Ein modulares System zur sequenz-spezifischen DNA-Erkennung in der großen Furche

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Schrader
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271356290

Die molekulare Erkennung von Nucleinsäuren ist ein fundamentaler biologischer Prozess. Zur Adressierung eines bestimmten Gens muss ein natürlicher oder künstlicher Bindungspartner die kleine oder große Furche ansteuern, denn hier ist die Basensequenz frei zugänglich. In den vergangenen Jahrzehnten wurden anspruchsvolle synthetische Liganden für die kleine und große Furche geschaffen. Während jedoch für die kleine Furche ein kompletter Bausatz von Oligoamiden entwickelt werden konnte, der es erlaubt, jede beliebige begrenzte Basensequenz anzusteuern, blieb eine solche universale Lösung für die große Furche der DNA schwer fassbar. Triplex-bildende Oligonucleotide (TFOs) sind im Wesentlichen auf Homopurine beschränkt; und obwohl eine Vielzahl an alternativen Nucleinsäure-Gerüsten entwickelt wurde (PNA, LNA), erhalten die meisten von ihnen nicht den intakten Duplex, sondern öffnen den bestehenden Doppelstrang. Trotz zahlreicher Versuche gibt es bis heute keine sequenzselektiven nicht-invasiven künstlichen Liganden für die große Furche doppelsträngiger DNA, die ohne Beschränkungen in der Basensequenz arbeiten.In diesem Forschungsprojekt wollen wir die Entwicklung solch eines allgemeinen modularen Baukastensystems von Erkennungseinheiten für DNA-Doppelstränge vorstellen, die nach Andocken in der großen Furche eine Tripelhelix bilden. Jedes Modul enthält einen leistungsstarken Basenpaarbinder, der mit einem PNA-Element verknüpft ist. Alle verfügbaren Donor- und Akzeptorstellen in der großen Furche werden über Wasserstoffbrücken von den Basenpaarbindern erkannt; hinzu kommen attraktive Wechselwirkungen mit dem Phosphodiester-Rückgrat und eine ausgedehnte pi-Stapelung der heterocyclischen Ringsysteme. Geeignete Basenpaarbinder werden in der gewünschten Reihenfolge kovalent miteinander verknüpft und ergeben so ein neues PNA-Derivat mit perfekter Komplementarität zum ausgwählten DNA-Fragment. Auf diese Weise reichen nur 4 unterschiedliche Module (AT-, TA-, CG-, GC-Binder) zur iterativen Kupplung auf einem Standard-Peptidsynthesizer aus. Die Konstruktion synthetischer sequenzselektiver DNA-Liganden, welche durch allgemeine Basenpaar-Erkennung in der großen Furche operieren, stellt eine enorme Herausforderung für supramolekulare Chemiker dar; in diesem Antrag liegt der Schwerpunkt auf der Konstruktion, Verknüpfung und den DNA-Bindungseigenschaften der neuen Module; dazu werden in-vitro-Studien mit isolierten Oligonucleotiden durchgeführt. In einer zweiten dreijährigen Förderperiode sollen die optimierten Module in vivo (in Zellkultur und in Tierversuchen) eingesetzt werden. Der gezielte Eingriff in spezifische DNA-Fragmente kann zur ortsspezifischen Modulation der Genexpression eingesetzt werden.Darüber hinaus könnte man mit solchen DNA-Liganden die Proteinbindung modulieren, DNA-Schäden ansteuern, eine Mutagenese auslösen und die homologe Rekombination verstärken. So entstünde ein Werkzeug für die gen-spezifische Manipulation der DNA.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen