Die Toluol-Dioxygenase von Pseudomonas putida F1 ist eine Rieske-Dioxygenase und besteht aus Reduktase-, Ferredoxin- und Oxygenase-Komponente. Sie katalysiert den ersten Schritt im aeroben Abbau von Toluol. Ein effizienter Elektronentransfer zur terminalen Oxygenase-Komponente - an der die Sauerstoffaktivierung und Umwandlung von Toluol zum cis-Toluol-Dihydrodiol stattfindet - setzt eine reibungslose Interaktion aller Komponenten voraus. Die Ergebnisse der Stopped-flow-Messungen in der reduktiven Halbreaktion zeigen, dass NADH die Reduktase mittels Hydridtransfer reduziert, wodurch ein stabiler Ladungstransfer-Komplex zwischen NAD+ und FADH- entsteht. In der oxidativen Halbreaktion wird dieser dann durch einen Elektronenakzeptor über das blaue Semichinon zum Chinon oxidiert. Dabei zeigt sich, dass der Ladungstransfer-Komplex die Reaktion der Reduktase mit Sauerstoff unterdrückt. Eine Erklärung hierfür liefert die Kristallstruktur des Ladungstransfer-Komplexes. Die Reaktion mit Sauerstoff wird dadurch unterdrückt, dass das NAD+ koplanar mit dem Isoalloxazinring ist und den reaktiven N5-C4a Teil des FADs schützt und zudem den Isoalloxazinring in eine planare, weniger sauerstoffempfindliche Konformation zwängt. Durch die Bildung des Reduktase-Ferredoxin-Komplexes wird ein effizienter Elektronentransfer folgendermaßen ermöglicht: a) das Ferredoxin bindet an die Reduktase aufgrund elektrostatischer Anziehung entgegengesetzter Oberflächenladungen beider Proteine, b) die hydrophobe Region, die die beiden Redoxzentren umgibt, fungiert als Ein- und Ausgang für Elektronen und c) die geringe Entfernung von 11.7 Å zwischen beiden Kofaktoren erlaubt einen schnellen Elektronentransfer. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Elektronentransfer zwischen Reduktase und Ferredoxin durch die Bildung eines stabilen Ladungstransfer- und Reduktase- Ferredoxin-Komplexes beeinflusst wird und dadurch das Problem einer ungewollten Reaktion mit Sauerstoff umgangen wird. / The toluene dioxygenase from Pseudomonas putida F1 is a three-component Rieske non-heme iron dioxygenase comprising of a reductase, ferredoxin and an oxygenase component. It catalyzes the initial step in the aerobic degradation of toluene to cis-toluene dihydrodiol. A smooth interaction between all three components needs to be ensured to efficiently transfer the electrons derived from NADH oxidation to the terminal oxygenase component where molecular oxygen is activated and used for the hydroxylation of toluene. The results of the kinetic studies of the reductive half reaction of reductase reveal that NADH reduces the reductase, resulting in the formation of a stable charge transfer complex between NAD+ and FADH-. Oxidation of the charge transfer complex by an electron acceptor proceeds via the neutral semiquinone to the quinone state of FAD. It is shown that the charge transfer complex suppresses the reaction of the reductase with dioxygen. An explanation for this change in reactivity can be deduced from the structure of the charge transfer complex. Its slower reaction with dioxygen results from NAD+ lying coplanar with the FAD shielding its reactive N5-C4a locus and the forced planarity of the isoalloxazine ring. The formation of the reductase-ferredoxin complex allows efficient electron transfer from reductase to ferredoxin because a) the oppositely charged interacting surfaces of both proteins facilitate the pre-orientation of the ferredoxin on the reductase, b) a hydrophobic region surrounding the two redox centers in the complex acts as an exit/entrance port for electrons and c) the short edge-to-edge distance between both cofactors of 11.7 Å guarantees a fast electron transfer. The results demonstrate that the electron transfer between reductase and ferredoxin is governed by the formation of a stable charge transfer and of a reductase-ferredoxin complex with which the problem of an unwanted side reaction with dioxygen is obviated.

