Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden zur Untersuchung zirkulärer RNA. Das erste Projekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Erstellung eines universell einsetzbaren Protokolls zur Generierung einer funktionalisierten zirkulären RNA. Hierbei konnte zunächst erfolgreich eine Vorschrift zur Herstellung unmodifizierter circRNA etabliert werden. Im zweiten Schritt gelang auch die Generierung einer zirkulären RNA mit Alkin-Funktionalisierung. Geringe Ausbeuten gaben Anlass zur Entwicklung eines alternativen Verfahrens, bei dem die Zyklisierung von Kopf-Schwanz modifizierter RNA durch CuAAC vorgenommen werden sollte. Dabei konnte zunächst eine 5‘-azidmodifizierte RNA durch in vitro Transkription gebildet werden, die anschließend am 3‘-Terminus mit einem 3‘ alkinmodifizierten Baustein mit Aminfunktionalität versehen wurde. Daraufhin konnte erfolgreich eine Zyklisierung mittels CuAAC vorgenommen werden. Ein grundlegendes Problem bei diesen Arbeiten war der Nachweis, dass die gebildete RNA tatsächlich in zirkulärer Form vorlag. Im Rahmen des zweiten Projektes dieser Arbeit wurde ein Assay zur direkten Unterscheidung von zirkulären und linearen Transkripten etabliert. Mittels reverser Transkription konnte ein rolling circle Mechanismus mit dem zirkulären Transkript durchgeführt werden, was in einer multimeren cDNA resultierte. Nach Amplifizierung über qPCR ermöglichteeine Gelanalyse den Nachweis eines spezifischen Bandenmusters für das circRNA-Transkript, wohingegen das lineare Transkript lediglich eine monomere Bande generierte. Anschließend erfolgte die Weiterentwicklung des Assays zu einer spezifischen Nachweismethode für zirkuläre RNA in biologischen Proben.Dabei kann eine abschließende Gelanalyse zur Identifizierung von falsch-positiven Ergebnissen genutzt werden. Die hier etablierte Methode ermöglicht künftig einen schnellen und einfachen Nachweis von circRNA beim Screeningvon biologischen Proben. / Circular RNAs belong to the group of long, non-coding RNAs and have gene regulating functions, comparable to miRNA. However, the field of circRNA research is proceeding slowly due to the lack of efficient analytical methods. That‘s the reason why the development of new analytical methods plays a keyrole within characterisation and identification of circRNAs. This thesis comprises two projects dealing on one hand with the creation of a protocol for the generation of functional circRNA on and the other hand, an assay to differentiate circular and linear RNA. For the generation of circRNA a non-modified circRNA was produced as positiv control by using T4 RNA ligase 2. After the addition of a modification step with T4 RNA ligase 1, it was possible to generate circRNA with alkyne functionalization. Due to limited yields of modified circRNA, the protocol was adapted and a protocol for chemical ligation was established. In this new procedure a RNA with 5‘-azido modification was generated by in vitro transcription, followed by incorporation of a 3‘-alkyne modified building block with additional amine funktionality at the RNA-3‘-end. Consecutively, it was possible to perform a cyclization with the double modified RNA by CuAAC. The second project comprises the establishment of an assay in order to differentiate circular and linear RNA. A rolling circle mechanism was utilized by reverse transcription of a circular RNA transcript, resulting in a multimeric cDNA. Following DNA amplification by qPCR, a specific fragmentation pattern for circRNA was verified by gel electrophoresis. In contrast to this, for linear RNA, a monomeric DNA pattern was seen. Subsequently the assay was advanced to a detection method for circular RNA in biological samples. A final gel electrophoresis allows the identification of false-positive results. In the future, the here developed method can be applied for fast and easy detection of circRNAs in biological samples.

