Biochemie und Chemie
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Fettsäuresynthasen vom Typ I (FAS I), hier bezeichnet als Fettsäuremegasynthasen,sind Multienzymkomplexe, in denen sämtliche funktionellen Domänen für die de-novo-Synthese von Fettsäuren einen strukturellen Verbund eingehen. Auch das für den Transport von Edukten und Intermediaten nötige Acyl Carrier Protein (ACP) ist kovalent gebundener Teil dieses Komplexes, der so zu einer hocheffizienten molekularen Maschine zur Massenproduktion dieser grundlegend essentiellen Zellbausteine wird. Die FAS I aus Pilzen (fFAS), als Gegenstand dieser Arbeit, mit einer Masse von bis zu 2,7 MDa ist heute in ihrer Struktur durch Röntgenkristallographische sowie elektronenmikroskopische Methoden gut charakterisiert. 48 funktionelle Domänen sind zu einem geschlossenen Reaktionskörper angeordnet, indem sie in einer strukturgebenden Matrix aus Expansionen und Insertionen bzgl. der enzymatischen Kerndomänen eingebettet sind, die 50% des gesamten Proteins ausmacht. Neben den zahlreichen strukturellen Informationen über fFAS ist jedoch noch wenig über ihre Assemblierung verstanden. Dabei ist sie nicht nur als ein Beispiel für das generelle Verständnis von Assemblierungsmechanismen von Multienzymkomplexen interessant, sondern wird hier auch als Ziel eines inhibitorischen Eingriffs betrachtet, um eine neue antimykotische Wirkstrategie abseits des Ausschaltens aktiver Zentren zu evaluieren. Nur wenn die Mechanismen und Wechselwirkungen im Assemblierungsprozess offen gelegt sind, lassen sie sich später gezielt attackieren. Essentielle Sekundärstrukturmotive müssen identifiziert und bewertet werden, um sie einer weiteren Evaluation als Drug-Target-Kandidaten zugänglich zu machen. In dieser Arbeit werden Resultate aus in-vivo-Experimenten an rational mutierten fFAS-Konstrukten unter Zuhilfenahme einer evolutionären Betrachtung der fFAS gemeinsam mit Erkenntnissen aus andernorts geleisteten in-vitro-Experimenten an fFAS-Fragmenten zu einem geordneten Assemblierungsweg der fFAS zusammengeführt. Dabei werden Evidenzen aus den Kausaltäten zentraler Anforderungen an einen Assemblierungsmechanismus der fFAS zu drei konsequenten Schlüsselschritten verdichtet, die (i) eine frühe Interaktion zweier komplementärer Polypeptidketten zu einer Pseudo-Einzelkette, (ii) eine posttranslationale Modifikation von ACP und (iii) die geordnete Reifung zum fertigen Komplex durch Selbstassemblierung der beteiligten Domänen umfassen. Durch rationale Mutationen an den Schnittstellenmotiven für die Pseudo-Einzelkettenbildung, werden diese als Schwachstelle der Assemblierung unterschiedlicher fFAS-Typen charakterisiert, wobei für S. cerevisiae nicht weniger als zwei gezielte Punktmutationen ausreichen, um die Assemblierung des gesamten Komplexes zu verhindern. Darüber hinaus zeigen Experimente mit fFAS-Konstrukten, deren Schnittstellenmotive einer intramolekular kompetitiven Wechselwirkung ausgesetzt sind, prinzipiell die Möglichkeit zur Inhibierung der fFAS-Assemblierung durch Störung der Pseudo-Einzelkettenbildung.
Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is a condition of abnormal heart rhythm (arrhythmia), induced by physical activity or stress. Mutations in ryanodine receptor 2 (RyR2), a Ca2+ release channel located in the sarcoplasmic reticulum (SR), or calsequestrin 2 (CASQ2), a SR Ca2+ binding protein, are linked to CPVT. For specific drug development and to study distinct arrhythmias, simple models are required to implement and analyze such mutations. Here, we introduced CPVT inducing mutations into the pharynx of Caenorhabditis elegans, which we previously established as an optogenetically paced heart model. By electrophysiology and video-microscopy, we characterized mutations in csq-1 (CASQ2 homologue) and unc-68 (RyR2 homologue). csq-1 deletion impaired pharynx function and caused missed pumps during 3.7 Hz pacing. Deletion mutants of unc-68, and in particular the point mutant UNC-68(R4743C), analogous to the established human CPVT mutant RyR2(R4497C), were unable to follow 3.7 Hz pacing, with progressive defects during long stimulus trains. The pharynx either locked in pumping at half the pacing frequency or stopped pumping altogether, possibly due to UNC-68 leakiness and/or malfunctional SR Ca2+ homeostasis. Last, we could reverse this ‘worm arrhythmia’ by the benzothiazepine S107, establishing the nematode pharynx for studying specific CPVT mutations and for drug screening.
