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Coagulation factor XIII (FXIII) is a protransglutaminase which plays an important role in clot stabilization and composition by cross-linking the α- and γ-chains of fibrin and increasing the resistance of the clot to mechanical and proteolytic challenges. In this study, we selected six DNA aptamers specific for activated FXIII (FXIIIa) and investigated the functional characterization of FXIIIa after aptamer binding. One of these aptamers, named FA12, efficiently captures FXIIIa even in the presence of zymogenic FXIII subunits. Furthermore, this aptamer inhibits the incorporation of FXIII and α2-antiplasmin (α2AP) into fibrin(ogen) with IC50-values of 38 nM and 17 nM, respectively. In addition to FA12, also another aptamer, FA2, demonstrated significant effects in plasma-based thromboelastometry (rotational thromboelastometry analysis, ROTEM)-analysis where spiking of the aptamers into plasma decreased clot stiffness and elasticity (p < 0.0001). The structure–function correlations determined by combining modeling/docking strategies with quantitative in vitro assays revealed spatial overlap of the FA12 binding site with the binding sites of two FXIII substrates, fibrinogen and α2AP, while FA2 binding sites only overlap those of fibrinogen. Taken together, these features especially render the aptamer FA12 as an interesting candidate molecule for the development of FXIIIa-targeting therapeutic strategies and diagnostic assays.
Precise control of blood clotting and rapid reversal of anticoagulation are essential in many clinical situations. We were successful in modifying a thrombin-binding aptamer with a red-light photocleavable linker derived from Cy7 by Cu-catalyzed Click chemistry. We were able to show that we can successfully deactivate the modified aptamer with red light (660 nm) even in human blood—restoring the blood's natural coagulation capability.
Since our knowledge on structure and function of messenger RNA (mRNA) has expanded from merely being an intermediate molecule between DNA and proteins to the notion that RNA is a dynamic gene regulator that can be modified and edited, RNA has become a focus of interest into developing novel therapeutic schemes. Therapeutic modulation of RNA molecules by DNA- and RNA-based therapies has broadened the scope of therapeutic targets in infectious diseases, cancer, neurodegenerative diseases and most recently in cardiovascular diseases as well. Currently, antisense oligonucleotides (ASO), small interfering RNAs (siRNAs), and microRNAs are the most widely applied therapeutic strategies to target RNA molecules and regulate gene expression and protein production. However, a number of barriers have to be overcome including instability, inadequate binding affinity and delivery to the tissues, immunogenicity, and off-target toxicity in order for these agents to evolve into efficient drugs. As cardiovascular diseases remain the leading cause of mortality worldwide, a large number of clinical trials are under development investigating the safety and efficacy of RNA therapeutics in clinical conditions such as familial hypercholesterolemia, diabetes mellitus, hypertriglyceridemia, cardiac amyloidosis, and atrial fibrillation. In this review, we summarize the clinical trials of RNA-targeting therapies in cardiovascular disease and critically discuss the advances, the outcomes, the limitations and the future directions of RNA therapeutics in precision transcriptomic medicine.
Many naturally occurring or artificially created RNAs are capable of binding to guanine or guanine derivatives with high affinity and selectivity. They bind their ligands using very different recognition modes involving a diverse set of hydrogen bonding and stacking interactions. Apparently, the potential structural diversity for guanine, guanosine, and guanine nucleotide binding motifs is far from being fully explored. Szostak and coworkers have derived a large set of different GTP-binding aptamer families differing widely in sequence, secondary structure, and ligand specificity. The so-called class V–GTP aptamer from this set binds GTP with very high affinity and has a complex secondary structure. Here we use solution NMR spectroscopy to demonstrate that the class V aptamer binds GTP through the formation of an intermolecular two-layered G-quadruplex structure that directly incorporates the ligand and folds only upon ligand addition. Ligand binding and G-quadruplex formation depend strongly on the identity of monovalent cations present with a clear preference for potassium ions. GTP binding through direct insertion into an intermolecular G-quadruplex is a previously unobserved structural variation for ligand-binding RNA motifs and rationalizes the previously observed specificity pattern of the class V aptamer for GTP analogs.