Die Massenspektrometrie stellt eine der bedeutendsten Techniken in der analytischen Chemie dar. Bislang können jedoch noch immer nicht alle Prozesse im Massenspektrometer vollständig erklärt werden. Um dazu einen Beitrag zu leisten, wurden DNA Oligonukleotide untersucht. Mit Hilfe der Ionenmobilitätsmassenspektrometrie wurde die räumliche Ausdehnung von Einzelstrang-DNA in Bezug auf ihr Ladungslevel und ihre Sequenz zur Feststellung der nötigen Fragmentationsenergie hin geprüft. So konnte ein sequenzunabhängiger Fragmentierungspunkt ermittelt werden, welcher ausschließlich vom Ladungslevel bestimmt wurde. Es zeigte sich ein linearer Anstieg der benötigten Energie bei zunehmender Ladung, wobei bei mittleren Ladungszuständen ein Sattelpunkt erreicht wurde. Durch IM-MS konnte dieser Bereich als geometrische Umfaltungszone bestätigt werden. Anschließend wurden die Produktfragmente aus unterschiedlichen kollisionsbasierten Fragmentierungstechniken verglichen, wobei sich herausstellte, dass einzelsträngige DNA aufgrund der komplexen und vielseitigen Dissoziationskanäle im Gegensatz zu anderen Stoffklassen große Unterschiede zwischen den Methoden auswies und daher als empfindlicher Sensor für geringfügige Unterschiede in der Fragmentationtechnik dienen kann. Des Weiteren wurden Doppelstränge verschiedenster Sequenzen mittels kollisionsinduzierter Dissoziation bezüglicher ihrer Zerfallswege untersucht. Dabei konnten spezifische Fragmentationsmuster ermittelt werden. Nachdem verschiedene etablierte Tandem-MS-Techniken angewendet wurden konnte abschließend eine neue Vakuumultraviolette Strahlung-basierte MS/MS-Methode entwickelt werden. Bei höher geladenen Ionen konnte eine Ladungsreduktion durch das Herausschlagen von Elektronen erreicht werden. Des Weiteren konnten die bereits bekannten Dissoziationspfade, wie beispielsweise in DNA, beobachtet werden. Außerdem konnten bei anderen Proben, wie z.B. ATP, ebenfalls neue Produktionen generiert werden. / Mass spectrometry represents one of the most important techniques in analytical chemistry today. So far, however, despite extensive use, not all processes in the mass spectrometer can be fully explained. In order to contribute to this, DNA oligonucleotides were investigated. Ion mobility was used to examine the spatial extent of single-stranded DNA in terms of its charge level and sequence in combination with a MS to determine the required fragmentation energies. Thus, structural changes of the ions can be detected. A sequence-independent fragmentation point could be determined, which was determined exclusively by the charge level. It showed a linear increase in the required energy with increasing charge, with a saddle point was present at intermediate charge states. By ion mobility spectrometry this area could be confirmed as a geometric refolding zone. Subsequently, the product ions from different collision-based fragmentation techniques were compared, and it was found that single-stranded DNA showed large differences between the methods due to the complex and versatile dissociation channels. Therefore, it could serve as a sensitive sensor for minor differences in fragmentation technique. Furthermore, double strands of different sequences were investigated by means of collision-induced dissociation with respect to their fragmentation pathways. Specific fragmentation patterns could be identified, which could be assigned to clear trends. After various established tandem MS techniques were used a new vacuum ultraviolet radiation -based MS/MS method was developed and tested. For this purpose, a commercially available deuterium lamp that has a short wavelength, installed in an ion trap MS. With higher charged ions, a charge reduction could be achieved by the ejection of electrons. Subsequently, the already known dissociation pathways could be observed. In addition, new product ions could also be generated for other samples, such as adenosine triphosphate.

Smac-Mimetika (SMCs) sind eine Klasse von Tetrapeptid-abgeleiteten Medikamenten, die dem homodimeren, pro-apoptotischen Protein Smac nachempfunden sind. Sie binden und hemmen die Apoptose-Inhibitoren (IAPs), eine Klasse von anti-apoptotischen Proteinen, die von vielen medikamentenresistenten Krebszellen überexprimiert werden. In dieser Arbeit wurden Strategien zur Steigerung und Kontrolle der Aktivität von SMCs durch Konjugation an Oligonukleotide (ON) untersucht. ONs wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder das peptidbasierte Analogon Peptidnukleinsäure (PNA) bieten einzigartige Erkennungseigenschaften, die zur Detektion und/oder zur Modulation der Expression krebsspezifischer Genprodukte genutzt werden können. Letzteres kann z. B. mit Antisense-Oligonukleotiden (ASOs) erreicht werden, kurzen einzelsträngigen DNA- oder RNA-Molekülen, die die