Das Entwicklungsstadium bestimmter Krankheiten ist eng mit der Konzentration diverser Proteine in biologischen Proben verknüpft. Eine sensitive Detektion dieser sogenannten Biomarker kann somit maßgeblich zu einer frühzeitigen Diagnose beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden strukturierte, fluorogene Sonden entwickelt, die die Möglichkeit bieten in einem homogenen Verfahren Zielproteine sensitiv, direkt und in Echtzeit nachzuweisen. Die peptidische Erkennungssequenz für das Zielprotein wurde dabei von zwei zueinander komplementären PNA-Segmenten flankiert. Die Sonden besaßen dadurch eine haarnadelförmige Anordnung, die kontrolliert eingebaute Reporter in eine enge Proximität zwang und ein minimales Hintergrundsignal im ungebundenen Zustand gewährleistete. Durch die Wechselwirkung mit dem Zielprotein erfolgte eine Reorganisation der Sondenstruktur, die fluoreszenzspektroskopisch verfolgt werden konnte. Für den Einbau der fluorogenen Einheiten wurden verschiedene Strategien entwickelt und die resultierenden Architekturen bzgl. ihres Einsatzes als sensitives Detektionssystem validiert. Als Zielproteine wurden die intrazellulären SH2-Domänen der Src- und Lck-Kinase sowie die extrazelluläre Matrix-Metalloprotease MMP-7, ein proteolytischer Biomarker für Krebs, untersucht. Besonders die neuartigen In-Stem Hairpin Peptide Beacons (IS-HPBs), bei denen fluorogene Pseudonukleobasen in die PNA-Stammregion eingebaut wurden, zeichneten sich als sensitive Proteasereporter mit einer bis zu 50-fachen Signalverstärkung aus. Mit einem excimerbasierten IS-HPB und einer zeitaufgelösten Fluoreszenzmethode konnte die direkte Detektion von MMP-7 bei einer kritischen Konzentration von 1 nM im humanen Blutserum erreicht werden. Eine mögliche Anwendbarkeit in der medizinischen Diagnostik wurde somit bekräftigt. Weiterhin wurden erste Hinweise mithilfe thermodynamischer Untersuchungen erhalten, dass die Strukturierung einer peptidischen Sonde zu einer erhöhten Selektivität beiträgt. / The developmental stage of certain diseases is closely linked to the concentration of various proteins in biological samples. A sensitive detection of these so-called biomarkers can thus significantly contribute to an early diagnosis. In the present work, structured, fluorogenic probes were developed that offer the possibility of a sensitive, direct and in real-time detection of target proteins in a homogeneous process. The peptidic recognition sequence for the target protein was thereby flanked by two self-complementary PNA segments. As a result, the probes possessed a hairpin-type arrangement, in which suitable appended labels are forced into close proximity and guaranteed a minimal background signal in the unbound state. By interacting with the target protein a reorganization of the probe structure occured, which could be followed by fluorescence spectroscopy. To embed the fluorogenic units different approaches were developed and the resulting architectures were validated relating to their use as a sensitive detection system. As target proteins the intracellular SH2-domains of the Src and Lck kinase and the extracellular matrix metalloprotease MMP-7, a proteolytic biomarker for cancer, were investigated. In particular, the new In-Stem Hairpin Peptide Beacons (IS-HPBs), in which fluorogenic pseudo nucleic acids were incorporated into the PNA-stem region, proved as sensitive protease reporters with an up to 50-fold signal amplification. By using an excimer-signaling IS-HPB and a time-resolved fluorescence method the direct detection of MMP-7 with a critical concentration of 1 nM within complex human blood serum was achieved. A possible application in medical diagnostics was thus confirmed. Furthermore, initial indications were obtained using thermodynamic studies that the structure of a peptide-based probe contributes to increased selectivity.

