Abstract

Diss. ETH Nr. 9975
ÜBER OLIGONUCLEOTIDE MIT
UNTERSUCHUNGEN
2-DEOXY-D-RIBOSE, 2,3-DIDEOXY-D-GLUCOPYRANOSE UND
D-ALLOPYRANOSE ALS ZUCKERBAUSTEINE
ABHANDLUNG
zur
Erlangung
des Titels
DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
ZÜRICH
vorgelegt
von
ALFRED GIGER
dipl. Chem.
geboren
am
von
17.
ETH
September
1964
Entlebuch LU
Angenommen auf Antrag
von
Prof. Dr. A. Eschenmoser, Referent
Dr. Ch. Leumann, Korreferent
Zürich 1992
-vn-
Zusammenfassung
A
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der
besonders der
AC-Paarung
Aufklärung
und dem
Synthese, Charakterisierung
der AU-, AT- und die für die Homo-DNA
Vergleich
mit den
und
eigene
in der
analogen Sequenzen
natürlichen DNA.
Des weiteren wurden
Adenin-
und
anomeren
Thymin-haltigen Sequenzen
Zentrum
hergestellt
Darauf wurde ein
strukturellen
in der Reihe der Homo-DNA
Oligonucleotide
der AA-, AT- und
Zusammenarbeit mit K. Zimmermann
eines Purin-Purin-Purin Homo-DNA
dieses
Nucleosids
[81],
aller
AU-Paarung
Die
AT-Paarung
schwächere
Enthalpieterm
AC-Paarung
deoxycytidins
Blockweise AC
gehen
-
Es konnte
Stabilität ist
nach
der
von
Roth [21] und
des
ist
beruht auf dem
Paarungsprozesses.
Oligonucleotiden
sind
der natürlichen DNA. Die
entropisch bedingt.
AC-Paarung.
entsprechende
Paarung
auf
Paarungsprozesses
Diese
AT- und
einen
Paarung
ist
AU-Paarung.
weniger negativen
zurückzuführen.
in Homo-DNA kann durch
Protonierung
des Homo-
nicht beeinflusst werden.
Sequenzen
der Homo-DNA Serie
keine AC-, sondern eine
gezeigt werden,
antiparallel
des
entsprechenden Paarungen
deutlich schwächer als die
-
der
Homo-DNA konnten
von
in Homo-DNA
In der Homo-DNA Reihe existiert eine
Die
in
erweitert werden:
folgt
Stabilität der
AT-Paarung
vergleichsweise grössere
-
Synthese
Seela [39] beschrieben ist.
Böhringer [18],
von
Paarungseigenschaften
grössere
Die AU-, wie auch die
Diese
Die
derjenigen
in Homo-DNA ist deutlich schwächer als eine AT-
stärker als die
-
zu
von
betragsmässig grösseren Enthalpieterm
-
erstmaligen Darstellung
zur
Sequenzen erfolgte
durch die Resultate in dieser Arbeit wie
Paarung.
zur
Letsinger [32] eingeführten Phosphoramiditmethode.
Hunziker [22] bekannten
Eine
am
untersucht.
AC-Paarungen, sowie, in
Analogie
Die Palette der bisher durch Arbeiten
-
a-Konfiguration
Triplexes eingeführt.
die in der Literatur
Oligonucleotidsynthese
Die
Caruthers [31] und
in
erfolgte
Deoxyribofuranosylreihe,
mit
Eigenschaften
Nucleosid, Homo-deoxy-7-carbaadenosin,
neues
Aufklärung
und deren
von
dass die
orientiert sind.
AA-Paarung
(dd(AsCs)
und
dd(A4C4»
ein.
AA-gepaarten Stränge
in Homo-DNA
-Vffl-
a-Homo-deoxy-adenosin-
und
a-Homo-thymidin-Oligonucleotide
weder mit sich selbst, noch
aA-ßT-Paarung
sie eine
gehen
ein. Diese
ocA-aT-Paarung,
wurden
Experimente
von
paaren
noch eine
R.P. Hammer
ausgeführt.
[82]
Oligonucleotidstränge
sind
Homo-DNA, die Watson-Crick-artig paaren,
von
antiparallel
orientiert.
wurde
Resultat
Dieses
in
Zusammenarbeit mit C. Leumann [20] erhalten.
•
Homo-DNA
paart nicht mit einem entsprechenden parallelen oder
antiparallelen DNA-Komplementärstrang.
Dieses Resultat wurde in
Zusammenarbeit mit C. Leumann [20] erhalten.
Oligonucleotide,
die
Homo-deoxy-7-carbaadenosin enthalten,
paaren nicht
mit sich selbst. Das
bedeutet, dass eine AA-Paarung nicht
Crick-artig gepaart
sein kann. Zusammen mit den Informationen
BOhringer [18] ergibt
von
für die
AA-Paarung
sich als
einzige
in Homo-DNA eine
verbleibende
reverse
Watson-
Möglichkeit
Hoogsteen-artige
Basenpaarung.
