Entwicklung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie und deren Anwendung in der Bioanalytik

Die Elementmassenspektrometrie wurde in den letzten Jahren sehr erfolgreich zur Aufklärung verschiedener Fragestellungen in der Bioanalytik eingesetzt. Hierbei spielen vor allem Kopplungstechniken von Trennmethoden wie der Flüssigchromatographie (LC) oder der Kapillarelektrophorese (CE) mit der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS) als Multielementdetektor mit hervorragenden Quantifizierungseigenschaften eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von Biopolymeren und deren Wechselwirkung mit verschiedenen Metallen. So wurden beispielsweise verschiedene Methoden für die Trennung und Detektion von Metalloproteinen oder DNA-Metall-Addukten in unterschiedlichen Probenmaterialien entwickelt. Die traditionelle und leistungsstärkste Trennmethode für Biopolymere aller Art, die Gelelektrophorese, wurde jedoch bislang nicht in einem Online-Verfahren an die ICP-MS gekoppelt, um solche Fragestellungen zu bearbeiten. Verschiedene Versuche auf der Basis der Laserablation wurden in diese Richtung unternommen, wobei diese Techniken als sehr umständlich und zeitaufwändig anzusehen sind. In dieser Arbeit wird erstmals die technische Realisierung einer Online-Kopplung der Gelelektrophorese mit der ICP-MS beschrieben. Das System basiert auf einem Prinzip aus der präparativen Gelelektrophorese, in welcher eine kontinuierliche Elution der getrennten Komponenten aus dem Gel während der laufenden Elektrophorese durchgeführt wird. Die eluierten Komponenten werden mit dem Elutionspuffer direkt in das Zerstäubersystem des ICP-MS geführt. Die ersten Untersuchungen wurden am Beispiel der Fragemente von doppelsträngiger DNA (dsDNA) durchgeführt. Kommerziell erhältliche Standardlösungen wurden mit der Online-GE-ICP-MS mittels Detektion von 31P an einem hochauflösenden Massenspektrometer mit einer Massenauflösung von 4000 analysiert. Die Trennbedingungen (z.B. pH-Wert oder Ionenstärke der Pufferlösungen) wurden für die Trennung von dsDNA-Fragementen in Agarosegelen optimiert und auf verschiedene dsDNA-Fragmente angewandt. In einem nächsten Schritt wurden die Quantifizierungsmöglichkeiten für Biopolymere untersucht. Sehr kleine Mengen an dsDNA konnten mit einer Präzision von weniger als 3% quantifiziert werden. Hierfür kamen verschiedene Möglichkeiten der externen Kalibration zum Einsatz, wie der Kalibration mit einem Phosphat-Standard oder einem kommerziell erhältlichen quantitativen dsDNA-Standard. Um das Potenzial der entwickelten Methode für die Untersuchung von Biopolymer-Metall-Wechselwirkungen zu demonstrieren, wurden Oligonukleotide mit Cisplatin unter physiologischen Bedingungen inkubiert und die Reaktionsprodukte mit der Online-GE-ICP-MS mittels 31P- und 195Pt-Detektion untersucht. Verschiedene Cisplatin-Oligonukleotid-Addukte konnten auf diese Weise beobachtet werden, was zur Identifizierung die Anwendung der MALDI-TOF-MS als komplementärer Form der Massenspektrometrie notwendig machte. Abschließend wurde die Isotopenverdünnungsanalyse zum Zweck der Quantifizierung herangezogen.