Die Wechselwirkung zwischen Kohlenhydraten und Lektinen ist relativ schwach. Dennoch ist sie in einer Fülle biologischer Prozesse von essentieller Bedeutung. Eine Verstärkung der Bindungsaffinität wird häufig durch Multivalenz, d. h. die Ausbildung mehrerer Bindungen zwischen zwei Bindungspartnern, realisiert. Neben der reinen Anzahl der präsentierten Liganden spielt jedoch auch deren Positionierung im Raum eine große Rolle. In dieser Arbeit wurde ein molekulares Lineal entwickelt, das einen modular aufgebauten PNA/DNA-Duplex als Gerüst nutzt und die Präsentation von Liganden im Raum mit atomarer Auflösung ermöglicht. Die Anzahl der präsentierten Liganden, der Abstand zwischen diesen und die Flexibilität des Gerüsts, das diese verbindet, können einerseits fein moduliert werden und sind andererseits sehr gut vorhersagbar. Mittels diverser Bindungsassays wurde zunächst gezeigt, dass das Werkzeug für die räumliche Rasterung von Kohlenhydrat-Lektin-Wechselwirkungen geeignet ist. Die ermittelten räumlichen Anordnungen der Bindungstaschen von Erythrina cristagalli Lektin (ECL) und Ricinus communis Agglutinin (RCA120) waren in Übereinstimmung mit den Kristallstrukturanalysen. Im Fall von RCA120 wurde neben den primären Bindungstaschen zudem eine potentielle sekundäre Bindungstasche identifiziert. Anschließend wurde das Werkzeug für die räumliche Rasterung eines weniger gut charakterisierten Systems verwendet. Im Detail handelte es sich um die Wechselwirkung zwischen Selektinen und seinen Liganden wie sie während der Leukozytenadhäsionskaskade infolge einer Entzündung auftritt. Als Liganden wurden das natürliche Tetrasaccharid Sialyl-Lewis-X und ein artifizielles DNA-Aptamer präsentiert. Dabei zeigte sich, dass der Abstand zwischen zwei bivalent präsentierten Liganden nur einen geringen Einfluss auf die Bindungsaffinität hatte. Die Selektin-Moleküle besaßen demnach eine hohe Flexibilität und/oder waren nicht absolut starr in der Membran verankert. / The interaction between carbohydrates and lectins is relatively weak. Still, it is of great importance in a plethora of biological processes. An enhancement of the binding affinity is often achieved via multivalency, i.e., the formation of several bonds between two binding partners. Besides the number of presented ligands, their spatial alignment is crucial as well. In this study, a molecular ruler was developed that utilizes a modularly assembled PNA/DNA duplex as scaffold and allows the presentation of ligands in space with atomic resolution. The number of presented ligands, the distance between them, and the flexibility of the scaffold that connects them can be nicely modulated and, at the same time, are very well predictable. By using various binding assays it was first shown that this tool is suitable for the spatial screening of carbohydrate-lectin interactions. The determined spatial alignments of the binding sites of Erythrina cristagalli lectin (ECL) und Ricinus communis agglutinin (RCA120) were in agreement with the crystal structure analyses. In addition to the primary binding sites, a potential secondary binding site was identified in the case of RCA120. Afterwards, the tool was used for the spatial screening of a system that is less well characterized. In detail, this was the interaction between selectin and its ligands as it occurs during the leukocyte adhesion cascade as a result of an inflammation. The natural tetrasaccharide sialyl-Lewis-X as well as an artificial DNA aptamer were presented as ligands. It was found that the distance between two bivalently presented ligands had only a minor effect on the binding affinity. Accordingly, the selectin molecules had a high flexibility and/or were not absolutely rigid anchored in the membrane.

In dieser Arbeit wurde geprüft, ob eine sequenzspezifische Hybridisierung von zwei Peptid-PNA-Konjugaten an einem komplementären DNA-Templat die Bildung eines neuen Peptids auslösen kann, welches proapoptotische Eigenschaften besitzt. Dazu binden zwei kurze PNA-Oligomere an einem komplementären DNA-Templat und ermöglichen dadurch den Transfer einer Aminoacylgruppe. In den vorgestellten Untersuchungen trug ein Oligomer einen Alaninrest, welcher C-terminal als Thioester gebunden war. An das zweite PNA-Oligomer war ein Peptid mit N-terminalem Cysteinrest geknüpft. Mittels einer Cystein-vermittelten Transferreaktion wurde die Aminoacyleinheit auf das Akzeptor-Konjugat übertragen und es entstand das freie PNA-Oligomer sowie ein neues Peptid. Die so generierten Peptid-PNA-Konjugate waren so konstruiert, dass sie an BIR3 binden und damit dessen Interaktion mit Caspase-9, einem Schlüsselenzym der Apoptose, entgegenwirken konnten. Es wurde ein Assay entwickelt, bei dem die DNA-gesteuerte Transferreaktion mit der Aktivierung der Caspase-9 aus dem inhibitorischen Komplex mit BIR3 in HEK293-Zelllysat kombiniert wurde. Als Vorbereitung für eine intrazelluläre Anwendung der Nukleinsäuretemplat-katalysierten Peptidsynthese wurde zunächst die Stabilität der Konjugate in Zelllysat untersucht und weiterhin eine Synthesestrategie zur PEGylierung der verwendeten Peptid-PNA-Konjugate entwickelt. Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit dem DNA-gesteuerten Aminoacyltransfer zum ersten Mal eine Methode aufgezeigt wurde, welche die in Nukleinsäuren kodierte Information für die Generierung eines Wirkstoffes nutzt, der die Aktivität eines Proteins kontrollieren kann. Die Synthese des aktiven Peptidwirkstoffes gelang in der komplexen Umgebung von Zelllysat, erfolgte sequenzspezifisch und in Gegenwart substöchiometrischer Konzentrationen des Templats. / In this thesis it was investigated, whether the sequence specific hybridisation of two peptide-PNA conjugates could trigger the formation of a new peptide with proapoptotic properties. The method draws upon a nucleic acid-templated reaction, in which two short PNA oligomers bind adjacently on a complementary DNA template enabling the transfer of an amino acyl group. In the presented study one oligomer carried an alanine residue that was C-terminally attached to the PNA sequence via a thioester linkage. The second PNA oligomer conferred a peptide with an N-terminal cysteine residue and served as acceptor. In a cysteine mediated transfer reaction an amino acyl moiety was transferred to the acceptor conjugate yielding a free PNA oligomer and a new peptide. The generated peptide-PNA conjugates were designed to bind BIR3 protein and therefore interrupt its interaction with caspase-9 a key enzyme of apoptosis. In a cell free functional assay, which included recombinant BIR3 protein and HEK293 cell lysate, the peptide-PNA conjugates formed upon the DNA-triggered peptide synthesis acted as BIR3 antagonists and allowed reactivation of inhibited initiator caspase-9 as well as of the executioner caspase-3. Preliminary studies for future intracellular applications of this method included the investigation of the stability of the peptide-PNA conjugates in cell lysate and the development of a synthetic strategy for the PEGylation of the conjugates. With the DNA-triggered peptide synthesis via aminoacyl transfer we introduced a method, which allows for the translation of nucleic acid information into the output of molecules that interfere with disease-related protein-protein interactions. The synthesis of the active peptide drug proceeds sequence specifically and shows turnover in template even in a complex biomolecular environment such as cell lysate.

