Олигонуклеотид – это короткий фрагмент нуклеиновой кислоты менее 50 нуклеотидов в длину. В течение последних 20 лет, смысл расширился, чтобы включать в себя все химически синтезированные нуклеиновые кислоты, независимо от длины. Первая публикация о направленном химическом синтезе олигонуклеотида появилась в 1955 году.

С тех пор, миллионы олигонуклеотидов синтезируются каждый год для использования в лабораториях по всему миру. Для большинства исследований нужны лишь небольшие количества ДНК. Гораздо большее количество ДНК (10 мкмоль или более) необходимы для использования в биофизических исследованиях (ЯМР и рентгеновской кристаллографии) поэтому, чтобы обеспечить синтез столь больших количеств, были разработаны методы твердофазного синтеза, что позволяет использовать олигонуклеотиды в качестве молекул лекарственного средства (например, антисмысловые олигонуклеотиды).

Синтез ДНК или РНК олигонуклеотидов относится к химическому синтезу фрагментов нуклеиновых кислот с определенными химическими структурами или последовательностей в различных размерах.

Рис.1. Структуры олигонуклеотидов.

Принцип твердофазного синтеза впервые был разработан и применен для синтеза полипептидов Роберта Брюса Меррифилда, американского биохимика, который получил Нобелевскую премию по химии в 1984 году за изобретение твердой фазы синтеза пептидов. Он понял, что ключ к успешному синтезу заключается в закреплении первого мономера к нерастворимой полимерной твердой фазе. Другие мономеры затем могут быть соединены, один за другим, к неподвижному терминальному концу растущего полимера. В конце синтеза, завершенная полимерная цепь может быть отсоединена от нерастворимого полимера и очищена. Этот процесс был оптимизирован на протяжении многих лет, чтобы стать высокоэффективным и теперь стал принципиально важным методом, используемым в автоматизированных олигонуклеотидных синтезаторах.

Для обеспечения успешного синтеза олигонуклеотидов необходимы следующие условия:

• Все реагенты должны быть растворимы в неводных растворителях.
• Амино- и гидроксильные группы нуклеотидных оснований и углеводных остатков должны быть соответствующим образом блокированы.
• Защитные группы, введенные в процессе синтеза, должны быть стабильными в условиях удлинения цепи при образовании межнуклеотидной фосфодиэфирной связи.
• Защитные группы должны быть достаточно лабильными, чтобы их можно было удалить в конце синтеза, не повредив продуктов реакции.

Функции олигонуклеотидов и перспективы их применения

В настоящее время олигонуклеотиды и их аналоги широко используются в различных областях, таких как медицина и в молекулярно-биологических исследованиях, а также рассматриваются в качестве перспективных терапевтических средств и зондов для молекулярной диагностики.

За последние 20 лет относительно хорошо были изучены только два типа аналогов нуклеиновых кислот с формально электронейтральным остовом – пептидные нуклеиновые кислоты и фосфордиамидные морфолиноолигонуклеотиды. Аналоги обоих типов способны к комплементарному связыванию с природными молекулами ДНК и РНК, и в силу этого они нашли применение как в молекулярной биологии, так и, в особенности, в медицине в качестве потенциальных лекарственных препаратов.

Кроме того, с развитием ДНК-технологий появилась возможность изучения экспрессии известных генов, определения мутаций в геномах различных организмов и проведения диагностики ряда инфекционных заболеваний. В решении этих задач наиболее перспективным является использование ДНК-чипов, представляющих собой небольшие пластины с нанесенными на их поверхность фрагментами ДНК.

Способ создания ДНК-чипов объединяет методы, основанные на адресном синтезе олигонуклеотидов непосредственно на поверхности чипа. Синтез проводят путем поэтапного добавления к растущей олигонуклеотидной цепи нуклеотидов, содержащих на 5’-конце лабильную защитную группу, снятие которой возможно под действием светового излучения, электрического напряжения или в ходе кислотного гидролиза.

Показано, также, что ген-направленные олигонуклеотиды, в зависимости от выбранного гена-мишени, отличаются значительным разнообразием модулирующих эффектов на опухолевые ткани, начиная от замедления и остановки пролиферации опухолевых клеток и заканчивая подавлением их инвазивных свойств.

Противоопухолевые препараты на основе нуклеиновых кислот представляют собой высокоспецифичный инструмент модуляции экспрессии генов. Подавление ряда генов, аномально высокая экспрессия которых возникает при неопластической трансформации, можно осуществить с помощью препаратов на основе нуклеиновых кислот, таких как антисмысловые олигонуклеотиды (asON). В общем, механизм подавления экспрессии генов заключается в их комплементарном связывании с мРНК-мишенью, после чего целевая мРНК либо подвергается расщеплению, либо блокируется процесс ее трансляции.

asON представляют собой синтетические одноцепочные ДНК длиной 15-20 нуклеотидов. В последнее время были получены asON, способные препятствовать транспорту сплайсированной мРНК из ядра в цитоплазму, а также asON, которые в результате блокирования сайта сплайсинга в пре-мРНК способны приводить к экспрессии альтернативного варианта белка.

Ввиду того, что природные олигодезоксирибонуклеотиды в культуре клеток и в условиях in vivo подвергаются быстрой деградации под действием нуклеаз, для повышения их стабильности в структуру asON вводят различные химические модификации.

Химический синтез олигонуклеотидов

Твердофазный синтез широко используется в синтезе пептидов, синтезе олигонуклеотидов, синтезе олигосахаридов и комбинаторной химии. Твердофазный химический синтез был изобретен в 1960-е годы Брюсом Меррифилдом, и был удостоен Нобелевской премии по химии в 1984 году.

Твердофазный синтез осуществляют на твердом носителе, между фильтрами, в столбцах, которые пропускают все реагенты и растворители. Твердофазный синтез имеет ряд преимуществ по сравнению с синтезом в растворе:

 обеспечивает высокую скорость реакции

 примеси и избыток реагентов смываются, поэтому очистка после каждого шага не требуется

 процесс поддается автоматизации на твердофазных синтезаторах с компьютерным управлением.

Твердые носители (называемые также смолами) представляют из себя нерастворимые в воде частицы, как правило, 50-200 мкм в диаметре, к которым олигонуклеотид присоединяется в процессе синтеза.

Имеются данные, что одним из наиболее эффективных материалов, которые можно использовать в качестве твердого носителя, является пористое стекло. Оно достаточно жесткое и не способно к набуханю. В его глубоких порах, происходит синтез олигонуклеотидов. Стекло содержит 500 Å (50 нм) поры, которые подходят для синтеза коротких олигонуклеотидов. Тем не менее, оно плохо подходит для синтеза олигонуклеотидов более 40 оснований в длину. Это связано с тем, что растущий олигонуклеотид блокирует поры и уменьшает диффузию реагентов через матрицу.

