Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2008. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2007.

Mit der Entdeckung der katalytischen Aktivität von Ribonukleinsäuren wurde begonnen, darauf basierende therapeutische Strategien zu entwickeln, die auf genetischer Ebene den Stoffwechsel oder virale Infektionen von Zellen beeinflussen. Entsprechende Oligoribonukleotide waren befähigt, spezifisch RNA-Stränge zu erkennen und zu spalten. In Analogie zu Enzymen wurden sie als Ribozyme bezeichnet. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines metabolisch stabilen Hammerhead-Ribozyms. Dieses sollte lipidvermittelt in die Zellen des Nierenzellkarzinoms RCC 95/96 transfiziert werden und dort die Genexpression des dem Parathormon verwandten Proteins (PTHrP) durch die Spaltung der PTHrP-mRNA unterdrücken. Ausgangspunkt der Entwicklung war das Hammerhead-Ribozym RbO. Es wies in zellfreien Versuchen bei der Spaltung einer 232 Basen langen Substrat-RNA mit einem k(obs)-Wert von 47,42 E-3 /min eine zur Literatur vergleichbar hohe Aktivität auf, jedoch zeigte es sich als reiner RNA-Strang gegenüber Nukleasen sehr fragil. Das Endprodukt der in mehreren Schritten abgelaufenen Weiterentwicklung des Ribozyms RbO stellte das Ribozym RbS dar. Im Vergleich zum Ausgangsribozym bestand das in der Stammschleife verkürzte Ribozym zu 71 % aus DNA. Es besaß Phosphorothioatmodifi-kationen in den Flanken und in den konservierten Sequenzbereichen. Zudem war durch einen Basenwechsel im katalytischen Teil der Stammschleife eine Pyrimidinbase durch eine Purinbase ausgetauscht worden. Zu-sammen bedingten die genannten Veränderungen eine Steigerung der Ribozymstabilität um mehr als das Zehnfache. Dabei war die katalytische Aktivität des Ribozyms RbS mit einem k(obs)-Wert von 45,76 E-3 /min gegenüber RbO annähernd identisch. Das schrittweise Vorgehen bei der Ribozymentwicklung mit dem Erstellen von 20 unterschiedlich modifi-zierten Ribozymen ermöglichte es, den Einfluss einzelner Modifikationen auf die Ribozymaktivität zu prüfen. Mehrfach konnten dabei die Ergebnisse anderer Forschungsgruppen bestätigt werden. So wurde erkannt, dass für viele Modifikationen, wie Ribozymverkleinerung, RNA-DNA-Basenaustausch und Phosphorothioa-teinbindung, die Auswirkung auf die katalytische Aktivität nur begrenzt vorherzusagen ist und optimale Er-gebnisse nur durch Testreihen zu erlangen sind. Bei der Behandlung der Tumorzellen in Monolayer-Zellkultur ließ sich für das Ribozym RbS keine signifi-kante Wirkung nachweisen. Als Ursache dafür ist am ehesten die auf Grund von Sekundärstrukturen fehlende Erkennung der Zielsequenz innerhalb der PTHrP-mRNA anzunehmen. / The development of therapeutic strategies affecting cellular metabolism and viral infections of cells was in-troduced after the discovery of the catalytic activity of ribonucleic acid. Appropriate oligoribonucletides were able to specificly recognize and cleave RNA strands. They were called ribozymes by analogy with enzymes. The main task of our research was the development of a metabolic stable hammerhead ribozym. The ribozym should be transfected by lipid mediated transport into renal carcinoma cells RCC 95/96 where it should suppress the gene expression of parathormone-related peptide (PTHrP) by means of cleavage of the PTHrP mRNA. The hammerhead ribozyme RbO was the starting point of the development. Its activity in cleavage of 232 base long subsrats in cell-free tests was comparable to the literature (k(obs) value 47,42 E-3 /min). However it was very fragile regarding nucleases. The end product of the gradual further develop-ment of the ribozyme RbO was the ribozyme RbS. This ribozyme which was shortened in helix 2 consisted of 71 percent DNA in comparison to the original one. It was modified with phosphorothioates in helix 1 and 3 and in the conserved sequence regions. Furthermore a pyrimidine base was exchanged for a purine base in the catalytic part of helix 2. Altogether the named alterations increased the stability of the ribozyme more than 10 times. The catalytic activity of the ribozyme RbS compared to RbO was approximately identical (k(obs) value 45,76 E-3 /min). The step-by-step development of the ribozymes with the creation of 20 different modified ribozyms made it possible to study the impact of individual modifications on the ribozyme activity. Often the results of other research groups were confirmed. Thus it was detected that the effects of some modifications like ribozyme reduction, RNA-DNA base exchange and phosphorothioates integration are only partly predictable. Therefo-re optimal results are only obtained by a number of tests. Finally we could not demonstrate a significant effect of the ribozyme RbS in the treatment of tumor cells in monolayer. The most likely explanation for this seems to be that the target sequence inside of the PTHrP-mRNA wasn't recognized due to secondary structures.