Im ersten Teil der Arbeit wurde die Verwendung von Präkursor microRNA-21(pre-miR21)-spezifischen Peptidnukleinsäure(PNA)-Sonden zur Inhibierung der Dicer-vermittelnden miRNA-Reifung untersucht. Im Gegensatz zur Arbeitshypothese wurde bei der Behandlung von Zellen mit den pre-miR21-spezifischen PNA-Sonden jedoch keine Änderung des miR-21 Niveau beobachtet. Um die Hybridisierung der Sonde an die Zielsequenz nachzuweisen, wurden fluorogene Hybridisierungssonden zur erzwungenen Interkalation (FIT-Sonden), unter Verwendung des Interkalationsfarbstoffes Thiazolorange (TO), entwickelt. Wie vorläufige Ergebnisse zeigen, könnte die TO-PNA Sonde für die Unterscheidung von Zellen mit hohem miR-21-Gehalt nützlich sein, aber eine weitere Verbesserung der Sonde ist noch erforderlich. Im nächsten Teil der Arbeit wurden neuartige FIT-Sonden für die Analyse der Dicer-vermittelnden miR-21-Reifung entwickelt. Um die gleichzeitige Detektion der entstehenden pre-miR21 und der antisense miR-21 (as-miR21) in Echtzeit zu ermöglichen, wurden die Verwendung von spektral unterscheidbaren FIT-Sonden auf Quinolinblau(QB)-und TO-Basis getestet. Das entwickelte Sonden-Paar ermöglichte die Analyse der rhDicer-Reaktion. Dabei wurde entdeckt, dass die rhDicer-Reaktion an der in vitro transkribierten pre-miR21 unspezifisch spaltet. Zusätzlich wies die kürze as-miR21 spezifische TO-Sonde (7nt) eine Sensitivität gegenüber der Anwesenheit des Ago-2 Proteins auf. In der Zukunft könnten die entwickelten Sonden für schnelle in vitro Screenings neuer Dicer-und Ago-2-Inhibitoren angewendet werden. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die Verwendung von niedermolekularen Inhibitoren (small molecular inhibitors, SMIs) getestet. Zusammenfassend könnten die zwei identifizierten SMIs für die Inhibierung der miR-122-Reifung genutzt werden, allerdings bleibt die Spezifität der SMIs fraglich und mögliche off-target-Effekte können nicht ausgeschlossen werden. / MicroRNAs (miRNAs) represent small non-coding RNA molecules that mostly negatively regulate gene expression. To yield mature miRNAs, primary miRNA precursors go through two consequent cleavages by Drosha and Dicer RNAse. This work describes the development of tools for inhibition und monitoring the dicer-mediated miRNA processing. Here, peptide nucleic acid (PNA) based probes, targeting the precursor miR-21 (pre-miR21), were designed for inhibition the dicer-mediated miR-21 maturation. In contrast, no change in miR-21 level was observed after cell treatment with the pre-miR21 specific PNA probes. To detect the probe/target hybridization state, the fluorogenic forced intercalation (FIT) PNA probes, bearing thiazole orange dye (TO), were developed. As preliminary results show, the FIT PNA probe might be useful for discrimination of high miR-21 abundant cells, but further probe improvement is still required. To monitor the pre-miR21 cleavage, the combination of the two spectrally distinguishable FIT PNA probes, bearing quinoline blue (QB) and TO fluorophore, was developed to allow the rapid and simultaneous detection of pre-miR21 and antisense mature miR-21 (as-miR21). The probe set was successfully used for detection of the modelled dicer reaction. However, the monitoring of rhDicer reaction have revealed that rhDicer cleaves the in vitro transcribed pre-miR21 nonspecifically. Additionally, the short as-miR21 specific TO PNA probe (7nt) was responsive to the presence of Ago-2 protein. In future, the developed probes can be applied for the fast in vitro screening of new Dicer and Ago-2 inhibitors. In the second part of this work, an alternative approach, small molecular inhibitors (SMIs), was tested. Two identified pre-miR122-targeting SMIs might be used for inhibition of the miR-122 maturation, although, a specificity of these SMIs remains questionable and possible off target effects cannot be excluded.