Strukturbildung durch Selbstorganisation von Oligonukleotiden

Die DNA-Doppelhelix ist eine relativ dicke (Ø ≈ 2 nm), kompakte und dadurch auf kurzen Längenskalen relativ steife Verbindung (lp[dsDNA] ≈ 50-60 nm), mit einer klar definierten Struktur, die durch biologische Methoden sehr präzise manipuliert werden kann. Die Auswirkungen der primären Sequenz auf die dreidimensionale Strukturbildung ist gut verstanden und exakt vorhersagbar. Des Weiteren kann DNA an verschiedenen Stellen mit anderen Molekülen verknüpft werden, ohne dass ihre Selbsterkennung gestört wird. Durch die helikale Struktur besteht außerdem ein Zusammenhang zwischen der Lage und der räumlichen Orientierung von eingeführten Modifikationen. Durch moderne Syntheseverfahren lassen sich beliebige Oligonukleotidsequenzen im Bereich bis etwa 150-200 Basen relativ preiswert im Milligrammmaßstab herstellen. Diese Eigenschaften machen die DNA zu einem idealen Kandidaten zur Erzeugung komplexer Strukturen, die durch Selbsterkennung der entsprechenden Sequenzen gebildet werden. In der hier vorgelegten Arbeit wurden einzelsträngige DNA-Abschnitte (ssDNA) als adressierbare Verknüpfungsstellen eingesetzt, um verschiedene molekulare Bausteine zu diskreten nicht periodischen Strukturen zu verbinden. Als Bausteine dienten flexible synthetische Polymerblöcke und semiflexible Doppelstrang-DNA-Abschnitte (dsDNA), die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ sind. Die zur Verknüpfung genutzten Oligonukleotidabschnitte wurden so gewählt (n > 20 Basen), dass ihre Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Doppelstrangbildung führt. Durch Kombination der Phosphoramiditsynthese von DNA mit einer festkörpergestützten Blockkopplungsreaktion konnte am Beispiel von Polyethylenoxiden ein sehr effektiver Syntheseweg zur Herstellung von ssDNA1-PEO-ssDNA2-Triblockcopolymeren entwickelt werden, der sich problemlos auf andere Polymere übertragen lassen sollte. Die Längen und Basenabfolgen der beiden Oligonukleotidsequenzen können dabei unabhängig voneinander frei gewählt werden. Somit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um die Selbsterkennung von Oligonukleotiden durch Kombination verschiedener Triblockcopolymere zur Erzeugung von Multiblockcopolymeren zu nutzen, die mit klassischen Synthesetechniken nicht zugänglich sind. Semiflexible Strukturelemente lassen sich durch die Synthese von Doppelstrangfragmenten mit langen überstehenden Enden (sticky-ends) realisieren. Die klassischen Ansätze der molekularen Genetik zur Erzeugung von sticky-ends sind in diesem Fall nicht praktikabel, da sie zu Einschränkungen im Bezug auf Länge und Sequenz der überhängenden Enden führen. Als Methode der Wahl haben sich zwei verschiedene Varianten der Polymerase Kettenreaktion (PCR) erwiesen, die auf der Verwendung von teilkomplementären Primern beruhen. Die eigentlichen Primersequenzen wurden am 5´-Ende entweder über ein 2´-Desoxyuridin oder über einen kurzen Polyethylenoxid-Spacer (n = 6) mit einer frei wählbaren „sticky-end-Sequenz“ verknüpft. Mit diesen Methoden sind sowohl 3´- als auch 5´-Überhänge zugänglich und die Länge der Doppelstrangabschnitte kann über einen breiten Molmassenbereich sehr exakt eingestellt werden. Durch Kombination derartiger Doppelstrangfragmente mit den biosynthetischen Triblockcopolymeren lassen sich Strukturen erzeugen, die als Modellsysteme zur Untersuchung verschiedener Biomoleküle genutzt werden können, die in Form eines mehrfach gebrochenen Stäbchens vorliegen. Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, dass durch geeignete Wahl der überstehenden Enden bzw. durch Hybridisierung der Doppelstrangfragmente mit passenden Oligonukleotiden verzweigte DNA-Strukturen mit Armlängen von einigen hundert Nanometern zugänglich sind. Im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Methoden bietet diese Herangehensweise zwei entscheidende Vorteile: Zum einen konnte der Syntheseaufwand auf ein Minimum reduziert werden, zum anderen ist es auf diesem Weg möglich die Längen der einzelnen Arme, unabhängig voneinander, über einen breiten Molmassenbereich zu variieren.

DNA-Polymer-Hybride als molekulare Bausteine

Die DNA hat sich durch die herausstechende Eigenschaft zur Selbstorganisation in den Naturwissenschaften zu einem beliebten Werkzeug entwickelt. In dieser Arbeit wurde die Oligonukleotidselbsterkennung zum Aufbau komplexer Multiblockcopolymere genutzt. Dabei dienten komplementäre einzelsträngige Oligonukleotidsequenzen (ssDNA) als adressierbare Verbindungsstücke zwischen synthetischen Blöcken. Als Bausteine wurden asymmetrische Dreiblockcopolymere der Form DNA1-Polymer-DNA2 aus einer flexiblen Polymereinheit (PEO bzw. PPO) die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ ist, verwendet. Diese Bausteine konnten durch die Kombination von Festphasensynthese der Oligonukleotide und Blockkopplung dargestellt werden. Die Oligonukleotidsequenzen wurden so gewählt, dass deren Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Verbindung führt. Durch die Verwendung dieser Bausteine erhält man ein modulares System, dass sich durch seine hohe Flexibilität auszeichnet. Aus den dargestellten Dreiblockcopolymeren konnten verschiedene alternierende Multiblockcopolymere aufgebaut werden, wobei die Anzahl der Blöcke (von 11 bis 15) und das PEO / PPO- Verhältnis variiert wurden. Derartige Strukturen sind auf der Grundlage chemischer Synthesen unerreichbar. Die Flexibilität dieses modularen Systems konnte gezeigt werden, indem einzelne Blockbausteine zur Strukturaufklärung einfach ausgetauscht oder weggelassen werden konnten. Durch geeignete Wahl der DNA-Sequenzen konnte zusätzlich das Polymerisationsverhalten dieser Bauelemente untersucht werden. Die Integration längerer kettensteifer DNA-Abschnitte in die Multiblockstrukturen erfolgte durch die Verwendung teilkomplementärer Oligonukleotide. Diese bieten den Vorteil, dass bis zu einer Größe von etwa 150 bp sowohl die Länge als auch die Sequenz der Doppelstrangabschnitte und sticky-ends frei variiert werden können. Die biosynthetischen Dreiblockcopolymere dienten hier als Linkermoleküle zwischen den einzelnen dsDNA-Blöcken. Nach diesem Konzept wurde ein Nonamer als Modellsystem eines mehrfach gebrochenen Stäbchens synthetisiert. Außerdem wurden mit Hilfe der Polymerase Kettenreaktion (PCR) semiflexible DNA Abschnitte erzeugt. Durch die Wahl des Synthesewegs konnte sowohl die Länge der semiflexiblen Einheit als auch die Länge und die Sequenz des sticky-ends variiert werden. Anhand dieser Modellverbindungen wurde dann das Hybridisierungsverhalten in Abhängigkeit der Linker- und Segmentlängen untersucht.