In der vorliegenden Arbeit diente das Kapsid der Bakteriophage Qbeta als multivalentes Gerüst und ermöglichte die Bildung eines monodispersen multivalenten Systems, welches mit Homopropargylglycin als unnatürliche Aminosäure modifiziert wurde. Das so eingeführte Alkin ermöglichte kupferkatalysierte Alkin-Azid-Cycloaddition zur Anbindung von Sialinsäuregrupen. Die entsprechende Synthese der hierzu kompatiblen Azid-modifizierten Sialinsäurederivate war eine der Hauptaufgaben dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurde das einfach zugängliche 5-N-Acetyladamantanylthiosialosid als Glykosylierungsdonor in der alpha-selektiven Synthese von Sialosiden evaluiert. Eine effiziente Aktivierung dieses Donors wurde unter optimierten Bedingungen bei -78°C mit N-Iodsuccinimid und Trifluormethansulfonsäure erreicht, was zu hohen alpha-Selektivitäten und Gesamtausbeuten der gewünschten Sialoside führte. Insbesondere Azidoethylenglykol-verknüpfte Sialinsäuren wurden synthetisiert, die für nachfolgende Biokonjugationsreaktionen an das Qbeta-Kapsid verwendet wurden. Die so dargestellten Sialinsäure-modifizierten Qbeta-Kapsidpartikel wurden dann eingehend mit Hilfe mehrerer biophysikalischer und biologischer Tests hinsichtlich ihrer Fähigkeit an Hämagglutinin zu binden und eine Influenza-Infektion zu inhibieren charakterisiert. Niedrige nanomolare Affinitäten wurden in diesen Assays gemessen. Eine sehr effiziente Infektionshemmung in vergleichbaren Konzentrationsbereichen konnte in einem in vitro Zell-, sowie einem in vivo Maus- als auch einem menschlichen ex vivo Modellsystem beobachtet werden. Verschiedene pathologisch relevante Influenzastämme konnten über die hier vorgestellte Strategie ebenfalls gebunden werden. Die monodisperse und definierte Struktur des Qbeta-Gerüsts erlaubte es außerdem ein theoretisches Modell der zugrundeliegenden Bindungsmodi zu erstellen. / In this thesis, the bacteriophage Qbeta capsid served as a multivalent scaffold and facilitated the generation of a monodisperse multivalent system which was modified with homopropargylglycine as an unnatural amino acid. The introduced alkyne enabled copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition to attach sialic acid groups. The corresponding synthesis of the compatible azide-modified sialic acid derivatives was one of the main tasks of this work. For this purpose, the straightforwardly accessible 5-N-acetyladamantanyl thiosialoside was evaluated as a glycosylation donor in the alpha-selective synthesis of sialosides. Efficient activation of this donor was achieved under optimized conditions at -78°C with N-iodosuccinimide and trifluoromethanesulfonic acid which led to high alpha selectivities and overall yields of the desired sialosides. Particularly azidoethylene glycol-linked sialic acids were synthesized which were used for subsequent bioconjugation reactions to the Qbeta capsid. These synthesized sialic acid-modified Qbeta capsid particles were then thoroughly characterized by multiple biophysical and biological assays regarding their ability to bind to hemagglutinin and to inhibit influenza infection. Low nanomolar affinities were measured in these assays. A very efficient infection inhibition in a comparable concentration range was observed in in vitro cellular, in vivo mouse and ex vivo human model systems. Several pathologically relevant influenza strains could also be bound with the strategy presented here. The monodisperse and defined structure of the Qbeta scaffold additionally allowed for the establishment of a theoretical model describing the underlying binding modes.

