Пептидная нуклеиновая кислота
Биологическая молекула
Структура пептидной нуклеиновой кислоты

Пептидная нуклеиновая кислота ( ПНК ) — это искусственно синтезированный полимер, похожий на ДНК или РНК . [1]

Синтетические олигомеры пептидных нуклеиновых кислот в последние годы использовались в процедурах молекулярной биологии, диагностических анализах и антисмысловой терапии . [2] Благодаря их более высокой прочности связывания нет необходимости разрабатывать длинные олигомеры PNA для использования в этих ролях, которые обычно требуют олигонуклеотидных зондов из 20–25 оснований. Основная проблема длины олигомеров PNA заключается в том, чтобы гарантировать специфичность. Олигомеры PNA также демонстрируют большую специфичность в связывании с комплементарными ДНК, причем несоответствие оснований PNA/ДНК является более дестабилизирующим, чем аналогичное несоответствие в дуплексе ДНК/ДНК. Эта прочность связывания и специфичность также применимы к дуплексам PNA/РНК. PNA нелегко распознаются ни нуклеазами, ни протеазами, что делает их устойчивыми к деградации ферментами . PNA также стабильны в широком диапазоне pH . Хотя немодифицированная ПНК не может легко пересечь клеточную мембрану и попасть в цитозоль, ковалентное связывание проникающего в клетку пептида с ПНК может улучшить цитозольную доставку. [3]

Известно, что ПНК не встречается в природе, но предполагается, что N-(2-аминоэтил)-глицин (AEG), основа ПНК, является ранней формой генетической молекулы жизни на Земле, вырабатывается цианобактериями и является нейротоксином . [4]

PNA был изобретен Питером Э. Нильсеном (Копенгагенский университет), Майклом Эгхольмом (Копенгагенский университет), Рольфом Х. Бергом (Национальная лаборатория Рисё) и Оле Бухардтом (Копенгагенский университет) в 1991 году. [1]

Структура

ДНК и РНК имеют дезоксирибозный и рибозный сахарный остов, соответственно, тогда как остов ПНК состоит из повторяющихся единиц N-(2-аминоэтил)-глицина, связанных пептидными связями . Различные пуриновые и пиримидиновые основания связаны с остовом метиленовым мостиком (- CH
2-) и карбонильную группу (-(C=O)-). ПНК изображаются как пептиды , с N -концом в первой (левой) позиции и С -концом в последней (правой) позиции. [5]

Связывание

Поскольку остов ПНК не содержит заряженных фосфатных групп, связывание между цепями ПНК/ДНК сильнее, чем между цепями ДНК/ДНК из-за отсутствия электростатического отталкивания. К сожалению, это также делает его довольно гидрофобным, что затрудняет доставку в клетки организма в растворе без предварительного вымывания из организма. Ранние эксперименты с гомопиримидиновыми цепями (цепями, состоящими только из одного повторяющегося пиримидинового основания) показали, что T m («температура плавления») двойной спирали ДНК из 6 оснований тимина ПНК/аденина составляла 31 °C по сравнению с эквивалентным дуплексом ДНК/ДНК из 6 оснований, который денатурирует при температуре менее 10 °C. Молекулы ПНК со смешанными основаниями являются истинными имитаторами молекул ДНК с точки зрения распознавания пар оснований. Связывание ПНК/ПНК сильнее, чем связывание ПНК/ДНК.

Трансляция ПНК из других нуклеиновых кислот

Несколько лабораторий сообщили о полимеризации пептидных нуклеиновых кислот с определенной последовательностью из ДНК или РНК-шаблонов. [6] [7] [8] Лю и его коллеги использовали эти методы полимеризации для разработки функциональных ПНК, способных складываться в трехмерные структуры, подобные белкам, аптамерам и рибозимам . [6]

Доставка

В 2015 году Джейн и др. описали амфифатическую систему доставки на основе транс-действующей ДНК для удобной доставки поли-А-хвостовых незаряженных нуклеиновых кислот (UNA), таких как ПНК и морфолино , так что несколько UNA можно легко скринировать ex vivo . [9] [ необходим непервичный источник ]

гипотеза мира ПНА

Была выдвинута гипотеза, что самая ранняя жизнь на Земле могла использовать ПНК в качестве генетического материала из-за ее чрезвычайной прочности, более простого формирования и возможной спонтанной полимеризации при 100 °C [10] (в то время как вода при стандартном давлении кипит при этой температуре, вода при высоком давлении — как в глубоком океане — кипит при более высоких температурах). Если это так, жизнь эволюционировала в систему на основе ДНК/РНК только на более поздней стадии. [11] [12] Доказательства этой гипотезы мира ПНК, однако, далеки от окончательных. [13] Однако, если она существовала, она должна была предшествовать широко распространенному миру РНК .