Das Steroid-Hormon 17ß-Estradiol ist maßgeblich an der Entstehung und Entwicklung von Brustkrebs beteiligt. Die intrazelluläre Verfügbarkeit des aktiven Estrogens, 17ß-Estradiol, wird durch die 17ßHydroxysteroiddehydrogenase (17ßHSDl) reguliert, die die NADPH-abhängige Reduktion von Estron zu Estradiol katalysiert. Damit stellt die 17ßHSD1 einen interessanten Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Inhibitoren im Hinblick auf potente Wirkstoffe gegen Brustkrebs dar. Die 17ß-Hydroxysteroiddehydrogenase 2 bevorzugt hingegen die oxidative Aktivität und wandelt die biologisch aktiven Hydroxysteroide wie Estradiol in ihre inaktiven Ketoformen um. Ein möglicher Inhibitor der 17ß-HSD1 sollte demnach die Funktion der 17ß-HSD2 nicht beeinträchtigen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Strategien und Methoden entwickelt, die 17ßHSD1 durch heterologe Expression erstmals in E. coli darzustellen. Durch NMR-Spektroskopie in Kombination mit Docking konnten detaillierte Aussagen über die Bindungsepitope der untersuchten Liganden gemacht werden. Diese Informationen sind für eine gerichtete Optimierung von Leitstrukturen von großer Bedeutung.
Zwei der wichtigsten Leistungen eines sich entwickelnden Embryos sind der Aufbau des Blutkreislauf- und des Nervensystems. Beide Systeme sind hierarchisch organisierte Strukturen, deren Verzweigungen nahezu alle Teile des Körpers erreichen. Es gibt eine zunehmende Zahl von Hinweisen darauf, dass ihre Entwicklung eng miteinander verknüpft ist, nach ähnlichen Prinzipien verläuft und verwandte molekulare Mechanismen verwendet. Die Entstehung eines funktionellen vaskulären Netzwerks erfordert Signale, die Prozesse wie die Lenkung und die Verzweigung von Gefäßen in den Zielgeweben kontrollieren. Ähnliche Anforderungen werden an wachsende Axone bei der Knüpfung der Verbindungen des Nervensystems während der Embryonalentwicklung gestellt. Einige der Faktoren, die die Lenkung der Axone kontrollieren, spielen auch eine ähnliche Rolle in der vaskulären Entwicklung. Lenkungsmoleküle, die eine Richtungsinformation vermitteln, sind für die Wegfindung der Axone besonders wichtig. Die größte Familie solcher Lenkungsmoleküle wird durch die Semaphorine gebildet. Semaphorine können in acht Klassen unterteilt werden, deren gemeinsames Merkmal eine konservierte Semaphorin-Domäne ist und die unterschieden werden anhand ihrer Klassen-spezifischen carboxyterminalen Domänen. Die Semaphorin-Familie umfasst sowohl sekretierte als auch membrangebundene Proteine. Die am besten charakterisierten hiervon sind die sekretierten Klasse 3 Semaphorine. Eine Kombination von in vitro und in vivo Ansätzen zeigte, dass die Klasse 3 Semaphorine an der Steuerung der Axon- und Dendritenlenkung, der Bildung von Axonbündeln und der neuronalen Migration während der Entwicklung des Nervensystems beteiligt sind. Sie agieren hauptsächlich als repulsiv wirkende Signale, die Axone aus Regionen ausschließen, von den Geweben weg, in denen sie exprimiert sind. Diese Wirkung wird über die Semaphorin-Domäne vermittelt. Verschiedene Hinweise deuten auf eine Beteiligung von Semaphorinen an der Entwicklung des vaskulären Systems. Sowohl homozygote Sema3a- als auch Sema3c-Mausnullmutanten sterben nach der Geburt aufgrund kardiovaskulärer Defekte. Darüber hinaus binden die Rezeptoren für die Klasse 3 Semaphorine, Neuropilin-1 (Nrp-1) und –2 (Nrp-2), einige Isoformen des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (Vascular Endothelial Growth Factor, VEGF). Neuropilin-1 und Neuropilin-2-defiziente Mäuse und Neuropilin-1/-2-Doppelmutanten weisen Defekte des Gefäßsystems auf, wie z.B. eine Rückbildung der neuralen Vaskularisierung und Abweichungen in der Entwicklung des Herzens und der großen Gefäße. Die membrangebundenen Semaphorine sind bisher nur wenig untersucht, da zuverlässige in vitro Assays fehlen. Somit ist ein genetischer Ansatz der beste Weg, die physiologische Funktion dieser Proteine zu untersuchen. Aus diesen Gründen war die Zielsetzung dieser Arbeit, durch homologe Rekombination in embryonalen Stammzellen eine Mauslinie herzustellen, die ein Nullallel des membrangebundenen Sema5a-Gens trägt. Für diesen Ansatz wurde ein Mitglied der Klasse 5 Semaphorine gewählt, da es nur zwei Mitglieder dieser Klasse im Mausgenom gibt, die weitgehend komplementäre Expressionsmuster aufweisen. Damit unterscheiden sie sich von den anderen Klassen der Semaphorine, deren Mitglieder stark überlappende Expressionsmuster zeigen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen funktionellen Kompensation nach Mutation eines Gens. Die Klasse 5 Semaphorine sind auch deshalb besonders interessant, da sie die einzigen sind, die sowohl in Vertebraten als auch in Invertebraten vertreten sind. Sie sind gekennzeichnet durch sieben carboxyterminale Typ 1-Thrombospondinmodule (TSP) in ihrer extrazellulären Domäne. TSPs wurden ursprünglich in den Proteinen Thrombospondin 1 und 2 gefunden, in denen sie das Auswachsen von Neuriten verschiedener Nervenzelltypen fördern. Dies lässt vermuten, dass Klasse 5 Semaphorine sowohl inhibierende als auch stimulierende Effekte haben könnten, in dem sie unterschiedliche Rezeptoren mit der Semaphorin-Domäne oder der TSPs aktivieren. Das Expressionsmuster von Sema5A und die bekannte Funktion von Semaphorinen in der Ausbildung neuronaler Verbindungen lassen es sinnvoll erscheinen, bei der Untersuchung der mutanten Tiere den Schwerpunkt auf die Entwicklung des Nerven- und des Gefäßsystems zu legen. Aufgrund technischer Schwierigkeiten konnte innerhalb der Bearbeitungszeit dieser Doktorarbeit nur der Phänotyp des vaskulären Systems untersucht werden. Die Inaktivierung des Sema5a-Gens wurde durch die Verwendung eines ‚Targeting’-Vektors erreicht, welcher die Exone 4 und 5 des Sema5a-Gens durch eine Neomycin-Selektionskassette ersetzte. Aus 144 untersuchten ES-Zellklonen wurden drei ES-Zellinien mit einem rekombinierten Sema5a-Locus identifiziert. Zwei der positiven Klone wurden zur Herstellung einer chimären Maus durch die Morula-Aggregationsmethode verwendet. Mit einem der Klone konnte eine männliche Chimäre erzeugt werden, die nach Kreuzung mit NMRI-Wildtyptieren die Mutation an die Nachkommen weitergab. Der Verlust der Proteinexpression in homozygoten Sema5a-Mutanten wurde durch Westernblot-Analyse von Zellmembranpräparationen homozygoter Embryonen unter Verwendung eines Antikörpers gegen das zytoplasmatische Ende von Sema5A bestätigt. Dieses Ergebnis bestätigte, dass die Deletion des vierten und fünften Exons des Sema5a-Gens ein Nullallel hervorbringt. Nach Verpaarungen heterozygoter Mutanten konnten keine Neugeborenen identifiziert werden, die homozygot für das mutierte Allel waren. Homozygte Mutanten starben zwischen E11,5 und E12,5 der Embryonalentwicklung, der Verlust von Sema5A ist also embryonal letal. Die Morphologie der homozygoten Tiere zeigte keinen offensichtlichen Unterschied zu den heterozygoten Embryonen oder zu Wildtyp-Geschwistern auf. Frühe embryonale Musterbildungsprozesse in Sema5a-Nullmutanten sind also nicht gestört. Ein Tod bei dieser Entwicklungsstufe deutet auf einen Defekt in der Entwicklung des Blutgefäßsystems hin, da die Embryonalstadien zwischen E9 und E13 besonders wichtig für die Ausbildung dieser Gefäße sind und viele Mutationen, die Herz und Blutgefäßen beeinträchtigen, den Tod der Embryonen in diesem Stadium bewirken. Das embryonale Blutgefäßsystem in E10,5 und E11,5 Embryonen wurde durch immunhistochemische Färbungen ganzer Embryonen unter Verwendung eines spezifischen gegen das Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule (PECAM) gerichteten Antikörpers dargestellt, welches in vaskulären Endothelzellen exprimiert ist. Die allgemeine Architektur des Gefäßsystems war in homo- und heterozygoten Mutanten ähnlich und wies weder an E10,5 noch an E11,5 besondere Abweichungen auf. Es wurden bei der Lage und der Anzahl intersomitischer Gefäße, der Entwicklung der dorsalen Aorta oder der Vaskularisierung der Extremitätenanlagen keine Abweichungen festgestellt. Morphologische Defekte konnten jedoch bei E10,5 in den Verästelungen der Blutgefäße detektiert werden, die von den Hauptvenen der Cranialregion abzweigen. Die Verzweigungen waren geringer ausgeprägt als in heterozygoten oder Wildtyp-Vergleichstieren. Insbesondere zeigte sich eine Verringerung der Anzahl sekundärer und tertiärer Verzweigungen. In dem sich entwickelnden Embryo führt die wiederholte Verzweigung von Ästen der Hauptvenen zu einem hierarchisch gegliederten Netzwerk großer Gefäße in der Region des medialen Kopfes. Während die Ausbildung dieses Netzwerkes in den Sema5a-/--Tieren beeinträchtigt ist, erscheint die Organisation der kleinen Gefäße in den mehr dorsal und peripher gelegenen Regionen des Kopfes normal. In heterozygoten und homozygoten Mutanten bilden die kleineren Gefäße ein dicht verzweigtes Netzwerk. Die Verminderung der Komplexität der größeren Gefäße konnte in allen untersuchten Nullmutanten beobachtet werden. Es variierte jedoch die Penetranz des Phänotyps. In allen Fällen