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O protocolo aqui descrito visa explicar e resumir os numerosos obstáculos no caminho da rota intrincada levando a trifosfatos de nucleosídeos modificados. Consequentemente, este protocolo facilita tanto a síntese desses blocos de construção ativados e sua disponibilidade para aplicações práticas.
A estratégia tradicional para a introdução de funcionalidades químicas é a utilização de síntese em fase sólida, anexando precursores fosforamideto adequadamente modificados para a cadeia nascente. No entanto, nas condições utilizadas durante a sintese e a restrição de sequências curtas em vez dificultar a aplicabilidade desta metodologia. Por outro lado, trifosfatos de nucleósidos modificados são activados os blocos de construção que têm sido empregues para a introdução suave de numerosos grupos funcionais nos ácidos nucleicos, uma estratégia que abre o caminho para a utilização de ácidos nucleicos modificados numa paleta ampla de aplicações práticas como marcação funcional e geração de ribozimas e DNAzymes. Um dos maiores desafios reside na complexidade da metodologia conduz ao isolamento e caracterização destes análogos de nucleósidos.
Neste artigo de vídeo, que apresentam um protocolo detalhado para a síntese de these análogos modificados utilizando reagentes baseados em fósforo (III). Além disso, o procedimento para a sua caracterização bioquímica é divulgada, com uma ênfase especial em reações de extensão de primers e polimerização tailing TdT. Este protocolo detalhado será de uso para a elaboração de dNTPs modificados e seu posterior uso em biologia química.
Trifosfato 5'-nucleosídeos ((d) PNT) representam uma classe de biomoléculas vitais que estão envolvidos em inúmeros processos e funções que vão desde a ser a moeda universal de energia para os reguladores do metabolismo celular. Em adição ao seu papel nestas transformações biológicas fundamentais, os seus homólogos modificados têm avançado como uma plataforma versátil e leve para a introdução de grupos funcionais em oligonucleótidos, uma metodologia bem que complementa a síntese em fase sólida automatizada, que é normalmente aplicada 1,2. De fato, desde que os (d) PNT pode atuar como substratos para RNA e DNA polimerases 3, uma grande variedade de grupos funcionais, incluindo aminoácidos 4-13, ácidos borónico 14,15, nornbornene 16, resíduos diamantóides-17, como cadeias laterais de organocatálise 18, ácidos biliares, e até 19 oligonucleótidos 20 pode ser introduzido em oligonucleótidos.
_content "> Além de representar um vetor conveniente para a funcionalização de ácidos nucleicos, dNTPs modificados podem ser envolvidos em SELEX e outros métodos combinatórios relacionados de seleção in vitro para a geração de ácidos nucleicos catalíticos modificados 21-30 e aptâmeros para diversas aplicações práticas 10, 31-36. As cadeias laterais adicionais que são introduzidos através da polimerização dos dNTP modificados são pensados para aumentar o espaço químico que pode ser explorada durante uma experiência de selecção e completar o arsenal funcional bastante pobre de ácidos nucleicos 37. No entanto, apesar destas características atraentes e os recentes progressos realizados no desenvolvimento de ambos sintéticos e métodos analíticos, universalmente aplicável e os procedimentos de alto rendimento existe para a elaboração de trifosfatos de nucleosídeos modificados 2,38.O objetivo do presente protocolo é o de lançar luz sobre a (às vezes) os procedimentos intrincados líder to a síntese e caracterização bioquímica destes blocos de construção activadas (Figura 1B). Especial ênfase será dada em todos os detalhes sintéticos que muitas vezes são difíceis de encontrar ou estão ausentes nas seções experimentais, mas são ainda fundamentais para a conclusão bem sucedida da via sintética levando ao isolamento de pura (d) PNT (Figura 1).
1. Síntese dos nucleósidos modificados Trisfosfatos
A abordagem sintética escolhido segue o procedimento desenvolvido por Ludwig e Eckstein uma vez que este método é geralmente fiável e conduz a muito poucos sub-produtos secundários (Figura 1A) 39.
2. A purificação por HPLC dos nucleósidos modificados Trisfosfatos
3. As reacções de extensão do primer e TdT Polimerização
4. PCR com nucleosídeos modificados Trisfosfatos
Trifosfatos de nucleosídeos modificados são atraentes alvos sintéticos, uma vez que permitem a introdução fácil de um vasto leque de grupos funcionais em ácidos nucléicos 41. No entanto, o isolamento e caracterização desses blocos de construção é frequentemente activadas revelaram ser difícil. Consequentemente, os resultados aqui apresentados são pensados para oferecer uma mão amiga para acompanhar as diversas etapas dentro dos procedimentos sintéticos e bioquímicos acima mencionados (Figura 1B).