Приложения

Применения включают изменение экспрессии генов - как в качестве ингибитора, так и промотора в разных случаях, антигенный и антисмысловой терапевтический агент, противораковый агент, противовирусный, антибактериальный и противопаразитарный агент, молекулярные инструменты и зонды биосенсора , обнаружение последовательностей ДНК и нанотехнологии. [14] [15]

ПНК можно использовать для улучшения высокопроизводительного секвенирования гена рибосомальной РНК 16S в образцах растений и почвы путем блокирования амплификации загрязняющих пластидных и митохондриальных последовательностей. [16]

Клеточный – функциональный антагонизм/ингибирование. В 2001 году Штраус и коллеги сообщили о разработке приложения для олигомеров PNA в живых клетках млекопитающих. Область связывания хроматина Xist была впервые обнаружена в женских фибробластных клетках мышей и эмбриональных стволовых клетках с помощью молекулярного антагониста PNA. Новый подход PNA напрямую продемонстрировал функцию lncRNA. Длинная некодирующая (lncRNA) РНК Xist напрямую связывается с неактивной X-хромосомой. Эксперименты по функциональному ингибированию PNA показали, что определенные повторяющиеся области РНК Xist отвечают за связывание хроматина и, следовательно, могут считаться доменными областями транскрипта РНК. Молекулярный антагонист PNA вводился в живые клетки и функционально ингибировал ассоциацию Xist с неактивной X-хромосомой с помощью подхода для изучения функции некодирующей РНК в живых клетках, называемого картированием интерференции пептидной нуклеиновой кислоты (PNA). В описанных экспериментах одиночная 19-пн антисмысловая проникающая в клетку ПНК, нацеленная на определенный регион РНК Xist, вызывала нарушение Xi. Ассоциация Xi с макрогистоном H2A также нарушается при картировании интерференции ПНК. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Nielsen PE, Egholm M, Berg RH, Buchardt O (декабрь 1991 г.). "Селективное по последовательности распознавание ДНК путем смещения цепи с помощью тимин-замещенного полиамида". Science . 254 (5037): 1497– 500. Bibcode :1991Sci...254.1497N. doi :10.1126/science.1962210. PMID  1962210.
  2. ^ Гупта А., Мишра А., Пури Н. (октябрь 2017 г.). «Пептидные нуклеиновые кислоты: передовые инструменты для биомедицинских приложений». Журнал биотехнологии . 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 (ноябрь 2015 г.). «Доставка проникающих в клетки конъюгатов пептид-пептид нуклеиновой кислоты путем сборки на олигонуклеотидном каркасе». Scientific Reports . 5 : 17640. Bibcode :2015NatSR...517640Z. doi :10.1038/srep17640. PMC 4661726 . PMID  26612536. 
  4. ^ Banack SA, Metcalf JS, Jiang L, Craighead D, Ilag LL, Cox PA (7 ноября 2012 г.). «Цианобактерии производят N-(2-аминоэтил)глицин, основу пептидных нуклеиновых кислот, которые, возможно, были первыми генетическими молекулами для жизни на Земле». PLOS ONE . 7 (11): e49043. doi : 10.1371/journal.pone.0049043 . PMC 3492184. PMID  23145061 . 
  5. ^ Egholm M, Buchardt O, Christensen L, Behrens C, Freier SM, Driver DA, Berg RH, Kim SK, Norden B, Nielsen PE (октябрь 1993 г.). «PNA гибридизуется с комплементарными олигонуклеотидами, подчиняющимися правилам водородных связей Уотсона-Крика». Nature . 365 (6446): 566– 8. Bibcode :1993Natur.365..566E. doi :10.1038/365566a0. PMID  7692304. S2CID  4318153.
  6. ^ ab Brudno Y, Birnbaum ME, Kleiner RE, Liu DR (февраль 2010 г.). "Система in vitro трансляции, отбора и амплификации для пептидных нуклеиновых кислот". Nature Chemical Biology . 6 (2): 148– 55. doi :10.1038/nchembio.280. PMC 2808706 . PMID  20081830. 
  7. ^ Kleiner RE, Brudno Y, Birnbaum ME, Liu DR (апрель 2008 г.). «ДНК-шаблонная полимеризация пептидных нуклеиновых кислотных альдегидов с функциональными боковыми цепями». Журнал Американского химического общества . 130 (14): 4646–59 . doi :10.1021/ja0753997. PMC 2748799. PMID  18341334 . 
  8. ^ Ura Y, Beierle JM, Leman LJ, Orgel LE, Ghadiri MR (июль 2009 г.). «Самоорганизующиеся адаптивные к последовательности пептидные нуклеиновые кислоты». Science . 325 (5936): 73– 7. Bibcode :2009Sci...325...73U. doi :10.1126/science.1174577. PMID  19520909. S2CID  13327028.
  9. ^ Jain HV, Verthelyi D, Beaucage SL (2015). «Амфипатические транс-действующие фосфоротиоатные элементы ДНК опосредуют доставку незаряженных последовательностей нуклеиновых кислот в клетки млекопитающих». RSC Advances . 5 (80): 65245– 65254. Bibcode : 2015RSCAd...565245J. doi : 10.1039/C5RA12038A .
  10. ^ Wittung P, Nielsen PE, Buchardt O, Egholm M, Nordén B (апрель 1994). «ДНК-подобная двойная спираль, образованная пептидной нуклеиновой кислотой». Nature . 368 (6471): 561– 3. Bibcode :1994Natur.368..561W. doi :10.1038/368561a0. PMID  8139692. S2CID  551986.
  11. ^ Nelson KE, Levy M, Miller SL (апрель 2000 г.). «Первой генетической молекулой могли быть скорее пептидные нуклеиновые кислоты, чем РНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (8): 3868– 71. Bibcode : 2000PNAS ...97.3868N. doi : 10.1073/pnas.97.8.3868 . PMC 18108. PMID  10760258. 
  12. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. (март 2002 г.). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Routledge. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  13. ^ Циммер С (январь 2009). «Эволюционные корни. О происхождении жизни на Земле». Science . 323 (5911): 198– 9. doi :10.1126/science.323.5911.198. PMID  19131603. S2CID  206583796.
  14. ^ Anstaett P, Gasser G (2014). «Пептидная нуклеиновая кислота — возможность для бионанотехнологии» (PDF) . CHIMIA . 68 (4): 264– 8. doi :10.2533/chimia.2014.264. PMID  24983612.
  15. ^ D'Souza AD, Belotserkovskii BP, Hanawalt PC (февраль 2018 г.). «Новый режим ингибирования транскрипции, опосредованный PNA-индуцированными R-петлями с модельной системой in vitro». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1861 (2): 158– 166. doi :10.1016/j.bbagrm.2017.12.008. PMC 5820110. PMID  29357316 . 
  16. ^ Lundberg DS, Yourstone S, Mieczkowski P, Jones CD, Dangl JL (октябрь 2013 г.). «Практические инновации для высокопроизводительного секвенирования ампликонов». Nature Methods . 10 (10): 999– 1002. doi :10.1038/nmeth.2634. PMID  23995388. S2CID  1751531.
  17. ^ "Белецкий и др. 2001"/ Белецкий, Антон; Штраус, Уильям (2001). "Картирование интерференции PNA демонстрирует функциональные домены в некодирующей РНК Xist". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (16): 9215– 20. Bibcode : 2001PNAS...98.9215B. doi : 10.1073/pnas.161173098 . PMC 55400. PMID  11481485 . 

