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The four stranded G-quadruplexes are important secondary structures of nucleic acids formed by guanosine-rich sequences. Besides the application as scaffold for technological applications, they are involved in many cellular processes such as gene regulation, replication, or maintenance of chromosomal ends. Characteristically, a large diversity of quadruplex structures is observed, whereas the correlation between sequence and structure is still not fully understood. In this thesis, the effects of modified nucleotides on G-quadruplexes were analyzed using NMR-spectroscopy to gain insight into driving forces determining the folding process. Contrary to DNA quadruplexes, the folding landscape of RNA structures is mostly restricted to parallel topologies. Therefore, ribose moieties were introduced into DNA sequences to isolate the effect of the additional hydroxy group. In this way, sequential CHO hydrogen bonds between the 2′-OH and the H8 of the 3′-neighbored anti conformer were identified and subsequently detected within RNA structures. In a second part, 2′-fluoro-2′-deoxyribose was incorporated at positions with guanosine in unfavored syn orientation. Instead of a changed global fold, the direction of the hydrogen bond network in the modified tetrad was reversed. This first example of tetrad inversion within a unimolecular quadruplex yielded a unique (3+1)-hybrid topology with only homopolar stacking interactions. Additionally, the effect was reproduced for another sequence and high-resolution structures were determined. Unfavored interactions between the 2′-fluorine and the narrow groove of the quadruplex were identified as a reason for different sugar conformations and consequent structural rearrangements.
Central to this thesis are so-called G-quadruplex (G4) nucleic acids. These unusual structures have recently moved into the scientific limelight - mostly due to their prevalence in the human genome. Incidentally, the vast majority of G4-prone sequences is found in telomeric regions and in the promoter sequences of a large number of cancer-related genes.
Furthermore, recent studies suggest a wide applicability of these structures as therapeutic and functional agents, though the technology is still in its infancy with only a few oligonucleotides in clinical trials. Notably, G-quadruplexes are highly polymorphous, exhibiting different topologies and conformations based on sequence, solution condition and molecularity. Therefore, rational design of such structures with specific, topology-encoded functions demands a comprehensive understanding of the underlying folding parameters.
As the folding process is the result of a whole orchestra of parameters with synergistic effects, the herein proposed approach to understand the G4 structural arrangement concentrates on native G4-forming sequences with well-defined topologies. Perturbations of these structures by rational nucleotide substitutions allow for the observation of discrete effects on the folding pathway and on the resulting overall topology.
The method chosen for primary investigation in the following studies on G4 architectures was Nuclear Magnetic Resonance (NMR) as it is the most powerful tool for structure elucidation in liquids. Unique to this technique, it permits the observation of discrete species in mixtures by distinct perturbations at the atomic level as well as valuable insights into the molecular dynamics.
The included publications study the effects of site-specific bromine substitutions on native quadruplex scaffolds, thereby successfully inducing new structures. These expand the G4 structural landscape but also enhance our understanding of the driving forces in G4 folding.
G-quadruplexes (G4s) have been in the focus of research in the last decades for their regulatory roles in vivo and for their use in nano- and biotechnology. However, an understanding of the various factors that drive a particular quadruplex fold remains limited, challenging rational therapeutic targeting and design of these tetrahelical structures. In this regard, insights from modified G-quadruplexes may help to deepen our knowledge of G-quadruplex structure. In this dissertation, sugar-modified guanosine analogs are exploited for their altered conformational preferences regarding both glycosidic bond angle and sugar pucker by their incorporation into different syn positions of the G-core of a model G-quadruplex. Induced structural perturbations as characterized by NMR spectroscopy range from a local change in tetrad polarity to a complete refolding into an unusual structure with a V-shaped loop, a unique G4 structural element in the focus of this work. Detailed conformational analysis of the introduced G analogs and high-resolution structures of the modified quadruplexes reveal a complex interplay of glycosidic torsion angle, sugar pucker preferences and local interactions, which may all play a leading role in driving G4 folding.
