Universiẗat, Diss., 2002--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2004--Bielefeld. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2008

Background: The contribution of the nasal and paranasal cavities to the vocal tract resonator properties is unclear. Here we investigate these resonance phenomena of the sinonasal tract in isolation in a cadaver and compare the results with those gained in a simplified brass tube model. Methods: The resonance characteristics were measured as the response to sine sweep excitation from an earphone. In the brass model the earphone was placed at the closed end and in the cadaver in the epipharynx. The response was picked up by a microphone placed at the open end of the model and at the nostrils, respectively. A shunting cavity with varied volumes was connected to the model and the effects on the response curve were determined. In the cadaver, different conditions with blocked and unblocked middle meatus and sphenoidal ostium were tested. Additionally, infundibulotomy was performed allowing direct access to and selective occlusion of the maxillary ostium. Results: In both the brass model and the cadaver, a baseline condition with no cavities included produced response curves with clear resonance peaks separated by valleys. Marked dips occurred when shunting cavities were attached to the model. The frequencies of these dips decreased with increasing shunting volume. In the cadaver, a marked dip was observed after removing the unilateral occlusion of the middle meatus and the sphenoidal ostium. Another marked dip was detected at low frequency after removal of the occlusion of the maxillary ostium following infundibulotomy. Conclusion: Combining measurements on a simplified nasal model with measurements in a cadaveric sinonasal tract seems a promising method for shedding light on the acoustic properties of the nasal resonator.

Diese Arbeit behandelt verschiedene Themen im Bereich der kernmagnetischen Resonanz (NMR) an Festkörpern. Der umfangreichste Themenkomplex sind hierbei Untersuchungen in gepulsten Magnetfeldern. Diese ermöglichen Experimente bei Feldstärken, die sich auf keine andere Weise nicht-destruktiv erreichen lassen, bedeuten aber Schwierigkeiten für NMR Experimente aufgrund ihrer inherenten Zeitabhängigkeit. Es wird eine angepasste Datenanalyse vorgestellt, die Korrekturen für Intensitätsverfälschungen enthält und die Zeitabhängigkeit des Magnetfeldes bei der Berechnung einer Fouriertransformation mit zeitabhängigen Basisfunktionen berücksichtigt. Hiermit werden Testmessungen an elementaren Metallen durchgeführt um die Knight-Verschiebung Ks und die Kern-Gitter-Relaxationszeit T1 zu messen. Anschließende Messungen an SrCu2(BO3)2 zeigen desweiteren eindrucksvoll die Detektion einer feld- und temperaturabhängigen Überstruktur der Elektronenspins. In einem weiteren Themenbereich werden Ergebnisse von Untersuchungen an dem Hochtemperatursupraleitersystem HgBa2 CuO4+δ präsentiert. Bei der Auswertung von temperatur- und orientierungsabhängigen NMR-Verschiebungsmessungen wird ein Widerspruch zu dem im Allgemeinen angenommenen Model mit einer einzigen Spin-Flüssigkeit gefunden. Stattdessen wird eine Analyse mit drei verschiedenen additiven Komponenten entwickelt. Bei der Anwendung dieser Zerlegung wird eine universelle Pseudolückenkomponente gefunden, eine Fermiflüssigkeitskomponente, die nur bei höheren Dotierungsstufen existiert, und eine dritte, die ihr Vorzeichen in Abhängigkeit von der Dotierung ändert. In einem letzten kürzeren Thema werden vorläufige Ergebnisse von Untersuchungen zu der Dynamik von großen, dipolar gekoppelten, Kernspinsystemen behandelt. Hierbei soll eine Vorhersage über die Existenz zusätzlichen, nicht magnetisierungserhaltenden Resonanzen überprüft werden.