Дальнейшее чтение

  • Nielsen PE (декабрь 2008 г.). «Тройная спираль: проектирование новой молекулы жизни». Scientific American . 299 (6): 64–71 . doi :10.1038/scientificamerican1208-64. PMID  19143446.
  • Krämer R, Mokhir A (2012). "Глава 12. Металлические комплексные производные пептидных нуклеиновых кислот (PNA)". В Sigel A, Helmut Sigel H, Sigel RK (ред.). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. Том 10. Springer. стр.  319– 40. doi :10.1007/978-94-007-2172-2_12. ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210345.
  • Шакил С., Карим С., Али А. (июнь 2006 г.). «Пептидная нуклеиновая кислота (ПНК) — обзор». Журнал химической технологии и биотехнологии . 81 (6): 892– 9. doi :10.1002/jctb.1505.
  • Бхадаурия, Виджай (июнь 2017 г.). Секвенирование нового поколения и биоинформатика для науки о растениях. Caister Academic Press. doi : 10.21775/9781910190654. ISBN 978-1-910190-66-1.
  • Kaihatsu K, Janowski BA, Corey DR (июнь 2004 г.). «Распознавание хромосомной ДНК ПНК». Химия и биология . 11 (6): 749–58 . doi : 10.1016/j.chembiol.2003.09.014 . PMID  15217608.
  • Ng PS, Bergstrom DE (январь 2005 г.). «Альтернативные аналоги нуклеиновых кислот для программируемой сборки: гибридизация LNA с PNA». Nano Letters . 5 (1): 107– 11. Bibcode :2005NanoL...5..107N. doi :10.1021/nl048246f. PMID  15792422.
  • Пауласова П., Пеллестор Ф. (2004). «Пептидные нуклеиновые кислоты (ПНК): новое поколение зондов для генетических и цитогенетических анализов». Annales de Génétique . 47 (4): 349–58 . doi :10.1016/j.anngen.2004.07.001. PMID  15581832.
  • Castelvecchi D (июнь 2004). "Новая игра жизни". Блог на WordPress.com .
  • Nielsen PE, Egholm M (1999). «Введение в пептидную нуклеиновую кислоту» (PDF) . Curr. Issues Mol. Biol . 1 (2): 89– 104. PMID  11475704.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Пептидная_нуклеиновая_кислота&oldid=1252581859"