Es wurden theoretische Untersuchungem zu sieben verschiedenen Isoenzymen der Schweineleberesterase vorgenommen. Vorhersagen zur Struktur wurden moleküldynamisch mit Hilfe eines Kraftfeldprogramms (AMBER-Paket) durchgeführt. Der Reaktionsmechanismus wurde quantenchemisch (CPMD), sowie mit einer Hybridmethode (QM/MM) nachvollzogen. Da keine Kristallstruktur vorhanden ist, wurde auf ein Homologiemodell aus eigenen Vorarbeiten zurückgegriffen. Mit Kraftfeldberechnungen wurden die einzelnen Monomere für etwa 10 bis 14 ns simuliert. Dabei zeigte sich eine Relaxation der Enzyme nach 8 bis 10 ns. In jedem Fall wurden stabile Endstrukturen der Monomere (um die 8000 Atome plus etwa 40000 Wassermoleküle) gefunden. Am Beispiel der PLE3 wurde sogar eine partielle Entfaltung der Eingangshelix beobachtet, die in einer Rückmutation nicht wiederherstellbar war. Andererseits wurde bei der PLE1 die spontane Ausbildung einer 3-10-Helix in der Nähe der Eingangshelix gefunden. Es wurden auch stabile Endstrukturen der Trimere (um die 24000 Atome plus etwa 50000 Wassermoleküle) gefunden. Interaktionen zwischen den Monomeren wurden beobachtet, die nach 14 bis 18 ns stabil zusammenlagen. Es konnten über RMSD-Auswertungen starre und flexible Bereiche innerhalb der Isoenzyme als auch zwischen den einzelnen identifiziert werden. Die starren Bereiche stimmen sehr gut mit dem Faltungsmotiv der a/b-Hydrolasen überein. Spezifische Abstände des aktiven Zentrums wurden während der klassisch simulierten Moleküldynamiken überprüft. Dabei war es nicht möglich, mit dem in der Literatur propagierten katalytischem Glutamat Abstände in der Größenordnung einer Wasserstoff-brücke zu erhalten. Vielmehr wurde eine günstige und stabile Lage eines anderen Glutamats gefunden, wodurch sich aber nichts am allgemeinen Reaktionsmechanismus ändert. Die Zugangswege wurden durch gezwungenes Ziehen der Moleküle aus der Lösung ins aktive Zentrum beobachtet und über Kraft-Weg-Kurven ausgewertet. In Simulationen im Nanosekundenbereich konnte auch freiwilliges Eindringen der Substratmoleküle ins Enzym beobachtet werden, wobei dieser Vorgang von der Größe des Moleküls abhängt. Die bei den unterschiedlichen Simulationen gefundenen Taschen sind für jedes Substrat verschieden, obwohl die beteiligten Aminosäuren die jeweiligen Substratmoleküle fest umschließen. Dieses Anpassen der Taschen an das jeweilige Substrat passt zu dem induced-fit-Modell. Während das spontane Eindringen der Substratmoleküle innerhalb weniger Nanosekunden erfolgte, konnte erst nach einer Simulationszeit von 25 ns ein Verlassen von Methanol aus dem Enzym beobachtet werden. Mit quantenchemischen Berechnungen im Picosekundenbereich, unter Berücksichtigung der neuen Zuordnung des katalytischen Glutamats, konnte der gesamte Reaktionsmechanismus dargestellt werden. Am Beispiel des Methylbutyrats wurden die Bildung des ersten tetraedrischen Intermediats, sowie die anschließenden Abspaltungen des Alkohols und der Säure, mit Hilfe von Constraints dargestellt. Die durch die Mutationen hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der Isoenzyme insbesondere der Eingangshelix können für die unterschiedlichen Enantioselektivitätswerte verantwortlich sein. Eine Verantwortlichkeit von Taschen für die verschiedenen Enantioselektivitäten ist aufgrund der gefundenen weichen Struktur um die Substrate mit jeweils unterschiedlich beteiligten Aminosäuren nicht erkennbar.
Das Interesse an Amin-Transaminasen stieg in den letzten Jahren stark an. Hierbei wurde der Fokus vor allem auf die Aufklärung der Strukturen der Amin-Transaminasen, aber auch auf ihre Anwendung in der Synthese von immer komplexeren Aminen gelegt. In dieser Arbeit befasste ich mich mit der Strukturaufklärung der (R)-selektiven Amin-Transaminase aus Aspergillus fumigatus und mit der Synthese von diastereomerenreinen 1 Amino-3-Methylcyclohexan. Es gelang die (R)-selektive Amin-Transaminase aus Aspergillus fumigatus zu kristallisieren und ihre Struktur mit einer Auflösung von 1,27 Å zu lösen. Der bis dato postulierte Aufbau des aktiven Zentrums von (R)-selektiven ATAs wurde bestätigt. Weiterhin wurde die duale Substraterkennung dieser (R)-ATA untersucht. Dieses erfolgte durch das Soaken mit dem Inhibitor Gabaculin und durch Mutagenesestudien. Hierbei wurde das Arginin 126 identifiziert, welches zusammen mit einem Histidin und einem Tyrosin, für die Koordinierung der Carboxylgruppe von Alanin bzw. Pyruvat in der großen Bindungstasche des aktiven Zentrums verantwortlich ist. Durch diese Erkenntnisse konnte das Verständnis über (R)-selektive Amin-Transaminasen erweitert werden und bietet nun eine gute Grundlage für zukünftige Optimierungen und Anwendungen dieser Enzyme in der Herstellung von Aminen. Zur Synthese von diastereomerenreinem 1-Amino-3-Methylcyclohexan wurde die (S)-selektive Amin-Transaminase aus Vibrio fluvialis (VibFlu) verwendet. Während hohe Enantioselektivitäten für andere Substrate bekannt waren, musste die Amin-Transaminase zunächst mit Hilfe der 3DM-Datenbank für die selektive Transaminierung von 3-Methylcyclohexanon optimiert werden. Eine Kopplung der generierten Mutanten VibFlu Leu56Ile und VibFlu Leu56Val mit verschiedenen Enoatreduktasen führte zur erfolgreichen Synthese von drei der möglichen vier Diastereomeren mit hohen Reinheiten von bis zu 97 %de und guten Umsätzen bis zu 99 %. Somit konnte die erfolgreiche selektive Synthese eines zyklischen Amins mit mehr als einem Stereozentrum durch eine Enzymkaskade gezeigt werden. Dies demonstriert die Möglichkeiten von Kaskadenreaktionen mit Amin-Transaminasen und Enoatreduktasen zur Synthese von komplexen diastereomerenreinen Aminen.