Protokoll für die Festphasensynthese von Oligomeren der RNA mit einem 2'-<em> O</em> -thiophenylmethyl-Modifikation und Charakterisierung über Kreisdichroismus
Summary
Dieser Artikel liefert ein detailliertes Verfahren zur Festphasensynthese, -reinigung und -charakterisierung von an der C2'- O- Position modifizierten Dodecamern von RNA. UV-vis- und zirkuläre Dichroismus-photometrische Analysen dienen zur Quantifizierung und Charakterisierung von Strukturaspekten, dh Einzelsträngen oder Doppelsträngen.
Abstract
Die Festphasensynthese wurde verwendet, um kanonische und modifizierte Polymere von Nukleinsäuren, insbesondere von DNA oder RNA, zu erhalten, die es zu einer populären Methodik für Anwendungen in verschiedenen Bereichen und für verschiedene Forschungszwecke gemacht hat. Das hier beschriebene Verfahren konzentriert sich auf die Synthese, Reinigung und Charakterisierung von Dodecamern von RNA 5 '- [CUA CGG AAU CAU] -3' mit null, einer oder zwei Modifikationen, die sich an der C2'- O- Position befinden. Die Sonden basieren auf 2-Thiophenylmethylgruppen, die über Standard-organische Synthese in RNA-Nukleotide eingebaut und über ihre jeweiligen Phosphoramidite in die entsprechenden Oligonukleotide eingeführt werden. Dieser Bericht nutzt die Phosphoramidit-Chemie über die vier kanonischen Nukleobasen (Uridin (U), Cytosin (C), Guanosin (G), Adenosin (A)) sowie 2-Thiophenylmethyl-funktionalisierte Nukleotide, modifiziert am 2'- O- Position; Allerdings ist die Methodik für eine große varDie im Laufe der Jahre entwickelt wurden. Die Oligonukleotide wurden auf einem kontrollierten Porenglas (CPG) -Träger, gefolgt von einer Spaltung aus dem Harz und einer Entschützung unter Standardbedingungen, dh einem Gemisch aus Ammoniak und Methylamin (AMA), gefolgt von Fluorwasserstoff / Triethylamin / N-Methylpyrrolidinon, synthetisiert. Die entsprechenden Oligonukleotide wurden über Polyacrylamid-Elektrophorese (20% Denaturierung) gereinigt, gefolgt von Elution, Entsalzung und Isolierung über Umkehrphasenchromatographie (Sep-pak, C 18- Säule). Quantifizierungs- und Strukturparameter wurden mittels Ultraviolett-sichtbare (UV-vis) bzw. zirkuläre Dichroismus (CD) photometrische Analyse beurteilt. Dieser Bericht zielt darauf ab, als Ressource und Führer für Anfänger und Experten Forscher interessiert, um in diesem Bereich zu dienen dienen. Es wird erwartet, dass es als ein work-in-progress dienen, wie neue Technologien und Methoden entwickelt werden. Die Beschreibung der Methoden und Techniken innerhalb von ThiS Dokument entspricht einem DNA / RNA Synthesizer (renoviert und im Jahr 2013 gekauft), der Phosphoramidit Chemie verwendet.
Introduction
Die Festphasensynthese zur Gewinnung von Oligonukleotiden von DNA / RNA ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das seit den 1970er Jahren 1 , 2 , 3 mit Hilfe von Phosphoramidit-Bausteinen 4 verschiedene Anwendungen in verschiedenen Bereichen bedient hat. Beispiele für seinen breiten Einfluss sind: ihre Auswirkungen auf die Etikettierung ( über Klick-Chemie-Reaktionen) 5 , strukturelle Sondierung 6 und Antisense-Technologien 7 sowie die Aufklärung der biologischen Mechanismen 8 , 9 , Quelle als genetisches Material 10 und die Untersuchung von Verschiedene natürliche und / oder chemische Modifikationen 11 , 12 , unter vielen anderen. Die Modifikation, die wir hier verwenden, stellt den ersten Schritt in unseren Bemühungen dar, RNA-Oligonukleotide zu erhalten, die enthaltenPhotoaktive Sonden, um die zeitliche Kontrolle der Struktur und Funktion dieses wichtigen Biopolymers zu ermöglichen.
