The Advantages Of Paramagnetic NMR

In der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) treten drei Effekte auf, die paramagnetische und diamagnetische Moleküle in isotroper Lösung unterscheiden: residuale dipolare Kopplung (RDC), Pseudokontaktverschiebung (PCS) und paramagnetische Relaxationsverstärkung (PRE). Alle drei Effekte sind abhängig von intermolekularen Winkeln und Abständen und können daher Informationen über die Struktur und Dynamik des Moleküls liefern. Um diese Informationen zu erhalten, muss das Molekül paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine der heutzutage gebräuchlichen Methoden verwendet kleine molekulare Tags, die paramagnetische Metallionen koordinieren. Die meisten dieser Tags binden über eine Disulfidbrücke an Cysteine an der Proteinoberfläche. Um diese Methode für DNA anzuwenden werden daher neue Taggingstrategien benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, mit der ein Schwefelatom in die DNA eingebracht werden kann. Diese Methode erlaubt es, jeden Tag an die DNA zu binden, der als Verbindungsmethode eine Disulfidbrücke nutzt. Mit der Nukleobase wird eine Kohlenstoff-Dreifachbindung in die DNA eingefügt und mit Hilfe einer dipolaren Cycloaddition wird die freie Thiolgruppe eingebracht. Die modifizierte Nukleobase wurde erfolgreich an einem selbstkomplementären DNA-Strang (24 Nukleobasen) getestet. Die Nukleobase wurde während der Synthese der DNA eingefügt und der mit Lutetium, Terbium oder Thulium vorbeladene Cys-Ph-TAHA Tag wurde über eine Disulfidbrücke an die DNA gebunden. Die Beladung des Tags und die Taggingreaktion verliefen hierbei quantitativ. Nach diesem Erfolg war es ein Hauptaspekt dieser Arbeit, eine verlässliche und reproduzierbare Aufreinigungs- und Probenvorbereitungsmethode zu entwickeln. Diesem Punkt kommt besondere Bedeutung zu, da das Phosphatrückgrat der DNA, im Gegensatz zu Proteinen, Metallionen koordinieren kann. Im Theorieteil dieser Arbeit ist eine komplette Herleitung der drei Hauptmerkmale paramagnetischer NMR gegeben. Diese Herleitung beginnt bei Grundbegriffen des Magnetismus und neben den Gleichungen für RDCs, PCSs und PREs werden Ausdrücke für den dipolaren Hamiltonoperator, Kreuzrelaxationsraten, kreuzkorrelierte Relaxationsraten, durch Alignment induzierte RDCs, Korrelationsfunktionen und spektrale Dichten gegeben. Das zweite Thema dieser Arbeit basiert auf einem weiteren paramagnetischen Effekt. Um der reduzierten Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie verglichen mit anderen Spektroskopiemethoden entgegenzuwirken, wurden viele Methoden entwickelt, die auf eine Erhöhung der Polarisierung der Atomkerne zielen, d.h. um sogenannte hyperpolarisierte Kerne zu erzeugen. Eine dieser Methoden, die photochemisch erzeugte dynamische Kernpolarisierung (photo CIDNP), basiert auf kurzlebigen Radikalen, die durch direkte Laserbestrahlung der Probe im Magneten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein photo CIDNP Aufbau entworfen, gebaut und getestet. Die ersten Experimente und Resultate mit Triethylendiamin, L-Tyrosin und 3-Fluor-L-tyrosin zeigen die Vorteile und Grenzen dieser Methode auf. Für 3-Fluor-L-tyrosin wurde eine komplette Analyse des Relaxationsverhaltens, einschließlich der Kreuzrelaxation und der kreuzkorrelierten Relaxation, durchgeführt

Linking the Epigenome to the Genome: Correlation of Different Features to DNA Methylation of CpG Islands

DNA methylation of CpG islands plays a crucial role in the regulation of gene expression. More than half of all human promoters contain CpG islands with a tissue-specific methylation pattern in differentiated cells. Still today, the whole process of how DNA methyltransferases determine which region should be methylated is not completely revealed. There are many hypotheses of which genomic features are correlated to the epigenome that have not yet been evaluated. Furthermore, many explorative approaches of measuring DNA methylation are limited to a subset of the genome and thus, cannot be employed, e.g., for genome-wide biomarker prediction methods. In this study, we evaluated the correlation of genetic, epigenetic and hypothesis-driven features to DNA methylation of CpG islands. To this end, various binary classifiers were trained and evaluated by cross-validation on a dataset comprising DNA methylation data for 190 CpG islands in HEPG2, HEK293, fibroblasts and leukocytes. We achieved an accuracy of up to 91% with an MCC of 0.8 using ten-fold cross-validation and ten repetitions. With these models, we extended the existing dataset to the whole genome and thus, predicted the methylation landscape for the given cell types. The method used for these predictions is also validated on another external whole-genome dataset. Our results reveal features correlated to DNA methylation and confirm or disprove various hypotheses of DNA methylation related features. This study confirms correlations between DNA methylation and histone modifications, DNA structure, DNA sequence, genomic attributes and CpG island properties. Furthermore, the method has been validated on a genome-wide dataset from the ENCODE consortium. The developed software, as well as the predicted datasets and a web-service to compare methylation states of CpG islands are available at http://www.cogsys.cs.uni-tuebingen.de/software/dna-methylation/