mediating the synergy between olaparib and TMZ was revealed.
Employing talazoparib monotherapy in combination with or without several chemotherapeutic drugs (TMZ, SN-38, cisplatin, doxorubicin, methotrexate and etoposide/carboplatin), the correlation between homologous recombination (HR) repair deficiency (BRCAness) and the response to talazoparib as prototypical PARP inhibitor was validated in different OS cell lines. By calculation of combination indices (CI) and fraction affected (Fa) values, we identified TMZ as the most potent chemotherapeutic drug in combination with talazoparib inducing the mitochondrial apoptotic pathway in OS.
In our studies of two independent tumor entities with contrary genetic background we identified the combination of PARP inhibitor and TMZ as being most effective. Our studies point out that after TMZ induced DNA methylation and concomitant PARP trapping, DNA damage-imposed checkpoint kinase activation consequently induces G2-cell cycle arrest. Subsequent, PARP inhibitor/TMZ causes MCL-1 degradation, followed by activation of BAK and BAX, succeeding in loss of mitochondrial outer membrane potential (LMMP) and activation of downstream effector-caspases in mitochondrial apoptosis. Our findings emphasize the importance of PARP inhibition in order to chemosensitize ES, which express high PARP levels, or OS that bear features of BRCAness.
Weltweit sind ca. 130–180 Millionen Menschen mit HCV infiziert und jährlich sterben etwa 500.000 Menschen an dessen Folgen. Die neuartigen Therapien versprechen zwar eine sehr hohe Heilungsrate, sind aber aufgrund ihrer enorm hohen Kosten nur in Industrieländern verfügbar. Noch immer gibt es keine prophylaktische Vakzinierung gegen HCV. Deshalb ist es wichtig, den HCV-Lebenszyklus und die Interaktion zwischen Wirtszelle und Virus detailliert zu verstehen, um die Entwicklung von Therapien und Impfungen zu ermöglichen. Außerdem kann ein fundiertes Wissen von HCV translatiert werden und auf neuartige Erreger der Familie der Flaviviridae, wie Denguevirus und Zikavirus, angewendet werden. Während der Zelleintritt und die Replikation von HCV relativ gut charakterisiert sind, bleiben die Assemblierung und Freisetzung der viralen Partikel schlecht verstandene Schritte des HCV-Lebenszyklus. In dieser Arbeit sollte die Rolle des zellulären Proteins α-Taxilin im Lebenszyklus von HCV untersucht werden. In einer späteren Phase der Arbeit wurde der endosomale Freisetzungsweg von HCV untersucht. Dazu wurden HCV Varianten generiert und charakterisiert, die Fluoreszenz-Proteine im NS5A- und E1-Protein enthalten, durch die es möglich ist, den Replikationskomplex und die Viruspartikel zu visualisieren und zu quantifizieren und den viralen Lebenszyklus dadurch besser untersuchen zu können...
Sandra Posch, Camilo Aponte-Santamaría, Richard Schwarzl, Andreas Karner, Matthias Radtke, Frauke Gräter, Tobias Obser, Gesa König, Maria A. Brehm, Hermann J. Gruber, Roland R. Netz, Carsten Baldauf, Reinhard Schneppenheim, Robert Tampé, Peter Hinterdorfer
Mutual A domain interactions in the force sensing protein von Willebrand factor
Journal of Structural Biology, Volume 197, Issue 1, January 2017, Pages 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2016.04.012
We here give information for a deeper understanding of single molecule force spectroscopy (SMFS) data through the example of the blood protein von Willebrand factor (VWF). It is also shown, how fitting of rupture forces versus loading rate profiles in the molecular dynamics (MD) loading-rate range can be used to demonstrate the qualitative agreement between SMFS and MD simulations. The recently developed model by Bullerjahn, Sturm, and Kroy (BSK) was used for this demonstration. Further, Brownian dynamics (BD) simulations, which can be utilized to estimate the lifetimes of intramolecular VWF interactions under physiological shear, are described. For interpretation and discussion of the methods and data presented here, we would like to directly point the reader to the related research paper, “Mutual A domain interactions in the force sensing protein von Willebrand Factor” (Posch et al., 2016).
Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as a promising class of crystalline porous inorganic-organic hybrid materials showing a wide range of applications. In order to realize the integration of MOFs into specific devices, this thesis mainly focuses on the controlled growth and the properties of highly oriented surface-mounted metal-organic frameworks (SURMOFs).
