Треозо-нуклеиновая кислота

Нуклеиновая кислота треозы ( TNA ) представляет собой искусственный генетический полимер , в котором природный пятиуглеродный сахар рибозы, содержащийся в РНК, заменен неестественным четырехуглеродным сахаром треозы . ^[1] Изобретён Альбертом Эшенмозером в рамках его поисков по изучению химической этиологии РНК. ^[2] TNA стал важным синтетическим генетическим полимером ( XNA ) благодаря своей способности эффективно образовывать пары оснований с комплементарными последовательностями ДНК и РНК. ^[1] Основное различие между TNA и ДНК/РНК заключается в их основах. Фосфатные цепи ДНК и РНК присоединены к 5'-углероду сахарного кольца дезоксирибозы или рибозы соответственно. С другой стороны, TNA имеет фосфатный остов, непосредственно присоединенный к 3'-углероду в кольце, поскольку у него нет 5'-углерода. Эта модифицированная основа ^[3] делает TNA, в отличие от ДНК и РНК, полностью невосприимчивым к расщеплению нуклеазой , что делает его многообещающим аналогом нуклеиновой кислоты для терапевтических и диагностических применений. ^[4]

Олигонуклеотиды TNA были впервые созданы путем автоматического твердофазного синтеза с использованием химии фосфорамидитов. Методы химического синтеза мономеров TNA (фосфорамидитов и нуклеозидтрифосфатов) были в значительной степени оптимизированы для поддержки проектов синтетической биологии, направленных на продвижение исследований TNA. ^[5] Совсем недавно усилия в области полимеразной инженерии выявили TNA- полимеразы , которые могут копировать генетическую информацию туда и обратно между ДНК и TNA. ^[6]^[7] Репликация TNA происходит посредством процесса, имитирующего репликацию РНК. В этих системах TNA обратно транскрибируется в ДНК, ДНК амплифицируется с помощью полимеразной цепной реакции , а затем прямо транскрибируется обратно в TNA.

Доступность TNA-полимераз позволила in vitro выбрать биологически стабильные аптамеры TNA как к малым молекулам, так и к белкам-мишеням. ^[8]^[9]^[10] Подобные эксперименты демонстрируют, что свойства наследственности и эволюции не ограничиваются природными генетическими полимерами ДНК и РНК. ^[11] Высокая биологическая стабильность TNA по сравнению с другими системами нуклеиновых кислот, способными претерпевать дарвиновскую эволюцию, позволяет предположить, что TNA является сильным кандидатом на разработку терапевтических аптамеров следующего поколения.

Механизм синтеза TNA с помощью созданной в лаборатории TNA-полимеразы был изучен с помощью рентгеновской кристаллографии, чтобы выявить пять основных этапов добавления нуклеотидов. ^[12] Эти структуры демонстрируют несовершенное распознавание поступающего нуклеотид-трифосфата TNA и подтверждают необходимость дальнейших экспериментов по направленной эволюции для создания TNA-полимераз с улучшенной активностью. Бинарная структура обратной транскриптазы TNA также была расшифрована с помощью рентгеновской кристаллографии, что показало важность структурной пластичности как возможного механизма распознавания матрицы. ^[13]

Система пре-ДНК

Джон Чапут, профессор кафедры фармацевтических наук Калифорнийского университета в Ирвайне , предположил, что вопросы, касающиеся пребиотического синтеза рибозных сахаров и неферментативной репликации РНК, могут предоставить косвенные доказательства того, что более ранняя генетическая система легче вырабатывается. в примитивных земных условиях.{{subst: cn }} TNA могла быть ранней генетической системой и предшественником РНК. ^[14] TNA проще, чем РНК, и может быть синтезирован из одного исходного материала. TNA способен передавать информацию туда и обратно с помощью РНК и своих цепей, которые комплементарны РНК. Было показано, что TNA сворачивается в третичные структуры с дискретными свойствами связывания лигандов. ^[8]