Em particular, a Figura 3 mostra um típico bruto 31 espectro de P-NMR de um dNTP modificado (neste caso particular, dU BPU TP (4) 18, Figura 2), onde os sinais característicos dos centros de fósforo pode ser observado (ou seja, uma dupleto em -5,02 (P γ), um dupleto a -10,44 (α P), e um tripleto a -20,55 (P β) ppm). Além disso, éignals decorrentes para o difosfato (dois dupletos a -4,84 e -10,63 ppm) e monofosfato (singuleto a -0,18 ppm) produtos secundários, juntamente com fosfatos mais elevadas (sinais de -21,02 e -23,19 ppm) são sempre observados nesta fase. Uma primeira análise de RP-HPLC da mistura em bruto é mostrado na Figura 4 (para dU BPU TP (4)) em que o pico principal (R t = 30,78 min) corresponde ao 5'-trifosfato, enquanto o principal subproduto, o 5 '-difosfato, exibe um tempo de retenção ligeiramente mais baixo (R t = 30,03 min). Finalmente, depois de uma purificação por RP-HPLC completa, dNTP modificado deve ser caracterizado por RMN e MALDI-TOF (figura 5). Tanto o 1 H-RMN e 31 P-RMN Os espectros são cruciais para avaliar a pureza dos dNTP modificados, uma vez que a presença de indesejáveis di-e mono-fosfatos dá sinais distintivos.
Depois de estabelecer a pureza dos núcleosanálogo ide e avaliar a concentração da solução-mãe de qualquer um, em massa ou por espectroscopia UV, dNTP modificado pode ser usado em reacções de extensão do iniciador de modo a avaliar a sua capacidade de aceitação de substrato por vários polimerases. Figura 6 ilustra o resultado de reacções de extensão de iniciadores dU com t P TP (2), dA Hs TP (6), e dC Val TP (7) usada como modificações solitário (pistas 5-7), a partir de combinações de dois dNTP modificados (pistas 8-10), ou em conjunto juntamente com o dGTP naturais solitário (pista 11).
Finalmente, a Figura 7 mostra as reacções de polimerização representativos TdT mediadas com diferentes dUTP modificados análogos. Neste contexto, dU c P TP (1) e dU FP TP (3) são os melhores substratos de TdT (pistas 1 e 4) uma vez que as eficiências de rejeito são comparáveis ou exceder os do dTTP naturais (faixa 6). Em vez disso, dU BPU TP (4) (faixa 5) é um substrato bastante pobre neste contexto uma vez que pouco polidispersas oligonucleotídeos porte já podem ser observados.
Figura 1. A) abordagem Ludwig-Eckstein para a síntese de (base) trifosfatos de nucleósido modificado 39. B) Representação esquemática de todos os passos necessários para a síntese e caracterização bioquímica dos dNTP modificados antes da sua utilização em aplicações tais como o SELEX. clique aqui para visualizar Ampliar Imagem .
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Figura 2. As estruturas químicas dos trifosfatos de nucleósidos modificados: dU c P TP (1), dU t P TP (2), dU FP TP (3), dU BPU TP (4), dU Bs TP (5), 18 dA Hs TP ( 6) e dC Val TP (7) 13. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 3. Espectro de 31 P-RMN (121 0,4 MHz, D 2 O) da mistura de reacção bruto de dU BPU TP (4). Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 4. Perfil de RP-HPLC de crude dU BPU TP (4): 3,5 ml / min (eluente A:: 0-100% de eluente B em 40 min, taxa de fluxo de TEAB 50 mM em H2O, eluente B: 50 mM de TEAB em H 2 O / CH 3 CN (1/1)). Clique aqui para ver a imagem ampliada .
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Figura 5. Caracterização do trifosfato de nucleósido modificado dU Bs TP (5): A) Espectro de 31 P-RMN (121,4 MHz, D 2 O, 128 scans), 18 B) espectro de 1H-RMN (300 MHz, D 2 O, 128 scans );. C) espectro de MALDI-TOF Clique aqui para ver imagem ampliada .
Figura 6. Imagem de um gel representativo (PAGE 15%) de reacções de extensão de iniciadores com várias bases modificadas de dNTP análogos Pista 1:. Primers; pista 2: dNTPs naturais sem dUTP; pista 3: dNTPs naturais sem dATP; faixa 4: dNTPs naturais sem dCTP; pista 5: dU t P TP (2); pista 6: dA Hs TP (6); pista 7: DC Val TP (7); pista 8: dA Hs TP (6) e dU t P TP (2); pista 9: dA Hs TP (6) e dC Val TP (7); pista 10: dU t P TP (2) e dC Val TP (7); pista 11: dU t P TP (2), dA Hs TP (6), e dC Val TP (7); pista 12:. dNTPs naturais Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 7. Imagem em gel (PAGE 20%) das reacções de polimerização TdT com base modificada vários análogos dUTP Pista 1:. DU c P TP (1); pista 2: dU t P TP (2); pista 3: dU Bs TP (5); pista 4: dU FP TP (3); pista 5: dU BPU TP (4); pista 6: dTTP; pista 7: iniciador. Concentrações:. 10 mM, 25 ^ M, 50 mM, 75 ^ M e 100 M Clique aqui para ver a imagem ampliada .