High pressure surface plasmon spectroscopy

Der Einfluß von Druck auf die Eigenschaften dünner dielektrischer Filme wurde mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Spektroskopie untersucht. Die Arbeit kann aus der Perspektive der Materialcharakterisierung und aus apparativer Sicht betrachtet werden, da z.B. eine neue Hochdruckzelle konstruiert wurde, die kombinierte Oberflächenplasmonen-Elektrochemie Messungen erlaubt. SiO2-Solgel Filme wurden optimiert und auf ihre Widerstandsfähigkeit in Bufferlösungen und ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht. Eine Anwendung lag in der Charakterisierung von thermoresponsiven Acrylsäureisopropylamid Hydrogelen, die einen Volumenphasenübergang aufwiesen, dessen Eigenschaften durch Druck und die Beschränktheit des Films auf die Oberfläche beeinflußt wurden.Die Charakterisierung von DNA Hybridisierungsreaktionen an Oberflächen wurde mit einer Fluoreszenz-erweiterten Hochdruckapparatur durchgeführt. Zunächst wurde die Stabilität der zugrundeliegenden Bindematrix sichergestellt. Bei DNA Einzelsträngen führten Temperatur und Druck zu jeweils verringertem bzw. erhöhtem Signal. Entropie und Änderungen der Lösungsmitteleigenschaften wurden für die Signaländerungen verantwortlich gemacht. Die Eigenschaften der Doppelhelix wurden im Langmuir-Bild beschrieben. Der Brechungsindex von Kohlendioxid wurde bis zu 200 MPa gemessen und mit vorhandenen Gleichungen verglichen. Weiterhin wurde das Schwellverhalten von PMMA in scCO2/MMA-Mischungen untersucht. Mit Druck und MMA-Konzentration nimmt das Polymer vermehrt Kohlendioxid auf. Dadurch schwillt es an und sein Brechungsindex nimmt ab. Berechnungen unter Annahme einer idealen Mixtur ergaben gute qualitative Übereinstimmung mit den Meßwerten.Abschließend wurde eine neue Elektrochemie-Hochdruckzelle vorgestellt, die an Kaliumhexacyanoferrat(III)-(II) getestet wurde. Die Elektropolymerisation von Thiophen optisch untersucht.

DNA block copolymers – from micelles to machines

DNA block copolymer, a new class of hybrid material composed of a synthetic polymer and an oligodeoxynucleotide segment, owns unique properties which can not be achieved by only one of the two polymers. Among amphiphilic DNA block copolymers, DNA-b-polypropylene oxide (PPO) was chosen as a model system, because PPO is biocompatible and has a Tg < 0 °C. Both properties might be essential for future applications in living systems. During my PhD study, I focused on the properties and the structures of DNA-b-PPO molecules. First, DNA-b-PPO micelles were studied by scanning force microscopy (SFM) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). In order to control the size of micelles without re-synthesis, micelles were incubated with template-independent DNA polymerase TdT and deoxynucleotide triphosphates in reaction buffer solution. By carrying out ex-situ experiments, the growth of micelles was visualized by imaging in liquid with AFM. Complementary measurements with FCS and polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) confirmed the increase in size. Furthermore, the growing process was studied with AFM in-situ at 37 °C. Hereby the growth of individual micelles could be observed. In contrast to ex-situ reactions, the growth of micelles adsorbed on mica surface for in-situ experiments terminated about one hour after the reaction was initiated. Two reasons were identified for the termination: (i) block of catalytic sites by interaction with the substrate and (ii) reduced exchange of molecules between micelles and the liquid environment. In addition, a geometrical model for AFM imaging was developed which allowed deriving the average number of mononucleotides added to DNA-b-PPO molecules in dependence on the enzymatic reaction time (chapter 3). Second, a prototype of a macroscopic DNA machine made of DNA-b-PPO was investigated. As DNA-b-PPO molecules were amphiphilic, they could form a monolayer at the air-water interface. Using a Langmuir film balance, the energy released owing to DNA hybridization was converted into macroscopic movements of the barriers in the Langmuir trough. A specially adapted Langmuir trough was build to exchange the subphase without changing the water level significantly. Upon exchanging the subphase with complementary DNA containing buffer solution, an increase of lateral pressure was observed which could be attributed to hybridization of single stranded DNA-b-PPO. The pressure versus area/molecule isotherms were recorded before and after hybridization. I also carried out a series of control experiments, in order to identify the best conditions of realizing a DNA machine with DNA-b-PPO. To relate the lateral pressure with molecular structures, Langmuir Blodgett (LB) films were transferred to highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) and mica substrates at different pressures. These films were then investigated with AFM (chapter 4). At last, this thesis includes studies of DNA and DNA block copolymer assemblies with AFM, which were performed in cooperation with different group of the Sonderforschungsbereich 625 “From Single Molecules to Nanoscopically Structured Materials”. AFM was proven to be an important method to confirm the formation of multiblock copolymers and DNA networks (chapter 5).

