The Theophylline Aptamer: 25 Years as an Important Tool in Cellular Engineering Research

Wrist, Alexandra; Sun, Wanqi; Summers, Ryan M.

doi:10.1021/acssynbio.9b00475

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“…In 1994, Jenison et al [28] used SELEX to isolate RNA molecules with high affinity for theophylline. From the pool of selected molecules, TCT8-4 RNA was truncated into the mTCT8-4 aptamer that is now simply referred to as the canonical theophylline aptamer [29]. This sequence shortening increased the affinity of the RNA for the drug, as the dissociation constant KD decreased from 0.6 to 0.1 μM [28].…”

Section: Theophylline Aptamersmentioning

confidence: 99%

Aptamers, Riboswitches, and Ribozymes in S. cerevisiae Synthetic Biology

Marchisio

2021

Life

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Among noncoding RNA sequences, riboswitches and ribozymes have attracted the attention of the synthetic biology community as circuit components for translation regulation. When fused to aptamer sequences, ribozymes and riboswitches are enabled to interact with chemicals. Therefore, protein synthesis can be controlled at the mRNA level without the need for transcription factors. Potentially, the use of chemical-responsive ribozymes/riboswitches would drastically simplify the design of genetic circuits. In this review, we describe synthetic RNA structures that have been used so far in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We present their interaction mode with different chemicals (e.g., theophylline and antibiotics) or proteins (such as the RNase III) and their recent employment into clustered regularly interspaced short palindromic repeats–CRISPR-associated protein 9 (CRISPR-Cas) systems. Particular attention is paid, throughout the whole paper, to their usage and performance into synthetic gene circuits.

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Section: Theophylline Aptamersmentioning

confidence: 99%

Aptamers, Riboswitches, and Ribozymes in S. cerevisiae Synthetic Biology

Marchisio

2021

Life

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“…The riboswitches used to control CRISPR/Cas9 systems in bacteria have been based mainly on the synthetic theophylline-specific aptamer. 29 This aptamer was used by Topp and coworkers to develop a set of six theophylline-inducible riboswitches (A-E + E*), widely applicable in different bacteria. 30 These riboswitches regulate the expression of a downstream gene at the translational level by blocking access to the mRNA's ribosome binding site (RBS) when no theophylline ligand is bound.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Inducible CRISPR/Cas9 allows for multiplexed and rapidly segregated single target genome editing in Synechocystis sp. PCC 6803

Cengic

Cañadas

Minton

et al. 2022

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Establishing various synthetic biology tools is crucial for the development of cyanobacteria for biotechnology use, especially tools that allow for precise and markerless genome editing in a time-efficient manner. Here we describe a riboswitch-inducible CRISPR/Cas9 system, contained on one single replicative vector, for the model cyanobacteria Synechocystis sp. PCC 6803. A theophylline-responsive riboswitch allowed tight control of Cas9 expression, which enabled reliable transformation of the CRISPR/Cas9 vector into Synechocystis. Induction of the CRISPR/Cas9 mediated various types of genomic edits, specifically deletions and insertions of varying size. The editing efficiency varied depending on the target and intended edit; smaller edits overall performed better, reaching e.g. 100% for insertion of a FLAG-tag onto rbcL. Importantly, the single-vector CRISPR/Cas9 system described herein was also shown to mediate multiplexed editing of up to three targets in parallel in Synechocystis. All single-target and several double-target mutants were also fully segregated after the first round of induction, adding to the usefulness of this system. Further, a vector curing system that is separately induced by nickel and contained on the CRISPR/Cas9 vector itself, improved curing efficiencies by roughly 4-fold, enabling the final mutants to become truly markerless.

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“…The theophylline aptamer as one of the most prominent examples, is able to discriminate between theophylline and caffeine by a 10 000-fold decrease in affinity, although the compounds only differ in one single methyl group. [109,110]…”

Section: Artificial Rna Aptamersmentioning

confidence: 99%

“…[123] Moreover, selfcleaving ribozymes were designed with various aptamer domains attached to the core structures of hammerhead ribozymes. [109,115] Hitherto, also RNA degradation and viral replication were successfully controlled by artificial riboswitches. [119] Despite the numerous implementations of engineered riboswitches, the criteria that make an artificial aptamer a functional in vivo riboswitch are still under debate.…”

Section: Engineered Riboswitchesmentioning

confidence: 99%

“…However, the targeted design of engineered riboswitches using artificial aptamers is still enormously challenging. [115,194] Only very few in vitro selected aptamers could be applied as functional riboswitches so far such as the Theo, [109] Neo, [111] TC [185,186,195] and the recently selected CFX [114] and paromomycin [113] aptamers.…”

Section: Regulatory Potentials Of Cfx-binding Aptamers (Reference [Iv])mentioning

confidence: 99%

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Photoresponsive systems for biomolecular applications