war die Anzahl primärer Verzweigungen unverändert, während die Anzahl der sekundären und der tertiären Verzweigungen zu unterschiedlichen Graden reduziert war. Im Gegensatz dazu zeigte sich im Verzweigungsmuster von heterozygoten Mutanten und beim Wildtyp nur eine geringe Variabilität zwischen individuellen Embryonen. Dies belegt, dass die Verminderung des Verzweigungsgrades größerer Gefäße nicht innerhalb der normalen Variabilität liegt, sondern durch die Inaktivierung des Sema5a-Gens verursacht wird. Dieser Phänotyp ist in späteren Stadien sogar deutlicher ausgeprägt. In E11,5 Embryonen waren die Stämme der großen Blutgefäße in den Nullmutanten weniger komplex und in einigen Fällen trat sogar eine Reduzierung der Anzahl primärer Verzweigungen auf. Diese spätere Verminderung der Anzahl bereits ausgebildeter primärer Verzweigungen legt nahe, dass der Phänotyp durch eine Rückbildung von Verzweigungen aufgrund möglicher Defizite in deren Reifung und/oder Stabilisierung erfolgt. Die interessanteste Besonderheit der vaskulären Defekte in den Nullmutanten liegt in ihrer regionalen Spezifität. Bis hier ist das Netzwerk großer Gefäße, welches der anterioren Hauptvene entspringt, das einzige Gefäßsystem, in dem Abweichungen entdeckt wurden. Dieses Netzwerk wird durch die strukturelle Umbildung des primären kapillaren Plexuses gebildet. Zwischen E9,5 und E12 sprießen Zweige rostral aus der Hauptvene, um ein hierarchisch organisiertes Netzwerk von Gefäßen zu bilden. Die Umbildung des primären kapillaren Plexus in den mehr rostral und ventral gelegenen Kopfregionen führt zu der Bildung eines hochverzweigten vaskulären Netzwerkes, welches jedoch bei E10,5 noch nicht hierarchisch organisiert erscheint. Die Signale, die für diesen unterschiedlichen Ablauf der Musterbildung während der Entwicklung des Gefäßsystems des Kopfes verantwortlich sind, sind noch unbekannt. Die besonderen Defekte in der stereotypischen Organisation der cranialen Gefäße in Sema5a-Mutanten legt nahe, dass Sema5A eines dieser Signale sein könnte. Es könnte Teil eines Rezeptor/Ligandenkomplexes sein, welcher positionelle Signale für das Verzweigen und das Wachstum großer Gefäße in rostraler Richtung liefert. Sema5A könnte die Bildung von Verzweigungen durch die Regulierung der Wanderung endothelialer Zellen, ihrer Proliferation oder ihrer Interaktion mit unterstützenden Zellen oder der extrazellulären Matrix kontrollieren. Sema5A könnte Teil eines neuen Signalweges sein oder als Teil eines der bekannten Signalwegs wirken, welcher die Entwicklung des Gefäßsystems reguliert. Einer der Signalwege, die essentiell für die Gefäßbildung sind, wird durch VEGF und Angiopoietin (Ang-1) reguliert. Sowohl in VEGF-, als auch in Ang-1-Mutanten ist die Gefäßumbildung im Kopf beeinträchtigt. Insbesondere erscheint das Netzwerk kleiner Gefäße in den Ang-1 Nullmutanten als nur nur teilweise restrukturiert und die großen Gefäße als weniger komplex. Das Verzweigungsmuster der großen Gefäße in den Ang-1- Nullmutanten ähnelt auffallend dem der Sema5a-Nullmutanten. Eine zweite Ähnlichkeit in den Phänotypen von Ang-1- und Sema5a-Mutanten zeigt sich in der Reduzierung der primären Verzweigungen, welche in den Sema5a-Nullmutanten bei E11,5 beobachtet wird. Hier könnte die Verminderung aus einer Rückbildung von Gefäßen resultieren, wie sie auch typischerweise in Mutanten für Ang-1 oder dessen Rezeptor auftritt. Diese Beobachtung legt nahe, dass Sema5A ein neuer Teilnehmer innerhalb des Ang-1-Signalweges ist, welcher die Auswirkung von Ang-1 auf die endothelialen Zellen der großen Gefäße entweder vermittelt oder moduliert und dadurch das spezifische Muster der Blutgefäße des Kopfes beeinflußt. Mit dieser Doktorarbeit wird zum ersten Mal eine funktionelle Untersuchung des Klasse 5 Semaphorins Sema5A vorgestellt. Die phänotypische Untersuchung von Mäusen, die Nullallele für Sema5a-Gens tragen ergab, dass dieses membrangebundene Protein essentiell für die embryonale Entwicklung ist. Es ist an der Musterbildung des Gefäßsystems beteiligt. Seine Aufgabe besteht möglicherweise darin, die Bereitstellung positioneller Signale für die Ausbildung von Gefäßverzweigungen zu gewährleisten. Einige grundlegende Fragen werden durch diesen Phänotyp aufgeworfen. Sowohl die Ursache für die embryonale Sterblichkeit als auch die zellulären Prozesse, welche in den Sema5a-Nullmutanten beeinträchtigt sind, müssen noch beschrieben werden. Unbekannt ist ebenfalls, ob zusätzlich zu der hier beschriebenen Rolle von Sema5A in der Gefäßbildung dieses