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Ribozyme sind katalytisch aktive RNA-Strukturen, die unter anderem in viralen Satelliten-RNAs entdeckt wurden, wo sie durch reversible Spaltung des Phosphatrückgrates die virale Replikation unterstützen. Durch gezielte strukturelle Manipulation von Ribozymen entstehen wertvolle Werkzeuge, die in vielen bioanalytischen, biotechnologischen und gentherapeutischen Bereichen Anwendung finden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem funktionalen Design von verschiedenen Ribozymmotiven, deren kinetische und strukturelle Charakterisierung sowie deren potentielle Anwendung. In einem ersten Projekt sollten durch rationales Design RNA-Schalter, sogenannte Riboswitches, entwickelt werden. Die Aktivität dieser schaltbaren Ribozyme hängt von einem externen Kofaktor ab. Solche Konstrukte können durch gezielte Kombination einer natürlichen Ribozymdomäne mit einer Aptamerdomäne, die spezifisch einen Kofaktor (darunter Nukleinsäuren, Peptide, organische Moleküle und Metallionen) binden kann, gewonnen werden. Durch Bindung dieses Kofaktors wird eine konformelle Änderung innerhalb der Ribozymstruktur erzwungen die einen Anstieg- oder Abfall der katalytischen Aktivität zur Folge hat. Derartige Systeme besitzen biosensorisches Potential. Betrachtet man den Kofaktor als Analyten, kann das Bindungsereignis, also die Detektion, über ein Spaltereignis beobachtet werden. Die Reversibilität solcher Detektionssysteme konnte bisher nicht demonstriert werden, würde aber deren Attraktivität und Anwendungspotential erhöhen. In dieser Arbeit wurden Ribozyme auf Basis des Hairpin-Motivs entwickelt, die in Abhängigkeit von Flavinmononukleotid (FMN) aktiv sind. Um die Reversibilität des Prozesses zu gestatten, müsste FMN beliebig aus der Aptamerdomäne entfernt und in diese wieder eingelagert werden können. Dies sollte über die Kontrolle der Molekülgeometrie des Kofaktors erfolgen. Durch chemische Reduktion von FMN werden strukturelle und elektronische Veränderungen innerhalb des Moleküls hervorgerufen, die die Bindungsaffinität verringern sollten. Versuche mit Reduktionsmitteln konnten die Reversibilität des Schaltvorganges in einem ersten Ansatz demonstrieren. Um ein mehrmaliges, kontrolliertes Schalten zu gestatten, wurde zur gezielten Manipulation des Oxidationszustandes von FMN eine elektrochemische Zelle entwickelt. Dazu musste das klassische Drei-Elektroden-System dem hier vorliegenden System angepasst werden. Zum einen muss die quantitative Reduktion/Oxidation von FMN in einem kleinen Probenvolumen von einigen Mikrolitern gewährleistet werden, zum anderen sollte unter Sauerstoffausschluss gearbeitet werden, um unerwünschte Reoxidationsprozesse zu verhindern. Mit der entwickelten Zelle konnte in einem Spaltexperiment ansatzweise die Verringerung der Ribozymaktivität durch elektrochemische Reduktion des Kofaktors demonstriert werden. Schnelles und präzises Schalten des Systems wurde durch Diffusionsprozesse der reagierenden Spezies zur Elektrodenoberfläche limitiert und konnte mit dieser Anordnung nicht demonstriert werden. Neben kinetischen Studien sollten strukturelle Untersuchungen die Charakterisierung des RNA-Schalters vervollständigen. Hierbei wurden die konformellen Änderungen innerhalb des Ribozyms bei Bindung des Kofaktors ESR-spektroskopisch studiert. Allgemein müssen dazu Nukleinsäuren mit paramagnetischen Spinsonden markiert werden. In diesem Zusammenhang wurden Synthese- und Markierungsmethoden zum Erhalt spinmarkierter Oligonukleotide etabliert. Ein zweites Projekt beschäftigte sich mit der Entwicklung von Reparatursystemen auf Basis kleiner katalytischer RNA-Motive. Die in diesem Zusammenhang entwickelten Twinribozyme besitzen großes Potential zur Reparatur von Gendefekten auf RNA-Ebene. Hierbei wird ein kurzer Sequenzabschnitt innerhalb eines RNA-Stranges gegen eine alternative Sequenz durch doppelte Spaltung und Ligation ausgetauscht. Diese Methode sollte es ermöglichen, mutierte Sequenzbereiche auf mRNA-Ebene gegen die entsprechend korrekte Sequenz zu ersetzen und Gendefekte zu beheben. Twinribozyme