Translation einer komplementären Zielsequenz blockieren. Im ersten Teil der Arbeit wurden Konjugate aus SMCs und ASOs auf Synergie-Effekte getestet. Viele menschliche Krebszelllinien sind gegen SMCs resistent, weil andere anti-apoptotische Proteine wie das zelluläre FLICE-ähnliche Protein (c-FLIP) als Ausfallsicherung wirken. Es konnte gezeigt werden, dass diese Resistenz durch Kupplung eines SMC an ein anti-c-FLIP ASO überwunden werden kann. Im zweiten Teil wurden kurze ON-Sonden verwendet, um ein templiertes Reaktionssystem zur gezielten Aktivierung eines SMCs in Gegenwart von X-linked Apoptose-Inhibitor (XIAP) mRNA zu erzeugen. Es wurden zwei verschiedene Ansätze untersucht: Ein templierter Acyl-Transfer, bei dem hochaffine, bivalente SMCs aus niedrig affinen, monovalenten Vorläufern erzeugt werden und eine Demaskierung der für die Bindungsaffinität von SMCs entscheidenden, N-terminalen Aminogruppe durch templierte Reduktion eines Azids. Für die zweite Strategie wurden zwei verschiedene Reaktionen verglichen, die Staudinger-Reduktion mit Phosphinen und eine katalytische Photoreduktion mit einem Ruthenium-Komplex. / Smac mimetic compounds (SMCs) are a class of tetrapeptide-derived drugs, modelled after the homodimeric, pro-apoptotic protein Smac. They bind and antagonize Inhibitor of Apoptosis Proteins (IAPs), a class of anti-apoptotic proteins overexpressed by many drug-resistant cancer cells. In this work, strategies to enhance and control the activity of SMCs by conjugating them to oligo-nucleotides (ON) were investigated. ONs like deoxyribonucleic acid (DNA) or the peptide-based analog peptide nucleic acid (PNA) offer unique recognition properties that can be used to detect and/or modulate the expression of cancer-specific gene products. The latter can be achieved with antisense oligonucleotides (ASOs), short single-stranded DNA or RNA molecules that block the translation of a complementary sequence of interest. In the first part of this work, conjugates between SMCs and ASOs were tested for synergy. Many human cancer cell lines are resistant to SMCs because other anti-apoptotic proteins like the cellular FLICE-like protein (c-FLIP) act as a failsafe. It could be demonstrated that by joining an SMC with an anti-c-FLIP ASO this resistance can be overcome. In the second part, short ON probes were used to create a templated reaction system to conditionally activate an SMC in the presence of x-linked inhibitor of apoptosis (XIAP) mRNA. Two different approaches were explored: A templated acyl transfer that yields high affinity bivalent SMCs from low affinity, monovalent precursors and unmasking of the N-terminal amino group, which is crucial for the binding affinity of SMCs, by templated reduction of an azide. For the second strategy, two different chemistries were compared, Staudinger reduction with phosphines and a catalytic photoreduction using a ruthenium complex.

Wir haben DNA-basierte Hybridisierungssonden zur erzwungenen Interkalation (sogenannte FIT-Sonden) entwickelt. Diese beruhen auf dem Ersatz einer natürlichen Nukleobase durch einen umgebungssensitiven Farbstoff. Die einzelsträngigen Sonden zeigen ein geringes Fluoreszenzsignal, da die Rotation um die zentrale Methinbrücke den angeregten Zustand effizient entvölkert. Durch Hybridisierung mit komplementären Zielsequenzen wird der Farbstoff in den Basenstapel gezwungen, wodurch die Rotation eingeschränkt wird und verstärkt Fluoreszenz auftritt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Sonden optimiert, um maximale Fluoreszenzanstiege und maximale Helligkeit zu erzielen. Wir konnten zeigen, dass der Einbau von Locked Nucleic Acid (LNA) gleichzeitigt die Helligkeit und die Stabilität gegenüber Nukleaseverdau vergrößert. Solche LNA-verstärkten FIT-Sonden konnten in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Anne Ephrussi (EMBL-Heidelberg) wurden solche Sonden erfolgreich in der Lebendzell-Bildgebung von Oskar mRNA in Oozyten von Drosophila Melanogaster eingesetzt. Die kombinierte Verwendung von Thiazolorange und einem zweiten, terminal angebrachten Cy7-Reporter ermöglichte durch Ratiometrische Messungen die Quantifizierung von Sonden und Ziel RNA durch waschfreien Fluoreszenz in-situ Hybridisierung. Wir konnten die Farbauswahl für FIT-Sonden erweitern und etablierten Chinolinblau als den höchst-responsiven Farbstoff in DNA-FIT-Sonden, welcher bis zu 195-fache Fluoreszenzintensivierung zeigte. Die Verwendung von cyan- (Thiazolgelb), grün- (Thiazolorange) und rot-emittierende (Chinolinblau) FIT-Sonden ermöglichte die simultane Detektion drei verschiedener RNA-Sequenzen. Dieselben Farbkanäle wurden ebenfalls zur Entwicklung von Wiederholungseinheiten für FIT-Sonden verwendet. Durch die Expression transgener RNA und die benachbarter Hybridisierung zahlreicher Sonden sollten