an der Entwicklung des Nervensystems beteiligt ist. Die ersten Daten über die physiologische Rolle von Sema5A, welche mit dieser Arbeit vorgelegt werden, öffnen den Weg für weitergehende Untersuchungen über die Funktion des Proteins während der Embrionalentwicklung. Das hier erstmals vorgestellte Modellsystem ermöglicht es, Sema5A regulierte zelluläre Mechanismen zu untersuchen. Zusätzlich stellt es ein Werkzeug zur Verfügung, um die funktionelle Beziehung zwischen der Entwicklung des kardiovaskulären Systems und des Nervensystems zu untersuchen. Damit können die Aufgaben der Semaphorin-Proteinfamilie, die an diesen beiden wichtigen Prozessen beteiligt sind, näher charakterisiert werden.
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 a combined NMR/MD study, the temperature-dependent changes in the conformation of two members of the RNA YNMG-tetraloop motif (cUUCGg and uCACGg) have been investigated at temperatures of 298, 317 and 325 K. The two members have considerable different thermal stability and biological functions. In order to address these differences, the combined NMR/MD study was performed. The large temperature range represents a challenge for both, NMR relaxation analysis (consistent choice of effective bond length and CSA parameter) and all-atom MD simulation with explicit solvent (necessity to rescale the temperature). A convincing agreement of experiment and theory is found. Employing a principle component analysis of the MD trajectories, the conformational distribution of both hairpins at various temperatures is investigated. The ground state conformation and dynamics of the two tetraloops are indeed found to be very similar. Furthermore, both systems are initially destabilized by a loss of the stacking interactions between the first and the third nucleobase in the loop region. While the global fold is still preserved, this initiation of unfolding is already observed at 317 K for the uCACGg hairpin but at a significantly higher temperature for the cUUCGg hairpin.
This thesis describes the structural characterization of interactions between biological relevant ribonucleic acid biomacromolecules (RNAs) and selected ligands to optimize the methodologies for the design of pharmacological lead compounds. To achieve this aim, not only the structures of the RNA, the ligand and their complexes need to be known, but also information about the inherent dynamics, especially of the target RNA, are necessary. To determine the structure and dynamics of these molecules and their complexes, liquid state nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) is a suitable and powerful method. The necessity for these investigations arises from the lack of knowledge in RNA-ligand interactions, e.g. for the development of new medicinal drugs targeting crucial RNA sequences. In the first chapters of this thesis (Chapters II to IV), an introduction into RNA research is given with a focus on RNA structural features (Chapter II), into the interacting molecules, the biology of the specific RNA targets and the further development of their ligands (Chapter III) and into the NMR theory and methodologies used within this thesis (Chapter IV). Chapter II begins with a description of RNA characteristics and functions, placing the focus on the increasing attention that these biomacromolecules have attracted in recent years due to their diverse biological functionalities. This is followed by a detailed description of general structural features of RNA molecules. The biological functions of the RNAs investigated in this thesis (Human immunodeficiency virus PSI- and TAR-RNA and Coxsackievirus B3 Stemloop D in the 5’-cloverleaf element), together with their known structural characteristics are introduced in Chapter III. Furthermore, a description of the investigated ligands is given, focusing on the methods how their affinity and specificity were determined. The introduction is completed in Chapter IV, where the relevant NMR theory and methodologies are explained. First, kinetics and thermodynamics of ligand binding are summarized from an NMR point of view. Subsequently, a detailed description of the resonance assignment procedures for RNAs and peptidic ligands is given. This procedure mainly concentrates on the assignment of the proton resonances, which are essential for the later structure calculation from NMR restraints. The procedure for NMR structure calculation of RNA and its complexes follows with a short introduction into the programs ARIA and HADDOCK. The final part of this chapter explains the relaxation theory and the methodology to extract dynamic information from autocorrelated relaxation rates via the model-free formalism. In the Chapters V to VII of this thesis, the original publications are included and grouped into three topics. Chapter V comprehends the publications on the investigations of HIV PSI-RNA and its hexapeptidic ligand. These three publications[1-3] focus on the characterization of the ligand and its binding properties, its structure and the optimization of its composition aiming to improve its usage for further spectroscopic investigations.