Transcription factors play crucial regulatory role within the cell and the entire multicellular organism. The important factor is its ability to interact with other regulatory proteins and DNA. Despite the fact that a large part of the interaction network is already documented, detailed information on the structure and dynamics of protein-protein and protein-DNA complexes is still scarce. In this thesis we focused on the possibility of studying conformational changes given by the transcription factor-DNA complex formation using the methods of structural mass spectrometry: hydrogen/deuterium exchange and chemical crosslinking. As a model, we chose a transcription factor FOXO4 which DNA binding domain is structurally well characterized both in free form and in the complex with DNA.

Bakterielle Restriktions- und Modifikationssysteme (R/M-Systeme) greifen DNA endonukleolytisch an, die nicht die spezifische Markierung der eigenen Wirtszelle trägt. Zu einem R/M-System gehören eine Restriktionsendonuklease und eine DNA- Methyltransferase gleicher DNA-Spezifität. Die biologische Funktion der Restriktionsendonuklease besteht in der Abwehr von fremder, in die Zelle eindringender DNA, z. B? von Virus-Infektionen. Die korrespondierende DNA-Methyltransferase schützt die zelluläre DNA durch sequenz-spezifische DNA-Methylierung vor der endonukleolytischen Wirkung der Restriktionsendonuklease. Die dimeren TypII- Restriktionsendonukleasen erkennen kurze spezifische, unmethylierte Basensequenzen, die sie in Anwesenheit von Mg2+ Ionen an einer definierten Position endonukleolytisch spalten. Die Restriktionsendonuklease EcoRII braucht die koordinierte Wechselwirkung mit zwei Kopien der Sequenz 5 CCWGG, um katalytisch aktiv sein zu können, wobei eine der beiden Sequenzen als allosterischer Effektor wirkt und nicht gespalten werden muß. Die zwei Kopien der 5 CCWGG Sequenz können sowohl auf demselben als auch auf verschiedenen Molekülen lokalisiert sein. Die Interaktion von EcoRII mit verschiedenen DNA-Molekülen ist durch deren Länge und Konzentration, die Interaktion innerhalb eines DNA-Moleküls durch den Abstand zwischen beiden Sequenzen limitiert. Die durch Proteolyse nachgewiesene Zwei-Domänen-Struktur von EcoRII scheint diese besondere Form der Protein-DNA-Wechselwirkung zu ermöglichen. Die C-terminale Domäne von EcoRII stellt eine neue Restriktionsendonuklease (EcoRII-C) dar. Im Gegensatz zum Wildtyp-Enzym spaltet EcoRII-C an singulären 5 CCWGG Sequenzen. Die trunkierte Endonuklease spaltet DNA spezifisch und unabhängig von einem zweiten EcoRII-Erkennungsort. Die Reaktion verläuft deutlich schneller als die des kompletten EcoRII-Proteins. Die N-terminale Domäne bindet spezifisch DNA, attenuiert die endonukleolytische Aktivität von EcoRII und macht das Enzym abhängig von einer zweiten Kopie der Sequenz 5 CCWGG. EcoRII Wildtyp könnte demzufolge ein evolutionäres Intermediat zwischen einer sequenz-spezifischen Endonuklease und einem Protein sein, das spezifisch mit zwei Orten auf der DNA interagiert, wie z. B. Rekombinasen oder Transposasen. Durch die Kombination beider Funktionen könnte EcoRII selbst die Verbreitung der EcoRII-codierenden DNA-Sequenz in neue Populationen, ähnlich einem transponiblen Element, realisieren. / Bacterial restriction and modification systems (R/M-systems) endonucleolytically attack DNA that is not host cell-specifically modified. R/M-systems comprise a restriction endonuclease and a DNA methyltransferase exhibiting the same DNA sequence specificity. The biological function of the restriction endonuclease is the protection of the cell against invading foreign DNA, e. g. virus infection. The corresponding DNA methyltransferase renders cellular DNA resistent against the endonucleolytic action of the restriction endonuclease by sequence-specific DNA methylation. Dimeric type II- restriction endonucleases recognize short, specific, and unmethylated base sequences that they cut at a defined position in the presence of Mg2+ ions. Restriction endonuclease EcoRII requires the co- ordinated interaction with two copies of the sequence 5 CCWGG for catalytic activity. One of these sequences serves as an allosteric activator site and has not to be cleaved. The two copies of the sequence 5 CCWGG can be located as well on the same as on different DNA molecule(s). EcoRII interaction with two sites on different DNA molecules is limited by their length and concentration, EcoRII interaction within one DNA molecule is limited by the distance between the two sites. The two- domain structure of EcoRII figured out by limited proteolysis studies probably allows this particular form of protein-DNA interaction. The C-terminal domain of EcoRII represents a new restriction endonuclease (EcoRII-C). In contrast to EcoRII wild type, EcoRII-C cleaves DNA at single 5 CCWGG sites. The truncated endonuclease cleaves DNA specifically and independent of a second site. The enzymatic reaction passes well more rapid than that of the complete enzyme. The N-terminal domain binds DNA specifically, attenuates the endonucleolytic activity of EcoRII and makes it dependent on a second copy of the sequence 5 CCWGG. Therefore, the current EcoRII could be an evolutionary intermediate between a site-specific endonuclease and a protein that functions specifically with two DNA sites on the DNA such as recombinases and transposases. The combination of both functions may enable EcoRII to accomplish its own propagation similarly to transposable elements.