die Mehrfarbdetektion in lebenden Zellen mit sehr geringer Nachweisgrenze gelingen. / We developed oligonucleotide hybridization probes based on forced intercalation (FIT). FIT probes contain asymmetric cyanine dyes of the thiazole orange family as nucleobase surrogates as an internal label. The thiazole orange is dark in the unbound, single stranded state, due to rapid depletion of the chromophores excited state by torsional twisting. Upon hybridization with target nucleic acids, the reporter is forced into the base stack, resulting in restriction of intramolecular rotation which is accompanied by a dramatic increase in quantum yield. The probes have been optimized for highest fluorescence response and maximum brightness upon hybridization with complementary nucleic acids. We discovered that locked nucleic acids (LNA) increase both, the nuclease resistance in living cells and the brightness. FIT-probes were applied in real-time PCR and RNA localization studies in fixed tissue and in living cells. Together with our collaborator Anne Ephrussi we demonstrated that carefully chosen probe sequences disrupted RNA secondary structure and thereby altered the motility of oskar ribonucleotide-particles in living oocytes of Drosophila melanogaster. The combined use of fluorogenic base surrogates and a second, terminally attached, independent reporter allowed the rapid intracellular RNA-quantification by means of wash-free fluorescence in-situ hybridization. We expanded the color repertoire of FIT probes by screening multiple chromophores and discovered quinoline blue as the most responsive chromophore with up to 195-fold fluorescence enhancement. The combined use of cyan- (thiazole yellow), green- (thiazole orange) and red-emissive (quinoline blue) FIT probes allowed the simultaneous detection of multiple RNAs of interest. The same color channels could be used for the development of artificial repeat tags for FIT-probes that will enable live-cell multiplexing by FIT-probes with transgenic RNAs.

Diese Arbeit beschreibt die Realisierung mehrerer theoretischer Ansätze zur Synthese von Oligonucleotiden, die an gezielter Position mit der trans-{PtII(NH3)2}2+ - Spezies modifiziert sind. Es wurde ein Synthesebaustein "Pt-T" synthetisiert, der die direkte Einführung eines N3-platinierten Thymidins während der Oligonucleotidsynthese ermöglicht. Unter den Bedingungen der Standard - H-Phosphonat - Synthese werden bei Verwendung des synthetisierten platinierten Synthesebaustein "Pt-T" platinierte Oligonucleotide erhalten, die eine trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - Modifizierung enthalten. Mit Hilfe der Sanger - Sequenzierung konnte gezeigt werden, daß die an T angebundene trans-{PtII(NH3)2Py}2+ - Platinspezies T7 DNA Polymerase blockiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die Spaltung der 5'-Phosphorsäurediesterbindung durch Schlangengift - Phosphodiesterase infolge dieser Platinmodifizierung deutlich langsamer abläuft. Durch Ersatz von Pyridin durch 1,6-Lutidin bleibt die Reaktionsfähigkeit der trans-Position am Platin erhalten. Durch geeignete Reaktionsbedingungen wurde das nach erfolgter Oligonucleotidsynthese an einem 4-mer gebundene Platin bifunktional an den selben Strang gebunden und so trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, ein kurzes Oligonucleotid mit intrastrand-crosslink, synthetisiert. Die durchgeführte enzymatische Hydrolyse zeigt eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Abbau mit Schlangengift - Phosphodiesterase und alkalischer Phosphatase. / This work describes the synthesis of oligodeoxynucleotides, which are modified at a specific position with the trans-{PtII(NH3)2}2+ - species. A platinated monomer building block "Pt-T" has been synthesized separately prior to automated synthesis. Platin modified oligonucleotides were elongated by use of standard H-phosphonate chemistry. The use of the synthesized platinated building block "Pt-T" leads to platinated oligonucleotides with a trans-[PtII(NH3)2Py(N3-T)]+ - modification. The synthesized oligonucleotides have been subjected to sequencing by the Sanger - method and it could be shown, that this modification blocks T7 DNA polymerase. Furthermore it could be shown, that the cleavage of the 5'-phosphodiester bond by snake venom phosphodiesterase due to these modification runs down clearly more slowly. In consequence of substitution of pyridine by 2,6-lutidine the reactivity of the trans - position of the platinum remains received. After oligonucleotide synthesis the platinum became crosslinked, thus trans-[PtII(NH3)2{d(TTTG)-N3-T(2),N7-G(4)}]+, a short oligonucleotide with intrastrand-crosslink, was synthesized. The enzymatic hydrolysis showed a high constancy facing the degradation with snake venom phosphodiesterase and alkaline phosphatase.

