陽電荷を有する修飾核酸の合成と特性評価－細胞内移行性獲得に向けた分子戦略－

带正电荷的修饰核酸的合成和表征 - 获得细胞内化的分子策略 -

• 批准号: 20J10308
• 负责人: 堀江 直宏
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J10308/
• 关键词: 人工核酸; オリゴヌクレオチド; 結晶構造解析

【研究目的】当研究室が開発した糖部グアニジン架橋型核酸『GuNA』は陽電荷を持つグアニジノ基がオリゴ核酸全体の電荷を中和することで相補的な核酸との結合能や細胞内移行性を改善することが知られている。本研究ではGuNAのグアニジノ基に置換基を導入した誘導体を各種合成し、置換基導入における結合能や細胞内移行性への影響を精査した。これにより、核酸医薬へと応用可能な優れた置換基改変GuNA誘導体の創成を目指した。【研究結果】４種類の一置換型GuNA誘導体（GuNA[R]、R=Me、Et、iPr、tBu）と２種類の二置換型GuNA誘導体（GuNA[R,R’]、[R,R’]=[Me,Me],[Me,tBu]）の合成を達成した。これらを導入したオリゴ核酸の細胞内移行性を評価したところ、置換基の導入が細胞内移行性を低下させる可能性が示唆された。これはグアニジノ基と細胞膜との相互作用が脂溶性置換基の導入により妨げられたことが要因であると考えられる。一方、相補的な核酸との結合能を評価したところ、置換基の嵩高さが増すに従い結合能が大幅に向上することが判明した。この結合能の向上に関してより詳細なメカニズムを探るため、核酸二重鎖の結晶構造解析を行なったところ、嵩高い脂溶性置換基が核酸塩基部の近傍に存在し、またこの特有の構造によりグアニジノ基と核酸塩基間に新たな水素結合が形成されていることが分かった。以上の結果から、GuNAグアニジノ基上の脂溶性置換基の導入は細胞内移行性を妨げるものの、結合能においては非常に有利に働くことが分かった。これにより今回合成したGuNA誘導体が核酸医薬へと応用可能な優れた人工核酸であることを明確に示した。

【研究目的】本实验室开发的糖基胍交联核酸“GuNA”具有带正电荷的胍基，可以中和整个寡核酸的电荷，从而提高其与互补核酸结合并进入细胞的能力已知可以改善性行为。在本研究中，我们合成了各种在胍基中引入取代基的GuNA衍生物，并研究了取代基的引入对结合能力和细胞内化的影响。通过这一点，我们的目标是创造出可应用于核酸药物的优秀取代基修饰的GuNA衍生物。 [研究成果] 四种单取代GuNA衍生物（GuNA[R], R=Me, Et, iPr, tBu）和两种双取代GuNA衍生物（GuNA[R,R'], [R,R'] =[Me,Me],[Me,tBu]) 已实现。当我们评估引入寡核酸的细胞内化时，表明取代基的引入可能会减少细胞内化。这被认为是由于亲脂性取代基的引入阻碍了胍基和细胞膜之间的相互作用。另一方面，当评估与互补核酸的结合能力时，发现随着取代基体积的增加，结合能力显着提高。为了探索这种结合能力提高背后的详细机制，我们分析了核酸双链体的晶体结构，发现核碱基部分附近存在大体积的亲脂性取代基，并且这种独特的结构使得胍基发现了新的氢键在基团和核碱基之间形成。由以上结果发现，虽然在GuNA胍基上引入亲脂性取代基会阻碍细胞内化，但其对于结合能力具有非常有利的效果。这清楚地表明，本次合成的GuNA衍生物是一种优异的人工核酸，可应用于核酸医学。

项目成果

Synthesis and properties of oligonucleotides modified with an N-methylguanidine-bridged nucleic acid (GuNA[Me]) bearing adenine, guanine, or 5-methylcytosine nucleobases

用带有腺嘌呤、鸟嘌呤或 5-甲基胞嘧啶核碱基的 N-甲基胍桥核酸 (GuNA[Me]) 修饰的寡核苷酸的合成和特性

• DOI: 10.3762/bjoc.17.54
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 2.7
• 作者: Horie N;Yamaguchi T;Kumagai S;Obika S
• 通讯作者: Obika S