The stepwise layer-by-layer (LbL) growth method exhibits vast advantages for the controllable growth of SURMOFs regarding the crystallite orientation, film thickness and homogeneity. However, up to date, only a few MOFs have been demonstrated to be suited for this protocol. So the first project of this thesis was designed to extend the applicability of the LbL growth. To this end, a semi-rigid linker based [Cu2(sdb)2(bipy)] (sdb = 4,4’-sulfonylbiphenyl dicarboxylate; bipy = 4,4’-bipyridine) MOF was chosen. Employing the LbL growth, [Cu2(sdb)2(bipy)] SURMOFs were successfully grown onto both pyridyl- and carboxyl-terminated surfaces at the temperature range of 15-65 °C. Interestingly, the orientation of the SURMOFs largely depends on temperature on both surfaces. At low temperatures (below 40 °C), SURMOFs with exclusive [010] orientation are obtained. In contrast, at high temperatures (40-65 °C), [001] oriented SURMOF growth is favored. A novel growth mode was demonstrated, which is, instead of surface chemistry, the temperature-induced ripening processes and the tendency to minimize surface energies can dominate the SURMOF growth.
Inspired by the advantages of LbL deposition of isoreticular SURMOFs, the second project was conceived to grow multivariate SURMOFs (MTV-SURMOFs) using mixed dicarboxylate linkers. We advance a hypothesis that linker acidity (expressed by the pKa values) may have an influence on the oriented growth of MTV-SURMOFs. To test the hypothesis, seven isoreticular [Cu2L2(dabco)] (L = single kind of dicarboxylate linker; dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane) SURMOFs were grown onto pyridyl-terminated surfaces at 60 °C. The quality of [001] orientation is greatly affected by the acidity of the linkers. With this observation, we deposited a series of [Cu2Lm2(dabco)] (Lm = mixed dicarboxylate linkers) SURMOFs under the same conditions. [Cu2Lm2(dabco)] SURMOFs with exclusive [001] orientation are obtained when the growth solution contains two linkers of relatively high pKa value or more than two kinds of linkers (independent of the pKa values), while the mixtures of ligands with relatively low pKa values or a high content of low pKa valued linkers can result in mis-oriented growth of SURMOFs with unexpected [100] orientation.
Moreover, the LbL growth shows enormous potential in the rational construction of functional SURMOFs. Therefore, the third project of this thesis was devised to deposit SURMOFs containing redox-active species. For this, the 4,4’-biphenyldicarboxylic acid (H2(bpdc)) linker was functionalized with ferrocene (Fc) and dimethyl ferrocene (Me2Fc) moieties. [Cu2(bpdc-amide-Fc)2(dabco)] SURMOF (Fc-SURMOF) is perfectly grown along the [100] direction, while mis-oriented growth of [Cu2(bpdc-amide-Me2Fc)2(dabco)] SURMOF (Me2Fc-SURMOF) was observed. Surprisingly, Fc-SURMOF shows excellent electrochemical properties due to the reversible oxidation and reduction of the ferrocene moieties in the oriented pores, while the Me2Fc-SURMOF was found to be a closely packed insulating layer since no extensive charge transfer is observed. A diffusion controlled mechanism of redox reaction is proposed, where the diffusion of the counter anions in the pores limits the current.
Besides the LbL growth protocol, the spin-coating technique is also promising for the oriented growth of SURMOFs. Driven by the specific applications, the fourth project of this thesis was planned to grow functional SURMOFs containing catalytically active units. The Keggin-type polyoxometalates (POMs) with high catalytic activities were chosen to functionalize the HKUST-1 SURMOFs. Combining the technique with methanol vapor induced growth, a series of POM functionalized HKUST-1 SURMOFs (denoted as POM@HKUST-1 SURMOFs) were controllably deposited onto pyridyl-terminated surfaces. The SURMOFs exhibit great potential as electrocatalysts in electrochemical devices due to the excellent redox properties of POMs. In addition, the PTA@HKUST-1 (PTA = phosphotungstic acid) SURMOF can be employed as an ideal platform for the selective loading of methylene blue (MB) dye with high efficiency. Owing to the strong binding between the dye molecules and the framework, the MB dye cannot be desorbed by ion exchange and MB loaded PTA@HKUST-1 SURMOF shows reliable redox properties under inert conditions, further confirming the application potential in electrochemical devices.