Твердые носители для обычного синтеза олигонуклеотидов, как правило, изготовлены с нагрузкой 20-30 мкмоль нуклеозида на грамм смолы. Синтез олигонуклеотидов при более высоких нагрузках становится менее эффективным вследствие стерических затруднений между соседними цепями ДНК, присоединенных к смоле.

Этапы химического синтеза олигонуклеотидов

Фосфорамидатный олиго-синтез протекает в 3′- к 5′-направлении (противоположном 5′- к 3′-направлении биосинтеза ДНК в репликации ДНК). Один нуклеотид добавляется за синтез цикла.

Рис. 2. Фосфорамидатный олигонуклеотидный цикл синтеза

В начале олигонуклеотидного синтеза первый нуклеозид предварительно присоединяют к смоле (носителю), и выбираются колонны синтеза A, G, C или T в зависимости от нуклеозида на 3′-конце желаемого олигонуклеотида. Закрепленный нуклеозид имеет 5′-ДMT защитную группу (ДМТ = 4,4′-диметокситритил), роль которой состоит в предотвращении полимеризации, и эта защитная группа должна быть удалена (детритилирование). Механизм детрилирования показан на рисунке 3.

Рис.3. Механизм удаления защитной группы.

После детритилирования, закрепленный нуклеозид готов реагировать со следующим основанием, который добавляется в виде нуклеозид-фосфорамидатного мономера. Большой избыток соответствующего нуклеозида, смешивают с активатором (тетразолом или его производными). Диизопропиламиногруппа нуклеозида протонируется активатором, и, таким образом, превращается в хорошо отсоединяющуюся группу. Она быстро вытесняется 5′-гидроксильной группой связанного нуклеозида, создавая фосфит триэфир (рис. 4).

Рис.4. Механизм протонирования активатором.

Нуклеозидные фосфорамидиты достаточно стабильны в инертной атмосфере, и могут быть получены в больших количествах, доставляться по всему миру, и храниться в виде сухого твердого вещества в течение нескольких месяцев перед использованием.

Однако даже при высокоточных работах по синтезу олигонуклеотидов, остается вероятность, что там будет несколько непрореагировавших 5′-гидроксильных групп, которые будут доступны для участия в следующей стадии. Если подобное нарушение не остановить, они будут накапливаться с каждым последующим циклом, и конечный продукт будет сложной смесью олигонуклеотидов, большинство из которых будет нести неправильную генетическую информацию.

Поэтому метод ацетилирования 5′-гидроксильных групп делает их инертным по отношению к последующей реакции. Это необходимо также и для минимизации примесей.

Фосфит-триэфир (Р (III)), образованный на стадии присоединения неустойчив к кислотам и должен быть преобразован в стабильную форму (P (V)). Это достигается за счет окисления йода в присутствии воды и пиридина (рис. 5). Полученный фосфотриэфир фактически представляет собой ДНК ось, защищенную 2-цианоэтил группой. Группа цианоэтила предотвращает нежелательные реакции с фосфором во время последующих циклов синтеза.

Рис.5. Механизм окислительной стадии.

После этого, ДМТ-защитная группа на 5′-конце цепи ДНК должна быть удалена так, чтобы первичная гидроксильная группа могла вступить в реакцию со следующим нуклеотид-фосфорамидатом. Реакция удаления защитной группы с помощью трихлоруксусной кислоты в дихлорметане протекает быстро. Цикл повторяется, один раз для каждой основы, до получения требуемого олигонуклеотида.

Далее необходимо отсоединить синтезированный олигонуклеотид от твердого носителя. В этом случае используется сукцинил. Разделение возможно при обработке концентрированным водным раствором аммиака при комнатной температуре в течение одного часа (рис. 6).

Рис.6. Механизм отделения олигонуклеотида от твердого носителя в концентрированном водном растворе аммиака.

Реакция расщепления осуществляется автоматически на некоторых синтезаторах, и аммиачный раствор, содержащий олигонуклеотид, поступает в стеклянный флакон. В качестве альтернативы, расщепление может быть осуществлено вручную путем принятия колонки от синтезатора и промыванием в шприцах, содержащих гидроксид аммония.

Олигонуклеотид растворяется в концентрированном водном растворе аммиака, а последующий нагрев позволяет удалить защитные группы из гетероциклических оснований и фосфатов. Водный раствор затем удаляют выпариванием и олигонуклеотид готов к очистке.

Кроме ДМТ-защитной группы, необходимы также дополнительные защитные группы и для аденина, цитозина и гуанина (рис.7). Однако для тимина в этом нет необходимости.

Рис.7. Структуры защитных групп, обычно используемые для защиты адениновых, цитозиновых и гуаниновых оснований во время фосфорамидатного синтеза ДНК олигонуклеотидов.

Выводы

1. Искусственно синтезированные олигонуклеотиды находят все более широкое применение в различных областях науки, а методы их получения все более совершенствуются, что позволяет синтезировать достаточное количество олигонуклеотидов для лабораторных экспериментов и для создания терапевтических препаратов.

2. На сегодняшний день, самым распространенным методом синтеза олигонуклеотидов остается метод твердофазного синтеза, который позволяет существенно ускорять процесс получения олигонуклеотидов, а также уменьшать объемы затраченных реактивов.

04.07.2013 - 31.12.2013

Проведен систематический анализ современной литературы по теме исследования. Установлены последовательности наиболее перспективных, с точки зрения исполнителей проекта, производных олигонуклеотидов и их аналогов, которые должны проявлять противовирусную и антибактериальную активности.
Разработаны методики синтеза модифицированных олигонуклеотидов и их конъюгатов с использованием автоматических ДНК/РНК-синтезаторов или в режиме неавтоматизированного синтеза на твердотельном носителе. Для дизайна олигонуклеотидных производных с заданной функциональностью предложены различные подходы, в том числе, основанные на прогностическом анализе структуры и стабильности формируемых дуплексов с помощью метода молекулярной динамики. Предложен способ синтеза новых, ранее не описанных производных олигонуклеотидов, несущих модификации по атому фосфора межнуклеотидной фосфодиэфирной группировки.
Разработана методика анализа эффективности проникновения флуоресцеин-меченных соединений в бактериальные клетки. Показано, что положительно заряженные производные пептида Flu-(LR)4G-амида эффективно проникают и накапливаются в Pseudomonas aeruginosa, а эффективность проникновения в нее олигонуклеотидов без транспортного пептида низка.
Все разработанные при выполнении исследований методики, как синтетические, так и аналитические, внедрены в работу Лаборатории Биомедицинской Химии ИХБФМ СО РАН. Полученные теоретические наработки использованы в образовательных курсах.
Созданная в лаборатории синтетическая база для получения, выделения и характеризации олигонуклеотидов является уникальной для РФ и близка к уровню лучших мировых научно-исследовательских лабораторий соответствующей специализации. Привлечение специалистов биологического профиля делает лабораторию уникальной по потенциалу ее научно-исследовательской реализации в направлении разработки РНК-направленных противовирусных и антибактериальных препаратов.

