AG - Dr. rer. nat. János Ludwig

Dr. rer. nat. János Ludwig
Institut für Klinische Chemie und Klinische Pharmakologie
Universitätsklinikum Bonn
Biomedizinisches Zentrum
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53127 Bonn



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Forschungsthemen

Chemisch synthetisierte Oligoribonukleotide und Oligoribonukleotid-Analoga haben im letzten Jahrzehnten wesentlich zur Entwicklung von grundlegenden biomedizinischen Techniken wie RNA Interferenz, Aptamer- und Ribozym-Technologie beigetragen und ermöglichen auch neue  produktive Fragestellungen  im  Zusammenhang mit der  immunologische Erkennung von Nucleinsäuren.

Schwerpunkt der Nukleinsäuresynthese Gruppe am Institut für Klinische Chemie und Pharmakologie ist die Untersuchung der Wechselwirkung immunologischer Rezeptoren und deren Nukleinsäure-Liganden mit Hilfe von synthetischen Oligoribonukleotiden und Oligoribonukleotidderivaten.  Durch Substitution von Funktionsgruppen an definierten Ligandenpositionen, durch geeignete crosslinks und Derivatisierung mit spektroskopischen Markern werden in Kooperation mit biologischen Arbeitsgruppen in vitro Bindungsstudien und  in vivo Aktivitätsstudien durchgeführt  und die für die immunologische Erkennung wesentlichen strukturellen Eigenschaften aufgeklärt.

Als erstes Beispiel wurden effiziente Synthesemethoden für RIG-I  Liganden ausgearbeitet. RIG-I  --eines der wichtigsten zytosolischen Rezeptoren für virale RNA -- erkennt eine  Kombination aus virusspezifischen 5´-triphosphat-Gruppen und doppelstrang RNA  Strukturelementen. Leistungsfähige Synthesemethoden für die chemische Herstellung von 5´-triphosphorylierten Oligoribonukleotiden (Efficient Solid- Phase Synthesis of pppRNA by Using Product- Specific Labeling. Angewandte Chemie-International Edition. 2014;53(18):4694-4698) ermöglichten es uns , Struktur-Aktivitätsuntersuchungen von  RIG-I-Liganden unabhängig von T7 Polymerase-Nebenprodukten durchzuführen (Recognition of 5 ' Triphosphate by RIG-I Helicase Requires Short Blunt Double-Stranded RNA as Contained in Panhandle of Negative-Strand Virus. Immunity.2009;31(1):25-34)  und im  Zusamenarbeit mit Strukturbiologen am MSKCC als erstes die 3D Struktur vom RIG-I  C-terminalen Domain mit gebundenem 5´-triphosphorylierten RNA Duplex zu bestimmen . (Structural and functional insights into 5 '-ppp RNA pattern recognition by the innate immune receptor RIG-I. Nature Structural & Molecular Biology. 2010;17(7):781-719)

Diese Beiträge haben die Rolle der Triphosphategruppe für die RIG-I - Ligand Wechselwirkung geklärt, und öffneten damit den Weg  um weitere mechanistische Details der Liganden-induzierten RIG-I Aktivierung  besser zu verstehen und  selektive,  für den in vivo Einsatz optimierte Ligandenstrukturen zu entwickeln. Die von uns entwickelte  Synthesemethode  für  5´-triphosphorylierten Oligoribonukleotiden erlaubt die Herstellung von pppRNA Derivaten ökonomisch im grossem Masstab  (US patent 9,399,658) und ermöglicht pharmakologische Untersuchungen zur Erprobung von synthetischen  RIG-I Liganden für  tumortherapeutische Anwendungen.

Dei chemische Expertise der Synthesegruppe bildete die Grundlage für die Strukturaufklärung und strukturverifizierende Erstsynthese von 2´-5 cGAMP (cGAS produces a 2 '-5 '-linked cyclic dinucleotide second messenger that activates STING. (Nature. 2013;498(7454):380-384.) , ein Signalmolekül welches bei der zelluläre dsDNA erkennung eine Schlüsselrolle spielt. Die dabei gewonnne Erkentnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von synthetischen cGAMP Inhibitoren.

