A Bis(guanidinium)alcohol Attached to a Hairpin Polyamide: Synthesis, DNA Binding, and Plasmid Cleavage

Wirth-Hamdoune, Daniela; Ullrich, Stefan; Scheffer, Ute; Radanović, Toni; Dürner, Gerd; Göbel, Michael

doi:10.1002/cbic.201500566

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“…In order to design a novel DNA cleaving agent, a bis(guanidinium)alcohol tethered with Dervan hairpin polyamide was synthesized. The resulting conjugate 25 binds A·T-rich DNA duplexes with comparable affinity to that of the parent polyamide and breaks one strand of double-stranded plasmid DNA by interacting with anionic phosphodiesters in a fast transphosphorylation step as contact ion pairs at micromolar to high nanomolar concentration range [ 91 ]. Richert et al designed a novel set of three-pronged probes (TPPs) comprising of cap, β-alanines and oligopyrrolamides in order to bind A·T-rich target strands from three sides (Watson–Crick face, terminus, and minor groove) resulting in exceptionally stable duplexes (Δ T m = +44.8 °C) and high selectivity [ 92 ].…”

Section: Reviewmentioning

confidence: 99%

An overview of recent advances in duplex DNA recognition by small molecules

Bhaduri

Ranjan

Arya

2018

Beilstein J. Org. Chem.

102

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As the carrier of genetic information, the DNA double helix interacts with many natural ligands during the cell cycle, and is amenable to such intervention in diseases such as cancer biogenesis. Proteins bind DNA in a site-specific manner, not only distinguishing between the geometry of the major and minor grooves, but also by making close contacts with individual bases within the local helix architecture. Over the last four decades, much research has been reported on the development of small non-natural ligands as therapeutics to either block, or in some cases, mimic a DNA–protein interaction of interest. This review presents the latest findings in the pursuit of novel synthetic DNA binders. This article provides recent coverage of major strategies (such as groove recognition, intercalation and cross-linking) adopted in the duplex DNA recognition by small molecules, with an emphasis on major works of the past few years.

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Section: Reviewmentioning

confidence: 99%

An overview of recent advances in duplex DNA recognition by small molecules

Bhaduri

Ranjan

Arya

2018

Beilstein J. Org. Chem.

102

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“…Zum Aufbau dieser Einheiten kann neben einer Peptidkupplung auch eine Haloform-artige-Reaktion eingesetzt werden. [152][153][154] Auch in diesem Fall kann der fragmentbasierte Ansatz die Zahl der Reaktionsschritte verringern und die Gesamtausbeute der Synthese erhöhen. Außerdem erhöht der modulare Aufbau die Flexibilität der Synthese unterschiedlicher PIPs.…”

Section: Synthese Der Pipsunclassified

“…In vorausgegangenen Arbeiten konnte in unserer Gruppe bereits ein entsprechendes Konjugat K1 aus der gegen Sp1 gerichteten DNA 2 und dem PIP PA1 synthetisiert werden (Abbildung 24). [11,12] Erwartungen, was später als Motivation zur Synthese von Achtmer-PIPs diente, die sich erfahrungsgemäß durch eine stark erhöhte Affinität auszeichnen. [14] Ausgehend von diesen Ergebnissen galt es im nächsten Schritt die Umleitung des TFs Sp1 waren, [7] mussten diese mit den PIP-Adaptoren verglichen werden, um das effektivere pseudokomplementärer PNAs in Betracht gezogen.…”

Section: Außerdem Erlaubt Die Erhöhte Nukleasestabilität Dieser Verbindungen Den Einsatz Vonunclassified

“…[147] Hierbei wurden die durchgeführten Synthesen. [12,145,153,207] Dabei wurde von N-Methylpyrrol ausgegangen und dass die Nitrierung auch mit 65%iger HNO3 möglich war. [208] Im Anschluss an die Reaktion erfolgte die Aufarbeitung durch das Überführen der Reaktionslösung auf Eis.…”

Section: Synthese Der Polyamideunclassified

“…[9,10] Während viele Ansätze, wie ATFs oder miR-Mimics darauf beruhen, die Funktion natürlicher Systeme nachzuahmen, wird im Arbeitskreis Göbel ein alternativer Ansatz verfolgt. [11][12][13] Dabei sollen Adaptormoleküle verwendet werden, um TFs oder RISCs zu rekrutieren und somit an nicht nativen Bindestellen wirken zu lassen (Abbildung 1). In diesem Zusammenhang soll die über Protein-Protein-Kontakte erfolgende Wirkung von TFs und RISCs genutzt werden, welche keine direkte Bindung dieser Systeme an ihre Ziele erfordert.…”