Die chloroplastidäre und mitochondriale Genexpression ist abhängig von einer großen Anzahl an RNA-Bindeproteinen (RBPs). Eine besonders abundante Familie sind die chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Während Ziel-RNAs mehrerer cpRNPs und die Phänotypen entsprechender Mutanten beschrieben wurden, bleibt ihre molekulare Funktion weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurden Studien der cp29a Mutante durch genomweite Analysen erweitert. Diese legen nahe, dass die eigentliche Rolle von CP29A in phänotypisch erkennbarem Mutanten-Gewebe durch sekundäre Defekte maskiert wird. Um primäre Defekte zu identifizieren, wurden in vivo Bindestellen von CP29A mit einer neuen Chloroplasten-adaptierten Methode, die UV-Licht zur Quervernetzungen nutzt, bestimmt. Transkripte, die für Untereinheiten des Photosystem II und des Cytochrom-b6f-Komplexes kodieren, waren unter den Zielen von CP29A überrepräsentiert. Weiterhin wurden mehrere Bindestellen in Nachbarschaft zu Bindestellen von PPR-Proteinen identifiziert. Mit einer alternativen Methode, die chemische Quervernetzung nutzt, wurden Ziel-RNAs eines weiteren cpRNP, CP31A, identifiziert. Transkripte, die für Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase Komplexes kodieren, waren überrepräsentiert. Diese Daten führten zu einer neuen Hypothese, die die Funktion von cpRNPs im Zusammenspiel mit PPR-Proteinen in der Prozessierung funktionell verwandter RNAs postuliert. Ein weiterer für die Genexpression relevanter Mechanismus ist die Bildung membranloser Kompartimente durch flüssig-flüssig Phasentrennung. Es wurde eine in silico Analyse durchgeführt, um organelläre Proteine mit Domänen, die auf flüssig-flüssig Phasentrennung hindeuten, zu identifizieren. Funktionen mit Bezug zu Genexpression, insbesondere RNA-Edierung, waren bei diesen Proteinen mit Prionen-ähnlichen Domänen (PLDs) überrepräsentiert. Zwei Kandidaten wurden auf ihre Neigung zur flüssig-flüssig Phasentrennung durch in vitro Experimente und in vivo Mikroskopie untersucht. / Gene expression in chloroplasts and mitochondria relies on a large number of RNA-binding proteins (RBPs), which are involved in the processing of polycistronic precursor transcripts. A particular abundant family are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). While target RNAs and mutant phenotypes of several cpRNPs were described, insights on their molecular function remained sparse. In this thesis, analyses of cp29a mutants were extended by genome-wide transcriptome data, which suggest that in phenotypically noticeable mutant tissue the actual role of CP29A might be masked by secondary effects. To identify primary defects, in vivo binding sites of CP29A on its target transcripts were determined using a novel chloroplast-adapted approach using crosslinking by UV-light. Identified targets of CP29A are functionally enriched in mRNAs encoding subunits of the photosystem II and the cytochrome b6f complex. Moreover, several binding sites were identified in close proximity to characterized binding sites of PPR proteins. Using an alternative approach, employing chemical crosslinking, targets of another cpRNP, CP31A, were identified. Targets are enriched in genes encoding subunits of the NADH-like dehydrogenase complex. In combination, these data led to a novel hypothesis on the molecular function of cpRNPs working together with PPR proteins in the processing of functionally related RNAs. Another increasingly recognized mechanism in gene expression is the formation of membraneless organelles by liquid-liquid phase separation. An in silico screen for organellar proteins containing domains indicative of phase separation was performed. The identified set of proteins with prion-like domains (PLDs) is enriched in functions related to gene expression, particularly RNA-editing. Two selected candidate proteins were characterized for their propensity to undergo phase separation by in vitro phase separation assays and in vivo microscopy.