Universiẗat, Diss., 2001--Frankfurt (Main).

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Twinribozyms, das durch zweifache Spaltung und anschließende zweifache Ligation den Fragmentaustausch innerhalb einer RNA-Substratsequenz katalysiert. Als Basis für dieses Konzept diente das Hairpinribozym, das durch die Einführung einer zusätzlichen Helix derart verändert wurde, dass die Verknüpfung zweier Einheiten in einem Twinribozym möglich wurde. Weitere Sequenz- und Strukturoptimierung führte zu zwei Einzelmotiven mit hoher Substratselektivität und verbesserter Kofaktorakzeptanz. Durch die Verwendung von 5-Benzylmercapto-1H-tetrazol als Aktivator beim Standard-Phosphoramidit-Verfahren konnte die chemische RNA-Synthese in einem Umfang verbessert werden, der die Synthese eines Twinribozyms mit einer Länge von 141 Nukleotiden und beidseitiger Spaltaktivität erlaubte. Auf enzymatischem Weg wurde ein Twinribozym HP-TW5 synthetisiert, das aus einem 45-mer RNA-Substrat ein 16-mer Fragment herausschneidet und durch ein 20-mer Reparaturfragment ersetzt. Das nach Ligation in bis zu 30 % Ausbeute entstandene 49-mer Produkt wurde durch Sequenzanalyse eindeutig nachgewiesen. Auf diese Weise konnte die Reparatur einer Deletionsmutation in einer Modellreaktion erfolgreich durchgeführt werden. Die Twinribozym-vermittelte RNA-Reparatur bietet damit einen neuartigen Zugang zu gentherapeutischen Anwendungen. / Aim of this work was the development of a twin ribozyme that catalyses the fragment exchange within a RNA substrate sequence by twofold cleavage and subsequent twofold ligation. The hairpin ribozyme, serving as basis for this concept, was changed by introduction of an additional helix in a way, that connection of two units in a twin ribozyme became possible. Further sequence and structure optimization led to two different motifs with high substrate selectivity and improved activity under different cofactor conditions. By application of 5-Benzylmercapto-1H-tetrazole as activator in the standard phosphoramidite method, chemical RNA synthesis could be highly improved, allowing synthesis of a Twinribozyme with a length of 141 nucleotides and cleavage activity of both units. The enzymatically synthesised twin ribozyme HP-TW5 was used to cut out a 16-mer fragment from a 45-mer RNA substrate and replace it with a 20-mer repair fragment. The chemical identity of the 49-mer repair product, resulting from ligation in up to 30 percent yield, was proven by sequence analysis. With this model reaction, the repair of a deletion mutation could be successfully demonstrated. Twin ribozyme-mediated RNA-repair offers access to new applications in gene therapy.