L’élucidation des interactions non-covalentes des complexes biologiques revêt d’une importance majeure dans la compréhension du fonctionnement cellulaire. L’objectif de ce travail de thèse est d’approfondir les développements de la spectrométrie de masse (MS) pour l’étude de ces complexes, que ce soit par MALDI-MS (la désorption-ionisation laser assistée par matrice) ou par ESI-MS (l’ionisation électrospray). Ce travail s’est articulé autour de trois axes : i) étude de la stœchiométrie et de la topologie du complexe SAGA HAT (Spt-Ada-Gcn5 Acétyltransferase, module Histone Acétyl Transferase) par pontage chimique couplé à la MS ; ii) suivi de la dimérisation des complexes formés par RAR-RXR (récepteur de l’acide rétinoïque - récepteur X des rétinoïdes) avec différents ADNs ; iii) mesure de la constante de dissociation des complexes RXR-ligand. Les méthodologies développées ont permis de repousser le potentiel de la MS et d’obtenir des informations structurales des complexes biologiques. / Elucidation of non-covalent interactions of biological complexes takes on great importance for the understanding of cellular function. The purpose of this thesis is a further development of mass spectrometry (MS) for the study of these complexes, either by MALDI-MS (matrix-assisted laser desorption-ionization) or by ESI-MS (electrospray ionization). This work was focused on three main lines: i) study of the stoichiometry and the topology of SAGA HAT (Spt-Ada-Gcn5 Acetyltransferase, Histone Acetyl Transferase module) complex by chemical cross-linking coupled to MS; ii) monitoring the dimerization of the complexes formed by RAR-RXR (retinoic acid receptor - retinoid X receptor) with different DNAs; iii) measuring the dissociation constant of RXR-ligand complexes. The developed methodologies made it possible to expand the potential of MS and get insight into structure of biological complexes.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / All platinum (Pt)-based chemotherapeutics exert their efficacy primarily via the formation of DNA adducts which interfere with DNA replication, transcription and cell division and ultimately induce cell death. Repair and tolerance of Pt-DNA lesions by nucleotide excision repair and homologous recombination (HR) can substantially reduce the effectiveness of the Pt therapy. Inhibition of these repair pathways, therefore, holds the potential to sensitize cancer cells to Pt treatment and increase clinical efficacy. Replication Protein A (RPA) plays essential roles in both NER and HR, along with its role in DNA replication and DNA damage checkpoint activation. Each of these functions requires RPA binding to single-stranded DNA (ssDNA). We synthesized structural analogs of our previously reported RPA inhibitor TDRL-505, determined the structure activity relationships and evaluated their efficacy in tissue culture models of epithelial ovarian cancer (EOC) and non-small cell lung cancer (NSCLC). These data led us to the identification of TDRL-551, which exhibited a greater than 2-fold increase in in vitro and cellular activity. TDRL-551 showed synergy with Pt in tissue culture models of EOC and in vivo efficacy, as a single agent and in combination with platinum, in a NSCLC xenograft model. These data demonstrate the utility of RPA inhibition in EOC and NSCLC and the potential in developing novel anticancer therapeutics that target RPA-DNA interactions.

Aus den frühen Bindungsstudien des globalen Regulators AbrB mit der ausgedehnten phyC-Promotorregion von Bacillus amyloliquefaciens FZB45 konnte ein mehrstufiger kooperativer Bindungsprozess abgeleitet werden. Dabei verlangt die AbrB-vermittelte Repression von phyC nach Integrität zweier großer Bindungsstellen, ABS1 und ABS2, die 162 bp voneinander entfernt liegen. In der vorliegenden Arbeit wurden die ersten Echtzeitkinetiken zur DNA-AbrB-Interaktion mittels der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) gemessen und analysiert. AbrB zeigte hohe Affinitäten zu den 40 bp langen Oligonukleotiden, die den beiden Bindungsstellen entstammen. Dabei verursachten alle Oligonukleotide der ABS2 und nur eine kurze Region innerhalb der ABS1 bei der Bindung von AbrB Konformationsänderungen im Protein und in der DNA (CD - Zirkulardichroismusspektroskopie) und wiesen eine Kooperativität von 2 / In previous binding studies it could be demonstrated that a global regulator AbrB and the extensive phyC promoter region of Bacillus amyloliquefaciens FZB45 interact in a complex manner. AbrB binding is a multistep cooperative process. The integrity of both binding sites, ABS1 and ABS2, which are separated by 162 bp, is crucial for the AbrB-mediated repression of phyC. This work presents the first real-time binding kinetics of the AbrB-DNA interaction using surface plasmon resonance (SPR). AbrB exhibited high affinities to all analyzed 40-bp oligonucleotides that were derived from the ABSs of phyC. All parts of the ABS2, but only a small region within ABS1, were bound cooperatively to AbrB with a stoichiometry of 2 DNA to 1 AbrB tetramer and with 2