Gastric cancer is one of the most common malignancies and a leading cause of cancer death worldwide. The prognosis of stomach cancer is generally poor as this cancer is not very sensitive to commonly used chemotherapies. Epigenetic modifications play a key role in gastric cancer and contribute to the development and progression of this malignancy. In order to explore new treatment options in this target area we have screened a library of epigenetic inhibitors against gastric cancer cell lines and identified inhibitors for the BET family of bromodomains as potent inhibitors of gastric cancer cell proliferations. Here we show that both the pan-BET inhibitor (+)-JQ1 as well as a newly developed specific isoxazole inhibitor, PNZ5, showed potent inhibition of gastric cancer cell growth. Intriguingly, we found differences in the antiproliferative response between gastric cancer cells tested derived from Brazilian patients as compared to those from Asian patients, the latter being largely resistant to BET inhibition. As BET inhibitors are entering clinical trials these findings provide the first starting point for future therapies targeting gastric cancer.
The development of single-photon-counting detectors, such as the PILATUS, has been a major recent breakthrough in macromolecular crystallography, enabling noise-free detection and novel data-acquisition modes. The new EIGER detector features a pixel size of 75 × 75 µm, frame rates of up to 3000 Hz and a dead time as low as 3.8 µs. An EIGER 1M and EIGER 16M were tested on Swiss Light Source beamlines X10SA and X06SA for their application in macromolecular crystallography. The combination of fast frame rates and a very short dead time allows high-quality data acquisition in a shorter time. The ultrafine φ-slicing data-collection method is introduced and validated and its application in finding the optimal rotation angle, a suitable rotation speed and a sufficient X-ray dose are presented. An improvement of the data quality up to slicing at one tenth of the mosaicity has been observed, which is much finer than expected based on previous findings. The influence of key data-collection parameters on data quality is discussed.
Um die Funktionsweise von biologischen Prozessen zu untersuchen, werden Trigger-Signale benötigt, die die Prozesse initiieren können, ohne dabei dem Organismus zu schaden oder Nebenreaktionen hervorzurufen. Ein geeignetes Trigger-Signal stellt Licht dar, da es bei geeigneter Wellenlänge nichtinvasiv ist und nur wenige biologische Prozesse durch Licht gesteuert werden. Um einen Prozess mit Licht aktivierbar zu machen, benötigt man eine lichtsensitive Einheit, beispielsweise eine photolabile Schutzgruppe, die durch die Bestrahlung mit Licht einen zuvor blockierten Bereich freisetzt.
Hauptziel dieser Arbeit war es die Zweiphotonen-Technik für die Photolyse von photolabil geschützten Oligonukleotiden nutzbar zu machen und das Photolyseergebnis zu visualisieren.
Dazu wurden zunächst verschiedene mit Zweiphotonen-sensitiven Schutzgruppen modifizierte Phosphoramidite synthetisiert und über Festphasensynthese in Oligonukleotide eingebaut. Die Oligonukleotide mit den erstmals neu eingebauten Schutzgruppen ANBP und hNDBF wurden zunächst auf ihre Einphotonen-Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Absorptionsverhalten und Quantenausbeute untersucht. Weiterhin wurden erste Versuche zur wellenlängenselektiven Photolyse von hNDBF- und ANBP-geschützten Oligonukleotiden durchgeführt.
Die Existenz eines Zweiphotonen-induzierten Effekts kann durch die quadratische Abhängigkeit des erzeugten Effekts von der eingestrahlten Leistung nachgewiesen werden. Dazu wurde ein Verdrängungs-Assay entwickelt, dessen Doppelstrang-Sonde aus einem FRET-Paar besteht. Der Fluorophor-markierte Strang dient dabei als Gegenstrang zum photolabil geschützten Strang. Durch einen Thiol-Linker am photolabil geschützten Oligonukleotid konnte dieses erfolgreich in Maleimid-Hydrogele immobilisiert werden und der Verdrängungs-Assay im Gel durchgeführt werden. Die immobilisierten Stränge enthielten DEACM bzw. ANBP Schutzgruppen. Neben der quadratischen Abhängigkeit der Photolyse von der eingestrahlten Leistung konnten in diesen Hydrogelen auch 3D-aufgelöste Photolysen realisiert werden, die eindeutig die Zwei-Photonen-Photolyse belegen. Diese 3D-Experimente wurden zusammen mit Dr. Stephan Junek am MPI für Hirnforschung durchgeführt. Durch die Wahl zweier unterschiedlicher Sequenzen für die dTDEACM und dGANBP modifizierten Stränge und zwei unterschiedlicher Fluorophore für die Doppelstrang-Sonden, konnte die orthogonale Zweiphotonen-Photolyse gezeigt werden. Um zu zeigen, dass die Zweiphotonen-Photolyse von Oligonukleotiden auch in Organismen realisiert werden kann ohne das biologische System zu schädigen, wurde versucht den Verdrängungs-Assay auch in Zellen durchzuführen. Durch die Verwendung der Patch-Clamp-Technik in Zusammenarbeit mit Dr. Stephan Junek am MPI für Hirnforschung konnten die Stränge über die Elektrolyt-Lösung in Hippocampus-Neuronen eingebracht werden und durch Zweiphotonen-Bestrahlung dort photolysiert werden, was zu einem deutlichen Fluoreszenzanstieg führte. Durch die angeschlossene Patch-Clamp-Pipette konnten so zusätzlich elektrophysiologische Messungen durchgeführt werden, die zeigten, dass die durchgeführte Zweiphotonen-Bestrahlung nicht invasiv für die Zellen ist.