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen über die Anwendbarkeit von vier Methoden zur selektiven Einführung von Radikalen in DNA vorgestellt. Hierzu wurde die EPR-Spektroskopie (Elektronen-paramagnetische Resonanz) benutzt. Die selektive Einführung und Erzeugung von Radikalen in DNA ist nötig, um J-Kopplungen in DNA zu untersuchen. Vor dem Fernziel der Bestimmung der Austauschkopplungskonstanten J in biradikalischer DNA und deren Korrelation mit der charge-transfer-Geschwindigkeitskonstanten kCT stellen diese Untersuchungen einen wichtigen Ausgangspunkt dar. Stabile aromatische Nitroxide. Simulationen von Raumtemperatur-CW-X-Band-EPRSpektren fünf verschiedener aromatischer Nitroxide, welche potentielle DNA-Interkalatoren sind, wurden durchgeführt. Die aromatischen Nitroxide zeigen aufgelöste Hyperfeinkopplungen, welche zu dem Schluss führen, dass die Spindichte in hohem Maße delokalisiert ist, was die Verwendung dieser Verbindungen zur Messung von J-Kopplungen in biradikalischer DNA erlaubt. Transiente Guanin-Radikale. Transiente Guanin-Radikale werden in DNA selektiv durch die Flash-Quench-Technik erzeugt, bei der optisch anregbare Ruthenium-Interkalatoren verwendet werden. Transiente Thymyl-Radikale aus UV-bestrahltem 4'-Pivaloyl-Thymidin. Es werden photoinduzierte Prozesse untersucht, welche durch Bestrahlung von Thymin-Nukleosiden, die an der 4’-Position die optisch spaltbare Pivaloyl-Gruppe tragen, erzeugt werden. Dieses Nukleosid wurde speziell dafür entworfen, um Elektronenlöcher in DNA zu injizieren. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Verbindung benutzt werden kann, um selektiv eine Thymin-Base zu reduzieren. Transiente Thymyl-Radikale erzeugt durch ein neuartig modifiziertes Thymin nach UV-Bestrahlung. Photoinduzierte Prozesse, welche durch Bestrahlung eines ähnlichen Thymidin-Nukleosids erzeugt wurden, werden hier untersucht. Dieses Thymidin- Nukleosid wurde modifiziert, indem die optisch spaltbare Pivaloyl-Gruppe an eine Seitenkette angehängt wurde, welche an der C6-Position der Thymin-Base sitzt. Die Thymin-Base wurde speziell dafür entworfen, um Elektronen in DNA zu injizieren. In dieser Arbeit wurde bestätigt, dass ein Überschuss-Elektron selektiv auf eine Thymin-Base transferiert werden kann.
MoF4(NCl) has been prepared as a yellow crystal powder by the reaction of diluted fluorine with MoCl3(N3S2) at room temperature. The compound is associated via fluorine bridges, according to the IR spectrum. With acetonitrile, the monomeric complex [CH3CN -MoF4(NCl)] is obtained, which was characterized by its IR and 19F NMR spectra as well as by an X-ray structure determination. Crystal data: space group Pm, Z = 2 (1068 observed, independent reflexions, R = 0.03). Lattice dimensions at -90 °C: a = 507.1. b = 704.8, c = 995.8 pm, β = 102.02°. The unit cell contains two crystallographically independent molecules [CH3CN -MoF4(NCl)], the Mo≡N-Cl groups being linear (bond angles 176°, 178°) with bond lengths MoN = 172 and NCI = 159, 162 pm. In the trans position to the MoNCl group, the nitrogen atom of the acetonitrile molecule is coordinated.
[Na-15-Crown-5][MoF5(NCl)] has been prepared as yellow crystals by the reaction of NaF with MoF4(NCl) in the presence of 15-crown-5 in acetonitrile solution. The compound was characterized by its IR and 19F NMR spectra as well as by an X-ray structure determination. Crystal data: space group P21/n, Z = 4 (3736 observed, independent reflexions, R = 0.034). Lattice dimensions at -70 °C: a = 823.5(4). b = 1612.2(9), c = 1383.4(8), β = 99.35(3)°. The compound forms ion pairs, in which the sodium ion is seven-coordinated by the oxygen atoms of the crown ether molecule and by two fluorine ligands of the [MoF5(NCl)]- unit with Na-F distances of 228.3 and 249.6 pm. The Mo=N-Cl group of the anion is nearly linear (bond angle 175.8°) with bond lengths MoN = 172.9 and NCl = 161.8 pm.