Investigations on DNA methylation by Dnmt2 and impact of tRNA modifications on TLR7 stimulation

The incorporation of modified nucleotides into ribonucleic acids (RNAs) is important for their structure and proper function. These modifications are inserted by distinct catalytic macromolecules one of them being Dnmt2. It methylates the Cytidine (C) at position 38 in tRNA to 5-methylcytidine (m5C). Dnmt2 has been a paradigm in this respect, because all of its nearest neighbors in evolution are DNA-cytosine C5-methyltransferases and methylate DNA, while its (own) DNA methyltransferase activity is the subject of controversial reports with rates varying between zero and very weak. This work determines whether the biochemical potential for DNA methylation is present in the enzyme. It was discovered that DNA fragments, when presented as covalent RNA:DNA hybrids in the structural context of a tRNA, can be more efficiently methylated than the corresponding natural tRNA substrate. Additional minor deviations from a native tRNA structure that were seen to be tolerated by Dnmt2 were used for a stepwise development of a composite system of guide RNAs that enable the enzyme to perform cytidine methylation on single stranded DNA in vitro. Furthermore, a proof-of-principle is presented for utilizing the S-adenosyl methionine-analog cofactor SeAdoYn with Dnmt2 to search for new possible substrates in a SELEX-like approach.rnIn innate immunity, nucleic acids can function as pathogen associated molecular patterns (PAMPs) recognized by pattern recognition receptors (PRRs). The modification pattern of RNA is the discriminating factor for toll-like receptor 7 (TLR7) to distinguish between self and non-self RNA of invading pathogens. It was found that a 2'-O-methylated guanosine (Gm) at position18, naturally occurring at this position in some tRNAs, antagonizes recognition by TLR7. In the second part of this work it is pointed out, that recognition extends to the next downstream nucleotide and the effectively recognized molecular detail is actually a methylated dinucleotide. The immune silencing effect of the ribose methylation is most pronounced if the dinucleotide motif is composed of purin nucleobases whereas pyrimidines diminish the effect. Similar results were obtained when the Gm modification was transposed into other tRNA domains. Point mutations abolishing base pairings important for a proper tertiary structure had no effect on the immune stimulatory potential of a Gm modified tRNA. Taken together these results suggest a processive type of RNA inspection by TLR7.rn

Strategies to identify and further characterize novel and known genes involved in regulation of skeletogenesis

372 osteochondrodysplasias and genetically determined dysostoses were reported in 2007 [Superti-Furga and Unger, 2007]. For 215 of these conditions, an association with one or more genes can be stated, while the molecular changes for the remaining syndromes remain illusive to date. Thus, the present dissertation aims at the identification of novel genes involved in processes regarding cartilage/ bone formation, growth, differentiation and homeostasis, which may serve as candidate genes for the above mentioned conditions. Two different approaches were undertaken. Firstly, a high throughput EST sequencing project from a human fetal cartilage library was performed to identify novel genes in early skeletal development (20th week of gestation until 2nd year of life) that could be investigated as potential candidate genes. 5000 EST sequences were generated and analyzed representing 1573 individual transcripts, corresponding to known (1400) and to novel, yet uncharacterized genes (173). About 7% of the proteins were already described in cartilage/ bone development or homeostasis, showing that the generated library is tissue specific. The remaining profile of this library was compared to previously published libraries from different time points (8th–12th, 18th–20th week and adult human cartilage) that also showed a similar distribution, reflecting the quality of the presented library analyzed. Furthermore, three potential candidate genes (LRRC59, CRELD2, ZNF577) were further investigated and their potential involvement in skeletogenesis was discussed. Secondly, a disease-orientated approach was undertaken to identify downstream targets of LMX1B, the gene causing Nail-Patella syndrome (NPS), and to investigate similar conditions. Like NPS, Genitopatellar syndrome (GPS) is characterized by aplasia or hypoplasia of the patella and renal anomalies. Therefore, six GPS patients were enrolled in a study to investigate the molecular changes responsible for this relatively rare disease. A 3.07 Mb deletion including LMX1B and NR5A1 (SF1) was found in one female patient that showed features of both NPS and GPS and investigations revealed a 46,XY karyotype and ovotestes indicating true hermaphroditism. The microdeletion was not seen in any of the five other patients with GPS features only, but a potential regulatory element between the two genes cannot be ruled out yet. Since Lmx1b is expressed in the dorsal limb bud and in podocytes, proteomic approaches and expression profiling were performed with murine material of the limbs and the kidneys to identify its downstream targets. After 2D-gel electrophoresis with protein extracts from E13.5 fore limb buds and newborn kidneys of Lmx1b wild type and knock-out mice and mass spectrometry analysis, only two proteins, agrin and carbonic anhydrase 2, remained of interest, but further analysis of the two genes did not show a transcriptional down regulation by Lmx1b. The focus was switched to expression profiles and RNA from newborn Lmx1b wild type and knock-out kidneys was compared by microarray analysis. Potential Lmx1b targets were almost impossible to study, because of the early death of Lmx1b deficient mice, when the glomeruli, containing podocytes, are still immature. Because Lmx1b is also expressed during limb development, RNA from wild type and knock-out Lmx1b E11.5 fore limb buds was investigated by microarray, revealing four potential Lmx1b downstream targets: neuropilin 2, single-stranded DNA binding protein 2, peroxisome proliferative activated receptor, gamma, co-activator 1 alpha, and short stature homeobox 2. Whole mount in situ hybridization strengthened a potential down regulation of neuropilin 2 by Lmx1b, but further investigations including in situ hybridization and protein-protein interaction studies will be needed.