Die durchgeführten Experimente beweisen, dass Zweiphotonen-sensitive Schutzgruppen auf Oligonukleotiden photolysiert werden können und dass ihr Einsatz auch in biologischen Systemen möglich ist. Der entwickelte Verdrängungs-Assay ermöglicht es weiterhin neue photolabile Schutzgruppen auf Oligonukleotiden auf ihre Zweiphotonen-Sensitivität zu untersuchen.
Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit der Synthese der neuen Schutzgruppe DMA-NDBF-OH, die in-silico von der Arbeitsgruppe von Prof. Andreas Dreuw aus Heidelberg als effiziente Zweiphotonen-sensitive Schutzgruppe beschrieben wird. Es wurde versucht DMA-NDBF-OH über zwei Syntheserouten herzustellen. Eine Route basierte auf der Einführung der Funktionalitäten an einem unmodifizierten Dibenzofuran, die leider an der Bromierung der Seitenkette scheiterte. Die zweite Syntheseroute wurde in Anlehnung an die NDBF-Synthese von Deiters et al., bei der das Dibenzofuran durch eine Kondensation zweier modifizierter Benzolringe und einem Pd-katalysierten Ringschluss aufgebaut wird, durchgeführt. Mit dieser Syntheseroute konnte das DMA-NDBF-OH erfolgreich synthetisiert werden. Aufgrund ihrer starken bathochromen Verschiebung sollte sich diese Schutzgruppe hervorragend für die wellenlängenselektive Photolyse auf Ein- und Zweiphotonenebene eignen.
In view of the diverse functionalities of RNA, the search for tools suitable for regulating and understanding RNA grows continuously. Dysfunction of RNA controlled processes can lead to diseases, calling for external regulation mechanisms – a difficult task in view of the complexity of biological systems. One of the recently developed methods that aim to systematically control RNA relates to photoregulation. Here, the RNA functions are triggered by photochromic molecules – for example, azobenzene or spiropyran – which are bound either covalently or non-covalently to the target RNA. This is a flexible approach, which can be improved by using suitably substituted chromophores. However, many issues regarding the details of photocontrol are still open. A detailed understanding of the mechanism of photocontrol is therefore of crucial importance.
The present thesis explores theoretical approaches to the photocontrol of RNA, focussing upon azobenzene chromophores covalently bound to RNA. The aim of the thesis is to characterize, at a molecular level, the effect of trans-to-cis isomerization of the azobenzene chromophore on RNA, and thus understand the mechanism of RNA unfolding triggered by azobenzene isomerization. In particular, we attempt to answer the following questions:
How does azobenzene isomerization happen in an RNA environment, i.e., how is
the isomerization influenced by the local RNA environment?
Conversely, how is RNA dynamics, on a longer time scale, affected by azobenzene attachment and photoisomerization?
Further, can regulation be enhanced by substituted azobenzenes? And, does simulation yield a picture that is consistent with experiment?
Due to the very different times scales of azobenzene isomerization (femtoseconds to picoseconds) and the much slower RNA response (nanoseconds to milliseconds), complementary techniques have been chosen: (i) hybrid quantum-classical approaches, i.e., on-the-fly Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM), to characterize the isomerization and RNA response on an ultrafast time scale, and (ii) molecular dynamics with enhanced sampling techniques, in particular, Replica Exchange MD (REMD), to explore longer time scales where the effect of RNA unfolding becomes manifest. Furthermore, substituent effects on azobenzene were separately investigated, in collaboration with two experimental groups.