Коммерческие приложения

Хотя исследования TNA все еще находятся в зачаточном состоянии, практическое применение уже очевидно. Его способность претерпевать дарвиновскую эволюцию в сочетании с устойчивостью к нуклеазам делает TNA многообещающим кандидатом для разработки диагностических и терапевтических приложений, требующих высокой биологической стабильности. Это будет включать в себя эволюцию аптамеров TNA, которые могут связываться с конкретными небольшими молекулами и белками-мишенями, а также разработку ферментов TNA (треозимов), которые могут катализировать химическую реакцию. Кроме того, TNA является многообещающим кандидатом для РНК-терапии, включающей технологию подавления генов. Например, TNA оценивался в модельной системе антисмысловой технологии. ^[15]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Шенинг, К.У. и др. Химическая этиология структуры нуклеиновых кислот: система a-треофуранозил-(3'-->2') олигонуклеотидов. Наука 290 , 1347-1351, (2000)
^ Эшенмозер, А. Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты. Science 284 , 2118-2124, (1999).
^ Данн, Мэтью Р.; Ларсен, Эндрю С.; Захуранчик, Уолтер Дж.; Фахми, Нур Эддин; Мейерс, Мэдлин; Суо, Зукай; Чапут, Джон К. (01 апреля 2015 г.). «Опосредованный ДНК-полимеразой синтез несмещенных полимеров треозо-нуклеиновой кислоты (TNA) требует 7-деазагуанина для подавления неправильного спаривания G:G во время транскрипции TNA» . Журнал Американского химического общества . 137 (12): 4014–4017. дои : 10.1021/ja511481n . ISSN 0002-7863 .
^ Калбертсон, MC и др. Оценка стабильности TNA в моделируемых физиологических условиях. Биоорг. Мед. хим. Летт. 26 , 2418-2421, (2016).
^ Сау, С.П., Фахми, Н.Е., Ляо, Ж.-Ю., Бала, С. и Чапут, Дж.К. Масштабируемый синтез мономеров нуклеиновой кислоты α-L-треозы. Дж. Орг. хим. 81 , 2302-2307, (2016).
^ Ларсен, AC и др. Общая стратегия расширения функции полимеразы с помощью капельной микрофлюидики. Нат. Коммун. 7 , 11235, (2016).
^ Никуманзар А., Вальехо Д. и Чапут Дж. К. Выяснение детерминант специфичности полимеразы с помощью глубокого мутационного сканирования на основе микрофлюидики. АКС Синтез. Биол. 8 , 1421–1429, (2019).
^ Перейти обратно: ^а ^б Ю, Х., Чжан, С. и Чапут, Дж. К. Дарвиновская эволюция альтернативной генетической системы обеспечивает поддержку TNA как предшественника РНК. Нат. хим. 4 , 183-187 (2012).
^ Мэй, Х. и др. Синтез и эволюция аптамера треозонуклеиновой кислоты, несущего 7-деаза-7-замещенные остатки гуанозина. Дж. Ам. хим. Соц. 140 , 5706-5713, (2018).
^ Рангел, А.Е., Чен, З., Айеле, Т.М. и Хемстра, Дж.М. Выбор in vitro аптамера XNA, способного к распознаванию малых молекул. Нуклеиновые кислоты Рез. 46 , 8057-8068, (2018).
^ Пиньейро, В.Б. и др. Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции. Наука 336 , 341–344, (2012).
^ Чим, Н., Ши, К., Сау, С.П., Никуманзар, А. и Чапут, Дж.К. Структурная основа синтеза TNA с помощью сконструированной TNA-полимеразы. Нат. Коммун. 8 1810 г. (2017).
^ Джексон, Л.Н., Чим, Н., Ши, К. и Чапут, Дж.К. Кристаллические структуры природной ДНК-полимеразы, которая функционирует как обратная транскриптаза XNA. Нуклеиновые кислоты Рез. , (2019).
^ Оргель, Л.Е. Более простая нуклеиновая кислота. Science 290 , 1306–1307, (2000).
^ Лю, Л.С. и др. Нуклеиновые кислоты альфа-l-треозы как биосовместимые антисмысловые олигонуклеотиды для подавления экспрессии генов в живых клетках. ACS Appl Mater Interfaces 10 , 9736-9743, (2018).

