Sequenzspezifische Erkennung und Modifikation von Doppelhelix‐DNA durch Oligonucleotide

Abstract

Viele natiirlich vorkommende und synthetische Liganden konnen Nucleinsauren selektiv erkennen, Oligonucleotide aber zeigen die hochste Erkennungsspezifitat. Sie binden unter Bildung von Watson-Crick-Wasserstoffirucken an eine komplementare einstrangige Sequenz. Des weiteren konnen sie in der groBen Furche von Doppelhelix-DNA bestimmte Sequenzen erkennen, indem sie mit Purinbasen der Watson-Crick-Basenpaare Hoogsteen-oder reverse Hoogsteen-Wasserstoffirucken bilden, wobei eine Tripelhelix cntsteht. An der sequenzspezifischen Wechselwirkung sind hauptsachlich Homopurin . Homopyrimidin-Sequenzen in der Doppelhelix beteiligt. Es ist noch immer eine Herausforderung fur Chemiker, den Bereich der Erkennungssequenzen zu erweitern. Es sind sowohl thermodynamische als auch kinetische Parameter fur die Bildung von Tripelhelices bestimmt worden. Diese Parameter zeigen beispielsweise, daB die Bildung einer Tripelhelix vie1 langsamer ist als die einer Doppelhelix. Nuclease-resistente Oligonucleotide, die aus dem a-Anomer von Nucleosiden (anstatt aus dem natiirlich vorkommenden fl-Anomer) dargestellt werden, bilden mit doppelstringiger DNA ebenfalls Tripelhelices. Tripelhelix-bildende Oligonucleotide konnen mit DNA-intercallerenden Agentien verkniipft werden, wodurch sie eine hohere Bindungsaffinitat erhalten. Oligonucleotide konnen auch durch Reagentien modifiziert werden, die durch chemische oder photochemische Aktivierung in der Zielsequenz irreversible Reaktionen induzieren. Es konnen so kunstliche Nucleasen entwickelt werden, die eine hohe Sequenzspezifitat selbst fur Megabasen-DNA aufweisen. Tripelhelix-bildende Oligonucleotide konnen ferner zur selektiven Steuerung der Genexpression verwendet werden. Binden sie an regulatorische Bereiche bestimmter Gene, so konnen sie die Aktivierung (oder Repression) der Transkription verhindern. Werden sie in der Nahe oder downstream von der Stelle gebunden, an der die Transkription beginnt, so kann die Fortsetzung des Ablesevorgangs gehemmt werden. Es ist vorstellbar, daI3 sich neue genblockierende Agentien entwickeln lassen, die zur therapeutischen Behandlung genetischer Storungen eingesetzt werden konnen.

Helix Morphology Changes in B-DNA Induced By Spontaneous BI⇌BIISubstate Interconversion

“…accessible through the major and the minor grooves along the helical axis. are vital for DNA-ligand interaction with small ligands (1 ,2), proteins (3)(4)(5), and other nucleic acid molecules (6), but also the backbone phosphate groups play a key role in the interaction processes (7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19). Thus conformational substates of the B-DNA's phosphate backbone.…”

“Parallel” and “Antiparallel Tail‐Clamps” Increase the Efficiency of Triplex Formation with Structured DNA and RNA Targets

“…In this type of triple helix, the triplex-forming oligonucleotide binds to the major groove, parallel to the homopurine strand of the Watson-Crick doublehelical DNA, through Hoogsteen hydrogen bonding and is stabilized under acidic conditions. [1,3] As an alternative approach, parallel-stranded duplexes or parallel clamps-consisting of purine residues linked to a pyrimidine chain of inverted polarity by 3'-3' or 5'-5' internucleotide junctions (Scheme 1)-have been designed [4][5][6] and demonstrated to bind single-stranded DNA and RNA targets by triplex formation. [4,5,7,8] In the antiparallel triplexes, the third strand composed of purine bases binds antiparallel to the homopurine strand of the duplex through reverse-Hoogsteen hydrogen bonds and its binding is pH-independent.…”

“…A large effort has been devoted to designing modified oligonucleotides to enhance triple helix stability. [1] One of the most successful modifications was to replace natural bases with some modified bases. [14] The introduction of an amino group at the 8-position in adenine brings with it the combined effects of a gain in one Hoogsteen purine-pyrimidine H-bond and the ability of the amino group to be integrated into the "spine of hydration" located in the minor-major groove of the triplex structure.…”

“…[1] Depending on the composition and the orientation of the third strand with respect to the central homopurine Watson-Crick (WC) strand, triplexes are classified into two main categories: i) parallel and ii) antiparallel. [2] The best-characterized parallel triplex is that formed between a double-stranded homopurine-homopyrimidine helix (duplex DNA) and a single-stranded homopyrimidine track (triplex-forming oligonucleotide).…”

“…[4,15] The design of clamps capable of increasing the stability of triplex structures further would be highly desirable for the use of triple helix formation as a new tool for applications such as structural studies and DNA-based diagnostic tools, as well as for antigene and antisense therapies. [1,[16][17][18][19] A second problem for the inclusion of this technology in the molecular biology toolbox involves the placement of the [ Sequence-specific triple-helix structures can be formed by parallel and antiparallel DNA clamps interacting with single-stranded DNA or RNA targets. Single-stranded nucleic acid molecules are known to adopt secondary structures that might interfere with intermolecular interactions.…”