Peptidová nukleová kyselina - Peptide nucleic acid - Wikipedia

PNA en.svg

Peptidová nukleová kyselina (PNA) je uměle syntetizovaný polymer podobný DNA nebo RNA.[1]

Syntetická peptidová nukleová kyselina oligomery byly v posledních letech používány v postupech molekulární biologie, diagnostických testech a antisense terapie.[2] Vzhledem k jejich vyšší vazebné síle není nutné navrhovat dlouhé PNA oligomery pro použití v těchto rolích, které obvykle vyžadují oligonukleotidové sondy 20–25 bází. Hlavním zájmem délky PNA-oligomerů je zaručit specificitu. Oligomery PNA také vykazují větší specificitu ve vazbě na komplementární DNA, přičemž nesoulad bází PNA / DNA je destabilizující než podobný nesoulad v duplexu DNA / DNA. Tato vazebná síla a specificita platí také pro duplexy PNA / RNA. Ani PNA nejsou snadno rozpoznatelné nukleázy nebo proteázy, což je činí odolnými vůči degradace podle enzymy. PNA jsou také stabilní v širokém rozsahu pH rozsah. Ačkoli nemodifikovaná PNA nemůže snadno procházet buněčnou membránou, aby vstoupila do cytosolu, kovalentní vazba a buněčný penetrační peptid na PNA může zlepšit dodávku cytosolu.[3]

Není známo, že by se PNA vyskytovala přirozeně, ale N- (2-aminoethyl) glycin (AEG), páteř PNA, byla předpokládána jako časná forma genetické molekuly pro život na Zemi a je produkována sinice.[4]

PNA vynalezl Peter E. Nielsen (Univ. Kodaň), Michael Egholm (Univ. Kodaň), Rolf H. Berg (Risø National Lab) a Ole Buchardt (Univ. Kodaň) v roce 1991.[Citace je zapotřebí ]

Struktura

DNA a RNA mají a deoxyribóza a ribóza cukrová páteř, zatímco páteř PNA se skládá z opakování N- (2-aminoethyl) glycin jednotky propojené peptidové vazby. Různé purin a pyrimidin základny jsou spojeny s páteří pomocí a methylenový můstek (-CH
2-) a a karbonyl skupina (- (C = O) -). PNA jsou znázorněny jako peptidy, s N -minus na první (levé) pozici a C -terminus na poslední (pravé) pozici.[5]

Vazba

Protože páteř PNA neobsahuje žádné náboje fosfát skupiny, vazba mezi řetězci PNA / DNA je silnější než mezi řetězci DNA / DNA kvůli nedostatku elektrostatického odpuzování. Bohužel to také způsobuje, že je poměrně hydrofobní, což ztěžuje dodávku do buněk těla v roztoku, aniž by byl nejprve vyplaven z těla. Rané experimenty s homopyrimidinovými řetězci (řetězce, které se skládají pouze z jednoho opakování pyrimidin základny) ukázaly, že Tm ("teplota tání") 6-bazické thyminové PNA / adeninové DNA dvojité šroubovice byla 31 ° C ve srovnání s ekvivalentním 6-bazickým DNA / DNA duplexem, který denaturace při teplotě nižší než 10 ° C. Molekuly PNA se smíšenou bází jsou skutečnými napodobeninami molekul DNA, pokud jde o rozpoznávání párů bází. Vazba PNA / PNA je silnější než vazba PNA / DNA.

Translace PNA z jiných nukleových kyselin

Několik laboratoří hlásilo sekvenčně specifickou polymeraci peptidových nukleových kyselin ze šablon DNA nebo RNA.[6][7][8] Liu a spolupracovníci použili tyto polymerační metody k vývoji funkčních PNA se schopností skládat se do trojrozměrných struktur, podobných proteinům, aptamery a ribozymy.[9]

dodávka

V roce 2015 Jain et. al. popsal trans-působící amfifatický dodávací systém na bázi DNA pro pohodlné dodávání poly A sledoval nenabité nukleové kyseliny (UNA), jako jsou PNA a morfolinos, takže lze snadno prověřit několik UNA ex vivo.[10][není nutný primární zdroj ]