Die Synthesegruppe unterstützt mit problemorientierten Synthesen von Oligoribonukleotid-Analoga auch andere Projekte des Instituts. Für die synthetischen Arbeiten stehen ein gut eingerichtetes Nukleotidchemisches Labor, zwei Oligopilot  Syntheseautomaten sowie mehree ÄKTA HPLC Anlagen,  ein Waters Xevo TQ MALDI-TOF-Massenspektrometer zur Verfügung. Der Zugang zur NMR Analysen, wird durch Zusammenarbeit mit den chemischen Instituten der Universität Bonn und durch industrielle Kooperationspartner ermöglicht.

 

Mitarbeiter

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Dirk Radzey, Marion Goldeck, Dr. János Ludwig


 
 

Publikationen

1. Ludwig, J., A New Route To Nucleoside 5'-Triphosphates. Acta Biochimica Et Biophysica Hungarica, 1981.  (3-4): p. 131-133.

2. Ludwig, J. and J. Tomasz, Preparation Of 5-Fluoro-2'-Deoxyuridine and 5-Alkyl-2'-Deoxyuridine 5'-Phosphates free of 3'-Phosphates via Phosphorodiamidates. Synthesis-Stuttgart, 1982(1): p. 32-34.

3. Tomasz, J. and J. Ludwig, Instability of the Phosphodiester-Amide Interribonucleotide Bond in Neutral Aqueous-Solution. Nucleosides & Nucleotides, 1984. (1): p. 45-60.

4. Kariko, K. and J. Ludwig, N-Decyl-NHpppA2'P5'A2'P5'A a Phosphatase-Resistant, Active pppA2'P5'A2'P5'A Analog. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1985. (2): p. 695-698.

5. Ludwig, J., A Simple One Flask Synthesis of Nucleoside 5´-Triphosphates from Unprotected Nucleosides via Nucleoside 5´-Cyclotriphosphates in Biophosphates and Their Analogues; Synthesis, Metabolism and Activity1987, Elsevier (Amsterdam) p. 201-204

6. Tomasz, J., S. Bottka, and J. Ludwig, Adenosine Cyclic 3',5'-Phosphoramidate and N,N-Dimethylphosphoramidate - Synthesis via Symmetrical and Mixed Anhydrides and Hydrolysis. Phosphorus Sulfur and Silicon and the Related Elements, 1987. (3-4): p. 597-600.

7. Ludwig, J. and F. Eckstein, Rapid And Efficient Synthesis Of Nucleoside 5'-O-(1-Thiotriphosphates), 5'-Triphosphates And 2',3'-Cyclophosphorothioates Using 2-Chloro-4H-1,3,2-Benzodioxaphosphorin-4-One. Journal of Organic Chemistry, 1989. (3): p. 631-635.

8. Ludwig, J. and F. Eckstein, Stereospecific Synthesis Of Guanosine 5'-0-(1,2-Dithiotriphosphates). Journal of Organic Chemistry, 1991. (20): p. 5860-5865.

9. Ludwig, J. and F. Eckstein, Synthesis Of 5'-Dithiotriphosphate Derivatives Of 3'-Deoxy 3'-Azidothymidine. Nucleosides and Nucleotides, 1991. : p. 663-664.

10. Ludwig, J. and F. Eckstein, Synthesis Of Nucleoside 5'-O-(1,3-Dithiotriphosphates) And 5'-O-(1,1-Dithiotriphosphates). Journal of Organic Chemistry, 1991. (5): p. 1777-1783.

11. Benseler, F., D.J. Fu, J. Ludwig, and L.W. McLaughlin, Hammerhead-like Molecules containing Nonnucleoside Linkers are active RNA Catalysts. Journal of the American Chemical Society, 1993. (18): p. 8483-8484.

12. Aurup, H., T. Tuschl, F. Benseler, J. Ludwig, and F. Eckstein, Oligonucleotide Duplexes Containing 2'-Amino-2'-Deoxycytidines - Thermal-Stability and Chemical-Reactivity. Nucleic Acids Research, 1994. (1): p. 20-24.

13. Dunkel, M., V. Reither, S. Ebelwill, and J. Ludwig, Synthesis of 2'-C-Difluoromethyl substituted Nucleoside Analogs as Ribonucleoside Replacements in Hammerhead Ribozymes. Nucleosides & Nucleotides, 1995. : p. 799-801.

