Нуклеиновая кислота треозы ( TNA ) - это искусственный генетический полимер, в котором природный пятиуглеродный сахар-рибоза, содержащийся в РНК , заменен неестественным четырехуглеродным сахаром треозой . [1] Изобретенная Альбертом Эшенмозером в рамках его поисков по изучению химической этиологии РНК, [2] ТНК стала важным синтетическим генетическим полимером ( XNA ) благодаря своей способности эффективно образовывать пары оснований с комплементарными последовательностями ДНК и РНК. [1] Однако, в отличие от ДНК и РНК, ТНК полностью невосприимчива к нуклеазам.пищеварение, что делает его многообещающим аналогом нуклеиновой кислоты для терапевтического и диагностического применения. [3]
Олигонуклеотиды TNA были впервые сконструированы путем автоматизированного твердофазного синтеза с использованием химии фосфорамидитов. Методы химически синтезированных мономеров TNA (фосфорамидиты и нуклеозидтрифосфаты) были в значительной степени оптимизированы для поддержки проектов синтетической биологии, направленных на продвижение исследований TNA. [4] Совсем недавно усилия по разработке полимеразы позволили идентифицировать полимеразы ТНК, которые могут копировать генетическую информацию между ДНК и ТНК. [5] [6] Репликация ТНК происходит посредством процесса, имитирующего репликацию РНК. В этих системах ТНК обратно транскрибируется в ДНК, ДНК амплифицируется с помощью полимеразной цепной реакции , а затем транскрибируется обратно в ТНК.
Доступность ТНК-полимераз позволила отобрать in vitro биологически стабильные ТНК- аптамеры как для малых молекул, так и для белковых мишеней. [7] [8] [9] Такие эксперименты демонстрируют, что свойства наследственности и эволюции не ограничиваются природными генетическими полимерами ДНК и РНК. [10] Высокая биологическая стабильность ТНК по сравнению с другими системами нуклеиновых кислот, которые способны претерпевать дарвиновскую эволюцию, предполагает, что ТНК является сильным кандидатом для разработки терапевтических аптамеров следующего поколения.
Механизм синтеза ТНК с помощью разработанной в лаборатории ТНК-полимеразы был изучен с помощью рентгеновской кристаллографии, чтобы зафиксировать пять основных этапов присоединения нуклеотидов. [11] Эти структуры демонстрируют несовершенное распознавание поступающего нуклеотидтрифосфата ТНК и подтверждают необходимость дальнейших экспериментов по направленной эволюции для создания ТНК-полимераз с улучшенной активностью. Бинарная структура обратной транскриптазы TNA также была решена с помощью рентгеновской кристаллографии, что выявило важность структурной пластичности как возможного механизма распознавания матрицы. [12]
Предварительная система ДНК
Джон Чапут, профессор кафедры фармацевтических наук Калифорнийского университета в Ирвине , предположил, что проблемы, связанные с пребиотическим синтезом рибозных сахаров и неферментативной репликацией РНК, могут предоставить косвенные доказательства того, что более ранняя генетическая система была произведена легче. в примитивных земных условиях. ТНК могла быть ранней генетической системой и предшественником РНК. [13] ТНК проще, чем РНК, и ее можно синтезировать из одного исходного материала. ТНК может передавать информацию туда и обратно с помощью РНК и собственных цепей, которые комплементарны РНК. Было показано, что ТНК складывается в третичные структуры с дискретными лиганд-связывающими свойствами. [7]
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 делают TNA многообещающим кандидатом для разработки диагностических и терапевтических приложений, требующих высокой биологической стабильности. Это может включать в себя эволюцию аптамеров TNA, которые могут связываться с конкретными небольшими молекулами и белками-мишенями, а также развитие ферментов TNA (треозимы), которые могут катализировать химическую реакцию. Кроме того, ТНК является многообещающим кандидатом для РНК-терапии, которая включает технологию подавления генов. Например, TNA оценивали в модельной системе антисмысловой технологии. [14]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b Schöning, KU et al. 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).
- ^ Culbertson, MC et al. Оценка стабильности TNA в смоделированных физиологических условиях. Биоорг. Med. Chem. Lett. 26 , 2418-2421, (2016).
- ^ Sau, SP, Fahmi, NE, Liao, J.-Y., Bala, S. & Chaput, JC Масштабируемый синтез мономеров нуклеиновых кислот α-L-треозы. J. Org. Chem. 81 , 2302-2307, (2016).
- ^ Ларсен, AC и др. Общая стратегия расширения функции полимеразы за счет капельной микрофлюидики. Nat. Commun. 7 , 11235, (2016).
- ^ Nikoomanzar, A., Vallejo, D. & Chaput, JC. Выявление детерминант специфичности полимеразы с помощью глубокого мутационного сканирования на основе микрофлюидов. ACS Synth. Биол. 8 , 1421-1429, (2019).
- ^ a b Yu, H., Zhang, S. & Chaput, JC Дарвиновская эволюция альтернативной генетической системы обеспечивает поддержку ТНК как предшественника РНК. Nat. Chem. 4 , 183-187, (2012).
- ^ Mei, H. et al. Синтез и эволюция аптамера нуклеиновой кислоты треозы, содержащего остатки 7-деаза-7-замещенного гуанозина. Варенье. Chem. Soc. 140 , 5706-5713, (2018).
- ^ Rangel, AE, Chen, Z., Ayele, TM & Heemstra, JM Выбор in vitro аптамера XNA, способного распознавать малые молекулы. Nucleic Acids Res. 46 , 8057-8068, (2018).
- ^ Пинейро, В.Б. и др. Синтетические генетические полимеры, способные к наследственности и эволюции. Science 336 , 341-344, (2012).
- ^ Чим, Н., Ши, С., Сау, С.П., Никооманзар, А. и Чапут, Дж. К. Структурная основа синтеза ТНК с помощью сконструированной ТНК-полимеразы. Nat. Commun. 8 , 1810, (2017).
- ^ Джексон, Л. Н., Чим, Н., Ши, С. и Чапут, Дж. К. Кристаллические структуры природной ДНК-полимеразы, которая функционирует как обратная транскриптаза XNA. Nucleic Acids Res. , (2019).
- ^ Оргель, Л. Е. Более простая нуклеиновая кислота. Science 290 , 1306-1307, (2000).
- ^ Лю, LS и др. Нуклеиновые кислоты альфа-1-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. Более простая нуклеиновая кислота». Наука . 290 (5495): 1306–7. DOI : 10.1126 / science.290.5495.1306 . PMID 11185405 . S2CID 83662769 .
- Ватт, Грегори (февраль 2005 г.). «Выставленные модифицированные нуклеиновые кислоты» . Природа Химическая биология . doi : 10.1038 / nchembio005 (неактивен 31 мая 2021 г.).CS1 maint: DOI неактивен с мая 2021 г. ( ссылка )
- Шёнинг К., Шольц П., Гунта С., Ву Х, Кришнамурти Р., Эшенмозер А. (ноябрь 2000 г.). «Химическая этиология структуры нуклеиновой кислоты: система альфа-треофуранозил- (3 '-> 2') олигонуклеотидов». Наука . 290 (5495): 1347–51. Bibcode : 2000Sci ... 290.1347S . DOI : 10.1126 / science.290.5495.1347 . PMID 11082060 .
Внешние ссылки
- Была ли простая TNA первой нуклеиновой кислотой на Земле, несущей генетический код? , New Scientist (за платным доступом)
- ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ: более простая нуклеиновая кислота , Лесли Оргель