Aspects of poriferan (Suberites domuncula) apoptosis and innate immune system and evolutionary implications

Survivin, a unique member of the family of inhibitors of apoptosis (IAP) proteins, orchestrates intracellular pathways during cell division and apoptosis. Its central regulatory function in vertebrate molecular pathways as mitotic regulator and inhibitor of apoptotic cell death has major implications for tumor cell proliferation and viability, and has inspired several approaches that target survivin for cancer therapy. Analyses in early-branching Metazoa so far propose an exclusive role of survivin as a chromosomal passenger protein, whereas only later during evolution the second, complementary antiapoptotic function might have arisen, concurrent with increased organismal complexity. To lift the veil on the ancestral function(s) of this key regulatory molecule, a survivin homologue of the phylogenetically oldest extant metazoan taxon (phylum Porifera) was identified and functionally characterized. SURVL of the demosponge Suberites domuncula shares significant similarities with its metazoan homologues, ranging from conserved exon/intron structures to the presence of localization signal and protein-interaction domains, characteristic of IAP proteins. Whereas sponge tissue displayed a very low steady-state level, SURVL expression was significantly up-regulated in rapidly proliferating primmorph cells. In addition, challenge of sponge tissue and primmorphs with cadmium and the lipopeptide Pam3Cys-Ser-(Lys)4 stimulated SURVL expression, concurrent with the expression of newly discovered poriferan caspases (CASL and CASL2). Complementary functional analyses in transfected HEK-293 revealed that heterologous expression of poriferan survivin in human cells not only promotes cell proliferation but also augments resistance to cadmium-induced cell death. Taken together, these results demonstrate both a deep evolutionary conserved and fundamental dual role of survivin, and an equally conserved central position of this key regulatory molecule in interconnected pathways of cell cycle and apoptosis. Additionally, SDCASL, SDCASL2, and SDTILRc (TIR-LRR containing protein) may represent new components of the innate defense sentinel in sponges. SDCASL and SDCASL2 are two new caspase-homolog proteins with a singular structure. In addition to their CASc domains, SDCASL and SDCASL2 feature a small prodomain NH2-terminal (effector caspases) and a remarkably long COOH-terminal domain containing one or several functional double stranded RNA binding domains (dsrm). This new caspase prototype can characterize a caspase specialization coupling pathogen sensing and apoptosis, and could represent a very efficient defense mechanism. SDTILRc encompasses also a unique combination of domains: several leucine rich repeats (LRR) and a Toll/IL-1 receptor (TIR) domain. This unusual domain association may correspond to a new family of intracellular sensing protein, forming a subclass of pattern recognition receptors (PRR).

Electrostatically self-assembled nanoparticles based on biomolecules

In this work, two different systems were investigated to develop fundamental understanding of the self-assembly behavior of polyelectrolytes and small organic counterions with a certain geometry. Complexes formed were characterized by light scattering in solution, as well as UV-Vis spectroscopy, analytical ultracentrifugation, gel electrophoresis, zeta potential and IR spectroscopy. The morphologies of the aggregates were observed by AFM in dried state on surface. The charge ratio, the valence and the structure of the counterion were shown to represent key parameters in the complexation. The influence of polyelectrolyte type and molecular weights was also determined for the structure formed.rnrnOne system was mainly focused on the association of double-strand DNA with non-intercalating divalent and tetravalent organic counterions. The other model system involved linear NaPSS and oligolysines. In addition, various influences on the morphology of the charged self-assembly complexes in AFM studies were discussed. It was shown that electrostatic self-assembly of DNA and non-intercalating counterions as well as of a linear synthetic polyelectrolyte with oligolysine counterions that can build mutual hydrogen bonds can yield supramolecular aggregates of a defined size. Various morphologies (flower-like, rod-like, toroidal and spherical) of the assemblies were obtained for different combinations of polyelectrolyte and counterions. Results presented in this work are of importance for the fundamental understanding of the association behavior of various polyelectrolytes and organic counterions. The selection of biopolymers for the study may give an opportunity to transfer the basic research results into biological applications, such as gene therapy or drug delivery.rn

Structure formation of amphiphilic molecules at the air,water interface and after film transfer