Die DOR-Plastik (Surgical Ventricular Reconstruction, SVR) ist ein chirurgisches Verfahren zur Rekonstruktion ventrikulärer kardialer Strukturen bei Herzinsuffizienz-Patienten mit apikaler A- und Dyskinesie. Jedoch gibt es spätestens seit dem negativen Ergebnis einer großen multizentrischen Studie (STICH-trial, Jones et al. 2009 [1]) eine Kontroverse über den tatsächlichen prognostischen Nutzen der Operation. Ziel dieser Arbeit war es in diesem Zusammenhang mittels kardialer Magnet-Resonanz-Tomographie (Cardiac Magnetic Resonance, CMR) generierte potentielle Prädiktoren der funktionellen Erholung nach der DOR-Plastik zu analysieren. Dafür wurden in dieser Arbeit bei 24 Patienten die kardialen Volumina, die kardiale Funktion, das lokale und totale myokardiale Narbengewebe und verschiedene geometrische Indizes bestimmt und ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die quantitative Ermittlung des basalen myokardialen Narbengewebes und des apikalen Volumenindex (AVI) dabei helfen könnten, eine Subgruppe von Patienten zu definieren, die von der DOR-Plastik profitiert.

HTT ist ein Protein, das durch seine Verbindung mit mehreren Interaktionspartnern an einer Vielzahl von zellulären Prozessen beteiligt ist. Darüber hinaus verursacht eine Mutation im HTT-Gen eine Krankheit, die als Huntington-Krankheit (HD) bezeichnet wird. Aufgrund der gerüstbildenden Eigenschaften von HTT wurde eine Vielzahl von Studien durchgeführt, um potenzielle therapeutische Ziele zu identifizieren. Die auf dem Resonanzenergietransfer (RET) basierenden Ansätze sind jedoch im Bereich der Huntington-Krankheit noch nicht vollständig genutzt worden. Daher habe ich versucht, solche Ansätze in Interaktionsstudien mit dem HTT-Exon 1 (HTTexon1) und dem Protein in voller Länge zu bewerten. Ich habe eine Benchmarking-Studie mit einem zuvor beschriebenen Huntingtin-interagierenden Protein (HIP) und HTTex1 (Wildtyp und mutiert) unter Verwendung eines BRET-Ansatzes durchgeführt. Meine Studien bestätigten die binäre Interaktion zwischen HTTex1 und sieben Proteinen. Ich habe auch drei Interaktionen mit der mutierten Version von HTTex1 bestätigt. Zusätzlich bewertete ich die Interaktionen durch FRET-Messungen mit Hilfe der Durchflusszytometrie. Der zweite Teil dieser Arbeit zielte darauf ab, ein Hochdurchsatz-Screening für den Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) mit HTT in voller Länge (FL) unter Verwendung von Biolumineszenz-Resonanz-Energie-Transfer zu etablieren. Auf diese Weise konnte ich die Wechselwirkung zwischen FL HTT und einer Bibliothek von 580 Proteinkinasen bewerten. Schließlich analysierte ich die Spezifität der entdeckten Wechselwirkungen, indem ich die unspezifische Bindung durch Donor-Sättigungstests bewertete. Zusammenfassend belegen meine Ergebnisse die potenzielle Verwendung von Resonanzenergietransferansätzen zur Validierung von HTT-Wechselwirkungen. Außerdem wird ein neues Screening-Tool vorgestellt, das dazu beitragen soll, HTT-Interaktoren zu identifizieren und zu verifizieren. / HTT is a protein involved in a plethora of cellular processes through its association with several interaction partners. Furthermore, a mutation in the HTT gene, causes a disease denominated Huntington’s disease (HD). Due to the scaffolding properties of HTT, a large variety of studies have been performed to identify potential therapeutical targets. However, resonance energy transfer-based (RET) approaches have not been fully exploited in the HD field. Therefore, I aimed to evaluate such approaches in interaction studies using the HTT exon 1 (HTTexon1) as well as the full-length protein. I performed a benchmarking study with a previously described huntingtin interacting protein (HIP) and HTTex1 (wild type and mutated) using a BRET approach. My studies confirmed the binary interaction between HTTex1 and seven proteins. I also confirmed three interactions with the mutated version of HTTex1. Additionally, I also evaluated the interactions by measuring FRET using flow cytometry. The second part of this work aimed to stablish