Die Synthese von RNA-Dodekameraden mit Sequenzen: 5 '- [CUA CG G A AU CAU] -3' / 5 '- [AUG AUU CCG UAG] -3' (unterstrichene Positionen stellen den Einbau einer C2'- O- Thiophenylmethyl-Modifikation dar ) Steht im Mittelpunkt dieser Studie. Die Sequenzen wurden ausgewählt, um die Quantifizierung und Messung von RNA-Strängen als Einzelstränge oder als entsprechende Duplexstrukturen zu ermöglichen (keine anderen Sekundärstrukturen wurden als thermodynamisch stabil vorausgesagt). CD wurde verwendet, um die strukturellen Parameter, dh Duplexbildung und thermische Denaturierungsübergänge, zu etablieren.
Synthese
Das Gesamtverfahren zur Gewinnung dieser Oligonukleotide ist in Fig. 1 dargestellt und folgt dem schrittweisen Verfahren: automatisierte Festphasensynthese → DeprOtection → Reinigung → Quantifizierung → Charakterisierung. Abbildung 2 zeigt die monomeren Einheiten, die in diesem Verfahren notwendig sind. Die Festphasen – Synthese von RNA ähnlich ist zu der DNA, dass sie basiert auf dem Phosphoramidit – Chemie (Figur 2, links) und die Verwendung von basenlabilen Schutzgruppen für die nukleophile exocyclischen Amine an G, A und C, beispielsweise Acetyl, Benzoyl, Phenoxyacetyl, t- Butyl oder N , N- Dimethylformamid ( Abbildung 2 , rechts). Ein weiterer Aspekt, der in der RNA zu berücksichtigen ist, ist aufgrund des Vorhandenseins der C2'-OH-Gruppe (fehlt in den Desoxyoligonukleotid-Biopolymeren) der zusätzliche Schritt, der für den Schutz und die anschließende Entschützung dieser nukleophilen Position einbezogen werden muss. In dieser Hinsicht sind Silizium-basierte Schutzgruppen aufgrund ihres Potenzials als biorthogonale Reste zu einer attraktiven Strategie geworden (spezifischY in Gegenwart von Fluorid entschützt), wobei die tert- Butyldimethylsilyl- (TBDMS) und Triisopropylsilyloxymethyl (TOM) -Gruppen als beliebte Entscheidungen ( Abbildung 2 , unten links).
In dieser Arbeit wurde die automatisierte Synthese auf einem DNA / RNA-Synthesizer durchgeführt, der die Standardphosphoramidit-Chemie verwendet. Die Herstellereinstellungen auf dem Instrument beinhalten einen automatisierten Verdünnungsschritt bei Verwendung der kommerziellen Versionen der Phosphoramidite für DNA oder die Möglichkeit, die vom Benutzer eingestellten Volumina zu verdünnen. Allerdings haben wir beschlossen, den RNA-Phosphoramidit zu wiegen und manuell zu verdünnen, wobei: 1) der Preis der kanonischen Phosphoramidite der RNA höher ist (bis zu 50-mal teurer in einigen Fällen); 2) die modifizierten Phosphoramidite werden oft in geringen Mengen erhalten; Und 3) die Menge des verschwendeten Materials bei Verwendung eines automatisierten Verdünnungsschrittes (vom Hersteller festgelegt) ist groß. Darüber hinaus verwendeten wir: 1) handelsübliche feste Träger(Z. B. CPG), die eine geschützte Nukleobase enthält, um als das 3'-Ende zu funktionieren; Und 2) kommerzielle Phosphoramidite (kanonische Nukleobasen), die mit einer TBDMS-Gruppe an der C2'- O- Position geschützt sind. Die detaillierte Liste der Syntheseschritte ist in Abbildung 3 und Tabelle 1 zusammen mit einer weiteren Beschreibung und Kommentaren für Schritte, die für die RNA-Synthese angepasst wurden, bereitgestellt. Weiterhin veranschaulicht Fig. 4 die schrittweisen Ausbeuten, die für jeden Schritt nach Auswahl der Option "Trityl-Monitor" beobachtet werden, die das aus jedem Detritylierungsschritt freigesetzte Trityl-Kation quantifiziert.
Es ist bemerkenswert, dass typischerweise nach unserer Erfahrung der limitierende Faktor das Phosphoramidit, das die gewünschte Modifikation enthielt, erhielt. Das heißt, die Entwicklung einer synthetischen Methodik, die den Einbau von Modifikationen an ausgewählten Standorten ermöglicht. In diesem Bericht konzentrieren wir uns auf dieEinarbeitung eines modifizierten Nukleotids, für das wir die entsprechende Synthesemethode, die C2'- O- Thiophenylmethylgruppe, etabliert haben. Diese Gruppe ist klein und beeinflusst die Festphasensynthese in keiner Weise. Da der Einbau dieser Gruppe in Oligonukleotide von RNA beschrieben wurde, werden zusammen mit den strukturellen und thermodynamischen Parametern 4 keine Aspekte der organischen Synthese, die zu den modifizierten Phosphoramiditen führt, beschrieben.