Phosphorylierung modulieren. Obwohl heute bereits Tausende von Phosphorylierungsstellen annotiert sind, sind entsprechende funktionelle Informationen begrenzt. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass es keine Hochdurchsatzmethoden zur Erforschung der Funktion einer Phosphorylierungsstelle gibt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, habe ich eine auf Shotgun-Proteomik basierende Strategie zur Messung der RNA-Bindungsaktivität von RBPs und ihren phosphorylierten Proteoformen entwickelt, die 'quantitative RNA-Interactome Capture (qRIC)' genannt wird. QRIC quantifiziert die Pull-Down-Effizienz von RBPs, die mit Oligo(dT)-Magnetbeads isoliert werden. Diese Effizienz korreliert mit der Anzahl der RNA-Bindungsstellen und der Spezifität der Motivbindung, und spiegelt so die RNA-Bindung in vivo wieder. In einer Gegenüberstellung der Pull-Down-Effizienz verschiedener Proteoformen in unbehandelten Zellen, habe ich qRIC als unvoreingenommenes Screening von regulatorischen Phosphorylierungsstellen in RBPs eingesetzt. Für jede einzelne Phosphorylierungsstelle wurde ein Delta-Effizienzwert berechnet, der den Einfluss auf die RNA-Bindung in vivo reflektiert. Die Effizienzunterschiede spiegelten das erwartete Verhalten von RBPs während der Phasentrennung von membranlosen Organellen und die Ladungsabstoßung zwischen Phosphorylierungsstellen und Nukleotiden bei physiologischem pH-Wert wider. Mithilfe des Delta-Effizienzwertes identifizierte ich mehrere bereits bekannte regulatorische Phosphorylierungsstellen in SF3B1, UPF1 und ELAVL1, sowie neue, bisher unbekannte und möglicherweise regulatorische Phosphorylierungsstellen in SERBP1, LARP1 und RBM20. Phosphomimetische Mutationsvarianten dieser Phosphorylierungsstellen wurden analysiert, um den molekularen Einfluss auf die Regulation der RBP-Funktion zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung bestimmter Stellen im Spleißregulator RBM20 dessen nukleo-zytoplasmatische Lokalisierung, die Assoziation mit zytosolischen RNA-Granula und die Spleißfunktion beeinflusst. Diese Erkenntnisse könnten sich beispielsweise auf die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Patienten mit dysfunktionalen RBM20-Mutationen auswirken, die zu dilatativer Kardiomyopathie führen. QRIC kann als Hochdurchsatzverfahren dazu beitragen, unser Wissen über die Regulierung von Protein-RNA-Interaktionen durch Phosphorylierung zu erweitern. / Post-transcriptional regulation of gene expression is fundamental in health and disease. RNA-binding proteins (RBPs) directly bind and govern the fate of RNAs in cells. At the same time, cell signaling cascades control RBP functions by modulating their physicochemical properties through post-translational modifications, like phosphorylation. Although thousands of phosphorylation sites have been annotated, functional information is limited. This, in part, is due to the lack of high-throughput methods that measure function. To tackle this challenge I developed a shotgun proteomics-based strategy for measuring the RNA-binding activity of RBPs and their phosphorylated proteoforms, named quantitative RNA-interactome capture (qRIC). In qRIC, pull-down efficiency of RBPs isolation with oligo(dT) magnetic beads is quantified in cells at steady state and correlates with the number of RNA-binding sites and motif binding specificity, reflecting a link to RNA-binding in vivo. By contrasting pull-down efficiency of different proteoforms in the cells, I applied qRIC as an unbiased screening of regulatory phosphorylation sites in RBPs affecting pull-down efficiency. A delta efficiency score was calculated for each individual phosphorylation site to denote its influence on RNA-binding in vivo. Efficiency differences globally reflected the expected behavior of RBPs during phase separation of membraneless organelles and charge repulsion between phosphorylation sites and nucleotides in physiological pH. Using the delta efficiency score, I identified several previously known regulatory phosphorylation sites in SF3B1, UPF1 and ELAVL1, plus novel candidate regulatory sites in SERBP1, LARP1 and RBM20. Phosphomimetic mutant variants of these sites were analysed to investigate the molecular mechanism of regulation. Importantly, I show that phosphorylation of candidate sites in the splicing regulator RBM20 affects its nucleo-cytoplasmic localization, association with cytosolic RNA granules, and splicing function. These findings could have implications for the development of novel treatments based on kinase activity for patients with dysfunctional RBM20 mutations leading to congenital dilated cardiomyopathy. I anticipate that qRIC, as a high throughput approach, will help to expand our knowledge about the regulation of protein-RNA interactions and their regulation by phosphorylation.