a high-throughput screening for the detection of protein-protein interactions (PPIs) with full-length (FL) HTT using bioluminescence resonance energy transfer. With this, I was able to evaluate the interaction between FL HTT and a library composed by 580 protein kinases. Finally, I analysed the specificity of the detected interactions by assessing unspecific binding through donor saturation assays. In summary my results provide evidence of the potential use of resonance energy transfer approaches to validate HTT interactions. Additionally, a new screening tool is presented to contribute to identify and verify HTT interactors.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) regulate diverse physiological processes in the human body and represent prime targets in modern drug discovery. Engagement of different ligands to these membrane-embedded proteins evokes distinct receptor conformational rearrangements that facilitate subsequent receptor-mediated signalling and, ultimately, enable cellular adaptation to altered environmental conditions. Since the early 2000s, the technology of resonance energy transfer (RET) has been exploited to assess these conformational receptor dynamics in living cells and real time. However, to date, these conformational GPCR studies are restricted to single-cell microscopic setups, slowing down the discovery of novel GPCR-directed therapeutics. In this work, we present the development of a novel generalizable high-throughput compatible assay for the direct measurement of GPCR activation and deactivation. By screening a variety of energy partners for fluorescence (FRET) and bioluminescence resonance energy transfer (BRET), we identified a highly sensitive design for an α2A-adrenergic receptor conformational biosensor. This biosensor reports the receptor’s conformational change upon ligand binding in a 96-well plate reader format with the highest signal amplitude obtained so far. We demonstrate the capacity of this sensor prototype to faithfully quantify efficacy and potency of GPCR ligands in intact cells and real time. Furthermore, we confirm its universal applicability by cloning and validating five further equivalent GPCR biosensors. To prove the suitability of this new GPCR assay for screening purposes, we measured the well-accepted Z-factor as a parameter for the assay quality. All tested biosensors show excellent Z-factors indicating outstanding assay quality. Furthermore, we demonstrate that this assay provides excellent throughput and presents low rates of erroneous hit identification (false positives and false negatives). Following this phase of assay development, we utilized these biosensors to understand the mechanism and consequences of the postulated modulation of parathyroid hormone receptor 1 (PTHR1) through receptor activity-modifying protein 2 (RAMP2). We found that RAMP2 desensitizes PTHR1, but not the β2-adrenergic receptor (β2AR), for agonist-induced structural changes. This generalizable sensor design offers the first possibility to upscale conformational GPCR studies, which represents the most direct and unbiased approach to monitor receptor activation and deactivation. Therefore, this novel technology provides substantial advantages over currently established methods for GPCR ligand screening. We feel confident that this technology will aid the discovery of novel types of GPCR ligands, help to identify the endogenous ligands of so-called orphan GPCRs and deepen our understanding of the physiological regulation of GPCR function. / Die Klasse der G-protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) stellt die größte Familie membranständiger Proteine dar. GPCRs regulieren eine Vielzahl diverser physiologischer Prozesse in eukaryotischen Zellen und kontrollieren so unterschiedliche Zellfunktionen im menschlichen Organismus. Sie stellen die Zelloberflächenrezeptoren für verschiedenartige extrazelluläre Stimuli, wie zum Beispiel Photonen, niedermolekulare chemische Verbindungen, Peptide und Lipide dar. Die Wechselwirkung mit diesen sogenannten