}~\i
n\ Y
H
Homo-DNA bildet Purin-Purin-Purin
dd(l6>
•
dd(7CHA5-A) gezeigt
Triplexes erfolgt
Triplexe
wurde.
wie im Fall
Der
stufenweise (Arbeiten z.T.
von
dd(G6)
Schmelzprozess
von
•
diese
K. Zimmermann
[81]
durchgeführt).
Eine
AC-Basenpaarung
verknüpft.
Dies
folgt
in
Homo-DNA
aus
dem
7-carbaadenosin/Homo-deoxycytidin.
die
Oligonucleotidstränge parallel
zum
Zuckergerüst stehen,
antiparallel
orientierten
ist
reverse
Schmelzexperiment
muss
Unter der
Hoogsteen-artig
mit
Homo-deoxy-
Voraussetzung,
dass
orientiert sind und die Basen anti
eine
AC-Paarung
ebenfalls
Oligonucleotidsträngen aufgebaut
sein.
aus
-IX-
Die
Synthese
Synthese
von
des
wurde in
Allopyranosyl-isoguanin
Homo-deoxy-isoguanosin
Schutzgruppenstrategie
von
für Allose wurde
von
an
die
durchgeführt.
Die
Anlehnung
Fräser [47]
Helg [51]
Fischer [50] und
entworfen.
In
der
Reihe
Oligonucleotiden,
folgenden
-
neuen
Allopyranosyl-NA
konnten
anhand
Isoguanin
Basenpaarungsmuster aufgefunden
von
enthalten die
werden:
Allo(Ig) zeigte einen deutlich höheren Schmelzpunkt als alle bisher
bekannten
-
der
die die Basen Guanin und
Allopyranosyl-NA Oligonucleotide.
AlIoCGsJ/allods) bilden
einen
81°C
in
und
G2I
um
mit einer
{allo(Ig)}2
einem
Schmelztemperatur
sich
wässriger Lösung
(allo(Gg)}2' allo(Ig)
Schmelztemperatur
allo(G8)
37°C. Bei den
um
zwei koexistierende
Triplex-zu-Einzelstrang Uebergänge
Triplex
die
weist
Schmelzkurve eine grosse
möglicherweise
instabileren)
die
Triplex
Schmelzprozessen
zu
Triplexe,
etwa
von
mit
einer
scheint
Hybridisierungskurve gegenüber
Hysterese
von
vorgängige Bildung
Gl-gepaarten Duplexes
es
handeln. Im Fall des
40°C auf. Dies
eines
der
impliziert
(thermodynamisch
(Abb. C5.36), der als Rezeptor für
allo(Gg) oder allo(I8) dient.
-
-
Allo(G4l4) scheint ebenfalls ein höheres Assoziat
Allo(GI)4 scheint im Gegensatz
Duplexstrukturen
zu
-
Typs
in
bilden.
aIlo(Gg)/allo(l8) ausschliesslich
bilden, die weniger stabil sind
entsprechenden Duplexe
des G2I und I2G
zu
zu
in der Homo-DNA Reihe oder die
als
die
Triplexe
Allopyranosyl-NA Oligonucleotiden.
Es bestehen deutliche Hinweise
Oligonucleotidsequenzen,
darauf, dass Gl-gepaarte Allopyranosyl-NA
die
nur
Duplexstrukturen bilden,
antiparallele Strangorientierung bevorzugen.
eine
-X-
Summary
B
The
of this work is
goal
composed
of the
synthesis,
characterisation and
the Classification of AU-, AT- and the, for homo-DNA exclusive,
especially
and their
AC-pairing
with
comparison
analogous
sequences of natural
DNA.
Furthermore, oligonucleotides of the homo-DNA series of adenine- and
with
thymine- containing sequences
A
new
and their
prepared
center were
an
properties
cc-configuration
nucleoside, homo-deoxy-7-carbaadenosine,
elucidate the structure of the AA-, AT- and
homo-DNA
analogously
Compound
The
The
the
to
The
synthesis
of
synthesis
AC-pairing
of all the
developed by
palette
of known
oligonucleotides,
by
a
purine-purinewas
performed
7-carbaadenine
Seela and co-workers [39].
oligonucleotides
pairing
created
corresponding
by
Caruthers [31] and
to
and to achieve, in
of this nucleoside
the
in the DNA series described
synthesis
method
triplex.
introduced
was
collaboration with K. Zimmermann [81], for the first time
purine
at the anomeric
examined.
followed the
phosphoramidit
Letsinger [32].