The first part of this thesis is focused on the conformational influence of azobenzene on a small RNA hairpin on longer time scales using REMD simulations. In accordance with experiment, it is found that both the trans and cis form of azobenzene destabilize the RNA system. Trans azobenzene stays stacked in the double strand, whereas the cis form flips out of the RNA. These stacking interactions are the main reason why a trans azobenzene-RNA-complex is more stable than a cis-azobenzene-RNA-complex. Furthermore, the loop region of the RNA hairpin is highly destabilized by the intercalation of azobenzene.
In the second part, on-the-fly QM/MM simulations of the same azobenzene substituted hairpin are undertaken. These simulations use a surface hopping (SH) algorithm in conjunction with hybrid QM/MM electronic structure calculations to give a complete picture of the isomerization process on a picosecond time scale. It is shown that, due to the constraints of the RNA environment, the isomerization time of the azobenzene chromophore is significantly increased (from 300 femtoseconds in the gas phase to around 20 picoseconds in the RNA environment), and the isomerization yield is low. To the best of our knowledge, these are the first QM/MM simulations reported for azobenzene in a nucleic acid environment.
In the third and final part of this thesis, the properties of substituted azobenzenes have been explored, in collaboration with two experimental groups at the department. In particular, para- and meta-hydroxy substituted azobenzenes were suggested as improved photoswitches for the photoregulation of RNA, but spectroscopic investigations showed that isomerization was inefficient in some of the investigated species. Therefore, we investigated the photoisomerisation pathway of the keto/enol-form of para- and meta-hydroxy-azobenzenes by Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) calculations. These calculations show that the competing keto/enol-tautomerism can result in an unstable cis form, making these substituted chromophores unsuitable as photoswitches.
Overall, the present thesis has contributed to obtaining a molecular-level understanding of photocontrol in azobenzene substituted RNAs, showing that theory and simulations can provide useful guidance for new experiments.
Photoinduzierte Energietransferprozesse und -reaktionen spielen in vielen Gebieten von Chemie, Physik und Biologie eine wichtige Rolle. Zu den prominentesten Beispielen zählen der Lichtsammelprozess in der Photosynthese und der Anregungsenergietransfer in funktionellen Materialien. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf letzterem Bereich, genauer auf organischer Elektronik und flexiblen Donor-Akzeptor-Bausteinen und Schaltern. Im Besonderen werden hier zwei verschiedene Typen von funktionellen organischen Systemen betrachtet: zum einen oligomere Fragmente organischer halbleitender Polymere wie Oligo-p-Phenylen-Vinylen (OPV) und Oligo-Thiophen (OT), welche als Bausteine für neuartige organische Solarzellen dienen, und zum anderen kleine funktionelle Donor-Akzeptor-Einheiten wie Dithienylethen-Bordipyrromethen (DTE-BODIPY). Letzteres wurde in Kooperation mit den experimentellen Gruppen von K. Rück-Braun (TU Berlin) und J. Wachtveitl (Goethe Universität) untersucht. Um die relevanten Energietransfermechanismen genauer zu verstehen, wurden an diesen Systemen elektronische Strukturrechnungen und quantendynamische Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden mittels ab initio-Methoden Modell-Hamiltonians parametrisiert und mit hochdimensionalen quantendynamischen oder semiklassischen Methoden kombiniert. Während die Parametrisierung für kleinere Fragmente durchgeführt wurde, lässt sich der so parametrisierte Hamiltonian ohne Weiteres auf größere Systeme erweitern. Die dynamischen Studien der betreffenden Systeme wurden mittels der Multikonfigurationellen Zeitabhängigen Hartree (MCTDH) Methode durchgeführt, welche eine vollständige quantendynamische Beschreibung des Systems zulässt. Für größere Systeme wurde die semiklassische Ehrenfest Methode in Verbindung mit dem Langevin-Ansatz zur Beschreibung von Umgebungseffekten genutzt. Hierzu wurde ein eigens für diese Methode und Systeme geschriebenes Programm eingesetzt. Im Falle der OT- und OPV-Oligomere wurde die Dynamik bei Vorliegen eines strukturellen Defekts untersucht. Ziel war es hierbei, die dynamischen Phänomene, welche durch die Photoanregung induziert werden, zu untersuchen. Des Weiteren wurde untersucht, ob das Konzept von „spektroskopischen Einheiten“, welche die Lokalisierung der Anregung durch strukturelle