entstehen durch Duplikation zweier katalytischer Motive und wurden als erstes unter Verwendung des Hairpinribozymmotivs entwickelt. Da nicht alle Substratsequenzen vom Hairpinribozym toleriert werden, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung eines Hammerheadribozyms zur Entwicklung eines Twinribozyms überprüft, um die Palette derartiger Werkzeuge zu erweitern. Gezeigt werden konnte, dass der Austausch einer Sequenz zwar katalysiert wird, die geringe Produktausbeute von nur 3% eine gentherapeutische Anwendung zunächst noch in Frage stellt. Hier sollten strukturelle Optimierungen des Systems zu einem besseren Ergebnis führen. Insgesamt konnte demonstriert werden, dass die Aktivität von RNA-Enzymen gezielt durch die Einführung von charakteristischen Strukturelementen manipuliert und kontrolliert werden kann und somit Systeme mit hohem Anwendungspotential geschaffen wurden.
This thesis summarizes the published works by Robert Hieronymus which were done in the group of bioorganic chemistry of Prof. Dr. Sabine Müller. The different works had the goals to design, develop, and test catalytically active RNA systemes that might have been plausible for an early RNA world scenario.
The different RNA systems presented in this thesis were developed via rational design, for which each time the hairpin ribozyme (HPR) was utilized as a design template. The HPR belongs to the group of self-cleaving ribozymes and comes with features that make it a very attractive candidate for the contemplated tasks: It’s small, it’s variable in sequence, and it can cleave or ligate bound RNA substrates depending on the substrate binding strength. Substrates with weak binding to the ribozyme tend to be cleaved while substrates with stronger binding become ligated. This feature was utilized to develop RNA systems with catalytic cascades.
The first of the catalytic RNA systems that is presented in this thesis establishes a HPR mediated recombination system. In a one-pot reaction two RNA strands without function but with pro-functional regions are getting bound and cleaved by the HPR in separate ways. The generated fragments with the pro-functional parts are designed to bind stronger to the HPR than their non-functional counterparts and are ligated in a subsequential reaction by the HPR. The recombination product is a hammerhead ribozyme (HHR), and thus, a self-cleaving ribozyme on its own, whose synthesis can be monitored by the addition and cleavage of a separate RNA substrate.
The second RNA system is also a recombination system mediated by a HPR, but this time it starts with the functional HHR product from the previous system as an educt. Via a similar mechanism as before the recombination is done with another functional RNA: an RNA aptamer (sensoric RNA). The recombination of HHR and aptamer leads to the generation of a hammerhead aptazyme, an HHR whose cleavage functions are now regulated via ligand binding on the aptamer part. This novel system was successfully demonstrated with RNA sequences of theophylline and FMN aptamers as different educts for the recombination reaction.
The HPR in the final work presented here was designed as a self-splicing ribozyme. Here the HPR sequence is located within the intron and is flanked by two exon sequences on both its ends. The developed HPR is able to fold itself in two alternative conformations, both with either one of the intron-exon interfaces located within the formed catalytic site. Subsequently to the first cleavage and dissoziation of one of the exons, the HPR folds into the alternative conformation, which triggers the cleavage reaction of the remaining exon. Once both exons are cleaved off, the fragments are ligated by the HPR, which concludes the catalytic cascade with the healing of the RNA source strand.
The various works presented in this thesis demonstrate nicely the flexibility of the HPR and how well suited it is to be utilized as a template in rational design of RNA systems. Furthermore, it is plausible to assume that the HPR, due to its many features, must have had a place in the early RNA world.