A inclusão de modificações nos ácidos nucléicos é de interesse para inúmeras aplicações práticas, incluindo o desenvolvimento de agentes anti-senso e antigène 42,43, rotulagem e etiquetagem funcional de oligonucleotídeos 41, e em esforços para expandir o alfabeto genético 44-46. Alterações químicas e grupos funcionais são geralmente introduzidas em ácidos nucleicos por aplicação de protocolos de síntese em fase sólida padrão e automatizadas. No entanto, os blocos de construção de fosforamidite precisa de ser resistente às condições bastante severas impostas por esta metodologia, que por sua vez impõe uma restrição severa sobre a natureza da funcionalidade química 47. Em vez disso, a polimerização mediada por enzima de trifosfatos de nucleósidos modificados permite a introdução de uma gama mais ampla de funcionalidades, uma vez que a única limitação é que elas actuam como substratos para as polimerases de 1,2. Mesmo que haja uma notável falta de genralmente metodologia aplicável, sintético fiável e robusta e metodologias analíticas foram desenvolvidos para a síntese de dNTP modificados. Além disso, devido à sua própria natureza, trifosfatos modificados são bastante sensíveis a diferentes condições externas (por exemplo, pH, temperatura) e, portanto, um protocolo detalhado para a sua síntese e caracterização é altamente benéfica.
O fluxo de trabalho aqui apresentados incluem a síntese química dos dNTP modificados, purificação por RP-HPLC, análise de NMR, e ensaios enzimáticos para a caracterização bioquímica destes análogos de nucleósidos. Os passos mais críticos para a síntese bem sucedida e caracterização de dNTP modificados a análise do produto em bruto (por RMN), a purificação por HPLC completa, a análise do material purificado, ea escolha de um DNA adequado (ARN) de polimerase.
Para a síntese dos dNTP modificados foi aplicado o método desenvolvido por Ludwig e EckStein 39, uma vez que menos subprodutos são formados, em comparação com outros processos, ainda que às custas de uma rota sintética ligeiramente mais longo. Além disso, a purificação por RP-HPLC, certamente, representa o passo fulcral de toda a via de síntese, uma vez que vai permitir a separação dos difosfatos nucleósidos (dNDPs) que muitas vezes inibem fortemente a DNA e RNA polimerases 48. Depois de atingir a síntese e purificação, a pureza do trifosfato resultante deve ser avaliada tanto por RMN e MALDI-TOF para assegurar que nenhum difosfato de inibição da polimerase está presente.
O ensaio de incorporação mostrada na Figura 6 ressalta claramente a utilidade desta abordagem. Na verdade, todos os dNTPs utilizados neste exemplo representativo revelar a ser bons substratos para a polimerase do ADN (neste caso particular de ventilação (exo -)) uma vez que não mais rápido executando bandas correspondentes aos fragmentos mais pequenos pode ser observada. Besidos, a enzima tolera dois substratos decoradas com resíduos de ácidos carboxílicos (du t P TP (3) e dC Val TP (7)) e a polimerização de ambos os dNTPs resulta em um oligonucleotídeo tendo, pelo menos, 39 cargas negativas adicionais. Outra característica surpreendente é que as bandas resultantes da incorporação de dNTP modificados, muitas vezes exibem mobilidades electroforéticas mais lento do que os controlos naturais (por exemplo, comparar pistas 11 e 12). Assim, as reações de extensão de primer representam uma maneira poderosa e ainda assim simples para avaliar a aceitação de substrato de dNTPs modificadas.
Além disso, a polimerização de TdT-mediada de trifosfatos de 3'-terminais de oligonucleótidos de cadeia simples é uma estratégia atraente para a geração de ácidos nucleicos altamente funcionalizados 49-52. O exemplo representativo apresentado na Figura 7 demonstra claramente o processo de selectinag as funcionalidades que são tolerados pelo TdT Co 2 + dependente 53. Com efeito, dU c P TP (1) e dU FP TP (3), que estão equipados com o aminoácido L-prolina e o dipéptido proteinogênicos α-Fen-Pro, respectivamente, são os melhores substratos para a TdT e deu origem a rejeitos eficiências que se comparam favoravelmente ao controle dTTP inalterado, mesmo em concentrações tão baixas como 10 mM (pistas 1 e 4). Surpreendentemente, análogo dU t P TP (2) em que o resíduo de prolina é ligado ao braço de ligação em trans em relação ao ácido carboxílico livre, não é um bom substrato, como o seu homólogo cis desde oligonucleótidos polidispersa de tamanho maior são apenas observados em maior As concentrações de dNTP (> 100 fiM, pista 2). Além disso, a modificação de dNTP-sulfonamida 5 é um substrato moderado para a TdT e comparável ao dU t P TP (2) (pista 3). Além disso, dU BPU TP (4), que tem um motivo de hidrogénio-ligação doar forte, é um substrato bastante pobre para TdT e a reacção de polimerização parece ser indiferente para a concentração de dNTP modificado. Assim, a seguinte ordem de aceitação substrato pode ser interpretada a partir da Figura 7: dU c P TP (1), dU FP TP (3)> dU t P TP (2), dU Bs TP (5)> dU BPU TP (4 ).