Kaiser¹

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In dieser Arbeit wird sowohl das Potenzial von molekularen Photoschaltern als lichtempfindliche Komponenten für photopharmakologische Anwendungen als auch das von künstlichen RNA-Aptameren als regulatorische Schalteinheiten für die Entwicklung von funktionellen Riboschaltern untersucht. Verschiedene wesentliche Aspekte beider Anwendungs-felder wurden eingehend einzeln untersucht und die beiden Schaltsysteme schließlich durch das Design eines synthetischen RNA-Aptamers kombiniert, dessen Ligandbindung durch licht-induzierte Isomerisierung seines Photoschalterliganden reguliert werden kann. Molekulare Photoschalter wie Azobenzole und Spiropyrane haben sich als vielversprechende photochemische Werkzeuge erwiesen, um lichtgesteuert reversible und biochemisch nutzbare Effekte erzeugen. Spiropyrane bergen aufgrund der drastischen Veränderungen ihrer molekularen Eigenschaften infolge der Photoisomerisierung zum Merocyanin (MC) ein enormes Anwendungs-potenzial. Von den hier untersuchten wasserlöslichen Pyridin- (Py-) und Nitro-BIPS-Derivaten zeigt insbesondere die Py-BIPS-Verbindung 2 ein außerordentlich vielseitiges Verhalten. Im Vergleich zu anderen Vertretern dieser Photoschalterklasse wird ein deutlich höherer MC-Anteil von etwa 50% thermisch innerhalb von wenigen Minuten akkumuliert. Durch lichtinduzierten Ringschluss zum reinen Spiropyran (SP) und thermische Wiederherstellung des Gleichgewichts, kann diese hohe Schaltamplitude über mehrere Zyklen ohne signifikante Zersetzung beibehalten werden. Der Einsatz von schädlichem UV-Licht kann somit vermieden werden, was zusätzlich sehr vorteilhaft für einen möglichen Einsatz in einem biochemischen Kontext ist. Verbindung 2 weist zudem mehrere Protonierungsstellen auf, die ihr in Abhängigkeit des pH-Wertes faszinierende photosaure Eigenschaften verleihen. Das einfach protonierte HMC Isomer ermöglicht eine lichtstimulierte reversible Kontrolle des pH-Wertes in einem Bereich von etwa 4,5 bis 7,5, mit möglichen pH-Sprüngen von bis zu 1,5 Einheiten. Durch transiente Absorptionsstudien wurde ein Mechanismus für die Protonenfreisetzung nachgewiesen, der lediglich auf der Veränderung des pKs-Wertes der N-protischen Position infolge des lichtinduzierten Ringschlusses beruht. Im Gegensatz dazu wird das phenolische Proton des doppelt protonierten HMCH Isomers innerhalb von 1-2 Pikosekunden nach Anregung aus dem angeregten Zustand an das Lösemittel übertragen. Durch eingehende Ultrakurzzeitmessungen der Freisetzung des phenolischen Protons, konnten die protonierten Spezies der Py- und Nitro-Merocyanine als Superphotosäuren etabliert werden. Sie können somit als ultraschnelle Auslöser für protonenvermittelte Prozesse eingesetzt werden, die zu den fundamentalsten Reaktionen in der Natur gehören. Was potenzielle pharmakologische Zielsysteme betrifft, so dürfte RNA eine große Zukunft bevorstehen, da sie einfach zu synthetisieren ist und Zugang zu verschiedenen Ebenen zellulärer Regulationsmechanismen bietet. Insbesondere RNA-Aptamere, die in der Lage sind, niedermolekulare Liganden mit außergewöhnlich hoher Affinität und Spezifität zu binden, sind für die Entwicklung von künstlichen Riboschaltern hoch interessant. Während künstliche Aptamere für beliebige Liganden durch einen in vitro Selektionsprozess generiert werden können, ist nicht zur Gänze geklärt warum nur wenige von ihnen als aktive in vivo Riboschalter funktionieren. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die Bedeutung der konformationellen Aptamerdynamik während der Ligandenbindung für das Regulationspotential. Die Mg2+-abhängigen Bindungsstudien des hochfunktionellen Tetrazyklin (TC) -Aptamers zeigen, dass zweiwertige Kationen nicht nur für die korrekte Vorfaltung des Aptamers wichtig sind, sondern auch an der Ligandenbindung und RNA-Strukturanpassung selbst beteiligt sein können. Nach der Assoziation von TC an die Bindungstasche pflanzt sich eine Konformationsanpassung zur entfernten Dreifachhelixregion fort, wo Mg2+ zusätzlich für die Ausbildung endgültig gebundenen Zustandes benötigt wird. Neben dem Einfluss von Mg2+, zeigen zeitaufgelöste Ligandenbindungsstudien von drei Ciprofloxacin (CFX) -Aptameren eine klare Korrelation zwischen der Kinetik des Struktur-anpassungsschrittes der RNA an den Liganden und dem beobachteten Regulationspotenzial in parallel durchgeführten in vivo Assays. Es wird geschlussfolgert, dass eine beschleunigte und irreversible RNA-Anpassung auf eine Konformationsänderung hindeutet, die ausgeprägt genug ist, um eine Aktivität als Riboschalter zu ermöglichen. Diese Erkenntnisse werden durch die berichteten Ligandenbindungskinetiken von anderen künstlichen Aptameren und auch von natürlichen Riboschaltern bestätigt und sollten weitreichende Implikationen für die Optimierung von Selektionsprotokollen für funktionelle Aptamere haben. Schließlich wird ein lichtempfindliches RNA-Aptamer vorgestellt, dessen Ligand auf dem Antibiotikum Chloramphenicol (Cm) basiert, welches synthetisch mit einem Azobenzolfragment versehen wurde (azoCm). Durch systematische Optimierung von in vitro Selektionsprotokollen und die erfolgreiche Implementierung eines Belichtungsschrittes zur Isomerisierung des Liganden konnten Aptamere erhalten werden, die spezifisch an die trans-Form von azoCm binden. Bindungsaffinitätsstudien bestätigen diese Selektivität und durch Zirkulardichroismusstudien konnte zudem eine lichtinduzierte reversible Dissoziation des von cis-azoCm gezeigt werden. Damit wird hier eine erfolgreiche Entwicklungsstrategie für lichtabhängige RNA-Aptamer – Ligandsysteme dargelegt, welche wiederum fundamental neuartige Ansätze für die Erschließung lichtstimulierter biologischer Regulationswege zugänglich machen.

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The Theophylline Aptamer: 25 Years as an Important Tool in Cellular Engineering Research

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