Развернуть

01.01.2014 - 31.12.2014

i) Оценка антибактериальной активности аналогов олигонуклеотидов/олигонуклеотидных конъюгатов по отношению к Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhimurium; Staphylococcus aureus;
ii) Оценка антивирусной активности аналогов олигонуклеотидов/олигонуклеотидных конъюгатов по отношению к вируса гриппа WSN33/A/H1N1.
iii) Выбор последовательностей олигонуклеотидных аналогов- лидеров, проявляющих антибактериальную или противовирусную активность на требуемом уровне;
iv) Разработка протоколов синтеза олигонуклеотидных конъюгатов, содержащих группы, которые увеличивают эффективность их накопления в эукариотических или бактериальных клетках
iv) Оценка эффективности проникновения и накопления разработанных соединений в бактериальных и эукариотических клетках.
v) Подготовленная лаборатория;
vi) Статьи в научной периодике, индексируемой в Web of Science.
vii) Тезисы докладов на конференциях;
viii) Свидетельства об участии в в образовательных курсах;
ix) Конференция;

Развернуть

01.01.2015 - 31.12.2015

3.1 Антибактериальная активность соединений, содержащих последовательности-лидеры по отношению к Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhimurium; Staphylococcus aureus in vitro (в клеточной культуре);
3.2 Противовирусная активность соединений, содержащих последовательности-лидеры, по отношению к вирусу гриппа in vitro;

3.3. Технологические и терапевтические характеристики отобранных олигонуклеотидных аналогов и конъюгатов с учетом путей коммерциализации препаратов, в том числе:

3.3.1 Список стандартизованных экспериментальных методик для оценки антибактериальной и противовирусной активности препаратов олигонуклеотидных аналогов in vitro (в культуре клеток) и in vivo (на животных моделях);

3.3.3 Отобранные олигонуклеотидные аналоги и конъюгаты, которые наряду с проявлением высокой антибактериальной и противовирусной активности способны к эффективному проникновению и накоплению в клетках, в том числе:

3.3.2.1 Данные по проникновению в клетки и доставки модифицированных олигонуклеотидных аналогов и конъюгатов;
3.3.2.2 Оптимизированный полупрепаративный синтез, пре- и пост-синтетические модификации, выделение и количественный контроль олигонуклеотидных аналогов, проявляющих антибактериальную и противовирусную активность;
3.3.2.3. Оценка разработанных соединений с антибактериальной и противовирусной активностью с точки зрения коммерческого использования.

3.4 Подготовленный финальный отчет по Проекту;
3.5 Подготовленная лаборатория;

3.6 Тезисы докладов на конференциях;
3.7 Свидетельства об участии в в образовательных курсах;

3.8 3статьи в научной периодике, индексируемой в Web of Science

Председатели: Т.В. Овчинникова, Н.Ф. Мясоедов

Заседание 1
Председатели: Н.Ф. Мясоедов, Т.В. Овчинникова
Большой зал
19 сентября, 9:30 - 11:30

25 мин Н.Ф. Мясоедов

Лекарственные средства на основе пептидов

20 мин С.А. Лимборская Институт молекулярной генетики РАН, Москва, Россия

Молекулярно-генетические механизмы пептидной регуляции

15 мин Р.У. Островская

Ноопепт - новые механизмы действия и перспективы применения

15 мин Т.Н. Соллертинская 1 , М.В. Шорохов 1 , Н.Ф. Мясоедов 2 , Л.А. Андреева 2 1 Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург; 2 Институт молекулярной генетики РАН, Москва, Россия

Особенности нейропептидной коррекции когнитивных и психо-эмоциональных нарушений при синдроме хронической усталости у млекопитающих (эволюционные аспекты исследования)

15 мин И.И. Бобынцев , О.И. Сороколетова, А.Е. Белых Курский государственный медицинский университет, Курск, Россия

Исследование анксиолитических и анальгетических эффектов пептида Gly-His-Lys (GHK) и его структурных аналогов

Заседание 2
Председатели: С.Н. Кочетков, Т.В. Овчинникова
Большой зал
19 сентября, 16:00 - 18:00

25 мин С.Н. Кочетков

Новые ингибиторы развития социально-значимых инфекций

20 мин Т.В. Овчинникова Институт биоорганической химии им. М.М.

Терапевтический потенциал антимикробных пептидов

15 мин В.Н. Кокряков 1,2 , О.В. Шамова 1,2 , Г.М. Алешина 1 , М.Н. Берлов 1,2 , Т.В. Овчинникова 3 1 Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург; 2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург; 3 Институт биоорганической химии им.

Достижения отечественной школы биохимиков в изучении структуры и функций антибиотических пептидов животного происхождения

15 мин О.В. Шамова 1 , 2 , М.С. Жаркова 1 , П.М. Копейкин 1 , Т.А. Лукьянова 1 , А.Ю. Артамонов 1 , С.В. Баландин 3 , Т.А. Филатенкова 1 , А.С. Назаров 1,2 , К.Э. Сафиуллина 1 , М.С. Сухарева 1 , Т.Ю. Пазина 1 , Т.М. Гринчук 4 , В.Н. Кокряков 1,2 , Т.В. Овчинникова 3 , Д.С. Орлов 1,2 1 Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург; 2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург; 3 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва; 4 Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург, Россия

Пролин-богатые пептиды врожденного иммунитета как прототипы новых антимикробных и противоопухолевых лекарственных препаратов

15 мин И.Е. Елисеев 1 , И.Н. Тертеров 1 , О.В. Шамова 2 , М.В. Дубина 1 1 Санкт-Петербургский академический университет; 2 Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург, Россия

Использование паттернов аминокислотных последовательностей для дизайна альфа-спиральных антимикробных пептидов

15 мин М.Н. Берлов 1,2 , Е.С. Умнякова 1 , А.В. Соколов 1 , Т.В. Овчинникова 3 , В.Н. Кокряков 1,2 1 Институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург; 2 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург; 3 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, Россия

Взаимодействие катионных антимикробных пептидов с белком C1q и их влияние на активацию комплемента

Заседание 3
Председатели: Н.Ф. Мясоедов, Л.П. Овчинников
Большой зал
20 сентября, 9:30 - 11:30

25 мин Л.П. Овчинников 1 , Н.В. Бобкова 2 1 Институт белка РАН, Пущино; 2 Институт биофизики клетки РАН, Пущино, Россия

Разработка инновационного лекарственного средства против болезни Альцгеймера на основе белка YB-1

20 мин О.М. Вольпина 1 , Д.О. Короев 1 , Т.Д. Волкова 1 , А.В. Камынина 1 , М.П. Филатова 1 , С.М. Баласанянц 1 , Н.И. Медвинская 2 , П.В. Некрасов 2 , И.В. Нестерова 2 , А.Н. Самохин 2 , Н.В. Бобкова 2 1 М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва; 2 Институт биофизики клетки РАН, Пущино Московской области, Россия