Tumorzellen können vielfältige Resistenzmechanismen gegenüber Zytostatika entwickeln. Untersuchungen an drei humanen Tumorzellinien und ihren cisplatinresistenten Varianten zeigten eine Assoziation von erhöhter MRP2-Expression und dem Auftreten von Cisplatinresistenz. Darüberhinaus waren die cisplatinresistenten Zellinien gegenüber Carboplatin kreuzresistent. Um weitere Faktoren im Zusammenhang mit der Cisplatinresistenz zu untersuchen, wurde der Mutationsstatus von p53 und der zelluläre Glutathiongehalt in den Zellinien bestimmt. Der offene Leserahmen von MRP2 aus der cisplatinresistenten Ovarialkarzinomzellinie A2780RCIS wurde für die Transfektion in die cisplatinsensitive Zellinie A2780 genutzt. Die Transfektanten zeigten eine Überexpression von MRP2 und wiesen eine Resistenz gegenüber Cisplatin und Carboplatin auf. Dies konnte in Zellzyklus- und Apoptose-Untersuchungen unter Cisplatinbehandlung gestätigt werden. Durch computergestützte Faltungsanalysen von Abschnitten der MRP2-mRNA wurden zwei potentielle Ribozymschnittstellen ausgewählt. Die konstruierten Anti-MRP2-Hammerhead-Ribozyme RzM1 und RzM2 wurden im zellfreien System auf ihre Schnittaktivität getestet und erwiesen sich als katalytisch aktiv. Es wurden verschiedene kinetische Parameter für RzM1 und RzM2 ermittelt und mit anderen Ribozymen verglichen. Die Ribozyme zeigten eine gute Effektivität bei der Spaltung ihres Zielmoleküls, wobei RzM1 die höhere Effektivität aufwies. Beide Ribozyme wurden auf ihre Wirksamkeit durch Transfektion in die Zellinie A2780RCIS getestet. Die untersuchten Transfektanten zeigten eine geringere Expression von MRP2 auf mRNA- und Proteinebene und wiesen eine verminderte Resistenz gegenüber Cisplatin, Carboplatin, Daunorubicin und Etoposid auf. Die Ribozyme RzM1 und RzM2 waren gleichermaßen für die Expressionsregulierung von MRP2 in Tumorzellen geeignet. In Zellzyklus- und Apoptose-Untersuchungen wurde funktionell bestätigt, daß die A2780RCIS-Anti-MRP2-Ribozym-Transfektanten auf eine Cisplatinbehandlung stärker ansprechen als die cisplatinresistente Ausgangszellinie A2780RCIS. Die Anwendung der Ribozyme RzM1 und RzM2 zur Unterstützung der Chemotherapie von Tumorzellen scheint daher vielversprechend. / Tumour cells can develop a lot of resistance mechanisms against cytostatic drugs. Examinations of three human tumour cell lines and their cisplatinresistant variants showed an association of elevated MRP2 expression and the occurrance of cisplatinresistance. Moreover, the cisplatinresistant cell lines were crossresistant against carboplatin. To examine further factors in context of cisplatinresistance the mutation status of p53 and the cellular glutathione content of the cell lines were determined. The MRP2-open reading frame of the cisplatinresistant ovarian carcinoma cell line A2780RCIS was used for transfection into the cisplatinsensitive cell line A2780. The transfectants showed an overexpression of MRP2 and a resistance against cisplatin and carboplatin. This could be confirmed with analysis of the cell cycle and apoptosis induction after treatment with cisplatin. Using computer aided folding analysis of MRP2 mRNA parts two possible ribozyme cleavage sites were selected. The constructed anti-MRP2 hammerhead ribozymes RzM1 and RzM2 were tested in a cell-free system with respect to their cleavage activities and were found to be catalytic active. Various kinetic parameters of RzM1 and RzM2 were determined and compared with other ribozymes. The ribozymes showed a good effectivity for the substrate cleavage, although RzM1 had the better effectivity. Both ribozymes were tested for their effectiveness after transfection into the cell line A2780RCIS. The transfectants showed a lower MRP2 expression on mRNA and protein level and also a reduced resistance against cisplatin, carboplatin, daunorubicin, and etoposide. The ribozymes RzM1 and RzM2 were both equally suitable for the regulation of MRP2 expression in tumour cells. Analysis of cell cycle and apoptosis induction could confirm functionally the higher sensitivity of the A2780RCIS-anti-MRP2 ribozyme transfectants after treatment with cisplatin in comparison to the cisplatinresistant cell line A2780RCIS. Therefore, the application of the ribozymes RzM1 and RzM2 for the support of cancer chemotherapy seems to be promising.