In der vorliegenden Arbeit werden drei neue Klassen von modular zugänglichen Elektrophilen für die Biokonjugation von Cystein vorgestellt. Diethynyl-phosphinate (DPs) wurden als bisreaktive Elektrophile für die cysteinselektive Markierung von Peptiden, Proteinen und Antikörpern entwickelt. In diesen Molekülen können beide elektronenarmen Dreifachbindungen unter physiologischen Bedingungen mit Thiol-Nukleophilen reagieren und die erhaltenen Konjugate sind in menschlichem Plasma und in Gegenwart großer Mengen an reduziertem Glutathion stabil. Darüber hinaus wurden DPs in der selektiven Herstellung verschiedener Protein-(Doppel)-Konjugate angewandt. Neben der klassischen Proteinmodifikation können DPs auch zur kovalenten Verbrückung der Disulfidbrücken von Antikörpern eingesetzt werden. Weiters wurde mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen werden Ethinyl-triazolyl-phosphinate (ETP) als eine neue Klasse hochreaktiver Elektrophile für die Cystein-Biokonjugation entdeckt. Die Berechnungen zeigen, dass sowohl die elektronenziehenden als auch die π-Elektronen donierenden Eigenschaften des Triazolrings die Reaktivität erhöhen. Vor allem aber wird gezeigt, dass ETP-Elektrophile über die chemoselektive Cu(I)-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition in ein azidhaltiges Molekül eingebaut werden können. Da diese Reaktion problemlos in wässrigen Puffersystemen abläuft, konnte eine Vielzahl funktioneller Elektrophile, einschließlich elektrophiler Peptide und Proteine, aus DPs erzeugt werden. Schließlich wurden Diethinylphosphinoxide als chemoselektive Reagenzien zur Disulfidvererbrückung untersucht. Insbesondere Diethinyl-Triazolyl-Phosphinoxide (DTP) sind vielversprechende Kandidaten, da sie die modulare Synthese von ETP-Elektrophilen mit den beiden reaktiven Gruppen in DPs kombinieren. Die Fähigkeit der DTP-Reagenzien, Disulfide zu verbrücken, wurde durch die Bildung mehrerer funktioneller Antikörperkonjugate gezeigt. / The present work introduces three new classes of modular accessible electrophiles for cysteine bioconjugation. Diethynyl-phosphinates (DPs) were developed as bisreactive electrophiles for the cysteine-selective modification of peptides, proteins and antibodies. Both electrophilic alkynes can react with thiol-nucleophiles under physiological conditions. The corresponding double-conjugates are stable in human plasma and in the presence of a large excess reduced glutathione. Furthermore, the general applicability of diethynyl phosphinates for cysteine selective bioconjugation was established by the generation of various protein-(double)-conjugates and their application in cell experiments. Additionally, DPs can be employed to covalently rebridge the interchain disulfides of therapeutically relevant IgG1 antibodies. Furthermore, with the help of density functional theory based calculations, ethynyl-triazolyl-phosphinates (ETP) were discovered as a new class of highly reactive electrophilic warheads for cysteine bioconjugation. According to the calculations, both the electron withdrawing as well as the π-electron donating properties of the triazole-ring enhance the reactivity of the electrophile. Most importantly, it was demonstrated that ETP electrophiles can be incorporated into a given azide containing molecule via the chemoselective CuI-catalyzed azide alkyne cycloaddition. ETP-reagents were used to obtain functional peptide-, protein- and antibody-conjugates, as well as site-specifically linked diubiquitins. Finally, diethynyl phosphine oxides were explored as chemoselective reagents for disulfide rebridging. Especially diethynyl-triazolyl-phosphine oxides (DTP) are promising candidates since they combine the modular synthesis of ETP-electrophiles with the two reactive groups present in diethynyl phosphinates. The capability of DTP-reagents to rebridged disulfides was proven by the formation several functional antibody conjugates.