14. Desjardins, J.P., B.S. Sproat, B. Beijer, M. Blaschke, M. Dunkel, W. Gerdes, J. Ludwig, V. Reither, T. Rupp, and P.L. Iversen, Pharmacokinetics of a synthetic, chemically modified hammerhead ribozyme against the rat cytochrome P-450 3A2 mRNA after single intravenous injections. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics, 1996. (3): p. 1419-1427.

15. Ludwig, J., M. Blaschke, and B.S. Sproat, Extending the cleavage rules for the hammerhead ribozyme: mutating adenosine(15.1) to inosine(15.1) changes the cleavage site specificity from (NUH17)-U-16.2-H-16.1 to (NCH17)-C-16.2-H-16.1. Nucleic Acids Research, 1998. (10): p. 2279-2285.

16. Ludwig, J. and B.S. Sproat, Compositions inducing cleavage of RNA motifs. 1998. US 6,300,483

17. Ludwig, J., M. Blaschke, M. Dunkel, B. Beijer, K. Ross, and B.S. Sproat, Structural requirements at the 15.1-16.1 position of the hammerhead ribozyme. Nucleosides and Nucleotides, 1999. 18: p. 1519-1520.

18. Caselmann, W.H., M. Serwe, T. Lehmann, J. Ludwig, B.S. Sproat, and J.W. Engels, Design, delivery and efficacy testing to therapeutic nucleic acids used to inhibit hepatitis C virus gene expression in vitro and in vivo. World Journal of Gastroenterology, 2000. 6(5): p. 626-629.

19. Eckstein, F., J. Ludwig, and L. Beigelman, Nucleic Acid Catalyst with Endonuclease Activity 2000. US 6,656,731

20. Salmi, P., B.S. Sproat, J. Ludwig, R. Hale, N. Avery, J. Kela, and C. Wahlestedt, Dopamine D-2 receptor ribozyme inhibits quinpirole-induced stereotypy in rats. European Journal of Pharmacology, 2000. 388(1): p. R1-R2.

21. Li, P., Z.H. Xu, H.Y. Liu, C.K. Wennefors, M.I. Dobrikov, J. Ludwig, and B.R. Shaw, Synthesis of alpha-P-modified nucleoside Diphosphates with ethylenediamine. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(48): p. 16782-16783.

22. Gonzalez-Carmona, M.A., S. Schussler, M. Serwe, M. Alt, J. Ludwig, B.S. Sproat, R. Steigerwald, P. Hoffmann, M. Quasdorff, O. Schildgen, and W.H. Caselmann, Hammerhead ribozymes with cleavage site specificity for NUH and NCH display significant anti-hepatitis C viral effect in vitro and in recombinant HepG2 and CCL13 cells. Journal of Hepatology, 2006. 44(6): p. 1017-1025.

23. Tuschl, T., P. Landgraf, J. Ludwig, M. Landthaler, C. Sander, and M. Zavolan, Mechanisms of small RNA mediated mammalian gene silencing. Faseb Journal 2007. 21: p. A149-A149.

24. Hafner, M., P. Landgraf, J. Ludwig, A. Rice, T. Ojo, C. Lin, D. Holoch, C. Lim, and T. Tuschl, Identification of microRNAs and other small regulatory RNAs using cDNA library sequencing. Methods, 2008. 44(1): p. 3-12.

25. Kariko, K., H. Muramatsu, F.A. Welsh, J. Ludwig, H. Kato, S. Akira, and D. Weissman, Incorporation of Pseudouridine Into mRNA Yields Superior Nonimmunogenic Vector With Increased Translational Capacity and Biological Stability. Molecular Therapy, 2008. (11): p. 1833-1840.

26. Tuschl, T., J. Ludwig, Y. Pei, and C. Lin, Modified RNA Ligase for efficient 3´modification of RNA. 2008. WO 2008/094599.

27. Coch, C., N. Busch, V. Wimmenauer, E. Hartmann, M. Janke, M.M.A. Abdel-Mottaleb, A. Lamprecht, J. Ludwig, W. Barchet, M. Schlee, and G. Hartmann, Higher activation of TLR9 in plasmacytoid dendritic cells by microbial DNA compared with self-DNA based on CpG-specific recognition of phosphodiester DNA. Journal of Leukocyte Biology, 2009. 86(3): p. 663-670.

28. Pena, J.T.G., C. Sohn-Lee, S.H. Rouhanifard, J. Ludwig, M. Hafner, A. Mihailovic, C. Lim, D. Holoch, P. Berninger, M. Zavolan, and T. Tuschl, miRNA in situ hybridization in formaldehyde and EDC-fixed tissues. Nature Methods, 2009. 6(2): p. 139-141.