Протективная активность пептидов в нейродегенеративных процессах альцгеймеровского типа

15 мин А.В. Таллерова НИИ фармакологии им. В.В. Закусова, Москва, Россия

Дипептидный миметик мозгового нейротрофического фактора ГСБ-106 - перспективный антидепрессант нового поколения

15 мин К.Н. Колясникова , Т.А. Гудашева, С.Б. Середенин НИИ фармакологии им. В.В. Закусова, Москва, Россия

Замещенный глипролин ГЗК-111 - новый дипептид с анксиолитической и нейропротекторной активностями

15 мин А.В. Аветисян 1 , Р.А. Зиновкин 1 , Р.А. Симонян 1 , П.В. Некрасов 2 , А.Н. Самохин 2 , Д.О. Короев 3 , О.М. Вольпина 3 , Н.В. Бобкова 2 1 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, Москва; 2 Институт биофизики клетки РАН, Пущино; 3 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, Россия

Синтетические пептиды к внеклеточному домену RAGE восстанавливают митохондрии в мозге бульбэктомированных мышей

15 мин А.Д. Слободина 1,2 , О.И. Большакова 1 , А.Л. Шварцман 1 , С.В. Саранцева 1 1 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, Гатчина; 2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

Комбинированные пептиды как перспективные соединения для терапии болезни Альцгеймера

Заседание 4
Председатель: Е.Д. Свердлов
Большой зал
20 сентября, 16:50 - 18:50

15 мин В.А. Митькевич , А.А. Макаров Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, Москва, Россия

Разработка противоопухолевого средства на основе рибонуклеазы биназы

15 мин А.В. Степанов 1,2 , А.А. Белогуров 1,2 , А.Г. Габибов 1,2 1 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва; 2 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

Применение химерных антигенных рецепторов Т-клеток слитных с лигандом В‑клеточного рецептора для терапии неходжкинских лимфом

15 мин В.А. Рихтер 1 , Е.В. Кулигина 1 , О.В. Коваль 1 , Г.В. Кочнева 2 , А.А. Немудрая 1 , А.А. Макарцова 1 , О.С. Троицкая 1 1 Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирск, Россия 2 Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии, Кольцово, Новосибирская обл., Россия

Способы повышения противоопухолевой эффективности Лактаптина

15 мин А.А. Розенкранц, Т.А. Сластникова, А.В. Уласов, А.С. Соболев Институт биологии гена РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Направленная внутриклеточная доставка противораковых агентов с помощью модульных нанотранспортеров

15 мин И.В. Алексеенко Институт молекулярной генетики РАН; Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, Россия

Проблемы и перспективы генно-терапевтических препаратов для лечения рака

15 мин Д.В. Сверчинский , В.Ф. Лазарев, И.В. Гужова, Б.А. Маргулис Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург, Россия

Модуляторы активности шаперона Hsp70 и их противоопухолевый потенциал

15 мин С.С. Ларин , М.И. Лукашина, А.В. Кибардин, А.В. Посвятенко, Е.Ю. Лысюк, Г.П. Георгиев Институт биологии гена РАН, Москва, Россия

Мембраносвязанные и растворимые формы стресс-индуцированных MHC подобных молекул как перспективные маркёры в диагностике и терапии злокачественных опухолей

Заседание 5
Председатели: Н.Ф. Мясоедов, В.А. Стоник
Большой зал
21 сентября, 9.30 - 11.30

25 мин В.А. Стоник Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.В.Елякова Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия

От исследований морских природных соединений к новым идеям и биопрепаратам

20 мин П.В. Сергиев 1,2 , И.А. Остерман 1,2 , Е.С. Комарова 1,2 , А.А. Богданов 1 , О.А. Донцова 1,2 1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2 Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия

Поиск новых антибиотиков и изучение механизма их действия

15 мин Я.Р. Паникратова 1 , И.С. Лебедева 1 , О.Ю. Соколов 1 , Д.А. Куприянов 2 , А.Д. Румшиская 3 , Н.В. Кост 1 , Н.Ф.Мясоедов 1 1 ФГБНУ НЦПЗ; ‑ 2 ОО Филипс; 3 ФГАУ «ЛРЦ» МЗ РФ, Москва, Россия

Изучение влияния Семакса на активность нейрональных сетей головного мозга человека методом функциональной магнито-резонансной томографии (фМРТ)

15 мин Е.Ф. Колесанова , Е.А. Егорова, В.Н. Прозоровский, О.М. Ипатова НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича, Москва, Россия

Синтетические пептиды в инновационных лекарственных препаратах: пептидные иммуногены и пептиды-транспортеры

15 мин Б.П. Челобанов 1,2 , А.А. Фокина 1 , А.М. Ильина 2 , К.В. Клабенкова 2 , Е.А. Буракова 1 , M. Фуджии 3 , Д.А. Стеценко 1,2 1 Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирск; 2 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия; 3 Университет Киндай, Фукуока, Япония

Пептидные конъюгаты аналогов олигонуклеотидов как потенциальные терапевтические агенты

15 мин А.А. Замятнин (мл.) 1,2 , А.В. Балакирева 1 , Н.В. Гороховец 1 , Е.Ю. Зерний 2 , Н.В. Кузнецова 1 , В.А. Макаров 1 , А.И. Петушкова 3 , Л.В. Савватеева 1 1 Институт молекулярной медицины, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова, Москва; НИИ Физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, Москва; 3 Биологический факультет, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Создание энзиматического средства для эффективной детоксификции глютена

Заседание 6
Председатели: В.М. Липкин, Т.В. Овчинникова
Большой зал
21 сентября, 16.15 - 18.15

15 мин И.А. Гривенников 1 , Е.В. Новосадова 1 , С.А. Антонов 1 , Е.С. Мануилова 1 , Е.Л. Арсеньева 1 , М.А. Грефенштейн 1 , А.М.Зыкова 1 , Кобылянский А.Г. 1 , В.В. Симонова 3 , Л.Г. Хаспеков 3 , О.С. Лебедева 2 , М.А. Лагарькова 2 , С.Н.Иллариошкин 3 , В.З. Тарантул 1 ,Н.Ф. Мясоедов 1 1 Институт молекулярной генетики РАН; 2 ФНКЦ физико-химической медицины ФМБА России; 3 Научный центр неврологии РАМН, Москва

Тест-система на основе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека

15 мин Е.В. Новосадова , Е.Л. Арсеньева, Е.С. Мануилова, М.А. Грефенштейн, Н.Ф. Мясоедов, И.А. Гривенников Институт молекулярной генетики РАН, Москва, Россия

Пептиды семейства меланокортинов способны модулировать экспрессию нейронспецифичных генов в процессе нейрональной дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека

15 мин А.П. Богачук 1 , З.И. Сторожева 2 , Ю.А. Золотарев 3 , Г.И. Ковалев 4 , В.Н. Азев 5 , А.Н. Мурашев 5 , Д.И. Ржевский 5 , Г.Б. Телегин 5 , В.М. Липкин 1 1 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; 2 Федеральный медицинский исследовательский центр психиатрии и наркологии им. В.П. Сербского; 3 Институт молекулярной генетики РАН; 4 НИИ фармакологии РАН, Москва, Россия; 5 Филиал Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Пущино Московской области, Россия

Доклинические исследования нового нейропротекторного лекарственного средства на основе пептида

15 мин Ю.А. Золотарев 1 , Г.И. Ковалёв 2 , Н.В. Кост 3 , О.Ю. Соколов 3 , А.К. Дадаян 1 , В.С. Козик 1 , С.И. Шрам 1 , Е.В. Васильева 2 , А.П. Богачук 4 , В.М. Липкин 4 , Н.Ф. Мясоедов 1 1 Институт молекулярной генетики РАН; 2 НИИ фармакологии им. В.В. Закусова; 3 Научный центр психического здоровья; 4 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, Россия

Анксиолитическая и нейропротекторная активность регуляторного пептида HLDF-6 на моделях болезни Паркинсона и тревожных расстройств

15 мин А.К. Дадаян 1 , Ю.А. Золотарев 1 , В.С. Козик 1 , С.И. Шрам 1 , И.Ю. Нагаев 1 , В.Н. Азев 2 , А.П. Богачук 3 , В.М. Липкин 3 , Н.Ф. Мясоедов 1 1 Институт молекулярной генетики РАН, Москва; 2 Филиал Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Пущино; 3 Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва, Россия

Фармакокинетика ацетамидной формы пептида HLDF-6 в тканях лабораторных животных с использованием меченных тритием и дейтерием производных.

Введение

Разработка лекарственных препаратов направленного действия является приоритетной задачей современных молекулярной биологии, биоорганической химии и медицины. В настоящее время существует большое количество работ, отражающих различные подходы для решения этой задачи. По ряду причин наиболее перспективным является подход, основанный на выборе в качестве мишени мРНК патогенного белка и использование свойства комплементарности при взаимодействии нуклеиновых кислот друг с другом. На сегодняшний день работы ведутся в трёх направлениях:

Антисмысловые олигонуклеотиды;

Рибозимы и ДНКзимы;

SiRNA и miRNA.

В основе этих методов лежит использование коротких молекул нуклеиновых кислот (17 - 70 н.) с последовательностью, частично или полностью комплементарной участку мРНК - мишени. Общие принципы действия таких агентов объединяют их и в области возникающих проблем, среди которых наиболее острыми являются доставка в клетку, устойчивость к действию нуклеаз и эффективность взаимодействия с мРНК-мишенью. Химические модификации НК-агентов помогают частично или полностью решить многие из этих проблем и повысить эффективность действия агентов.

Изучение механизмов подавления экспрессии гена, используя комплиментарные взаимодействия требует использования методов анализа, позволяющих однозначно определить антисмысловое действие олигонуклеотидов.

Целью настоящей работы является отработка метода подавления экспрессии гена EGFP в клетках с использованием конъюгатов олигонуклеотида с пиреном.

Модификации антисмысловых олигонуклеотидов (Литературный обзор)

Разработка лекарственных препаратов, позволяющих на уровне гена предотвращать развитие заболеваний, вызванных экспрессией патогенных белков (вирусные, продукты онкогенов) или белков, препятствующих его излечению (MDR), привела к появлению и развитию антисенс-технологии. Принцип антисенс-технологии просто: антисмысловые олигорибонуклеотиды вызывают подавление экспрессии гена-мишени сиквенс-специфическим образом, используя способность олигонуклеотидов гибридизоваться с мРНК-мишенью посредством Уотсон-Криковских взаимодействий. Олигонуклеотид, связываясь с РНК-мишенью, препятствует её дальнейшему процессингу . Эксперименты на клеточных культурах показали, что использование олигодезоксирибонуклеотидов (далее ODN) длиной 20 - 30 н., комплиментарных участку мРНК значительно снижает уровень экспрессии кодируемого ею белка. Развитие метода показало ряд причин, приводящих к снижению эффективности ODN: короткое время жизни ODN в сыворотке, низкая эффективность проникновения (транспорта) в клетку и недостаточная эффективность связывания со структурированными фрагментами РНК.

Развитие органической химии, в частности, химии нуклеиновых кислот, позволяет искать пути решения возникающих проблем внесением различных химических модификаций ODN. Химической модификации могут подвергаться как азотистые основания, так и сахаро-фосфатный остов, что приводит к повышению его нуклеазоустойчивости ODN и эффективности его связывания с комплементарной последовательностью. Повышение эффективности доставки ODN в клетку пытаются решить введением в его состав по одному из концов различных групп, облегчающих прохождение через мембрану .

В основном выделяют два механизма действия антисмысловых олигонуклеотидов: арест трансляции за счёт связывания регуляторной области и расщепление РНК в составе РНК-ДНК-гетеродуплекса. Ведение модификаций может оказывать различное влияние по тому или другому механизму, что следует учитывать при выборе варианта модификации .

1.1 Механизм действия антисмысловых олигонуклеотидов

При взаимодействии антисмыслового олигонуклеотида с мРНК происходят два события: стерическое блокирование и расщепление мРНК-мишени РНКазой H. Для одних олигонуклеотидов происходят оба события (РНКаза H-компетентные олигонуклеотиды), для других - только стерическое блокирование (РНКаза H-независимые). Эти два варианта основаны на различных клеточных механизмах. Наиболее широкий спектр молекулярных механизмов затрачивается при использовании второго варианта. Это достигается адресацией олигонуклеотидов к определённым регуляторным последовательностям, как в пре-мРНК, так и в мРНК. В случае пре-мРНК адресация ODN к граничной области между интроном и экзоном нарушает сплайсинг, что приводит либо к его остановке, либо к образованию мРНК, кодирующей нефункциональный белок (см. рис.1). Другим перспективным участком связывания ODN в пре-мРНК является 5"-концевой регион. Взаимодействие ODN с этим регионом приводит к блокированию кепирования .

При взаимодействии ODN с мРНК происходит нарушение её трансляции, а следовательно и синтеза белка за счёт блокирования движения рибосомы по мРНК или даже её сборки в зависимости от положения сайта связывания .

Рис.1.

РНКаза H-компетентные ODN могут быть адресованы к любому участку пре-мРНК и мРНК, так как их действие основано на активации РНКазы H, субстратом которой является РНК в составе дуплексов РНК - ДНК. Однако многие химически модифицированные антисмысловые олигонуклеотиды неспособны включать этот механизм ввиду высокой стерической специфичности РНКазы H. Это связано с тем, что большинство модификаций приводит к изменению параметров спирали дуплекса ODN - РНК, и они перестают быть субстратами для РНКазы H.