In dieser Arbeit wurden die von Seitz et al. entwickelten forced intercalation (FIT)-Sonden zur mRNA-Charakterisierung in lebenden Zellen eingesetzt. Es erfolgte die Synthese verbesserter FIT-Sonden für die systematische Untersuchung der Aufnahme durch lebende Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen. Dafür wurden sowohl hergestellte FIT-Sonden-Konjugate/Aggregate als auch kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z.B. die Palmitinsäure und das porenbildende Enzym Streptolysin-O auf ihre Effizienz untersucht. Die optimalen Bedingungen für das Einbringen von DNA- und PNA-FIT-Sonden in Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen lieferte das Enzym Streptolysin-O. Durch den simultanen Einsatz von drei unterschiedlichen Sonden (BO-, TO- und CB-markiert), komplementär zu drei verschiedenen Zielsequenzen, gelang es erstmals eine Dreifarben-Lebendzell-Bildgebung mit FIT-Sonden durchzuführen. Des Weiteren wurden TO-FIT-Sonden zur Unterscheidung verschiedener T-Zelllinien eingesetzt. Mithilfe eines kompetitiven Hybridisierungsexperiments konnte die spezifische Fluoreszenzemission der Sonden in den Zellen belegt werden. Untersuchungen mit zwei T-Zelllinien zeigten, dass TO-FIT-Sonden sowie terminal Cy7-markierte TO-FIT-Sonden eine erhöhte TO-Emission bei Vorhandensein der komplementären TCR-mRNA-Zielsequenz in den Zellen aufwiesen. Der terminale Cy7-Farbstoff bot mit einem zweiten Detektionskanal die Möglichkeit die Cy7-Intensität und die vorhandene TO-Intensität ins Verhältnis zu setzen, sodass Signale von ungebundener Sonde leichter ausgeschlossen werden konnten. Dies ermöglichte eine spezifische Markierung der T-Zellen. Es folgte die Synthese CB-markierter FIT-Sonden zur Aufklärung biologischer Fragestellungen, wie dem Verlauf einer Influenza A Infektion und die Synthese und Evaluation neuer Farbstoffe mit einem Absorptionsmaximum bei 590/596 nm. Zudem wurde der Einbau eines zyklischen PNA- Monomers bezüglich der Verbesserung von Responsivität und Helligkeit von PNA-FIT-Sonden analysiert. / In this work forced Intercalation (FIT) probes, developed by Seitz et al. were used for the mRNA characterization in living cells. The synthesis of improved FIT probes as well as the systematic study on the uptake of FIT probes by living Flp-In™ 293 T-REx™ cells was performed. Therefore FIT probe conjugates/aggregates as well as commercially available reagents, e.g. palmitic acid and the pore-forming enzyme Streptolysin-O were investigated under various conditions. Furthermore, the transfection was tested using an electroporator. The optimal transfection condition for the introduction of DNA and PNA FIT probes into Flp-In™ 293 T-REx™ cells was achieved using Streptolysin-O. Multicolor live cell imaging with the simultaneous use of three different FIT probes (BO, TO and QB) against three different target sequences was performed successfully. In addition, FIT probes were used for the differentiation between T cell lines. A competitive hybridization experiment with cells confirmed the specific fluorescence emission of the probes. Further studies with two cell lines and TO-FIT probes as well as terminal Cy7-labeled TO-FIT probes showed an increased TO emission in the presence of the complementary TCR mRNA target sequence in the cells. A second detection channel of the terminal Cy7 dye provided the advantage of comparing the Cy7- and TO-intensity ratio, thereby making it easier to exclude signals from unbound probe. This enabled the specific tagging of t cells. This was followed by the synthesis of QB-DNA-based FIT probes for the use in various biological applications e.g. as a pan selective marker for Influenza A infection. Moreover, the synthesis and evaluation of new dyes with an absorption maximum at 590/596 nm was performed. The incorporation of a cyclic PNA monomer next to the TO dye has also been realized to improve responsiveness and brightness in PNA-FIT probes.

In dieser Arbeit wurden ungesättigte Vinyl- und Ethynylphosphonothiolate hergestellt und als Linker für Cystein-selektive Proteinmodifikationen verwendet. Zunächst wurde, ausgehend von ungesättigten Phosphoniten und elektrophilen Disulfiden als Startmaterialien, eine Syntheseroute zur Herstellung von ungesättigten Phosphonothiolaten entwickelt. Die hohe Chemoselektivität dieser Reaktion ermöglichte die Einführung von Vinylphosphonothiolaten auf ungeschützten Modellpeptiden und dem Protein Ubiquitin. Es konnte gezeigt werden, dass ungesättigte Phosphonothiolate unter neutralen bis leicht basischen Bedingungen selektiv mit Thiolen reagieren und sich daher als Linker für Cystein-selektive Proteinmodifikationen eignen. Die Vielseitigkeit der hier entwickelten Biokonjugationsmethode wurde in drei Anwendungen demonstriert. Ausgehend von dem Vinylphoshonothiolat-modifizierten Ubiquitin konnten homogene Ubiquitin-Protein-Konjugate erzeugt werden; zum einen ein nicht hydrolysierbares Diubiquitin-Konjugat und zum anderen ein Ubiquitin-α–Synuclein-Konjugat. Des Weiteren wurden ungesättigte Phosphonothiolate als Linker in Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten getestet. Hier zeigte sich, dass insbesondere Vinylphosphonothiolat-Linker Potential zur Herstellung von stabilen Antikörper-Konjugaten aufweisen. Schließlich wurden Vinylphosphonothiolate als Linker verwendet, um sowohl Chaperon-bindende Antikörper als auch Deubiquitinasen (DUBs) mit photoreaktiven Crosslinkern auszustatten um damit dynamische Protein-Interaktionen zu untersuchen. Insgesamt ermöglicht das hier entwickelte Verfahren die chemoselektive Umwandlung von elektrophilen Disulfiden in elektrophile Vinyl- und Ethynylphosphonothiolate, wodurch Reaktivität für eine Thioladdition induziert wird. Dadurch können zwei komplexe, thiolhaltige Moleküle selektiv konjugiert werden, was insbesondere für die Herstellung von homogen