Defekte beschreibt, in diesen Systemen zutrifft. Hierzu wurden die Systeme in einer Frenkel-Basis definiert, welche ein auf einem Monomer lokalisiertes Elektron-Loch-Paar beschreibt. Delokalisierte elektronische Anregungen können somit als Superposition solcher Frenkel-Zustände beschrieben werden. Neben der Frenkel-Basis wurde aber auch eine verallgemeinerte Elektron-Loch-Basis verwendet, welche über zusätzliche Ladungstransferzustände eine räumliche Separation von Elektronen und Löchern erlaubt.Die Parametrisierung des OPV- und OT-Hamiltonians erfolgte mittels der Algebraischen Diagrammatischen Konstruktions (ADC(2))-Methode, welche in Kombination mit einer Übergangs-Dichte-Matrix-Analyse eine sehr akkurate Beschreibung der Frenkel- und Ladungstransferzustände basierend auf den supermolekularen Zuständen erlaubt. Um vibronische Effekte auf die Dynamik miteinzubeziehen,wurden nieder- und hochfrequente Torsions- und alternierende Bindungslängenmoden des Systems im Hamiltonian berücksichtigt. Hierzu wurden eindimensionale Schnitte der Potentialflächen entlang dieser Koordinaten berechnet und mittels einer Transformation in diabatische Potentialflächen überführt. Mit diesem Setup wurden die quantendynamischen und semiklassischen Simulationen für ein OPV/OT-Hexamer und ein 20-mer durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass der Energietransfer auf einer Subpikosekunden-Zeitskala stattfindet und eine starke Abhängigkeit vom Vorliegen eines strukturellen Defekts aufweist. Des Weiteren konnte auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden eine Lokalisierung des Exzitons beobachtet werden. Fluktuationseffekte werden zudem über Quantenfluktuationen im Falle von MCTDH bzw. über thermische Fluktuationen im Falle des Ehrenfest-/Langevin-Ansatzes berücksichtigt. Letzterer ist jedoch nicht in der Lage, die kohärente Charakteristik der mit den Schwingungsmoden gekoppelten Exziton- und Lokalisierungsdynamik wiederzugeben. Dagegen kann dieser Ansatz erfolgreich genutzt werden, um eine fluktuationsgetriebene „Hopping“-Dynamik des quasi- stationären Zustandes auf einer längeren Zeitskala in Abhängigkeit von der Temperatur zu beschreiben. Die Beschreibung der Photodynamik der DTE-BODIPY-Dyade zielt darauf ab, experimentell beobachtete vibrationelle Schwingungen des BODIPY-Fragments zu erklären, die ohne eine direkte Anregung dieses Fragments zustande kommen. Diese wurden nach einer selektiven Anregung des DTE-Fragments in zeitaufgelösten UV/Vis Anreg-Abtast-Experimenten beobachtet. Der Fokus der Untersuchung liegt daher auf der Beschreibung der photoinduzierten intramolekulare Energieumverteilung (IVR) auf einer Subpikosekunden-Zeitskala. Die DTE-BODIPY Dyade wurde mittels eines Hamiltonians, welcher durch TDDFT Rechnungen parametrisiert wurde, dargestellt. Basierend auf den Normalmoden des Systems, wurden lokale DTE- und BODIPY-Moden konstruiert, wobei einige dieser Moden miteinander gekoppelt sind und die Photoanregung des DTE auf das BODIPY-Fragment übertragen. Hierbei zeigte sich, dass die Zeitskala und die charakteristischen Frequenzen des Experiments mittels der hochdimensionalen MCTDH-Methode gut reproduziert wurden. Aus den Simulationen ergab sich zudem, dass der beobachtete Energietransfer stark von einem Reservoir von vibrationell angeregten lokalen DTE-Moden beeinflusst wird. Der untersuchte IVR- Prozess zeigt zudem eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokalen Kopplungen und der Kopplung an eine Umgebung.
Process pharmacology : a pharmacological data science approach to drug development and therapy
(2016)
A novel functional-genomics based concept of pharmacology that uses artificial intelligence techniques for mining and knowledge discovery in "big data" providing comprehensive information about the drugs’ targets and their functional genomics is proposed. In “process pharmacology”, drugs are associated with biological processes. This puts the disease, regarded as alterations in the activity in one or several cellular processes, in the focus of drug therapy. In this setting, the molecular drug targets are merely intermediates. The identification of drugs for therapeutic or repurposing is based on similarities in the high-dimensional space of the biological processes that a drug influences. Applying this principle to data associated with lymphoblastic leukemia identified a short list of candidate drugs, including one that was recently proposed as novel rescue medication for lymphocytic leukemia. The pharmacological data science approach provides successful selections of drug candidates within development and repurposing tasks.