Světová hypotéza PNA

Předpokládalo se, že nejstarší život dál Země může použít PNA jako genetický materiál kvůli jeho extrémní robustnosti, jednodušší tvorbě a možnému spontánnímu výskytu polymerizace při 100 ° C[11] (zatímco voda při standardním tlaku vaří při této teplotě, voda pod vysokým tlakem - jako v hlubokém oceánu - vaří při vyšších teplotách). Pokud je to tak, život vyvinul do systému založeného na DNA / RNA až v pozdější fázi.[12][13] Důkazy pro tuto světovou hypotézu PNA však zdaleka nejsou přesvědčivé.[14]

Aplikace

Mezi aplikace patří změna genové exprese - jako inhibitor a promotor v různých případech, antigenová a antisense terapeutická látka, protirakovinová látka, antivirová, antibakteriální a antiparazitická látka, molekulární nástroje a sondy biosenzor, detekce sekvencí DNA a nanotechnologie.[15][16]

PNA mohou být použity ke zlepšení vysoce výkonného sekvenování 16S ribozomální RNA genů vzorků rostlin a půdy blokováním amplifikace kontaminujících plastidových a mitochondriálních sekvencí.[17]

Buněčný - funkční antagonismus / inhibice. V roce 2001 uvedli Strauss a kolegové návrh aplikace pro PNA oligomery v živých savčích buňkách. Oblast vázající Xist chromatin byla nejprve objasněna v myších fibroblastických buňkách myší a embryonálních kmenových buňkách použitím molekulárního antagonisty PNA. Nový přístup PNA přímo demonstroval funkci lncRNA. Dlouhá nekódující (lncRNA) RNA, Xist se přímo váže na neaktivní X-chromozom. Experimenty s funkční inhibicí PNA odhalily, že specifické opakované oblasti Xist RNA byly odpovědné za vazbu chromatinu, a proto je lze považovat za doménové oblasti transkriptu RNA. Molekulární antagonista PNA byl podán živým buňkám a funkčně inhiboval asociaci Xistu s neaktivním X-chromozomem pomocí přístupu ke studiu nekódující funkce RNA v živých buňkách, který se nazývá interferenční mapování peptidové nukleové kyseliny (PNA). V popsaných experimentech jedna 19 bp antisense buňka prostupující PNA cílená proti konkrétní oblasti Xist RNA způsobila narušení Xi. Asociace Xi s makrohistonem H2A je také narušena interferenčním mapováním PNA.[18]