modifizierten Peptid- und Proteinkonjugaten von Bedeutung ist. / In this work, unsaturated vinyl- and ethynylphosphonothiolates were synthesised and used as linkers for cysteine-selective protein modifications. First, a synthetic route for the generation of unsaturated phosphonothiolates was developed, using unsaturated phosphonites and electrophilic disulfides as starting materials. The high chemoselectivity of this reaction enabled the introduction of vinylphosphonothiolates on unprotected model peptides and the protein ubiquitin. It could then be shown that unsaturated phosphonothiolates react selectively with thiols under neutral to slightly basic conditions and are therefore suitable as linkers for cysteine-selective protein modifications. The versatility of the herein developed bioconjugation method was demonstrated in three applications. First, starting from the vinylphosphonothiolate-modified ubiquitin, homogeneous ubiquitin-protein conjugates could be generated, in particular a non-hydrolyzable diubiquitin conjugate and a ubiquitin-α-synuclein conjugate. Second, the suitability of unsaturated phosphonothiolates as linkers for the generation of stable antibody-drug conjugates was tested. Vinylphosphonothiolate linkers thereby showed potential to produce stable antibody conjugates. Finally, vinylphosphonothiolates were used as linkers to conjugate both chaperone-binding antibodies and deubiquitinases (DUBs) to photo-reactive crosslinkers in order to investigate dynamic protein interactions. Overall, the herein developed methodology enables the chemoselective conversion of electrophilic disulfides into electrophilic vinyl- and ethynylphosphonothiolates, which in turn react selectively with thiols. As a result, two complex, thiol-containing molecules can be selectively conjugated, which is particularly important for the production of homogeneously modified peptide and protein conjugates.

Reversible Phosphorylierung ist die bekannteste posttranslationale Modifikation (PTM) und die O-Phosphomonoester von Serin, Threonin und Tyrosin galten lange als die einzigen relevanten Vertreter. Vor kurzem wurden erste Erkenntnisse über die biologische Relevanz von labilen Phosphorylierungen veröffentlicht, z.B. die Phosphorylierung von Histidin, Arginin und Cystein sowie die Pyrophosphorylierung von Serin und Threonin. Auch die Aufklärung von Phospho-Lysin (pLys) wurde mit der Etablierung einer chemoselektiven Synthese zur Darstellung ortsselektiv phosphorylierter Lysinpeptide und der Entwicklung massenspektrometrischer Protokolle zur eindeutigen pLys-Identifizierung in Angriff genommen. Dennoch wurde bisher kein endogenes pLys beschrieben oder eingehende Untersuchungen mit interagierenden Enzymen durchgeführt. In dieser Arbeit werden mehrere Ansätze zur Erweiterung des Wissens über pLys vorgestellt. Dazu gehören das Design einer alternativen Syntheseroute zu pLys-Peptiden und die Entwicklung sowie Evaluierung von zwei stabilen Analoga als Bausteine für die Peptidsynthese. Weiterhin wurde die Protonierung des Phosphoramidatstickstoffs untersucht. In systematischen Enzymaktivitätsassays wurden die Wechselwirkungen zwischen Phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase (LHPP) und verschiedenen Phospho-Substraten untersucht. Dabei zeigte sich eine ausgeprägte Selektivität für pLys, eine hohe Sequenzabhängigkeit der LHPP-Aktivität und ein klares Bindungsmotiv. Darüber hinaus wurden proteomische Methoden hinsichtlich ihrer Eignung für pLys-Peptide evaluiert. Im Laufe dieser Untersuchung wurden mehrere pLys-Immunogene für die Generierung von monoklonalen anti-pLys-Antikörpern und ein Workflow für die Histontrennung und -analyse entwickelt. Des Weiteren wurde die chelationsverstärkte Fluoreszenz von markierten Phospho-Peptiden als Werkzeug zur Bestimmung des Phosphorylierungsgrades in Enzymaktivitäts- oder Stabilitätsassays untersucht. / Reversible phosphorylation is the most prominent post-translational modification (PTM) and the O-phosphomonoesters of serine, threonine and tyrosine have been considered as the only notable forms for long time. Recent developments have paved the way to insights into the biological relevance of labile phosphorylations, e.g. phosphorylation of histidine, arginine and cysteine as well as pyrophosphorylation of serine and threonine. Also, the elucidation of phospho-lysine (pLys) was tackled with the establishment of a chemoselective synthesis to obtain site-selectively phosphorylated lysine peptides and the development of mass spectrometric protocols to unambiguously identify modification sites. Nonetheless, no endogenous pLys site has been described or in-depth investigations of interacting enzymes have been conducted. In this thesis, several approaches to enhance the knowledge about pLys are introduced. These include the design of an alternative synthesis route to pLys peptides and the development as well as evaluation of two stable analogues as building blocks for peptide synthesis. Furthermore, the protonation of the phosphoramidate-nitrogen was investigated. In systematic phosphoramidate hydrolase and phosphatase activity assays, the interactions between phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase (LHPP) and various phospho-substrates were examined. Thereby, distinct selectivity for pLys, high sequence dependence of LHPP activity and a distinct binding motif were revealed. In addition to that, proteomic methods were evaluated regarding their suitability for pLys peptides. Over the course of this investigation, several pLys immunogens for the generation of monoclonal anti-pLys antibodies and a workflow for histone separation and analysis were developed. Furthermore, chelation-enhanced fluorescence of labeled phospho-peptides was studied as a tool for determining the degree of phosphorylation in enzyme activity or stability assays.