Entschützung, Reinigung und Charakterisierung
Die Entschützung der exocyclischen Amine und ß-Cyanoethylgruppen erfolgt im gleichen Schritt wie die der Spaltung aus dem CPG-Harz. Wir nutzten die üblicherweise verwendeten Bedingungen des Erhitzens des erhaltenen Harzes in Gegenwart einer wäßrigen AMA-Lösung, gefolgt von einer Spaltung der C2'- O- Silylgruppen in Gegenwart von Fluoridionen und anschließender Reinigung über GelElektrophorese Während diese in vielen Fällen zu Standardbedingungen geworden sind, können Modifikationen, die gegenüber basischen Bedingungen oder Fluoridionen labil sind, mildere Bedingungen 13 , 14 , z. B. Methanol / Kaliumcarbonat (MeOH / K 2 CO 3 ) oder Butylamin erfordern. So ist ein anderer Satz von Schutzgruppen an den entsprechenden Phosphoramiditen notwendig. Darüber hinaus wählten wir die Elektrophorese als bevorzugte Alternative zur Reinigung der entschützten Oligomere aufgrund unserer bisherigen Erfahrung mit dieser Methode und dem Mangel an anderen Instrumenten. Jedoch kann HPLC alternativ als eine effektive Methode 15 verwendet werden. Die Charakterisierung der gereinigten Oligonukleotide erfolgte mittels Massenspektrometrie, matrixunterstützter Laserdesorption / Ionisationszeit des Fluges (MALDI-TOF) unter Verwendung eines gemeldeten Verfahrens durch unsere Gruppe 16 .
Strukturelle Charakterisierung und ther Die Stabilität der erhaltenen Duplexe erfolgte über CD. Speziell verwenden wir CD, um die thermischen Denaturierungsübergänge von modifizierten und unmodifizierten Oligonukleotiden von RNA zu bestimmen, indem man die Abnahme der Elliptizität des Bandes bei ca. 270 nm sowie das Verschwinden des Bandes (mit negativer Elliptizität) mit einem λ max bei 210 nm. Ein Spektralvergleich vor und nach der Hybridisierung wird zur Veranschaulichung ihrer Unterschiede und zur Validierung der eingesetzten Methodik gegeben. Die Verwendung von CD wird bei der Bestimmung von Strukturmotiven in Nukleinsäuren und Aminosäuren 17 weithin akzeptiert und kann daher als Werkzeug zur Bestimmung verschiedener struktureller und thermodynamischer Parameter verwendet werden 18 ; Allerdings gibt es nicht viele Beispiele, wo die Technik verwendet wird, um thermische Denaturierungsübergänge zu bewerten. In einigen Fällen handelt es sich um die Bestimmung von thermischen Stabilitäten auf DNA, die G-Quadruplexe enthältAss = "xref"> 19 , 20 oder in Duplexen und Haarnadeln der RNA 21 .
Dieser Bericht beabsichtigt, den nicht-fachkundigen Leser oder Betrachter mit einer Reihe von Werkzeugen zur Verfügung zu stellen, die einen reibungslosen Start in diese Art von Forschung ermöglichen. Es wird dazu dienen, mit Methoden und Techniken in anderen Forschungslaboratorien, die in diesem spannenden Zweig der Wissenschaft beteiligt sind, zu verbessern und zu vergleichen. Der Inhalt in diesem Bericht ergänzt die vorhandenen Protokolle dieser Technologie aus verschiedenen Quellen und bereichert und erleichtert die Erfahrung mit einer visuellen Hilfe für jeden Schritt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Absicht dieses Manuskripts dient als Leitfaden für Forscher auf dem Gebiet, Anfänger oder Experte, um die Synthese von Oligonukleotiden von DNA oder RNA erfolgreich zu erreichen oder zu verstärken. Die beschriebene Methodik konzentriert sich auf die Verwendung der Festphasensynthese unter Verwendung eines automatisierten DNA / RNA-Synthesizers über Standard-Phosphoramidit-Chemie. Der Bericht beschreibt eine schrittweise Darstellung der Synthese, Reinigung und Charakterisierung von RNA-Dodecamern. Darüber hinaus…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Vorbereitung dieses Manuskripts wurde über Start-up-Fonds von der University of Colorado Denver (JMRE) unterstützt. AF möchte die Unterstützung von einem Research and Creative Activities Award (RaCAS, CU Denver) anerkennen. Die Finanzierung durch das Amt für Forschungsdienste, Universität von Colorado Denver zur Deckung der Veröffentlichungsgebühren wird anerkannt. Wir danken den Labormitgliedern Frau Cassandra Herbert und Herrn Yannick K. Dzowo für ihre Beiträge im Videobereich.