Viz také

Reference

  1. ^ Nielsen PE, Egholm M, Berg RH, Buchardt O (prosinec 1991). „Sekvenčně selektivní rozpoznávání DNA vytěsňováním řetězců polyamidem substituovaným tyminem“. Věda. 254 (5037): 1497–500. Bibcode:1991Sci ... 254.1497N. doi:10.1126 / science.1962210. PMID  1962210.
  2. ^ Gupta A, Mishra A, Puri N (říjen 2017). „Peptidové nukleové kyseliny: Pokročilé nástroje pro biomedicínské aplikace“. Journal of Biotechnology. 259: 148–159. doi:10.1016 / j.jbiotec.2017.07.026. PMC  7114329. PMID  28764969.
  3. ^ Zhao XL, Chen BC, Han JC, Wei L, Pan XB (listopad 2015). "Dodávka konjugátů peptidu a peptidu nukleové kyseliny, které pronikají buňkami, shromážděním na oligonukleotidovém skeletu". Vědecké zprávy. 5: 17640. Bibcode:2015NatSR ... 517640Z. doi:10.1038 / srep17640. PMC  4661726. PMID  26612536.
  4. ^ Sinice produkují N- (2-aminoetyl) glycin, páteř peptidových nukleových kyselin, které mohly být prvními genetickými molekulami pro život na Zemi
  5. ^ Egholm M, Buchardt O, Christensen L, Behrens C, Freier SM, Driver DA, Berg RH, Kim SK, Norden B, Nielsen PE (říjen 1993). „PNA hybridizuje s komplementárními oligonukleotidy při dodržování pravidel vodíkových vazeb Watson-Crick“. Příroda. 365 (6446): 566–8. Bibcode:1993 Natur.365..566E. doi:10.1038 / 365566a0. PMID  7692304.
  6. ^ Brudno Y, Birnbaum ME, Kleiner RE, Liu DR (únor 2010). „In vitro translační, selekční a amplifikační systém pro peptidové nukleové kyseliny“. Přírodní chemická biologie. 6 (2): 148–55. doi:10.1038 / nchembio.280. PMC  2808706. PMID  20081830.
  7. ^ Kleiner RE, Brudno Y, Birnbaum ME, Liu DR (duben 2008). „DNA-templated polymerization of side-chain-funkcionalized peptide nucleic acid aldehydes“. Journal of the American Chemical Society. 130 (14): 4646–59. doi:10.1021 / ja0753997. PMC  2748799. PMID  18341334.
  8. ^ Ura Y, Beierle JM, Leman LJ, Orgel LE, Ghadiri MR (červenec 2009). "Samo-sestavující se sekvenčně adaptivní peptidové nukleové kyseliny". Věda. 325 (5936): 73–7. Bibcode:2009Sci ... 325 ... 73U. doi:10.1126 / science.1174577. PMID  19520909.
  9. ^ Brudno Y, Birnbaum ME, Kleiner RE, Liu DR (únor 2010). „In vitro translační, selekční a amplifikační systém pro peptidové nukleové kyseliny“. Přírodní chemická biologie. 6 (2): 148–55. doi:10.1038 / nchembio.280. PMC  2808706. PMID  20081830.
  10. ^ Jain HV, Verthelyi D, Beaucage SL (2015). „Amfipatické trans-působící fosforothioátové prvky DNA zprostředkovávají dodávání nenabitých sekvencí nukleových kyselin do buněk savců“. RSC zálohy. 5 (80): 65245–65254. doi:10.1039 / C5RA12038A.
  11. ^ Wittung P, Nielsen PE, Buchardt O, Egholm M, Nordén B (duben 1994). „Dvojitá šroubovice podobná DNA vytvořená peptidovou nukleovou kyselinou“. Příroda. 368 (6471): 561–3. Bibcode:1994 Natur.368..561W. doi:10.1038 / 368561a0. PMID  8139692.
  12. ^ Nelson KE, Levy M, Miller SL (duben 2000). „První genetickou molekulou mohla být spíše peptidová nukleová kyselina než RNA“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 97 (8): 3868–71. Bibcode:2000PNAS ... 97,3868N. doi:10.1073 / pnas.97.8.3868. PMC  18108. PMID  10760258.
  13. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J (březen 2002). Molekulární biologie buňky (4. vydání). Routledge. ISBN  978-0-8153-3218-3.
  14. ^ Zimmer C (leden 2009). „Evoluční kořeny. O původu života na Zemi“. Věda. 323 (5911): 198–9. doi:10.1126 / science.323.5911.198. PMID  19131603.
  15. ^ Anstaett P, Gasser G (2014). „Peptidová nukleová kyselina - příležitost pro bio nanotechnologii“ (PDF). Chimia. 68 (4): 264–8. doi:10.2533 / chimia.2014.264. PMID  24983612.
  16. ^ D'Souza AD, Belotserkovskii BP, Hanawalt PC (únor 2018). „Nový způsob inhibice transkripce zprostředkovaný PNA indukovanými R-smyčkami s modelovým systémem in vitro“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - regulační mechanismy genů. 1861 (2): 158–166. doi:10.1016 / j.bbagrm.2017.12.008. PMC  5820110. PMID  29357316.
  17. ^ Lundberg DS, Yourstone S, Mieczkowski P, Jones CD, Dangl JL (říjen 2013). "Praktické inovace pro vysoce výkonné sekvenování amplikonů". Přírodní metody. 10 (10): 999–1002. doi:10.1038 / nmeth.2634. PMID  23995388.
  18. ^ „Beletskii et al 2001“ /Beletskii, Anton; Strauss, William (2001). „Mapování interference PNA demonstruje funkční domény v nekódujícím RNA Xist“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 98 (16): 9215–20. doi:10.1073 / pnas.161173098. PMC  55400. PMID  11481485.

Další čtení