One of the basic concepts of molecular self-assembly is that the morphology of the aggregate is directly related to the structure and interaction of the aggregating molecules. This is not only true for the aggregation in bulk solution, but also for the formation of Langmuir films at the air/water interface. Thus, molecules at the interface do not necessarily form flat monomolecular films but can also aggregate into multilayers or surface micelles. In this context, various novel synthetic molecules were investigated in terms of their morphology at the air/water interface and in transferred films. rnFirst, the self-assembly of semifluorinated alkanes and their molecular orientation at the air/water interface and in transferred films was studied employing scanning force microscopy (SFM) and Kelvin potential force microscopy. Here it was found, that the investigated semifluorinated alkanes aggregate to form circular surface micelles with a diameter of 30 nm, which are constituted of smaller muffin-shaped subunits with a diameter of 10 nm. A further result is that the introduction of an aromatic core into the molecular structure leads to the formation of elongated surface micelles and thus implements a directionality to the self-assembly. rnSecond, the self-assembly of two different amphiphilic hybrid materials containing a short single stranded desoxyribonucleic acid (DNA) sequence was investigated at the air/water interface. The first molecule was a single stranded DNA (11mer) molecule with two hydrophobically modified 5-(dodec-1-ynyl)uracil nucleobases at the terminal 5'-end of the oligonucleotide sequence. Isotherm measurements revealed the formation of semi-stable films at the air/water interface. SFM imaging of films transferred via Langmuir-Blodgett technique supported this finding and indicated mono-, bi- and multilayer formation, according to the surface pressure applied upon transfer. Within these films, the hydrophilic DNA sequence was oriented towards air covering 95% of the substrate.rnSimilar results were obtained with a second type of amphiphile, a DNA block copolymer. Furthermore, the potential to perform molecular recognition experiments at the air/water interface with these DNA hybrid materials was evaluated.rnThird, polyglycerol ester molecules (PGE), which are known to form very stable foams, were studies. Aim was to elucidate the molecular structure of PGE molecules at the air/water interface in order to comprehend the foam stabilization mechanism. Several model systems mimicking the air/water interface of a PGE foam and methods for a noninvasive transfer were tested and characterized by SFM. It could be shown, that PGE stabilizes the air/water interface of a foam bubble by formation of multiple surfactant layers. Additionally, a new transfer technique, the bubble film transfer was established and characterized by high speed camera imaging.The results demonstrate the diversity of structures, which can be formed by amphiphilic molecules at the air/water interface and after film transfer, as well as the impact of the chemical structure on the aggregate morphology.

Rupture forces of split aptamers

Rupture forces of ligand-receptor interactions, such as proteins-proteins, proteins-cells, and cells-tissues, have been successfully measured by atomic force spectroscopy (AFS). For these measurements, the ligands and receptors were chemically modified so that they can be immobilized on the tip and on a substrate, respectively. The ligand interact the receptor when the tip approaches the substrate. This interaction can be studied by measuring rupture force upon retraction. However, this technique is not feasible for measurements involving small molecules, since they form only few H-bonds with their corresponding receptors. Modifying small molecules for immobilization on surfaces may block or change binding sites. Thus, recorded rupture forces might not reflect the full scope of the involved small ligand-receptor interactions.rnIn my thesis, a novel concept that allows measuring the rupture force of small involved ligand-receptor interactions and does not require molecular modification for immobilization was introduced. The rupture force of small ligand-receptor interaction is not directly measured but it can be determined from measurements in the presence and in the absence of the ligand. As a model system, the adenosine mono phosphate (AMP) and the aptamer that binds AMP were selected. The aptamer (receptor) is a single stranded DNA that can partially self-hybridize and form binding pockets for AMP molecules (ligands). The bonds between AMP and aptamer are provided by several H-bonds and pair stacking.rnIn the novel concept, the aptamer was split into two parts (oligo a and oligo b). One part was immobilized on the tip and the other one on the substrate. Approaching the tip to the substrate, oligo a and oligo b partially hybridized and the binding pockets were formed. After adding AMP into the buffer solution, the AMP bound in the pockets and additional H-bonds were formed. Upon retraction of the tip, the rupture force of the AMP-split aptamer complex was measured. In the presence of excess AMP, the rupture force increased by about 10 pN. rnThe dissociation constant of the AMP-split aptamer complex was measured on a single molecular level (~ 4 µM) by varying the AMP concentrations and measuring the rupture force at each concentration. Furthermore, the rupture force was amplified when more pockets were added to the split aptamer. rnIn the absence of AMP, the thermal off-rate was slightly reduced compared to that in the presence of AMP, indicating that the AMP stabilized the aptamer. The rupture forces at different loading rates did not follow the logarithmic fit which was usually used to describe the dependence of rupture forces at different loading rates of oligonucleotides. Two distinguished regimes at low and high loading rates were obtained. The two regimes were explained by a model in which the oligos located at the pockets were stretched at high loading rates. rnThe contribution of a single H-bond formed between the AMP molecule and the split aptamer was measured by reducing the binding groups of the AMP. The rupture forces reduce corresponding to the reduction of the binding groups. The phosphate group played the most important role in the formation of H-bond network between the AMP molecule and the split aptamer. rn

First contact imaging of nanoparticular siRNA – From synthesis to application of a prodye concept