Proteinmethylierung spielt eine immer größere Rolle in der Regulierung zellulärer Prozesse. Die Entwicklung effizienter proteomweiter Methoden zur Detektion von Methylierung auf Proteinen ist limitiert und technisch schwierig. In dieser Arbeit haben wir einen neuen Hefe-Zwei-Hybrid-Ansatz (Y2H) entwickelt, der Proteine, die miteinander wechselwirken, mit Hilfe von Sequenzierungen der zweiten Generation identifiziert (Y2H-Seq). Der neue Y2H-Seq-Ansatz wurde systematisch mit dem Y2H-Seq-Ansatz verglichen. Dafür wurde ein Bait-Set von 8 Protein-Arginin-Methyltransferasen, 17 Protein-Lysin-Methyltransferasen und 10 Demethylasen gegen 14,268 Prey-Proteine getestet. Der Y2H-Seq-Ansatz ist weniger arbeitsintensiv, hat eine höhere Sensitivität als der Standard Y2H-Matrix-Ansatz und ist deshalb besonders geeignet, um schwache Interaktionen zwischen Substraten und Protein-Methyltransferasen zu detektieren. Insgesamt wurden 523 Wechselwirkungen zwischen 22 Bait-Proteinen und 324 Prey-Pr oteinen etabliert, darunter 11 bekannte Methyltransferasen-Substrate. Netzwerkanalysen zeigen, dass Methyltransferasen bevorzugt mit Transkriptionsregulatoren, DNA- und RNA-Bindeproteinen wechselwirken. Diese Daten repräsentieren das erste proteomweite Wechselwirkungsnetzwerk über Protein-Methyltransferasen und dienen als Ressource für neue potentielle Methylierungssubstrate. In einem in vitro Methylierungsassay wurden exemplarisch mit Hilfe massenspektrometrischer Analysen die methylierten Aminosäurereste einiger Kandidatenproteine bestimmt. Von neun getesteten Proteinen waren sieben methyliert, zu denen gehören SPIN2B, DNAJA3, QKI, SAMD3, OFCC1, SYNCRIP und WDR42A. Wahrscheinlich sind viele Methylierungssubstrate im Netzwerk vorhanden. Das vorgestellte Protein-Protein-Wechselwirkungsnetzwerk zeigt, dass Proteinmethylierung sehr unterschiedliche zelluläre Prozesse beeinflusst und ermöglicht die Aufstellung neuer Hypothesen über die Regulierung Molekularer Mechanismen durch Methylierung. / Protein methylation on arginine and lysine residues is a largely unexplored posttranslational modification which regulates diverse cellular processes. The development of efficient proteome-wide approaches for detecting protein methylation is limited and technically challenging. We developed a novel workload reduced yeast-two hybrid (Y2H) approach to detect protein-protein interactions utilizing second generation sequencing. The novel Y2H-seq approach was systematically evaluated against our state of the art Y2H-matrix screening approach and used to screen 8 protein arginine methyltransferases, 17 protein lysine methyltransferases and 10 demethylases against a set of 14,268 proteins. Comparison of the two approaches revealed a higher sensitivity of the new Y2H-seq approach. The increased sampling rate of the Y2H-seq approach is advantageous when assaying transient interactions between substrates and methyltransferases. Overall 523 interactions between 22 bait proteins and 324 prey proteins were identified including 11 proteins known to be methylated. Network analysis revealed enrichment of transcription regulator activity, DNA- and RNA-binding function of proteins interacting with protein methyltransferases. The dataset represents the first proteome-wide interaction network of enzymes involved in methylation and provides a comprehensively annotated resource of potential new methylation substrates. An in vitro methylation assay coupled to mass spectrometry revealed amino acid methylation of candidate proteins. Seven of nine proteins tested were methylated including SPIN2B, DNAJA3, QKI, SAMD3, OFCC1, SYNCRIP and WDR42A indicating that the interaction network is likely to contain many putative methyltransferase substrate pairs. The presented protein-protein interaction network demonstrates that protein methylation is involved in diverse cellular processes and can inform hypothesis driven investigation into molecular mechanisms regulated through methylation.