Section: Introductionunclassified

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Adaptormoleküle zur Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren oder miRNAs an nicht native Bindestellen

Bolz¹

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Die Kontrolle der Genexpression ist eines der großen Ziele der chemischen Biologie. Gemäß dem klassischen Dogma der Molekularbiologe verläuft der Fluss der genetischen Information über die Transkription von DNA zur messenger RNA (mRNA) und durch die Translation von mRNA zu Proteinen. Auch wenn der ursprünglichen Formulierung dieses Dogmas verschiedene Aspekte hinzugefügt wurden, bleibt die Kernaussage unverändert. Eine Störung der Genexpression ist in vielen Fällen die Ursache für schwerwiegende Erkrankungen. Klassische Therapeutika, die im Allgemeinen aus kleinen Molekülen bestehen, können pathogene Proteine spezifisch binden und inhibieren. Allerdings greifen diese Wirkstoffe am Ende der Produktionskette ein und nicht alle Proteine können adressiert werden. Im Gegensatz dazu könnte ein Eingriff auf der Ebene der Transkription oder Translation die Expression der pathogenen Proteine auf ein normales Maß senken oder ganz verhindern. Als entscheidende Regulatoren der Genexpression stellen Transkriptionsfaktoren (TFs) einen interessanten Angriffspunkt zur Kontrolle der Transkription dar. TFs können über den Kontakt zu weiteren Proteinen die RNA Polymerase II rekrutieren und so die Transkription starten. Für die Translation ist die Halbwertszeit der mRNA ein entscheidender Faktor. Die Lebensdauer wird durch eine Vielzahl an Proteinen und micro RNAs (miRNAs) reguliert. MiRNAs sind kurze Oligonukleotide, die in Argonautproteine eingebaut werden können. Die daraus resultierenden RNA-induced silencing complexes (RISCs) sind in der Lage, den Abbau der mRNA einzuleiten. Sowohl TFs als auch RISCs besitzen dabei Nukleinsäure-bindende Untereinheiten, die mit spezifische Sequenzen assoziieren. In gewisser Weise ist die molekulare Erkennung der Nukleinsäuren vergleichbar mit einer Postsendung, die aufgrund der Adresse korrekt zugestellt wird. Um in diesem Bild des täglichen Lebens zu bleiben: Bei einem Wechsel des Wohnorts ist es üblich, einen Nachsendeauftrag zu stellen. Dabei wird die alte Anschrift auf den Postsendungen mit einem neuen Adressetikett überklebt und die Zustellung erfolgt an den neuen Wohnort. Das zentrale Thema dieser Dissertation ist, dieses „Umetikettieren“ auch auf TFs und RISCs zu übertragen. Hierbei ist es notwendig, die Nukleinsäure-bindenden Untereinheiten der Komplexe, also die „alte Adresse“, vollständig zu blockieren und gleichzeitig eine hohe Affinität zu einer neuen Sequenz zu erzeugen. Hierzu könnten bifunktionale Adaptormoleküle verwendet werden. Die Adaptoren für die Rekrutierung von TFs müssen in der Lage sein, sowohl die doppelsträngige DNA (dsDNA) als auch einen TF zu binden (Abbildung I). Dabei sollte eine Selbstbindung des Adaptors vermieden werden. In dieser Arbeit wurde der TF Sp1 als Ziel gewählt, da er an GC-reiche dsDNAs bindet. Dies ermöglicht die Wahl einer AT- oder GA reichen DNA-Sequenz als Ziel der Umleitung, wodurch eine Selbstbindung des Adaptors minimiert werden sollte. Zur Erkennung der DNA war geplant, Pyrrol-Imidazol-Polyamide (PIPs), triplexbildende Oligonukleotide (TFOs) oder pseudokomplementäre PNAs einzusetzen. Für Letztere war es möglich, eine neue Syntheseroute zu einem Fmoc geschützten Thiouracil-Monomer zu entwerfen. Dabei konnte eine selektive Alkylierung an der N1-Position des Thiouracils durchgeführt werden. Auf Basis der PIPs und der TFOs wurden jeweils verschiedene Adaptoren entworfen, deren Bindung zu ihren Zielen mit Band-Shift-Experimenten und im Fall der PIPs zusätzlich mit fluoreszenzbasierten Pulldown-Experimenten gezeigt wurde. Im Rahmen dieser Versuche zeigte sich, dass die PIP-basierten Systeme deutlich besser an die Zielsequenzen banden als die TFO-basierten Adaptoren. Das Konjugat K5a besaß hierbei die besten Eigenschaften. Weiterhin konnte mit diesem Adaptor in Pulldown-Experimenten gezeigt werden, dass Sp1 auf eine nicht kanonische AT-reiche Bindestelle umgeleitet wurde. Im Anschluss konnte das Sp1 in Western-Blots detektiert werden. Des Weiteren ließ sich zeigen, dass K5a in einem HeLa Lysat über mehrere Stunden stabil war und somit eine Anwendung in Zellkulturexperimenten möglich sein sollte. Für die Rekrutierung der RISCs war lediglich eine Erkennung zweier einzelsträngiger RNA-Abschnitte notwendig. Hierzu wurden zwei LNAs oder LNA/DNA-Mixmere verwendet, die über einen Linker verknüpft waren (Abbildung I). Als Folge dieses Aufbaus mussten die beiden Adaptorhälften orthogonal sein, da eine Selbstbindung des Adaptors leichter als bei den TF-Adaptoren auftreten konnte. Diese Adaptoren wurden mit Band-Shift- und fluoreszenzbasierten Pulldown-Experimenten auf ihre Fähigkeit, eine Cy5-gelabelte miRNA auf eine Ziel-RNA umzuleiten, überprüft. Es konnte beobachtet werden, dass all-LNA Adaptoren sehr viele off-target-Effekt aufwiesen, welche die Umleitung von miRNAs verhinderte. Im Gegensatz dazu konnten mit DNA/LNA-Mixmeren eine vollständige Umleitung von miRNA-Modellen beobachtet werden. Es war ebenfalls möglich, spezifische RISCs aus HeLa-Lysaten mit unterschiedlichen Adaptoren in Pulldown-Experimenten zu isolieren und in nachfolgenden Western-Blots zu detektieren. Nachdem gezeigt war, dass eine Umleitung in vitro gelang, sollte die Funktion der Adaptoren in Zellkulturexperimenten geprüft werden. Allerdings konnten in diesen Versuchen keine eindeutigen Ergebnisse erhalten werden, sodass die biologische Relevanz der RISC-Umleitung bislang noch nicht bestätigt werden konnte.

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Enzyme Mimics Based on Guanidinocalix[4]arene/ Nanodiamond Hybrid Systems with Phosphodiesterase Activity

Vezzoni,

Casnati,

Orlanducci

et al. 2024

ChemCatChem

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Diamond nanoparticles are an extremely promising class of carbon‐based nanomaterials. Because of their versatility, they have an interest in a large variety of applications, however, their use in the fabrication of enzyme mimics was not previously investigated. In this study, we realized hybrid systems based on guanidinium derivatives and diamond nanoparticles by simple adsorption of the organic material on their surface. The guanidinium derivatives chosen for this study are calix[4]arenes, blocked in the cone conformation via functionalization at the lower rim with alkyl chains, and decorated with guanidinium or arginine units at the upper rim. The corresponding monofunctional counterparts were also investigated as model compounds. These materials were characterized with different experimental techniques, i.e. thermogravimetric analysis, dynamic light scattering, ζ‐potential measurements and IR/Raman spectroscopy. Their catalytic properties in the cleavage phosphodiesters were investigated by an in‐depth kinetic analysis. The whole experimental picture points to conclude that these compounds are stably adsorbed onto the nanodiamonds surface and are active in the transesterification reaction of the RNA model compound 2‐hydroxypropyl p‐nitrophenyl phosphate in water, with a notable advantage over their catalytic performances at the same concentration in solution.

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A Bis(guanidinium)alcohol Attached to a Hairpin Polyamide: Synthesis, DNA Binding, and Plasmid Cleavage

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An overview of recent advances in duplex DNA recognition by small molecules

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Adaptormoleküle zur Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren oder miRNAs an nicht native Bindestellen

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