Project

Discipline

antiviral drugs; G-quadruplex; i-motif; nucleic acids; developmental biology; organic chemistry; virology; nucleosides; cell biology; fluorescent probes

Lead
Sonden mit fluoreszierende Eigenschaften ermöglichen es Faltung, Funktion und Lokalisierung von Biomolekülen zu untersuchen. Um wichtige Fragen der Entwicklungsbiologie und Virologie klären zu können, basiert dieses Projekt auf der Synthese und Evaluation neuer fluoreszierender Marker. Diese sollen genutzt werden, um die Struktur, die Funktion und den Fluss von Nukleinsäuren in vivo zu charakterisieren.
Lay summary
Das Ziel ist die Entwicklung neuartiger DNA Marker, um grundlegende, bislang ungeklärte biologische Fragstellungen wie beispielsweise die „Immortal Strand“ Hypothese zu  untersuchen, welche erstmals im Jahre 1975 von Cairns aufgestellt wurde. Diese Theorie besagt, dass Stammzellen Mutationen in ihrem Genom minimieren können, indem sie ihre DNA asymmetisch verteilen.Durch die Bewahrung dieser sogenannten „Ur-DNA“ könnte ein kleiner Teil der Stammzellpopulation über eine ursprüngliche Kopie dieses codogener Strangs verfügen, der dadurch von Mutationsanreicherung durch DNA Replikation geschützt ist. Unser Ziel ist es, diese Hypothese mit Hilfe von DNA Markern neu zu evaluieren. Diese würden es erlauben, den Fluss und das Verbleiben der embryonaler Chromosomen in vivo zu detektieren. Stammzellen, die kontinuierlich replizieren, aber ein kompletes Set an Chromosomen mit genau 50 % der embryonalen Marker besitzen, wären ein direkter Beweis für die Theorie von Cairns. Sollte sich diese Hypothese bewahrheiten, könnte unsere Methode die erste universelle Technik zur Lokalisierung von Stammzellen im gesamten Modellorganismus sein.   Dies würde das Verständniss der Stammzellbiologie fördern und könnte die Entwicklung neuer medizinischer Behandlungsmethoden gegen Krebs, Diabetes, Parkinson oder vielen anderen Krankheiten erleichtern.       Des Weiteren arbeiten wir auch an neuen Vernetzungs- und Einfang Techniken, die eine eindeutige Charakterisierung markierter Nukleinsäuren und deren assozierten Proteine erlauben sollen. Beispielsweise könnte mit Hilfe von chemisch gekennzeichneten Virusgenomen ein Katalog von zellulären Faktoren erstellt werden, welche mit dem viralen Genom während der frühen und späten Phase der Herpes Virus Replikation interagieren. Diese Studien würden neues Licht in den Bereich der Virus-Wirt Interaktionen bringen und könnten neue Möglichkeiten therapeutischer Ansätze eröffnen.

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Last update: 27.03.2013

Active participation

Self-organised

Communication	Title	Media	Place	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

As compared to the extensive methodologies developed for proteins, relatively few imaging techniques are available for nucleic acids - all of which are limited by their low sensitivity to alternatively folded structures, large perturbations to native systems, and/or inability to be applied in unmodified cells and organisms. To address unresolved questions in developmental biology and virology, we propose the synthesis and evaluation of new fluorescent probes for characterizing the structure, function, and flow of nucleic acids in vivo. In this proposal, synthetic nucleosides are used to deliver bioorthogonal functional groups (azide, alkyne, vinyl, or aryl halide) into cellular or viral genomes by metabolic incorporation. Subsequent bioorthogonal chemical reactions will be used to further modify the DNA to introduce fluorophores, affinity tags, and/or photocrosslinking groups. In addition to the development of these chemical tools, we propose important biological experiments that have been difficult or even impossible to accomplish using existing technologies, for example: (1) Azide-alkyne “click” reactions that furnish highly fluorescent nucleobase analogs will be used in FRET experiments to probe for non-canonical DNA structures like G-quadruplexes in vivo. (2) Modified nucleosides that exhibit non-toxic labeling of cellular genomes will be used in DNA “birth dating” experiments to evaluate the controversial “immortal DNA strand” hypothesis in Zebrafish. (3) Virus-specific genomic labeling will be conducted using modified nucleotides that are incorporated into virus genomes by error-prone viral polymerases, but rejected by high-fidelity cellular polymerases. This way, the newly synthesized viruses can be selectively labeled and visualized in whole animals without the need for specific antibodies or genetically modified viruses. In addition to visualization, we also propose new crosslinking and capture techniques that will enable unambiguous characterization of the labeled nucleic acids and their associated proteins. By using purified viruses that contain chemically-labeled genomes to infect cells, we will generate a catalog of all cellular factors that interact with the viral genomes during early- and late-phase herpes virus replication. Together these studies will shed new light on virus-host interactions, and may reveal new opportunities for therapeutic intervention.