Materials
| AbsolveTM | PerkinElmer | 6NE9711 | |
| Acetonitrile 99.9%, HPLC Grade | Fisher Scientific | 75-05-8 | |
| Acetonitrile 99.9%, anhydrous for DNA sequencing | Fisher BioReagents | 75-05-8 | |
| Acrylamide, 99+% | ACROS Organics | 164850025 | |
| Ammonium chloride 98+% | Alfa Aesar | 12125-02-9 | |
| Ammonium citrate, dibasic 98% | Sigma Aldrich | 3012-65-5 | |
| Ammonium Fluoride 98.0%, ACS grade | Alfa Aesar | 12125-01-8 | |
| Ammonium hydroxide 28-30% in water, ACS Plus | Fisher Chemical | 1336-21-6 | |
| Ammonium persulfate | ACROS Organics | 1444 | |
| Argon-ultra high purity | Airgas | 7440-37-1 | |
| Bis-acrylamide Ultra pure | VWR-Amresco | 172 | |
| Boric Acid | Fisher Scientific | A73-1 | |
| Diethyl pyrocarbonate, 97% | ACROS Organics | A0368487 | |
| Ethanol, anhydrous, histological grade | Fisher Chemical | 64-17-5 | |
| Ethylenediamine tetraacetic acid, disodium salt dehydrate 100.2% | Fisher Chemical | 6381-92-6 | |
| Formamide | Thermo Scientific | 75-12-7 | |
| Hydrochloric acid, 36.5-38.0%, Certified ACS Plus | Fisher Chemical | 7647-01-0 | |
| Magnesium chloride hexahydrate, 99% | Fisher Scientific | 7786-30-3 | |
| Methanol, 99.9%, HPLC Grade | Fisher Chemical | 67-56-1 | |
| Methylamine 40% in water | Sigma Aldrich | 74-89-5 | |
| 1-Methyl-2-pyrrolidinone, andhydrous, 99.5% | Aldrich | 872-50-4 | |
| Opti-TOFTM 96 Well Insert (123 x 81 mm) | MDS SCIEX | 1020157 | |
| RNase Away | Molecular BioProducts | 7005-11 | |
| Sodium acetate, anhydrous 99.2%, Certified ACS | Fisher Chemical | 127-09-3 | |
| Sodium chloride, 100.5%, Certified ACS | Fisher Chemical | 7647-14-5 | |
| Sodium phosphate monobasic dihydrate 99.0% | Sigma | 13472-35-0 | |
| 2’,4’ Triethylamine, 99+% | Alfa Aesar | 121-44-8 | |
| TEMED | Amresco | 761 | |
| Triethylamine trihydrofluoride, 98% | Aldrich | 73602-61-6 | |
| Trifluoroacetic acid, 99% | Alfa Aesar | 76-05-1 | |
| 6’-Trihydroxyacetophenone monohydrate 98% | Sigma Aldrich | 480-66-0 | |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP154-3 | |
| Urea | Fisher Scientific | U15-3 | |
| Reagents for the RNA synthesis: | |||
| Deblocking mix, 3% trichloroacetic acid in dichloromethane | Glen Research | 40-4140-57 | |
| Cap Mix A, THF/Pyridine/Acetic anhydride | Glen Research | 40-4110-52 | |
| Cap Mix B, 10% 1-methylimidazole in THF | Glen Research | 40-4120-52 | |
| Activator, 0.25 M 5-ethylthio-1H-tetrazole in anhydrous acetonitrile | Glen Research | 30-3140-52 | |
| Oxidizing Solution, 0.02 M iodine in THF/Pyridine/Water | Glen Research | 40-4330-52 | |
| U-RNA-CPG | Glen Research | 20-3330-xx | |
| Ac-G-RNA-CPG | Glen Research | 20-3324-xx | |
| Ac-G-CE Phosphoramidite | Glen Research | 10-3025-xx | |
| U-CE Phosphoramidite | Glen Research | 10-3030-xx | |
| Ac-C-CE Phosphoramidite | Glen Research | 10-3015-xx | |
| Bz-A-CE Phosphoramidite | Glen Research | 10-3003-xx |
References
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