29. Schlee, M., A. Roth, V. Hornung, C.A. Hagmann, V. Wimmenauer, W. Barchet, C. Coch, M. Janke, A. Mihailovic, G. Wardle, S. Juranek, H. Kato, T. Kawai, H. Poeck, K.A. Fitzgerald, O. Takeuchi, S. Akira, T. Tuschl, E. Latz, J. Ludwig, and G. Hartmann, Recognition of 5 ' Triphosphate by RIG-I Helicase Requires Short Blunt Double-Stranded RNA as Contained in Panhandle of Negative-Strand Virus. Immunity, 2009. 31(1): p. 25-34.

30. Wang, Y., J. Ludwig, C. Schuberth, M. Goldeck, M. Schlee, H. Li, S. Juranek, G. Sheng, R. Micura, T. Tuschl, G. Hartmann, and D.J. Patel, Structural and functional insights into 5 '-ppp RNA pattern recognition by the innate immune receptor RIG-I. Nature Structural & Molecular Biology, 2010. (7): p. 781-U19.

31. Goldeck, M., C. Schuberth, M. Schlee, G. Hartmann, and J. Ludwig, Influence of the Terminal Base Pairs of 5'-ppp-RNA on RIG-I Ligand Activity. Nucleic Acid Therapeutics, 2011. 21(5): p. A8-A9.

32. Hafner, M., N. Renwick, M. Brown, A. Mihailovic, D. Holoch, C. Lin, J.T.G. Pena, J.D. Nusbaum, P. Morozov, J. Ludwig, T. Ojo, S. Luo, G. Schroth, and T. Tuschl, RNA-ligase-dependent biases in miRNA representation in deep-sequenced small RNA cDNA libraries. Rna-a Publication of the Rna Society, 2011. (9): p. 1697-1712.

33. Kariko, K., H. Muramatsu, J. Ludwig, and D. Weissman, Generating the optimal mRNA for therapy: HPLC purification eliminates immune activation and improves translation of nucleoside-modified, protein-encoding mRNA. Nucleic Acids Research, 2011. 39(21).

34. Schuberth, C., J. Ludwig, A.M. Herzner, T. Zillinger, R. Kerber, M. Goldeck, C. Coch, V. Hornung, C. Drosten, W. Barchet, B.M. Kuemmerer, G. Hartmann, and M. Schlee, mRNA Cap 2 ' O-Methylation prevents Immune Recognition of Self-RNA by RIG-I. Nucleic Acid Therapeutics, 2011. 21(5): p. A25-A25.

35. Ludwig, J., M. Goldeck, and B.S. Sproat, Purification of Triphosphorylated Oligonucleotides using Capture Tags. 2012. WO2012/130886.

36. Schlee, M., J. Ludwig, C. Coch, J.G. van den Boorn, W. Barchet, and G. Hartmann, Synthetic and Natural Ligands of RLR, in Nucleic Acids Sensors and Antiviral Immunity 2012, Landes Bioscience. p. 198-217.

37. Ablasser, A., M. Goldeck, T. Cavlar, T. Deimling, G. Witte, I. Rohl, K.P. Hopfner, J. Ludwig, and V. Hornung, cGAS produces a 2'-5'-linked cyclic dinucleotide second messenger that activates STING. Nature, 2013. 498(7454): p. 380-4.

38. Goldeck, M., Tuschl, T., Hartmann, G. and Ludwig, J. Efficient Solid-Phase Synthesis of pppRNA by Using Product-Specific Labeling. Angew Chem Int Ed Engl. 2014. 53 p. 4694-4698 (Angew Chem 2014. 126 p. 4782-4786).

39.  Goubau, D., Schlee, M., Deddouche, S., Pruijssers, A.J., Zillinger, T., Goldeck, M., Schuberth, C., Van der Veen, A.G., Fujimura, T., Rehwinkel, J., Iskarpatyoti, J.A., Barchet, W., Ludwig, J., Dermody, T.S., Hartmann, G. and Reis e Sousa, C. Antiviral immunity via RIG-I-mediated recognition of RNA bearing 5'-diphosphates. Nature. 2014 Oct 16; 514 (7522): p. 372-5.

 
 

Stand: 24. September 2018