Antikörper und Antigen-bindende Proteine, die an Fluorophore, Tracer und Wirkstoffe konjugiert sind, sind einzigartige Moleküle, welche die Entwicklung wertvoller diagnostischer und therapeutischer Werkzeuge ermöglichen. Allerdings ist der Konjugationsschritt sehr anspruchsvoll und trotz intensiver Forschung noch immer ein bedeutender Engpass. Zusätzlich sind Antigen-bindende Proteine oftmals nicht dazu in der Lage, die Zellmembran zu durchdringen und im Zellinneren nicht funktionsfähig. Daher ist ihre Verwendung auf extrazelluläre Targets beschränkt, was eine bedeutende Anzahl wichtiger Antigene vernachlässigt. Beide Limitierungen bilden Kernaspekte dieser Arbeit. Mit Tub-tag labeling wurde ein neuartiges und vielseitiges Verfahren für die ortsspezifische Funktionalisierung von Biomolekülen und Antigen-bindenden Proteinen entwickelt, und so die Palette der Proteinfunktionalisierungen bedeutend erweitert. Tub-tag wurde erfolgreich für die ortsspezifische Funktionalisierung verschiedener Proteine und Antigen-bindender Nanobodies angewendet, die für konfokale Mikroskopie, Proteinanreicherung und hochauflösende Mikroskopie eingesetzt wurden. In einem weiteren Projekt wurden zellpermeable Antigen-bindende Nanobodies hergestellt und somit das schon lange Zeit bestehende Ziel, intrazelluläre Targets durch in vitro funktionalisierte Antigen-bindende Proteine zu visualisieren und manipulieren, erreicht. Hierzu wurden zwei verschiedene Nanobodies an ihrem C-Terminus cyclischen zellpenetrierenden Peptiden unter Verwendung von Expressed Protein Ligation funktionalisiert. Diese Peptide ermöglichten die Endozytose-unabhängige Aufnahme der Nanobodies mit sofortiger Bioverfügbarkeit. Mit Tub-tag labeling und der Synthese von zellpermeablen Nanobodies konnten wichtige Bottlenecks im Bereich der Proteinfunktionalisierung und Antikörperforschung adressiert werden und neue Tools für die biochemische und zellbiologische Forschung entwickelt werden. / Antibodies and antigen binding proteins conjugated to fluorophores, tracers and drugs are powerful molecules that enabled the development of valuable diagnostic and therapeutic tools. However, the conjugation itself is highly challenging and despite intense research efforts remains a severe bottleneck. In addition to that, antibodies and antigen binding proteins are often not functional within cellular environments and unable to penetrate the cellular membrane. Therefore, their use is limited to extracellular targets leaving out a vast number of important antigens. Both limitations are core aspects of the presented thesis. With Tub-tag labeling, a novel and versatile method for the site-specific functionalization of biomolecules and antigen binding proteins was developed expanding the toolbox of protein functionalization. The method is based on the microtubule enzyme tubulin tyrosine ligase. Tub-tag labeling was successfully applied for the site-specific functionalization of different proteins including antigen binding nanobodies which enabled confocal microscopy, protein enrichment and super-resolution microscopy. In addition to that, cell permeable antigen binding nanobodies have been generated constituting a long thought goal of tracking and manipulating intracellular targets by in vitro functionalized antigen binding proteins. To achieve this goal, two different nanobodies were functionalized at their C-terminus with linear and cyclic cell-penetrating peptides using expressed protein ligation. These peptides triggered the endocytosis independent uptake of the nanobodies with immediate bioavailability. Taken together, Tub-tag labeling and the generation of cell-permeable antigen binding nanobodies strongly add to the functionalization of antibodies and their use in biochemistry, cell biology and beyond.