Антисмысловые олигонуклеотиды второго поколения - модифицированные по 2"-положению остатка сахара, не являются субстратами РНКазы Н, поэтому нужно искать другие расщепляющие агенты (искусственные РНКазы). Ряд малых молекул (интеркаляторы, поликатионы) способны расщеплять РНК-мишень. Прикрепление к олигонуклеотидам реакционноспособных групп приводит к расщеплению желаемых участков РНК-мишени. Такие группы - это комплексы металлов, амины, олигопептиды и молекулярные конструкциями с группами активного центра нуклеаз (имидазольное кольцо, COO - -, NH 2 -группы, гуанидин) .

1.2 Модификации антисмысловых олигонуклеотидов

1.2.1 Стратегии развития химических модификаций олигонуклеотидов

На основе накопленных данных по применению антисмысловых олигонуклеотидов был сформулирован ряд критериев, которым должен удовлетворять ODN, чтобы быть эффективным терапевтическим агентом :

· устойчивость к нуклеазам

· высокая аффинность к мишени

· формирование субстрата РНКазы H

· различные механизмы действия (влияние альтернативный сплайсинг, арест трансляции)

· нетоксичность и специфичность

· возможность неспецифического связывания с белками для транспорта

· лёгкость синтеза, патентабельность, выгода

Нативные ODN не способны полностью удовлетворять всем перечисленным критериям. Основными ограничениями выступают слабая нуклеазная устойчивость и недостаточно стабильные комплексы ODN - РНК. Введение химических модификаций в ODN по всем или отдельно взятым нуклеотидам позволяют в значительной степени устранить имеющиеся недостатки. Модификации ODN проводят по фосфатной группе, остатку сахарозы, азотистому основанию или по концевым фосфатным остаткам. Для повышения нуклеазной устойчивости чаще всего проводят модификацию по фосфатной группе и остатку дезоксирибозы . Повышение эффективности связывания получают за счёт модификации азотистых оснований , а также остатка дезоксирибозы . Для повышения эффективности связывания с белками и улучшения транспорта производят конъюгацию с лигандами различной природы . В ряде случаев присоединённые химические конструкции выполняют роль катализаторов фосфодиэфирных связей в РНК .

1.2.2 Модификации фосфатной группы

Расщепление нуклеазами фосфодиэфирных связей в ДНК происходит через эффективное связывание в активном центре и с использованием кислотно-основных свойств фосфатной группы. Один из способов повысить устойчивость связей ODN к действию нуклеаз - изменить электронную конфигурацию фосфатной группы. Для этого один из несвязанных атомов кислорода заменяют атомом другого элемента. Одним из первых в качестве такого элемента использовали серу, в результате чего были получены фосфоротиоаты (модифицированные антисмысловые олигонуклеотиды первого поколения; см. рис. 2, II).

Рис. 2.

Фосфоротиоаты проявили высокую устойчивость к действию нуклеаз, однако такая модификация значительно повысила токсичность ODN .

Заменой несвязанного атома кислорода фосфатной группы метильной группой получают метилфосфонаты (см. рис. 3, III), проявляющие высокую устойчивость к действию нуклеаз. Модификацию часто проводят только по концевым нуклеотидам, что приводит к уменьшению токсичности .

Если заменить атом кислорода фосфата остатком BH 3 - , получаются боранофосфаты. Остаток -BH 3 - изоэлектронен атому кислорода в фосфодиэфирных связях, за счёт чего боранофосфаты сохраняют свой отрицательный заряд, хорошо растворимы в воде и формируют комплексы с РНК-мишенью. Также этот остаток изоэлектронен и изостеричен метильной группе, благодаря чему от них следует ожидать свойства, аналогичные свойствам метилфосфонатов, такие как устойчивость к нуклеазам .

Рис. 3.

1.2.3 Модификации остатка сахара

Модификации фосфодиэфирных связей не оказывают значительного эффекта на стабильность гетеродуплекса ДНК - РНК. Поэтому, кроме модифицированных олигодезоксинуклеотидов, представляют интерес так называемые модифицированные антисмысловые олигонуклеотиды второго поколения - это замещённые по 2"-гидроксильной группе остатка рибозы олигорибонуклеотиды. Такая модификации также повышает устойчивость к действию нуклеаз. Хотя РНК значительно менее устойчивы к воздействию окружающей среды по сравнению с ДНК за счёт наличия 2"-OH-группы, именно модификации по этой группе позволяют получить стабильные продукты, проявляющие меньшую токсичность по сравнению с фосфонатами. Также к модифицированным антисмысловым олигонуклеотидам второго поколения часто относят и олигонуклеотиды с модифицированным остовом не сахарофосфатной природы, например, пептидные нуклеиновые кислоты, также проявляющие нуклеазоустойчивость и образование термодинамически стабильных гибридов с молекулами мРНК-мишени.

Рис.4. Модификации второго поколения: V - 2"-O-алкил-РНК, VI - LNA, VII - Morpholino, VIII - PNA.

Анализ данных по использованию ряда 2"-O-алкильных производных РНК, содержащих от одного до пяти метиленовых звеньев в алкильном радикале, показал, что с увеличением количества метиленовых звеньев возрастает устойчивость модифицированного олигонуклеотида к действию нуклеаз (пентокси > пропокси > метокси > дезокси). Эта зависимость может объясняться стерической недоступностью нуклеотида при присоединении более объемного заместителя. Однако, стерические затруднения, вызванные наличием объёмных заместителей, снижают эффективность образования комплементарных комплексов с мРНК-мишенью, поэтому наибольшего сродства к мишени достигли при использовании малых заместителей . При сравнении физико-химических параметров 2"-O-метилированных фосфоротиоатов (Me-S-ODN), S-DNA и немодифицированной ДНК выяснилось, что температура плавления (T m) гетеродуплексов ДНК - РНК возрастает в следующем порядке: Me-S-ODN - RNA > normal DNA - RNA > S-ODN - RNA . Недостаток данной модификации состоит в том, что РНКаза H не может расщепить мРНК-мишень в РНК - РНК-комплексе. Как следствие этого недостатка, такие олигонуклеотиды являются менее мощными ингибиторами экспрессии генов по сравнению с немодифицированными .

2"-катионные модификации приводят к образованию цвиттер-ионных олигонуклеотидов. Такие олигонуклеотиды, кроме образования более стабильных гетеродуплексов, по сравнению с немодифицированными, обладают большей способностью проникать через биологические мембраны и высокую стабильность к действию нуклеаз вследствие своего заряда. 2?-O-этил]олигонуклеотиды (2"-O-DMAEOE, см. рис 5), благодаря эффекту заряда, образуют гетеродуплексы с РНК-мишенью с температурой плавления на 2 єС больше по сравнению с немодифицированными олигонуклеотидами . Цвиттер-ионные олигонуклеотиды сохраняют РНКаза H-компетентность, если модификации разбросаны по всей длине олигонуклеотида.