Finalmente, o procedimento descrito para as reacções de polimerização sob condições de PCR utilizando os análogos modificados, é bastante semelhante à que envolve dNTP naturais. No entanto, a compatibilidade de dNTPs modificadas com polimerases nessas condições é de crucial importância para a geração de functionali de alta densidadeácidos nucleicos zed 7, especialmente no que diz respeito à sua utilização em experiências de selecção in vitro.
Em resumo, o método para a síntese e caracterização de trifosfatos de nucleosídeos modificados foi enfatizada eo estabelecimento de um protocolo deste tipo certamente vai ajudar no desenvolvimento e elaboração de novos análogos. Concomitantemente, o surgimento destas novas dNTPs irá facilitar a geração de oligonucleótidos funcionalizados; particularmente, os ácidos nucleicos catalíticos.
Não há conflitos de interesse declarados.
Este trabalho foi financiado pela Fundação Swiss National Science (Grants n ° PZ00P2_126430 / 1 e PZ00P2_144595). Prof C. Leumann é reconhecido agradecimento por fornecer o espaço e equipamentos de laboratório, bem como pelo seu apoio constante. Ms. Sue Knecht é reconhecido por discussões frutíferas.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tributylammonium pyrophosphate | Sigma Aldrich | P8533 | Hygroscopic solid, keep under Ar |
2-Chloro-1,3,2-benzodioxaphosphorin-4-one | Sigma Aldrich | 324124 | Moisture sensitive |
Pyridine | Sigma Aldrich | 82704 | Under molecular sieves |
Dioxane | Sigma Aldrich | 296309 | Under molecular sieves |
Dimethylformamide (DMF) | Sigma Aldrich | 40248 | Under molecular sieves |
Acetonitrile | Fisher Scientific | HPLC grade | |
Triethylamine | Sigma Aldrich | 90342 | |
Tributylamine | Sigma Aldrich | 90781 | |
ddH2O | Milli-Q | deionized and purified water, autoclaved in the presence of Diethylpyrocarbonate (DEPC) | |
Diethylpyrocarbonate (DEPC) | Sigma Aldrich | 159220 | |
D2O | Cambridge Isotope Laboratories, Inc. | DLM-4-25 | |
γ-[32P]-ATP | Hartmann Analytics | FP-301 | |
Natural dNTPs | Promega | U1420 | |
Vent (exo-) DNA polymerase | NEB | M0257S | |
DNA polymerase I, Large (Klenow) Fragment | NEB | MO210S | |
9°Nm DNA polymerase | NEB | MO260S | |
Terminal deoxynucleotidyl Transferase (TdT) | Promega | M828A | |
Pwo DNA polymerase | Peqlab | 01 01 5010 | |
T4 PNK | Thermo Scientific | EK0032 | |
Acrylamide/bisacrylamide (19:1, 40%) | Serva | 10679.01 | |
Agarose | Apollo Scientific | BIA1177 | |
G10 Sephadex | Sigma | G10120 | |
Urea | Apollo Scientific | BIU4110 | |
Jupiter semipreparative RP-HPLC column (5μ C18 300 Å) | Phenomenex | ||
Gene Q Thermal Cycler | Bioconcept | BYQ6042E | |
PCR vials | Bioconcept | 3220-00 | |
HPLC system | Amersham Pharmacia Biotech | Äkta basic 10/100 | |
All oligonucleotides were purchased from Microsynth and purified by PAGE | |||
5'-CAAGGACAAAATAC CTGTATTCCTT P1 | |||
5'-GACATCATGAGAGA CATCGCCTCTGGGCTA ATAGGACTACTTCTAAT CTGTAAGAGCAGATCC CTGGACAGGCAAGGAA TACAGGTATTTTGTCCTTG T1 | |||
5'-GAATTCGATATCAAG P2 | |||
More information on experimental procedures and equipment can be found in the following articles: Chem. Eur. J. 2012, 18, 13320-13330 Org. Biomol. Chem. 2013, DOI: 10.1039/C3OB40842F |
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