(NBu4)[CoCl3(PPh3)] reacts with Se(SiMe3)2 to form the new clusters [Co8Se8(PPh3)6][CoCl3(PPh3)] (6) and [Co8Se8(PPh3)6][Co6Se8(PPh3)6] (7). The structures of 6 and 7 have been determ ined by X-ray diffraction. 6 and 7 crystallize in the space group P1̄ with two formula units per unit cell and with the following lattice constants at 180 K: 6: a = 1413.8(10), b - 2224.2(23), c = 2348.4(17) pm, α = 86.06(5), β = 86.58(5), γ = 76.11(5)°; 7: a = 1465.9(4), b = 1627.6(6), c = 2505.7(6) pm, α - 98.69(2), β = 96.23(2), γ = 113.06(2)°. The cluster structures of the [Co8Se8(PPh3)6]n (n = 0, 1 +) depend on the total number of electrons in the cluster units.
(NBu4)2[Co4(SPh)6Cl4] (1) and [Co4(SPh)6CU(PPh3)2] (2) are prepared by the reaction of (NBu4)[CoCl3(PPh3)] and [CoCl2(PPh3)2] with PhSSiMe3 in toluene solution. The overall description of the Co4S6Cl4 core is that o f a nearly regular Co4-tetrahedron inscribed in an irregular octahedron of the bridging S atoms resulting in an “adamantane” type cage. 1 reacts with Na[Mn(CO)5] to form the dinuclear complex (NBu4)[Mn2(SPh)3(CO)6] (4). Each Mn atom is bound to three CO and three μ2-SPh ligands. The Mn-Mn contact (318.5 pm) does not indicate metal-metal bonding.
(η5-C5H5)Fe(CO)2Br reacts with Se(SiMe3)2 to form the title compound 1, which has been characterized by X-ray crystal structural analysis. 1 crystallizes in the space group P212121 with 4 formula units per unit cell. 1 consists of [Se{Fe(CO)2(C5H 5)}3]+- cations and [Fe4Se4Br4]2--anions, the latter with a heterocubane structure.
[η5-CpMCl4] (M = Nb, Ta) reacts with E(SiMe3)2 (E = S, Se) to form different multinuclear clusters. The cation [Cp8Ta6S10]2+ (1) consists of a planar Ta2S2-ring of which each Ta is coordi-nated to two Cp2TaS2-fragments. [Cp4Ta4S13] (3) can be derived from [Cp3Ta3S7Cl2] (2) by addition of a CpTaS6-unit to a triangle of Ta-atoms bridged by S- and S2-ligands. The niobium atoms in [Cp3Nb3Se5Cl2] (4) arrange in a chain structure with Nb coordination numbers varying from 4-6.
Zur Reaktion von [(η3-C4H7)PdCl]2 mit Se(SiMe3)2. Die Kristallstruktur von [(η3-C4H7)6Pd6Se3]
(1988)
[(η3-C4H7)PdCl]2 reacts with Se(SiMe3)2 to form [(η3-C4H7)6Pd6Se3] (1). 1 has been characterized by X-ray crystal structure analysis. It contains a distorted trigonal prismatic Pd6-cluster. Three faces of the Pd-prism are occupied by μ4-Se ligands. 1 crystallizes in the space group Pnma with 4 formula units per unit cell. The lattice constants at 200 K are: a = 1175.1(8), b = 1611.4(12), c = 1720.3(12) pm.
The N,N'-bis(trimethylsilyl)benzamidinato complexes [C6H5 -C(NSiMe3)2MCl3]2(M = Ti. Zr) have been prepared by the reactions of N,N,N'-tris(trimethylsilyl)benzamidine [C6H5-C(NSiMe3)N(SiMe3)2] with titanium tetrachloride, and zirconium tetrachloride, respec-tively. The compounds form moisture sensitive, dark red (Ti) and white (Zr) crystals, which were characterized by crystal structure determinations. [C6H5-C(NSiMe3)2TiCl3]2 : space group P21/rc. Z = 2, 4373 observed independent reflexions, R = 0.034. Lattice dimensions (-90 °C): a - 959.0(8); b = 1196.5(8); c = 1770.9(11) pm; β = 93.79(4)°. [C6H5-C(NSiMe3)2ZrCl3]2 : space group P21/n. Z = 2, 3160 observed independent reflexions, R = 0.031. Lattice dimensions (-90 °C): a = 971.6(7); b = 1222.2(9); c = 1792.9(10) pm; β = 93.51(5)°.