Рис. 5. 2"-O-DMAEOE

Конформационно ограниченные «блокированные» нуклеиновые кислоты (Locked Nucleic Acids, LNA) - модифицированные нуклеиновые кислоты, имеющие как минимум один мономер с бициклической фуранозой в качестве сахарного остатка (см. рис. 4, VI). Они обладают большим сродством к комплементарной последовательности (температура плавления дуплекса возрастает на 6 °С при модификации одного нуклеотида ), что является и достоинством (эффективное связывание мишени), и недостатком (образование шпилек). Такое сродство необходимо учитывать при конструировании LNA . Исследования на мышах показали малотоксичность LNA .

Пептидные нуклеиновые кислоты (PNA) - аналоги нуклеиновых кислот, в которых сахарофосфатный остов заменён на псевдопептидный N-(2-аминоэтил)-глициновый полимер. N-конец иминирует 3"-конец олигонуклеотида, а C-конец - его 5"-конец (см. рис. 3, VII). Комплексы PNA - РНК более стабильны, чем комплексы ДНК - ДНК и РНК - РНК. Несмотря на то, что PNA могут связывать мишень как в антипараллельной (по Уотсону - Крику), так и в параллельной (по Хугстину) ориентации, более стабильные комплексы образуются при антипараллельной ориентации PNA. Исследования показали малую токсичность PNA .

Морфолины (см. рис. 3, VIII) - это реагенты, совмещающие стабильность, резистентность к действию нуклеаз, эффективность, активность в течение долгого периода, водорастворимость, высокую специфичность и низкую токсичность. Молекулы имеют нейтральный заряд . Производством морфолинов занимается компания Gene Tools, LLC (http://www.gene-tools.com ).

Для сохранения РНКаза H-компетентности необходимо, чтобы в середине олигонуклеотида был участок хотя бы из 7 дезоксинуклеотидов, поэтому используются «смешанные» антисмысловые олигонуклеотиды, т.е. имеющие разные модификации в разных звеньях (LNA/DNA, LNA/RNA и т.п.). Также в реакционную смесь добавляют соединения, содержащие группы, вызывающие расщепление мРНК-мишени за счёт сходства с активным центром РНКазы H, либо модифицировать не все нуклеотидные звенья (например, только 3"- и 5"-концы). .

Таким образом, основные свойства модифицированных по сахарофосфатному остову антисмысловых олигонуклеотидов можно суммировать в следующей таблице:

Таблица 1. Сравнение модификаций сахарофосфатногого остова.

1.2.4 Модификации азотистых оснований

Эффективного антисмыслового действия бывает трудно достичь только за счёт модификаций сахарофосфатного остова. Модифицированные азотистые основания повышают эффективность действия антисмысловых ODN за счёт увеличения сродства к РНК-мишени (аминоаденозин, G-clamp) и скорости проникновения через плазматическую мембрану (катионные и цвиттер-ионные группы).

При присоединении феноксазина к остатку цитозина получается так называемый G-clamp (см. рис. 6, X), образующий дополнительную водородную связь с остатком гуанина, благодаря чему на 6 - 18 °С увеличивается температура плавления гибрида ODN - РНК. Такая модификация производится обычно по 3"-концу, что не нарушает РНКаза H-компетентность .

При введении аминогруппы в остаток аденина(см. рис. 6, XI) также возрастает сродство к мишени за счёт образования дополнительной водородной связи с остатком тимина .

Рис. 6. Дополнительные водородные связи между С и G clamp (X), между T и A NH2 (XI)

ODN с присоединёнными к остаткам азотистых оснований катионными и цвиттер-ионными группами (например, спермидиновой, рис. 7) за счёт своего положительного заряда не только обладают бьльшим сродством к мишени, но и улучшенной способности к проникновению в клетку и стабильностью к действию нуклеаз .

Рис. 7.

С концевыми азотистыми основаниями для визуализации места расположения ODN в клетке конъюгируют большие флуоресцирующие лиганды, такие как флуоресцеин .

Рис.8.

1.2.5 Присоединение объёмных заместителей

Способность проникать внутрь клетки, минуя клеточную мембрану, - одно из качеств, которое должно присутствовать у эффективного антисмыслового олигонуклеотида. Большинство описанных выше модификаций нуклеотидов в составе ODN не оказывают значительного влияния на транспорт ODN через клеточную мембрану. Существует несколько путей проникновения молекул через плазмалемму, но для ODN важны два: диффузный, или не рецептор-опосредованный, и рецептор-опосредованный. Транспорт по первому варианту затрудняется суммарным отрицательным зарядом ODN и их гидрофильностью. Использование второго пути ограничено недостаточными данными о поверхностных белках мембраны клеток, отвечающих за транспорт нуклеиновых кислот в клетку. Создание конъюгатов ODN с различными химическими группами способствует повышению эффективности транспорта по тому или иному пути в зависимости от типа химической группы и места её присоединения к ODN. На рисунке 9 представлены варианты линкеров, которые используются при получении конъюгатов. Лиганды можно присоединять к азотистым основаниям, концевым фосфатам, фосфодиэфирным (или аналогичным им) связям, а также остаткам сахара. Некоторые типы химических групп позволяют также визуализировать компартментализацию путём детекции флуоресценции. модификация олигонуклеотид антисмысловый реакция

Рис.9.

Частичная и даже полная нейтрализация отрицательного заряда ODN не оказывает существенного эффекта на способность ODN к самопроизвольному транспорту в клетку. Присоединение различных объёмных гидрофобных лигандов, в частности, тех, что изображены на рисунке 9, облегчает транспорт ODN через мембрану.

Рис.10.

Хорошо изучены конъюгаты с холестеролом . Механизм, улучшающий проникновение в клетку за счёт присоединения холестерола, ещё не до конца ясен, хотя, предполагается рецептор-опосредованное включение липопротеидов . Холестероловые конъюгаты образуют мицеллы, что облегчает их транспорт внутрь клетки. Присоединяют остаток холестерола обычно по концевым 5"- и 3"-фосфатам, причём 3"-монохолестерилолигонуклеотиды более эффективны по сравнению с 5"-монохолестерилолигонуклеотиды, а самыми действенными являются 5",3"-бисхолестерилолигонуклеотиды. К примеру, через 6 мин после инъекции в кровь мыши уровень в тканях 3"-мономодифицированных фосфоротиоатиов был в 4 раза, а 5"-моно- и 3",5"-бисмодифицированных - в 7 раз выше по сравнению с немодифицированными фосфоротиоатами .

Используют мономеры с 5"- или/и 3"-холестерилзамещённым фосфатом , олигонуклеотиды с лигандом, конъюгированным с фосфодиэфирной связью перед 3"-концевым нуклеозидом , а также холестериловые дендримеры с остатком лизина в качестве линкера (см. рис. 11) .

Рис.11.

Олигонуклеотиды, конъюгированные с другими гидрофобными молекулами (адамантан, пирен, эйкозановая кислота и др.), были синтезированы и сравнены с холестероловыми. Холестероловые конъюгаты показали оптимальную липофильность, а также хорошую способность к аккумуляции в печени .