Дальнейшее чтение

Оргель Л. (ноябрь 2000 г.). «Происхождение жизни. Простейшая нуклеиновая кислота». Наука . 290 (5495): 1306–7. дои : 10.1126/science.290.5495.1306 . ПМИД 11185405 . S2CID 83662769 .
Ичида, Джастин К.; Цзоу, Кейонг; Хорхота, Аллен; Ю, Бяо; Маклафлин, Ларри В.; Шостак, Джек В. (2005). «Система отбора TNA in vitro» . Журнал Американского химического общества . 127 (9): 2802–2803. дои : 10.1021/ja045364w . ПМК 5072288 . ПМИД 15740086 . Эта работа описана в: Ватт, Грегори (февраль 2005 г.). «Модифицированные нуклеиновые кислоты на витрине» . Химическая биология природы . Архивировано из оригинала 4 сентября 2012 года . Проверено 21 апреля 2006 г.
Шенинг К., Шольц П., Гунта С., Ву X, Кришнамурти Р., Эшенмозер А. (ноябрь 2000 г.). «Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты: система альфа-треофуранозил-(3'-->2') олигонуклеотидов». Наука . 290 (5495): 1347–51. Бибкод : 2000Sci...290.1347S . дои : 10.1126/science.290.5495.1347 . ПМИД 11082060 .

Внешние ссылки

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Шенинг, К.У. и др. Химическая этиология структуры нуклеиновых кислот: система a-треофуранозил-(3'-->2') олигонуклеотидов. Наука 290 , 1347-1351, (2000)

[2] Эшенмозер, А. Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты. Science 284 , 2118-2124, (1999).

[3] Данн, Мэтью Р.; Ларсен, Эндрю С.; Захуранчик, Уолтер Дж.; Фахми, Нур Эддин; Мейерс, Мэдлин; Суо, Зукай; Чапут, Джон К. (01 апреля 2015 г.). «Опосредованный ДНК-полимеразой синтез несмещенных полимеров треозо-нуклеиновой кислоты (TNA) требует 7-деазагуанина для подавления неправильного спаривания G:G во время транскрипции TNA» . Журнал Американского химического общества . 137 (12): 4014–4017. дои : 10.1021/ja511481n . ISSN 0002-7863 .

[4] Калбертсон, MC и др. Оценка стабильности TNA в моделируемых физиологических условиях. Биоорг. Мед. хим. Летт. 26 , 2418-2421, (2016).

[5] Сау, С.П., Фахми, Н.Е., Ляо, Ж.-Ю., Бала, С. и Чапут, Дж.К. Масштабируемый синтез мономеров нуклеиновой кислоты α-L-треозы. Дж. Орг. хим. 81 , 2302-2307, (2016).

[6] Ларсен, AC и др. Общая стратегия расширения функции полимеразы с помощью капельной микрофлюидики. Нат. Коммун. 7 , 11235, (2016).

[7] Никуманзар А., Вальехо Д. и Чапут Дж. К. Выяснение детерминант специфичности полимеразы с помощью глубокого мутационного сканирования на основе микрофлюидики. АКС Синтез. Биол. 8 , 1421–1429, (2019).

[:1-8] Перейти обратно: ^а ^б Ю, Х., Чжан, С. и Чапут, Дж. К. Дарвиновская эволюция альтернативной генетической системы обеспечивает поддержку TNA как предшественника РНК. Нат. хим. 4 , 183-187 (2012).

[9] Мэй, Х. и др. Синтез и эволюция аптамера треозонуклеиновой кислоты, несущего 7-деаза-7-замещенные остатки гуанозина. Дж. Ам. хим. Соц. 140 , 5706-5713, (2018).

[10] Рангел, А.Е., Чен, З., Айеле, Т.М. и Хемстра, Дж.М. Выбор in vitro аптамера XNA, способного к распознаванию малых молекул. Нуклеиновые кислоты Рез. 46 , 8057-8068, (2018).

[11] Пиньейро, В.Б. и др. Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции. Наука 336 , 341–344, (2012).

[12] Чим, Н., Ши, К., Сау, С.П., Никуманзар, А. и Чапут, Дж.К. Структурная основа синтеза TNA с помощью сконструированной TNA-полимеразы. Нат. Коммун. 8 1810 г. (2017).

[13] Джексон, Л.Н., Чим, Н., Ши, К. и Чапут, Дж.К. Кристаллические структуры природной ДНК-полимеразы, которая функционирует как обратная транскриптаза XNA. Нуклеиновые кислоты Рез. , (2019).

[14] Оргель, Л.Е. Более простая нуклеиновая кислота. Science 290 , 1306–1307, (2000).

[15] Лю, Л.С. и др. Нуклеиновые кислоты альфа-l-треозы как биосовместимые антисмысловые олигонуклеотиды для подавления экспрессии генов в живых клетках. ACS Appl Mater Interfaces 10 , 9736-9743, (2018).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]