Both complexes crystallize isotypically, forming centrosymmetric dimeric molecules via chloro bridges with bond lengths of 242.0 and 253.8 pm (Ti), and of 253.7 and 264.9 pm (Zr). The metal atoms complete their distorted octahedral surroundings with two chlorine ligands and the nitrogen atoms of the chelating amidinato ligand. The N atoms of the amidinato group are in equatorial and axial positions. This accounts for the different metal-nitrogen bond lengths of 207 pm (ax) and 199 pm (eq) in the titanium compound and 219 pm (ax) and 214 pm (eq) in the zirconium complex.
W2NCl7 has been prepared by the reaction of tungsten pentachloride with the bromide of Millon's base, [Hg2N]Br, in boiling CCl4. The product forms a dark brown, moisture sensitive crystal powder (μeff = 0.7 B.M. at 21 °C). With phosphoryl chloride, the complex W2NCl7·2 POCl3 is formed. The reaction with chlorine leads to the mixed-valenced W(V)/W(VI) complex W2NCl8 (μeff = 0.5 B.M. at 22 °C), which reacts with tetraphenylphosphonium chloride in CH2Cl2 to form (PPh4)2[W2NCl10] ·2CH2Cl2. The reactions of W2NCl7 with PPh4Cl in molar ratios in CH2Cl2 solution lead to several complexes; one of them was identified bv X-ray diffraction methods to be (PPh4)2[W3Cl9(μ3-N)(0)(μ2-NCl)]2 ·1,5 CH2Cl2, which forms black crystals. The compound crystallizes monoclinically in the space group P21/n with two formula units per unit cell (7318 observed, independent reflexions, R = 0.083). The lattice dimensions are (20 °C): a = 994.4; b = 2673; c = 1518.2 pm; β = 101.00°. The compound consists of PPh4⊕ cations and centrosymmetric anions [W3Cl9(μ3-N)(O)(μ2-NCl)]22⊕. The tungsten atoms form a scalene triangle with WW bond lengths of 282 and 278 pm, respectively. The hypothenuse of this triangle is a nearly linear W - N -W bridge with WN distances of 199 and 182 pm. One of the WW edges is bridged by a μ-NCI group with WN bond lengths of 196 und 189 pm. respectively.
Kristallstruktur von 1,1-Dichlor-3,5-diphenyl-4-H-1,2,4,6-λ4-selenatriazin, SeCl2C2N3H(C6H5)2
(1989)
The title compound has been prepared as a byproduct of the reaction of Se2Cl2 with Ν,Ν,N′-Tris(trimethylsilyl)benzamidine in CH2Cl2 solution. [SeCl2(HNC2N2Ph2)]2 was characterized by an X-ray structure determination. Space group P21/n, Z = 2, 2979 observed independent reflexions, R = 0.032. Lattice dimensions (-65 °C): a = 1050.1(4), b = 1018.9(4), c = 1402.1(6) pm; β = 99.78(3)°. The compound forms centrosymmetric dimeric molecules with SeCl2Se bridges (bond lengths 241.6(1) and 339.3(1) pm), the selenium atoms being members of nearly planar [xxx] selenatriazine rings with Se—N bond lengths of 182.2(2) and 181.5(2) pm.
The title compound has been prepared by the reaction of N-trimethylsilyl-iminotriphenylphos-phorane with copper(II) chloride in boiling CCl4 /C2H5OH, and forms moisture sensitive crystals, which are green in transmittance and black in reflexion. [Me3SiNPPh3 · CuCl2 ] 2 was characterized by its IR spectrum as well as by a crystal structure determination (4197 observed, independent reflexions, R = 0.049). The lattice dimensions are at 20 °C: a = 1102.7. b = 1407.3. c = 1560.2 pm; β = 94.27°; space group P21/n with two formula units in the unit cell. The complex consists of centrosymmetric, dimeric molecules with a planar Cu2 Cl2 ring (Cu-CI bond lengths 229 and 231 pm). A terminally bonded CI atom (Cu-CI = 221 pm) and the N atom of the Me3SiNPPh3 ligand (Cu-N = 198.5 pm) complete the coordination number four of the nearly planar surroundings of the Cu atoms.
Cp2TiSe5 has been prepared by the reaction of trim ethyltetradecylammonium-polyselenide with Cp2TiCl2 in ethanol solution and subsequent extraction of the dry residue with dichloromethane. Cp2TiSe5 crystallizes in the space group P1 with two formula units in the unit cell (2559 observed, independent reflexions, R = 0.074). The cell dimensions are a = 808.6, b = 822.6, c = 1190.7 pm, α - 96.28°, β - 106.06°, γ = 108.78°. The structure consists of discrete Cp2TiSe5 molecules with the TiSe5, ring in the chair conformation.