Delivery of therapeutic nucleic acid based drugs is still very demanding and difficult to manage and monitor. For this reason, a precise method for the monitoring of RNAi pathways is necessary. This thesis explores a new approach for sensing of potentially therapeutic nucleic acids, using the interaction of so called prodyes with intracellular enzymes in a prodrug manner. To realize this concept, some non-fluorescent, fluorescein based asymmetric dyes were synthesized and their spectroscopic characteristics were studied. Azide-alkyne Click chemistry was applied for conjugation purposes, using a new protocol at weak acidic pH to get intact prodye constructs. Both, an electrophoretic mobility shift assay with polyacrylamide gels and in-cuvette experiments showed remarkable OFF-to-ON behavior of these new siRNA constructs under physiological conditions. After salt-free purification, subsequent hybridization to double-stranded ribonucleic acids and nanoformulation to lipoplexes, the prodye conjugated siRNA was examined in cellular uptake studies for First Contact Imaging. The investigated siRNA-prodye conjugates showed strong sensitivity to esterases, being hydrolyzed at the biolabile function and developing a strong fluorescence which was verified in bulk. As an optimization, a new profluorescent molecule system was designed and synthesized, which has a carbonate as biolabile 6’ protecting group and a highly water soluble 3’ clickable linker. This new non-fluorescent but colored prodye showed 12 - 320 times increased fluorescence intensities between OFF- and ON- states, depending to the deprotection method. This is the first reported molecule model of an asymmetric profluorescent fluorescein, having the very favorable 3’ &amp;amp; 6’ functions.

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität

DNA-Doppelstrangbrüche als zentrales Ereignis alkylierungsinduzierter Zytotoxizität Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entstehung von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien sowie den zytotoxischen Auswirkungen, die DNA-Doppelstrangbrüche für die Säuger-Zelle haben. Im ersten Teil der Arbeit wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die am O6-Methylguanin (O6-MeG)-DNA-Schaden, hervorgerufen durch alkylierende Agenzien, ablaufen. Dabei konnte gezeigt werden, das O6-Methylguanin DNA-Methyltransferase (MGMT) O6-MeG/C und O6-MeG/T in vitro mit gleicher Effizienz repariert und daß die Reparatur von O6-MeG nach dem ersten Zellzyklus protektive Auswirkung auf das zelluläre Überleben hat. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit stand die Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch gentoxische Agenzien in Mausfibroblasten und CHO-Zellen im Mittelpunkt. Mit Hilfe der Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Comet Assay) wurde gezeigt, daß alkylierende Substanzen und die durch Elektroporation in Zellen hineingebrachten Restriktionsenzyme PvuII und EcoRI DNA-Doppelstrangbrüche zu induzieren vermögen. Die Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach Elektroporation von PvuII war vom p53-Status der Zellen abhängig, da p53-defiziente Zellen im Gegensatz zu p53-profizienten Zellen höhere DNA-Doppelstrangbruchraten über einen längeren Zeitraum aufwiesen. Im dritten Teil wurden die physiologischen Auswirkungen einer Behandlung von Zellen mit Induktoren von DNA-Doppelstrangbrüchen untersucht. Es wurde gezeigt, daß Alkylanzien in Abhängigkeit vom Vorhandensein von MGMT Apoptose induzieren. Mit PvuII elektroporierte p53-knockout Mausfibroblasten zeigten infolgedessen und im Gegensatz zu p53-wildtyp Zellen hohe Apoptoseraten. Die Induktion der Apoptose nach Behandlung mit PvuII wie auch nach g-Bestrahlung ging einher mit einem Abfall der Proteinmenge des antiapoptotischen Bcl-2. Zusammengenommen weisen die Versuchsergebnisse dieser Arbeit darauf hin, daß nach Behandlung von Zellen mit O6-MeG-generierenden Agenzien wie auch nach g-Bestrahlung DNA-Doppelstrangbrüche das ultimative Signal darstellen können.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA Schäden --- Ziel dieser Arbeit war es, adaptive Antworten der Zellen auf einen DNA Schädigung zu untersuchen. Hierzu wurden Experimente zur Reparatur oxidierter Basen (Substrate der Basen Exzisions Reparatur (BER)) oder von Pyrimidindimeren (Substrate der Nukleotid Exzisions Reparatur (NER)) nach einer Vorbehandlung mit DNA-schädigender Agenzien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl eine Vorbehandlung mit einer alkylierenden als auch mit einer oxidierenden Substanz zu einer adaptiven Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels führte, die 16 h nach der Schädigung ihr Maximum erreichte. Jedoch waren die 8-oxoG Glykosylaseaktivitäten über einen Zeitraum von 18 h konstant. Diese Effekte waren unabhängig davon, ob Maus Embryofibroblasten, primäre oder p53 profiziente menschliche Zellen verwendet wurden. Die BER war ebenfalls in keiner der verschiedenen Zelllinien signifikant verbessert. Die adaptive Antwort bezüglich der Glutathionspiegel war also nicht mit einer entsprechenden Veränderung bei der DNA-Reparatur verbunden. Folglich ist die Reparatur von oxidativen DNA-Schäden durch eine vorausgehende Schädigung nicht induzierbar. Der zweite Teil der Untersuchungen zu der Reparatur beschäftigte sich mit der NER. Hierzu wurde die Reaktivierung eines mit UVB-Strahlung geschädigten Plasmids untersucht. Als Wirtszellen fungierten primäre menschliche Fibroblasten und Keratinozyten, die entweder mit UVB vorbehandelt oder ungeschädigt waren. Auch für die NER konnte keine signifikante Beschleunigung der Reparatur von Pyrimidindimeren durch eine Vorbehandlung festgestellt werden. Die Reaktivierung erfolgte ferner unabhängig vom p53-Status der Zellen, wie Versuche mit p53-siRNA zeigten. Neben der Prozessierung war die Generierung oxidativer DNA Schäden Gegenstand der Arbeit. Die verwendete Substanz Tirapazamin (TPZ) ist ein für hypoxische Zellen selektives, neues Zytostatikum und befindet sich momentan in Phase 2/3 der klinischen Prüfung. Ziel war es die von TPZ verursachten DNA Modifikationen zu charakterisieren, sowie die Toxizität und Genotoxizität zu untersuchen. Da es Hinweise auf eine Aktivierung von TPZ über eine Oxidoreduktase (OR) gab, wurden die Experimente in Wildtyp und hOR überexprimierenden Zellen durchgeführt. Die Quantifizierung der verursachten DNA-Modifikationen zeigte, dass der von TPZ verursachte Schaden in Zellen mit hOR erhöht war. Das erhaltene Schadensprofil der durch TPZ verursachten DNA-Modifikationen war dem Schadensprofil von durch Gamma-Strahlung intrazellulär verursachten Hydroxylradikalen sehr ähnlich. Da es nach der Aktivierung von TPZ durch eine OR zu einer Abspaltung von Hydroxylradikalen kommt, bestätigte dies den vermuteten Mechanismus. Weitere Untersuchungen mit t-Butanol, einem Hydroxylradikal Fänger, ergaben eine verminderte DNA-Schädigung, was ebenfalls für eine DNA-Schädigung durch Hydroxylradikale spricht. Untersuchungen zur Mutagenität zeigten das die Mutationsrate in Zellen mit hOR um das 4 fache erhöht ist. Erstaunlich war jedoch, dass der im gleichen Ausmaß von Gamma-Strahlung verursachte DNA-Schaden für die beobachtete Toxizität dieser verantwortlich war, während bei TPZ unter den gleichen Bedingungen keine Toxizität vorlag. Erklärt werden könnte die erhöhte Toxizität und Mutagenität durch so genannte geclusterte DNA-Schäden, die von Gamma-Strahlen, nicht jedoch von TPZ gebildet werden. Nach einer verlängerten Inkubation wurde sowohl für die Toxizität als auch für die Genotoxizität erneut ein verstärkender Effekt durch die OR bestätigt. Überraschend war weiterhin die von der OR unabhängige Generierung von Doppelstrangbrüchen, für die demnach ein grundsätzlich anderer Mechanismus, wie zum Beispiel eine direkte Interaktion mit der Topoisomerase II, angenommen werden muss.