characteristics and
properties
of homo-DNA
the results of the research done
by Böhringer
[18], Roth [21] and Hunziker [22], could thus be enlarged through the results
of this work
-
An
as
follows:
AU-pairing
weaker than
clearly
is
series. The
greater stability
negative enthalpy
-
The AU-
-
In homo-DNA there exists
as
well
term of the
as
the
than the
pairing
AT-pairing
corresponding pairing
an
of the
AT-pairing
AT-pairing
in the homo-DNA
is due to the
process.
in homo-DNA is
in DNA. This effect is due to
corresponding
AC-pairing.
an
AT- and
be traced back to the less
This
pairing
AU-pairing.
negative
more
term
of
stronger than the
entropic
is
This weaker
enthalpy
factors.
clearly
weaker
pairing
of the
can
pairing
process.
-
The
AC-pairing
can
not be
influenced
by protonation of
the homo-
deoxycytidine.
-
Blockwise homo-AC sequences
but
-
as
One could
AA-base
(dd(AsCs) und dd(A4C4)) do
an
pair
as
AC-
pairs.
show, that AA-paired oligonucletide Strands
oriented in
not
antiparallel
manner.
in homo-DNA
are
-XI-
a-Homo-deoxy-adenosine
a-homo-thiymidine oligonucleotides
and
neither
pair
otA-ßT-
fashion. These
with themselves,
do
nor
experiments
they pair
in
carried out
were
ccA-aT-
an
by
or an
R.P. Hammer
[82].
Oligonucleotide
manner are
Strands of homo-DNA which
antiparallel
oriented. These
in collaboration with C.Leumann
•
Homo-DNA does not
complementary
were
DNA
experiments
Watson-Crick
a
carried out
were
[20].
corresponding parallel
oligonucleotide
which contain
with themselves. This
a
in
Strand.
or
These
antiparallel
experiments
carried out in collaboration with C.Leumann [20].
Oligonucleotides
in
with its
pair
pair
homo-deoxy-7-carbaadenosine
means
Watson-Crick fashion.
that adenine
Together
experiments [18] there
is
homo-DNA:
Hoogsteen
a reverse
only
one
can
pair
left for
an
do not
pair
with adenine
with the results of
possibility
base
not
Böhringer's
AA-pairing
in
pairing:
IM
\
Homo-DNA forms
case
of
triplex
An
takes
»'
1
purin-purin-purin triplex
a
dd(G6)
AC-pairing
»-*
•-
HO^
•
dd(I6)
•
dd(7CHA5-A).
could be shown in the
as
The
melting
process of this
place stepwise.
in homo-DNA is connected
in
fashion. This is the conclusion of the
a
Hoogsteen
reverse
a
melting experiment
deoxy-7-carbaadenosine/homo-deoxycytidine oligonucleotide.
the condition that the bases
an
AC-pairing
oligonucleotide
must
Strands.
be
are
Standing
built
up
of
homoGiven
anti to the sugar backbone,
by
antiparallel
oriented
-xn-
The
analogous
allopyranosyl-isoguaninnucleoside
of
synthesis
to the
synthesis
of
homo-deoxyisoguaninnucleoside by
[47]. The strategy of the protecting groups
Helg [51].
new
-
In the series of
Information
Allods) has
a
on
base
much
performed
was
was
designed by
allopyranosyl-NA oligonucleotides,
pairing
was
Fräser
Fischer [50] and
the
following
discovered:
higher melting temperature
than all other examined
allopyranosyl-NA oligonucleotides.
-
Allo(Gg)/allo(Ig)
with
with
processes
triplex,
more
a
a
seem to
the
be
possibly
-
Allo(GI)4
seems
to
curve
the
or
more
to form
seems
of about 81°C and
has
an
higher
form,
exclusively duplex
as
stable G2I
large hysteresis
a
well as, in
corresponding duplexes
melting
a
of 40°C. This
(thermodynamically
which
can
particular,
perform
as
build up the
triplex.
associates
as
well.
in contrary to the
structures
allo(Gg)
Strand transitions. For the G2I
formation of
allodg)
[allo(Ig)}2
•
of about 37°C. Both
prior
Gl-paired Duplex (figure C5.36)
mean
receptor for allo(Gg)
Allo(G4I4)
•
triplex-to-single
hybridisation
unstable)
coexisting triplexes, (allo(Gg)}2 allods)
melting temperature
thermodynamically
-
form two
melting temperature
a
triplex
could
seems to
which
in homo-DNA
or
allo(Gg)/allo(Ig) System,
are
the
less
stable
triplexes G2I
than
and
the
I2G in
allopyranosyl-NA oligonucleotides.
-
There is strong evidence that
sequences which form
orientation.
Gl-paired allopyranose-NA oligonucleotide
duplex
structures,
prefer
an
antiparallel
Strand

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