Конъюгация с производными пирена, кроме улучшения способности к транспорту, представляет интерес по причине их способности к флюоресценции. Бис-пиренильные производные способны образовывать эксимеры - бимолекулярные комплексы, в которых одна молекула находится в основном состоянии, другая - в возбуждённым. Такие комплексы очень чувствительны к пространственному окружению, по уровню флуоресценции можно судить о том, находится ODN в связанном с РНК-мишенью состоянии или нет :

Рис.12.

Для улучшения эффективности транспорта в клетку используются также пептидные конъюганты. К олигонуклеотидам, в т.ч. PNA, присоединяют пептид, способный переносить через мембрану большие полярные заряженные молекулы . Так, пептид Antennapedia имеет сайты связывания ДНК. PNA с присоединённым пептидом Antennapedia не только эффективно проникает в клетку, но и мигрирует в ядро .

Рис.13.

Присоединение к концам молекул антисмысловых ODN больших плоских интеркалирующих молекул, таких, как акридин (см. рис. 14), представляет интерес в качестве увеличителя эффективности расщепления молекулы РНК-мишени. За счёт интеркаляции локально разрыхляется взаимодействие ODN - РНК. В следствие увеличения расстояния между ДНК и РНК за счёт размеров молекулы интеркалятора образуется «выпетливание» молекулы РНК из двойной спирали гетеродуплекса. Катионы тяжёлых металлов, например Lu 3+ , координированные с атомами азота остатка акридина, катализируют гидролиз РНК без участия РНКазы H, а «выпетливание» как дестабилизирующая структура ускоряет этот процесс .

Рис. 14.

1.3 Физико-химические аспекты взаимодействия олигонуклеотида и РНК-мишени

Эффективность действия антисмысловых олигонуклеотидов количественно характеризуется сродством ODN к мРНК-мишени и эффективной константой расщепления последней.

Сродство ODN к адресуемой ему РНК (или свободная энергия образования гетеродуплекса) описывает стабильность гибрида ДНК - РНК. r G может быть измерена калориметрически , либо рассчитана теоретически . При расчете свободной энергии Гиббса образования гетеродуплекса используется закон Гесса (свободная энергия Гиббса сложной реакции не зависит от её пути) и расчеты энергий образования вторичных и третичных структур по правилу «ближайшего соседа» (nearest neighbor rule) с помощью программы mfold, разработанной Цукером и соавторами. Реакцию можно представить следующим образом:

В этой схеме М, O, H - соответственно мРНК-мишень, антисмысловой ODN и гетеродуплекс ODN - РНК с учётом их вторичной и третичной структуры, М u , O u , H u - соответственно мРНК-мишень, антисмысловой ODN и гетеродуплекс ODN - РНК без учёта их вторичной и третичной структуры, un G (M) , un G (O) , un G (H) - свободные энергии Гиббса укладки их во вторичную и третичную структуру, r G, r G (unfolded) - свободные энергии гибридизации ODN и мРНК в свёрнутом и полностью денатурированном состоянии соответственно.

un G (M) , un G (O) , un G (H) и r G (unfolded) могут быть теоретически рассчитаны. Тогда свободная энергия гибридизации находится по закону Гесса:

Константу равновесия процесса ассощиации гетеродуплекса K 1 можно найти, исходя из рассчитанной свободной энергии Гиббса процесса гибридизации:

Для оценки температуры плавления гетеродуплекса также пользуются правилом «ближайшего соседа» и рассчитывают её с помощью соответствующих программ.

Экспериментально можно найти эффективную константу скорости k eff брутто-реакции превращения мРНК M в условный продукт X (эта условность не влияет на результат кинетических расчетов, но значительно их упрощает):

Эффективная константа скорости брутто-реакции показывает наблюдаемую скорость расщепления мРНК-мишени.

Механизм реакции можно представить следующей схемой:

В этой схеме E - фермент РНКаза H, HE - промежуточный комплекс её с субстратом H, K 1 - константа ассоциации гетеродуплекса, рассчитываемая по формуле (3).

Для данной кинетической схемы можно составить систему кинетических уравнений:

где С A - концентрация вещества A, k i - константа скорости i-й элементарной реакции.

Обычно измеряемым параметром является концентрация мРНК в растворе (исходная C M0 и текущая C M ), поэтому k eff считают относительно к матрице:

Использовав квазистационарное приближение по промежуточному продукту HE и упростив выражение для скорости реакции w с помощью уравнения Михаэлиса - Ментен:

где - константа Михаэиса, можно преобразовать выражение для скорости изменения концентрации гетеродуплекса H:

Найдём выражение для эффективной константы скорости расщепления мРНК-мишени в двух случаях: когда процесс лимитируется связыванием мРНК антисмысловым ODN и лимитируется каталитическим расщеплением мРНК-мишени в составе гетеродуплекса.

Случай 1. Лимитирование гибридизацией.

В этом случае процесс расщепления идёт значительно быстрей, чем гибридизация. Поэтому можно допустить предположение об установлении стационарной концентрации гетеродуплекса H, т.е.:

С другой стороны, легко увидеть (6), что:

То есть, в данном случае выражение для скорости расщепления мРНК совпадает по абсолютному значению с выражением скорости реакции (скорости образования условного продукта Х). Воспользовавшись этим, преобразуем выражение для скорости изменения концентрации олигонуклеотида, мы увидим, что его концентрацию можно считать практически неизменной:

Воспользовавшись выражением (14) и, как следствие, пренебрегая вкладом члена k -1 С H в находим скорость расщепления мРНК в новом виде и выражаем k eff .

Случай 2. Лимитирование каталитическим расщеплением субстрата.

В случае, когда расщепление идёт значительно медленнее образования гетеродуплекса, можно считать, что успевает установиться равновесие.

Равновесной концентрацией гетеродуплекса можно пренебречь по сравнению с константой Михаэлиса в выражении скорости:

Записав выражение константы равновесия K 1 и уравнения материального баланса для М и О, получаем достаточно условий для решения уравнения:

где [ A ] - равновесная концентрация, С А 0 - исходная концентрация вещества.

С учётом (17) и (18), получаем выражения равновесных концентраций H и O:

Подставляя (21) в уравнение Михаэлиса - Ментен (16), получаем модифицированное уравнение скорости реакции:

Подставляя выражения (20), (21) и (22) в (12) и опуская громоздкие промежуточные расчеты, получаем выражение для скорости каталитического расщепления мРНК:

откуда нетрудно найти формулу эффективной константы скорости брутто-процесса:

На пути создания лекарств на основе антисмысловых ODN лежит множество преград: слабая способность к интернализации, неустойчивость к нуклеазам, токсичность и другие. Химические модификации способны устранить многие из этих проблем, но лишь частично, и трудно найти компромисс между достоинствами и недостатками какой-либо модификации. Несмотря на это, многие препараты на основе ODN прошли испытания. Первое лекарство на основе ODN - Vitravene, направленное на борьбу с цитомегаловирусной инфекции у больных СПИДом .