Untersuchungen zur Reparatur und Mutagenität oxidativer DNA-Schäden in vivo und deren Bedeutung für die Kanzerogenese

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung, welche Rolle endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen bei der Kanzerogenese spielen. Dazu wurden Cockayne Syndrom B-knockout-Mäuse (Csb-/-), 8-Hydroxyguanin-DNA-Glykosylase-knockout-Mäuse (Ogg1-/-) und Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse generiert, die das bakterielle lacI-Gen (Big Blue®) tragen und somit für in vivo Mutationstests eingesetzt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass es in den Lebern der Ogg1-/- Mäuse zu einem 2,1-fachen und in Csb-/-/Ogg1-/- Mäusen zu einem statistisch signifikanten 3,3-fachen Anstieg der Mutationsfrequenz kommt. Die gefundene Erhöhung der Mutationsfrequenz war vor allem auf eine Erhöhung der G:C zu T:A Transversionen zurückzuführen, die typischerweise aus nicht repariertem 8 Hydroxyguanin (8-oxoG) entstehen. Aus mechanistischer Sicht verdeutlichen die Ergebnisse, dass OGG1 das primäre Abwehrsystem gegen oxidative DNA-Modifikationen darstellt und dass das CSB-Protein einen Ausfall von OGG1, selbst in nicht transkribierter DNA, teilweise kompensieren kann. Aus der Korrelation der gefundenen oxidativen DNA-Schäden - bestimmt mittels Alkalischer Elution und der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA-Glykosylase (Fpg-Protein) - mit der Mutationsfrequenz konnte abgeleitet werden, dass bereits weniger als 0,2 Fpg-sensitive DNA-Modifikationen pro 1 Million Basenpaare ausreichen, die spontane Mutationsfrequenz in vivo zu verdoppeln. Zur Untersuchung, welche Rolle die erhöhte Mutationsfrequenz bei der Krebsentstehung spielt, wurden Csb-/-/Ogg1-/- und Wildtyp-Mäuse mit dem Peroxisomenproliferator und spezifischem Leberpromotor WY-14,643 behandelt um spontan initiierte Hepatozyten zur Proliferation anzuregen. Als Endpunkt einer malignen Entartung wurde das Auftreten von Glucose-6-Phosphatase positiven und negativen Läsionen beobachtet. Es zeigte sich, dass Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse signifikant mehr enzymveränderte Läsionen in ihren Lebern aufwiesen, als die Wildtyp-Kontrollen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen und daraus resultierende Mutationen grundsätzlich einen erheblichen Anteil zur hohen spontanen Krebsinzidenz in der Bevölkerung leisten könnten.