RNA hat neben der Rolle als Informationsüberträger wichtige Aufgaben in regulatorischen Prozessen. Sie kann komplexe Strukturen ausbilden und ähnlich wie Proteine Liganden binden oder enzymatische Reaktionen katalysieren. Im Rahmen dieser Arbeit sollten zwei Beispiele von RNA-Liganden-Interaktionen untersucht werden. Im ersten Abschnitt wurde die Interaktion des TetR-bindenden Aptamers 12-1 mit dem Tetracyclin-Repressorprotein (TetR) biochemisch charakterisiert. Über Gelverzögerungs- experimente wurde gezeigt, dass das Aptamer 12-1K delta A TetR mit hoher Affinität und Spezifität bindet. Es wurde ein KD von 22 nM bestimmt. Die Bindung ist dabei ebenso stark wie die Bindung von TetR an die Operatorsequenz tetO. In Anwesenheit von Tetracyclin (Tc) nimmt die Affinität des TetR/Aptamer-Komplexes um das sechsfache ab. Des Weiteren konnten die Bindeepitope des Aptamers durch eine Analyse von verschiedenen TetR-Mutanten im DNA-Bindebereich bestimmt werden. Die Aminosäuren T27, N47 und K48 sind dabei essentiell für die RNA-Bindung und führen bei einem Austausch zum Verlust der RNA-Bindung. Der Bindebereich des Aptamers überlappt mit Aminosäureresten, die für die tetO-Bindung essentiell sind. Die Stöchiometrie der TetR/Aptamer-Bindung wurde durch LILBID-Messungen auf eine molare Verteilung von 2:1 festgelegt. Ein TetR-Dimer bindet dabei ein Aptamermolekül. Durch die umfassende biochemische Analyse der TetR/Aptamer-Bindung kann das Aptamer 12-1 nun als Expressionssonde für RNAs in bakteriellen Zellen genutzt werden. Des Weiteren kann das Aptamer als alternativer, artifizieller Transkriptionsregulator im tet on / tet off-System verwendet werden. Im zweiten Teil der Arbeit sollten miRNAs identifiziert werden, die an der posttrans- kriptionellen Regulation der 5-Lipoxygenase (5-LO) und der Cyclooxygenase-2 (COX-2) beteiligt sind. Mit bioinformatischen Vorhersageprogrammen wurden die 3’-UTR- Bereiche von 5-LO und COX-2 nach putativen Bindestellen abgesucht. Im Fall der 5-LO wurden durch eine zusätzliche Microarray-Expressionsanalyse miRNAs ausgewählt, welche in 5-LO positiven Zellen hoch exprimiert sind und Bindestellen im 3’-UTR aufweisen. Es konnten verschiedene miRNAs detektiert werden, jedoch keine Regulation der 5-LO Aktivität beobachtet werden. Für COX-2 wurde neben der Suche nach putativen miRNA-Bindestellen zudem die Stabilität des 3’-UTR untersucht. Mit Hilfe des auf Perl basierenden Programms SignificanceScoreAssignment (Florian Groher, Diplomarbeit 2011) konnte der 3’-UTR von COX-2 als generell destabilisierend analysiert werden. In Colonkarzinom- spezifischen HT-29-Zellen wurden miRNAs untersucht, welche Bindestellen im 3’-UTR von COX-2 aufweisen. In diesem Kontext sollte der Einfluss einer Interaktion von HT- 29-Zellen mit aktivierten Thrombozyten sowie daraus isolierten Bestandteilen wie Mikropartikeln und PDGF analysiert werden. MiR-16, miR-26b, miR-199a und miR- 199a* konnten in HT-29-Zellen nachgewiesen werden. Bei einer Stimulation von HT-29- Zellen mit PDGF-BB werden miR-16 und miR-26b konzentrationsabhängig stärker exprimiert, während die Expression von miR-199a und miR-199a* signifikant abnimmt. Eine direkte Regulation von COX-2 durch die untersuchten miRNAs konnte durch Überexpressions- und Reportergenanalysen jedoch nicht festgestellt werden. Die Analysen der 5-LO- und COX-2-Regulation durch miRNAs stellen Vorarbeiten dar. Die etablierten Methoden können nun für eine detaillierte Betrachtung weiterer miRNAs verwendet werden.