Liganden stabilisiert spezifische GPCR-Konformationen. Diese dienen wiederum als Ausgangspunkt für nachgeschaltete intrazelluläre Signalkaskaden, die beispielweise über membranverankerte G-Proteine vermittelt werden können. Während endogene GPCR-Agonisten diese Signalweiterleitung verstärken, können andere Biomoleküle wie Lipide, Ionen oder andersartige Membranproteine die Funktion, und damit die Signalweiterleitung der GPCRs modulieren. Aufgrund ihrer Einbindung in eine Vielzahl physiologischer und pathophysiologischer Prozesse, wurden GPCRs schon früh als Angriffspunkte („Targets“) zur Behandlung verschiedener Erkrankungen erforscht und genutzt. Heutzutage vermitteln etwa 30% aller zugelassenen Arzneistoffe ihre Wirkung über G-protein-gekoppelte Rezeptoren. Dennoch wird das große Potential dieser Rezeptorfamilie als Targets für medikamentöse Behandlungen noch nicht in vollem Umfang ausgeschöpft. Tatsächlich gibt es für mehr als 200 GPCRs, die nicht der olfaktorischen Wahrnehmung dienen, noch keine Arzneistoffe, da wenig über deren Pharmakologie und physiologische Bedeutung bekannt ist. Zudem wird die Entwicklung neuartiger GPCR-Liganden erheblich durch das eingeschränkte Methodenrepertoire beeinträchtigt. Alle derzeit etablierten Techniken zur Identifizierung neuer GPCR-Liganden erfassen entweder den Ligand-GPCR-Bindungsprozess, der keine Informationen über die tatsächliche Aktivität der Verbindung liefert, oder messen weit-nachgeschaltete Signale, wie Änderungen sogenannter „Second-Messenger“-Konzentrationen (meist cAMP oder Calcium) und Reporter-Gen-Expressionslevel. Aufgrund ihrer Entfernung vom eigentlichen Rezeptor-Aktivierungsprozess haben diese Methoden allerdings bedeutende Nachteile und produzieren so häufig Falsch-Positive und Falsch-Negative Ergebnisse. Seit den frühen 2000er wurden GPCR-Konformationssensoren auf Basis von Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) zur Messung der Ligand-induzierten Rezeptordynamik genutzt. Jedoch wies keiner der bisher entwickelten FRET- oder BRET- (Biolumineszenz-Resonanz-Energie-Transfer) Sensoren ausreichende Signalstärke auf, um im Hochdurchsatz-Screening (HTS) angewendet werden zu können. Die vorliegende Studie beschreibt das erste GPCR-Sensordesign, das aufgrund seiner exzellenten Signalstärke im Hochdurchsatz-Verfahren verwendet werden kann. Wir haben 21 unterschiedliche FRET- und BRET-Sensoren des α2A-adrenergen Rezeptors (α2AAR) getestet und dabei die Kombination der kleinen und hellen Luziferase NanoLuciferase (Nluc) mit dem rot-fluoreszierenden HaloTag-Farbstoff 618 als sensitivstes RET-Paar identifiziert. Der α2AARNluc/Halo(618) Biosensor ermöglicht die Messung der Aktivität und Wirkstärke von α2AAR-Liganden im Mikrotiterplattenformat. Um die universelle Anwendbarkeit dieses Sensordesigns zu prüfen, wurden fünf weitere Nluc/Halo(618)-basierende Sensoren für GPCRs unterschiedlicher Unterfamilien entwickelt. Zudem konnten wir zeigen, dass diese GPCRNluc/Halo(618)-Fusionsproteine weiterhin ihre natürlichen Signalkaskaden in Gang setzen können und damit die biologische Funktionalität dieser Rezeptoren erhalten ist. Außerdem belegt die vorlegende Arbeit, dass diese neue Sensor-Generation zur Messung Ligand-vermittelter Rezeptordynamiken im Hochdurchsatz-Format und zur Untersuchung der GPCR-Regulation durch endogene Modulatoren genutzt werden kann. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass wir den ersten HTS-kompatiblen Assay zur Messung der GPCR-Konformationsänderungen entwickelt haben. Diese Biosensoren erlauben die Charakterisierung neuartiger GPCR-Liganden direkt auf der Rezeptorebene und funktionieren damit unabhängig von nachgeschalteter Signalamplifikation oder Überlagerung verschiedener Signalwege, welche die Aussagekraft traditioneller GPCR-Screening-Verfahren häufig beeinträchtigen. Diese Technik kann zur Entdeckung neuartiger GPCR-Arzneistoffe genutzt werden, zu einem besseren Verständnis bisher kaum erforschter Rezeptoren beitragen und der Identifizierung und Charakterisierung potentieller GPCR-Modulatoren dienen.

