Nukleinsäuren-Chemie

Dr. rer. nat. Janos Ludwig

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Nukleinsäuresynthesegruppe

Chemisch synthetisierte Oligoribonukleotide und Oligoribonukleotid-Analoga haben im letzten Jahrzehnten wesentlich zur Entwicklung von grundlegenden biomedizinischen Techniken wie RNA Interferenz, Aptamer- und Ribozym-Technologie beigetragen und ermöglichen auch neue produktive Fragestellungen im Zusammenhang mit der immunologische Erkennung von Nucleinsäuren.

Schwerpunkt der Nukleinsäuresynthese Gruppe am Institut für Klinische Chemie und Pharmakologie ist die Untersuchung der Wechselwirkung immunologischer Rezeptoren und deren Nukleinsäure-Liganden mit Hilfe von synthetischen Oligoribonukleotiden und Oligoribonukleotidderivaten.  Durch Substitution von Funktionsgruppen an definierten Ligandenpositionen, durch geeignete crosslinks und Derivatisierung mit spektroskopischen Markern werden in Kooperation mit biologischen Arbeitsgruppen in vitro Bindungsstudien und  in vivo Aktivitätsstudien durchgeführt  und die für die immunologische Erkennung wesentlichen strukturellen Eigenschaften aufgeklärt.

Als erstes Beispiel wurden effiziente Synthesemethoden für RIG-I Liganden ausgearbeitet. RIG-I -- eines der wichtigsten zytosolischen Rezeptoren für virale RNA -- erkennt eine Kombination aus virusspezifischen 5´-triphosphat-Gruppen und doppelstrang RNA Strukturelementen. Leistungsfähige Synthesemethoden für die chemische Herstellung von 5´-triphosphorylierten Oligoribonukleotiden (Efficient Solid-Phase Synthesis of pppRNA by Using Product-Specific Labeling Angewandte Chemie Int. Ed. 2014, 53(18), 4694-4698) ermöglichten es uns, Struktur-Aktivitätsuntersuchungen von RIG-I-Liganden unabhängig von T7 Polymerase-Nebenprodukten durchzuführen (Recognition of 5 ' Triphosphate by RIG-I Helicase Requires Short Blunt Double-Stranded RNA as Contained in Panhandle of Negative-Strand Virus Immunity 2009, 31(1), 25-34) und im Zusamenarbeit mit Strukturbiologen am Memorial Sloan-Kettering Cancer Center als erstes die 3D Struktur vom RIG-I C-terminalen Domain mit gebundenem 5´-triphosphorylierten RNA Duplex zu bestimmen. (Structural and functional insights into 5 '-ppp RNA pattern recognition by the innate immune receptor RIG-I Nat. Struc. Molec. Biol. 2010, 17(7), 781-787)

Diese Beiträge haben die Rolle der Triphosphategruppe für die RIG-I - Ligand Wechselwirkung geklärt, und öffneten damit den Weg um weitere mechanistische Details der Liganden-induzierten RIG-I Aktivierung besser zu verstehen und selektive, für den in vivo Einsatz optimierte Ligandenstrukturen zu entwickeln. Die von uns entwickelte Synthesemethode für 5´-triphosphorylierten Oligoribonukleotiden erlaubt die Herstellung von pppRNA Derivaten ökonomisch im grossem Masstab (US patent: 9,399,658) und ermöglicht pharmakologische Untersuchungen zur Erprobung von synthetischen RIG-I Liganden für tumortherapeutische Anwendungen.

Die chemische Expertise der Synthesegruppe bildete die Grundlage für die Strukturaufklärung und strukturverifizierende Erstsynthese von 2´-5´ cGAMP (cGAS produces a 2'-5'-linked cyclic dinucleotide second messenger that activates STING Nature 2013, 498(7454) 380-384), ein Signalmolekül welches bei der zelluläre dsDNA erkennung eine Schlüsselrolle spielt. Die dabei gewonnne Erkentnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von synthetischen cGAMP Inhibitoren.

Die Synthesegruppe unterstützt mit problemorientierten Synthesen von Oligoribonukleotid-Analoga auch andere Projekte des Instituts. Für die synthetischen Arbeiten stehen ein gut eingerichtetes Nukleotidchemisches Labor, zwei Oligopilot Syntheseautomaten sowie mehrere ÄKTA HPLC Anlagen, ein Waters Xevo TQ MALDI-TOF-Massenspektrometer zur Verfügung. Der Zugang zur NMR Analysen, wird durch Zusammenarbeit mit den chemischen Instituten der Universität Bonn und durch industrielle Kooperationspartner ermöglicht.

 

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Dirk Radzey, TA

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