Введение

Биологическая молекула

Пептидная нуклеиновая кислота (PNA) — это искусственно синтезированный полимер, сходный с ДНК или РНК. Синтетические олигомеры пептидных нуклеиновых кислот в последние годы используются в процедурах молекулярной биологии, диагностических тестах и антисмысловой терапии. Благодаря более высокой прочности связывания, для использования в этих целях не требуется разрабатывать длинные олигомеры PNA, что обычно требует олигонуклеотидных зондов длиной 20–25 оснований. Главная задача при определении длины олигомеров PNA — обеспечение специфичности. Олигомеры PNA также демонстрируют большую специфичность при связывании с комплементарными ДНК, при этом несовпадение оснований в PNA/ДНК-дуплексе более дестабилизирует структуру, чем аналогичное несовпадение в ДНК/ДНК-дуплексе. Эта прочность и специфичность связывания также применимы к PNA/РНК-дуплексам. PNA не легко распознаются ни нуклеазами, ни протеазами, что делает их устойчивыми к ферментативному разложению. PNA также стабильны в широком диапазоне pH. Хотя немодифицированная PNA не может легко проникать через клеточную мембрану в цитозоль, ковалентное присоединение пептида, проникающего в клетки, к PNA может улучшить доставку в цитозоль. PNA не встречается в природе, однако N-(2-аминоэтил)глицин (AEG), являющийся основой PNA, был предложен в качестве ранней формы генетической молекулы для жизни на Земле и производится цианобактериями, а также является нейротоксином. PNA была изобретена Питером Э. Нильсеном (Копенгагенский университет), Майклом Эгхольмом (Копенгагенский университет), Рольфом Х. Бергом (Национальная лаборатория Рисо) и Оле Бухардтом (Копенгагенский университет) в 1991 году.

Обязательно

Поскольку основа PNA не содержит заряженных фосфатных групп, связывание между нитями PNA/ДНК сильнее, чем между нитями ДНК/ДНК из-за отсутствия электростатического отталкивания. К сожалению, это также делает его достаточно гидрофобным, что затрудняет его доставку в клетки организма в растворе, поскольку он может быть выведен из организма до достижения цели. Ранние эксперименты с гомопиримидиновыми нитями (нитями, состоящими только из одного повторяющегося пиримидинового основания) показали, что температура плавления (Tm) двойной спирали PNA с 6 основаниями тимина / ДНК с 6 основаниями аденина составляет 31 °C, в то время как эквивалентный дуплекс ДНК/ДНК с 6 основаниями денатурируется при температуре ниже 10 °C. PNA-молекулы со смешанными основаниями являются настоящими аналогами молекул ДНК в отношении распознавания пар оснований. Связывание PNA/PNA сильнее, чем связывание PNA/ДНК.

Перевод PNA из других нуклеиновых кислот

Несколько лабораторий сообщили о последовательно-специфичной полимеризации пептидных нуклеиновых кислот на основе ДНК- или РНК-матриц. Лю и его коллеги использовали эти методы полимеризации для эволюции функциональных PNA, способных сворачиваться в трехмерные структуры, подобные белкам, аптамерам и рибозимам.

Гипотеза о мире PNA

Была высказана гипотеза, что самая ранняя жизнь на Земле могла использовать ПНА в качестве генетического материала благодаря его исключительной устойчивости, более простому формированию и возможной спонтанной полимеризации при 100 °C (в то время как вода при нормальном давлении кипит при этой температуре, вода под высоким давлением – как в глубинах океана – кипит при более высоких температурах). Если это действительно так, то жизнь эволюционировала к системе на основе ДНК/РНК лишь на более позднем этапе. Однако доказательства в пользу гипотезы о мире ПНА пока не являются окончательными. Если же он существовал, то он должен был предшествовать общепринятой концепции мира РНК.

Приложения

Применение включает в себя изменение экспрессии генов как ингибитора, так и промотора в различных случаях, антигенные и антисмысловые терапевтические средства, противораковый препарат, противовирусный, антибактериальный и антипаразитарный средства, молекулярные инструменты и зонды для биосенсоров, обнаружение последовательностей ДНК и нанотехнологии. PNA могут использоваться для улучшения высокопроизводительного секвенирования гена 16S рибосомной РНК образцов растений и почвы путем блокирования амплификации контаминирующих пластидных и митохондриальных последовательностей. Клеточно-функциональный антагонизм/ингибирование. В 2001 году Страусс и его коллеги сообщили о разработке применения олигомеров PNA в живых клетках млекопитающих. Область связывания хроматина Xist была впервые определена в фибробластах мышей женского пола и эмбриональных стволовых клетках с использованием молекулярного антагониста PNA. Новый подход с использованием PNA непосредственно продемонстрировал функцию некодирующей РНК (lncRNA). Длинная некодирующая РНК (lncRNA) Xist непосредственно связывается с неактивной Х-хромосомой. Функциональные эксперименты по ингибированию с помощью PNA показали, что специфические повторяющиеся области РНК Xist отвечают за связывание с хроматином и, следовательно, могут рассматриваться как доменные области РНК-транскрипта. Молекулярный антагонист PNA вводили в живые клетки и функционально ингибировали связывание Xist с неактивной Х-хромосомой, используя подход для изучения функции некодирующих РНК в живых клетках, известный как картирование интерференции пептидными нуклеиновыми кислотами (PNA). В описанных экспериментах одиночная 19-нуклеотидная антисмысловая PNA, проникающая в клетки, нацеленная на определенный участок РНК Xist, вызвала нарушение структуры Xi. Ассоциация Xi с макрогистоном H2A также нарушается при картировании интерференции PNA.