Die Entwicklung von enzymfreien, isothermen Nachweisverfahren für Nukleinsäuren, die mit der PCR konkurrieren können, ist seit langem ein Ziel. Eine potenzielle Strategie besteht darin, Nukleinsäure-templierte Reaktionen zu verwenden, bei denen das Templat (Analyt) als Katalysator fungiert und das Signal verstärkt. Die derzeitig verwendeten Strategien, wie Ligations- oder Transferreaktionen, sind jedoch in ihrer Empfindlichkeit aufgrund des Effekts der Produktinhibierung begrenzt. Um dies zu überwinden, müssen die Reaktanten nicht nur sequenzspezifisch an die DNA oder RNA binden, sondern die Produkte müssen sich auch von der DNA oder RNA wieder lösen können. Diese Arbeit stellt ein neues Paradigma für Nukleinsäure templierte Reaktionen vor: Das Loss-of-Affinity Prinzip. In diesem Prinzip werden Produkte generiert, die eine geringere Affinität zum Templat aufweisen als die Reaktanten. Dadurch wird die Produktinhibierung verhindert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Loss-of-Affinity Prinzip mit triplexbildenden, spaltbaren bis-PNA Sonden untersucht. Diese erfuhren eine C-O-Bindungsspaltung, ausgelöst durch die katalytische Photoreduktion eines Rutheniumkomplexes. Nach mehreren Optimierungsrunden zeigte eine 10-mer bis-PNA Sonde eine beeindruckende katalytische Effizienz. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Loss-of-Affinity Prinzip zur Überwindung der Produktinhibierung genutzt werden kann. Die verwendeten bis-PNAs zeigten jedoch eine stark unspezifische Bindung. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die bis-PNA Sonden gegen PNA- und GPNA-Spermin Sonden ausgetauscht, um das Problem der unspezifischen Bindung zu überwinden. Die PNA- und GPNA Spermin Sonden zeigten die wahrscheinlich effizientesten, bisher bekannten Nukleinsäure templierten Reaktionen, welchee die meisten natürlichen Enzyme übertrafen. Darüber hinaus zeigten sie eine ausgezeichnete Sequenzspezifität. / Developing enzyme-free isothermal detection methods of nucleic acids that can challenge PCR has been a long-standing goal. One potential strategy revolves around nucleic acid-templated reactions, in which the template (analyte) can act as a catalyst and amplify the signal. However, current strategies such as ligation reactions or functional group interconversions are plagued by product inhibition, which limits the sensitivity. To overcome this, the reactants must not only bind to DNA or RNA in a sequence-specific manner, but the products must also be able to detach from the DNA or RNA. This work introduces a new paradigm to nucleic acid-templated reactions, the loss-of-affinity principle, which yields products that have a lower template affinity than the reactants. This prevents product inhibition. In the first part of this work, the loss-of-affinity principle was explored with triplex-forming immolative bis-PNA probes that underwent a C-O bond cleavage upon catalytic photoreduction using a ruthenium complex. After several rounds of optimization, a 10-mer bis-PNA demonstrated an impressive catalytic efficiency. These results demonstrate that the loss-of-affinity principle can be used to overcome product inhibition. However, the bis-PNAs demonstrated highly non-specific binding. In the second part of this work, the bis-PNAs were replaced with PNA- and GPNA-spermine probes to address the issue of non-specific binding. The PNA- and GPNA-spermine probes exhibited probably the most efficient nucleic acid-templated reactions to date, outperforming most natural enzymes. In addition, they demonstrated excellent sequence specificity.