RNA plays a key role in numerous cellular processes beyond the central dogma of molecular biology. Observing and understanding this wealth of functions, discovering new ones and engineering them into purpose-built tools requires a sensitive means of observation. Over the past decade, fluorogenic aptamers have emerged to fill this niche. These short oligonucleotides are generated by in vitro selection to specifically interact with small organic fluorophores and can be utilized as genetically encoded tags for RNAs of interest. The most versatile class of fluorogenic aptamers is based on derivatives of hydroxybenzylidene imidazolone (HBI), a conditional fluorophore mimicking the chromophore structure found in green and red fluorescent proteins. The respective aptamers are well-known by the “vegetable” nomenclature, including Spinach, Broccoli and Corn, and have found numerous applications for studying RNA function in vitro and in cells. Their success, however, is somewhat overshadowed by individual shortcomings such as a propensity for misfolding, dependence on unphysiologically high concentrations of magnesium ions or, in the case of Corn, dimerization that might affect the function of the tagged RNA. Moreover, most fluorogenic aptamers exhibit limited ligand promiscuity by design, thereby restricting their potential for spectral tuning to a narrow window of wavelengths. This thesis details the characterization of a new fluorogenic aptamer system nicknamed Chili. Chili is derived from an aptamer that was originally selected to bind 4-hydroxy-3,5-dimethoxy¬hydroxy-benzylidene imidazolone (DMHBI), resulting in a green fluorescent complex. Unlike other aptamers of its kind, Chili engages in a proton transfer cycle with the bound ligand, resulting in a remarkably large Stokes shift of more than 130 nm. By means of an empirical ligand optimization approach, several new DMHBI derivatives were found that bind to Chili with high affinity, furnishing complexes up to 7.5 times brighter compared to the parent ligand. In addition, Chili binds to π-extended DMHBI derivatives that confer fluorescence in the yellow–red region of the visible spectrum. The highest affinity and degree of fluorescence turn-on for both green and red fluorogenic ligands were achieved by the incorporation of a unique, positively charged substituent into the HBI scaffold. Supplemented by NMR spectroscopy, kinetic and thermodynamic studies showed that the binding site of Chili is loosely preorganized in the absence of ligand and likely forms a G-quadruplex upon ligand binding. To showcase future applications, Chili was incorporated into a FRET sensor for monitoring the cleavage of an RNA substrate by a 10-23 DNAzyme. Besides aptamers as macromolecular fluorescent complexes, fluorescent nucleobase analogs are powerful small isomorphic components of RNA suitable for studying structure and folding. Here, the highly emissive nucleobase analog 4-cyanoindole (4CI) was developed into a ribonucleoside (r4CI) for this purpose. A new phosphoramidite building block was synthesized to enable site-specific incorporation of 4CI into RNA. Thermal denaturation experiments confirmed that 4CI behaves as a universal nucleobase, i.e. without bias towards any particular hybridization partner. Photophysical characterization established r4CI as a generally useful fluorescent ribonucleoside analog. In this work, it was employed to gain further insight into the structure of the Chili aptamer. Using several 4CI-modified Chili–HBI complexes, a novel base–ligand FRET assay was established to obtain a set of combined distance and orientation restraints for the tertiary structure of the aptamer. In addition to their utility for interrogating structure and binding, supramolecular FRET pairs comprising a fluorescent nucleobase analog donor and an innately fluorogenic acceptor hold great promise for the construction of color-switchable RNA aptamer sensor devices. / Weit über das zentrale Dogma der Molekularbiologie hinaus ist RNA an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt. Um diese Prozesse aufzuklären, sie umfassend zu verstehen und sich zunutze zu machen bedarf es geeigneter Detektionsmethoden für RNA. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurden fluorogene Aptamere als ideales Werkzeug für diesen Zweck erkannt. Dabei handelt es sich um vergleichsweise kurze Oligonukleotide, die mittels in vitro-Selektion zur spezifischen Bindung bestimmter organischer Fluorophore erzeugt werden. Analog zu fluoreszierenden Proteinen können sie zur Fluoreszenzmarkierung von RNA eingesetzt werden. Die wichtigste Klasse fluorogener Aptamere bindet und aktiviert Derivate des latenten Fluorophors 4-Hydroxybenzylidenimidazolon (HBI), welcher ursprünglich im Kern fluoreszierender Proteine autokatalytisch aus einem Tripeptid-Fragment entsteht und deren spektrale Eigenschaften bestimmt. Vertreter dieser Klasse, namentlich Spinach, Broccoli und Corn, haben sich als alltägliches Werkzeug zur Fluoreszenzmarkierung von RNA etabliert. Diesem Erfolg gegenüber stehen Unzulänglichkeiten, die das Potential einzelner Aptamere begrenzen. Beispielsweise kann es zur Ausbildung inaktiver Faltungszustände der RNA kommen oder die Fluoreszenzaktivierung erfordert eine hohe Magnesiumkonzentration, welche in Zellen nicht frei verfügbar ist. Im Fall des Corn-Aptamers bildet sich ein Homodimer, was unter Umständen die zu untersuchende RNA beeinträchtigen kann. Darüber hinaus ist, aufgrund der spezifischen Fluorophorbindung, jeweils nur geringes Potenzial zur gezielten Beeinflussung spektraler Eigenschaften vorhanden. Kern dieser Arbeit ist die umfassende Charakterisierung des neuen Chili-Systems. Chili ist die optimierte Version eines Aptamers, welches einen grün fluoreszierenden Komplex mit 4-Hydroxy-3,5-dimethoxybenzylidenimidazolon (DMHBI) ausbildet. Im Gegensatz zu anderen HBI-bindenden Aptameren vollzieht Chili einen Protonenaustausch mit seinem Liganden, woraus Fluoreszenz-emission mit einer ungewöhnlich hohen Stokes-Verschiebung von über 130 nm resultiert. Die Struktur des ursprünglichen Liganden wurde im Hinblick auf höhere Affinität und stärkere Fluoreszenzemission optimiert, wobei ein bis zu 7.5-facher Gewinn an Helligkeit erzielt wurde. Als besonders vorteilhaft hat sich dafür die Einführung eines positiv geladenen Substituenten herausgestellt, der in dieser Form ein Alleinstellungsmerkmal von Chili ist. Auch stark modifizierte DMHBI-Derivate, die ein größeres konjugiertes System besitzen, werden von Chili gebunden und fluoreszieren daraufhin im gelben bis roten Bereich des sichtbaren Spektrums. Studien zur Ligandenbindungskinetik und thermischen Denaturierung des Aptamers legen nahe, dass die zunächst strukturarme Bindungstasche durch die Aufnahme des Liganden einen G-Quadruplex ausbildet, was ebenfalls durch NMR-spektroskopische Daten bestätigt wird. Als Beispiel für mögliche Anwendungen wurde das Chili-Aptamer eingesetzt, um die Spaltung eines RNA-Substrats durch ein 10-23 DNA-Enzym zu beobachten, wobei FRET zwischen dem Aptamer und einem Fluoreszenzmarker am Substrat als Reporter ausgenutzt wurde. Neben makromolekularen Aptamer-Komplexen können fluoreszierende Nukleobasenanaloga als isomorphe Einheiten in RNA integriert werden, um deren Faltungszustand zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde das fluoreszierende Nukleobasenanalogon 4-Cyanodinol (4CI) in das entsprechende Ribonukleosid (r4CI) umgewandelt und daraus ein neuer Phosphoramiditbaustein zum Einbau des fluoreszierenden von 4CI in RNA synthetisiert. Anhand thermischer Denaturierungs¬experimente wurde gezeigt, dass es sich bei 4CI um eine universelle Base handelt, die ungeachtet des Hybridisierungskontexts toleriert wird. Die photophysikalische Charakterisierung von r4CI zeigte, dass das fluoreszierendes Ribonukleosid-Analogon seine nützlichen Eigenschaften nach dem Einbau in Oligonukleotide beibehält, sodass es zur Strukturanalyse des Chili-Aptamers verwendet werden konnte. Mithilfe 4CI-modifizierter Chili–HBI-Komplexe wurden erstmals intramolekulare FRET-Paare dieser Art erzeugt und zur Bestimmung kombinierter Abstands- und Orientierungsparameter genutzt. Über ihre Verwendung für Struktur- und Bindungsstudien hinaus stellen supramolekulare FRET-Paare aus fluoreszierenden Nukleobasen-Analoga als Donoren und intrinsisch fluorogenen Akzeptoren eine Möglichkeit dar, neue schaltbare Aptamer-basierte Sensoren zu entwickeln, welche auf die Erkennung ihrer Zielspezies mit einem Wechsel der Fluoreszenzemissionswellenlänge reagieren.