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Ladungstransport durch RNA – Etablierung geeigneter Systeme und Implikationen für RNA-Funktionskontrolle

  • Vor dem Hintergrund des noch wenig erforschten RNA-Ladungstransfers, lag der Fokus der Arbeit auf die Etablierung eines Ladungstranfers innerhalb einer funktionellen RNA. Als Modellsystem diente dazu das HPAR2, ein FMN-abhängiges Aptazym, dessen strukturdynamische Funktionsweise noch nicht komplett verstanden ist. Dabei galt es zum einen innerhalb der funktionellen Aptamerdomäne einen Ladungstransport zu etablieren. Zum anderen musste eine geeignete Position innerhalb der Aptamerstruktur für die Einführung eines nukleophilen Linkers identifiziert und verifiziert werden, um postsynthetisch die Verknüpfung mit dem FMN zu ermöglichen. Zusätzlich wurde durch die Synthese verschiedener nukleosidischer Sonden die Anwendung spektroskopischer Methoden zur Untersuchung dynamische RNA-Funktionen ermöglicht. Dabei gelang es eine neue Strategie zur Einführung einer Spin-Sonde in eine RNA zu entwickeln. Des Weiteren gelang die Darstellung einer nukleosidischen PHIP-Sonde, die eine außergewöhnlich hohe Signalverstärkung zeigte. Um die Funktionskontrolle des Modellsystems über einen intramolekularen Elektronentransport zu ermöglichen, musste zunächst die Synthese eines dementsprechend Linker-modifizierten Adenosins erfolgen. Der Einbau dieses Linker-modifizierten Adenosins durch chemische Festphasensynthese lieferte zwei RNAs, die durch Hybridisierung mit entsprechenden Gegensträngen das FMN-Aptamer und das FMN-abhängige Modellsystem HPAR2 bilden. Der zweite Teil dieser Arbeit, der Vorbereitung eines Elektronentransfer-sensitiven Aptazyms, setzte die Bereitstellung eines nukleosidischen Elektronendonors voraus. Dafür erfolgte die Synthese und Charakterisierung zweier Pyren-modifizierte Uridinderivate. Die Charakterisierung beider Elektronendonoren durch optische Spektroskopie (Fluoreszenz und UV/Vis) resultierte in vielversprechenden Hinweisen, dass die Erzeugung eines Überschusselektrons nach Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge gelang. Der erfolgreiche Einbau des substituierten Pyren-Nukleosidderivates in fünf verschiedene Duplex- und sechs verschiedene Aptamerstrukturen und deren spektroskopische Charakterisierung erlaubte die Untersuchung des RNA-Ladungstransports. Der Nachweis eines Ladungstransfers gelang für beide Systeme über zwei unterschiedliche Methoden. Einerseits konnte der Ladungstransfer über Fluoreszenzspektroskopie nachgewiesen werden und andererseits gelang der Nachweis über die Degradierung des eingebauten Akzeptors. Diese Ergebnisse stellen den ersten Ladungstransfers durch eine nicht Watson-Crick gepaarte Nukleinsäurestruktur dar. Zudem ist dies die erste Demonstration eines Sequenz-abhängigen Ladungstransportes innerhalb einer RNA.
  • Against the background of little-explored RNA charge transfer, the focus of this work was the establishment of a charge transfer within a functional RNA. As model system HPAR2 was used, an FMN-dependent aptazyme whose structure-dynamic functionality is not yet fully understood. The charge transport had to be established within the functional aptamer domain. On the other hand, a suitable position within the aptamer structure for the introduction of a nucleophilic linker had to be identified and verified to attach the FMN post synthetically. In addition, the synthesis of various labeled nucleosides was needed to enable the application of spectroscopic methods to study dynamic RNA functions. It succeeded in developing a new strategy for introducing a spin label into an RNA. Furthermore, the preparation of a PHIP label, connected to the nucleobase of uridine showed an exceptionally high signal amplification. The synthesis of a linker-modified adenosine was needed, in order to enable functional control of the model system via an intramolecular electron transport. Incorporation of this linker-modified adenosine by solid-phase chemical synthesis yielded two RNAs that hybridize with corresponding counterparts to form the FMN aptamer and the FMN-dependent model system HPAR2. The second part of this work, the preparation of an electron-transfer-sensitive aptazyme, required the provision of a nucleosidic electron donor. This involved the synthesis and characterization of two pyrene-modified uridine derivatives. The characterization of both electron donors by optical spectroscopy (fluorescence and UV / Vis) resulted in promising evidence that the generation of an excess electron was possible after excitation with light of a certain wavelength. The successful incorporation of the substituted pyrene nucleoside derivative into five different duplex and six different aptamer structures and their spectroscopic characterization allowed the study of RNA charge transport. The proof of a charge transfer succeeded for both systems over two different methods. On the one hand, the charge transfer could be detected by fluorescence spectroscopy and on the other hand, it was possible to prove the degradation of the incorporated acceptor. These results represent the first charge transfer by a non-Watson-Crick paired nucleic acid structure. Moreover, this is the first demonstration of sequence-dependent charge transport within an RNA.

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Metadaten
Author:Dr. rer. nat. Jennifer Frommer
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-27278
Title Additional (English):Charge Transport through RNA - Establishment of Appropriate Systems and Implications for RNA Functional Control
Referee:Prof. Dr. Sabine Müller, Prof. Dr. Hans-Achim Wagenknecht
Advisor:Prof. Dr. Sabine Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/06/17
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/04/01
Release Date:2019/06/17
GND Keyword:Chemie, Nukleinsäuren
Pagenumber:193
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften