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JP2009215171A - Nucleoside triphosphate derivative - Google Patents

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JP2009215171A
JP2009215171A JP2008057295A JP2008057295A JP2009215171A JP 2009215171 A JP2009215171 A JP 2009215171A JP 2008057295 A JP2008057295 A JP 2008057295A JP 2008057295 A JP2008057295 A JP 2008057295A JP 2009215171 A JP2009215171 A JP 2009215171A
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JP
Japan
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nucleic acid
triphosphate
base
nucleoside triphosphate
nucleoside
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008057295A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuo Sekine
光雄 関根
Koji Kiyoo
康志 清尾
Akihiro Okubo
章寛 大窪
Kosuke Tsunoda
浩佑 角田
Tomomi Kudo
智美 工藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
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Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
Priority to JP2008057295A priority Critical patent/JP2009215171A/en
Publication of JP2009215171A publication Critical patent/JP2009215171A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nucleoside derivative for accurately recognizing a complementary nucleoside to prevent an uptake error caused in PCR or the like. <P>SOLUTION: Provided is a nucleoside triphosphate derivative having cytosine whose 3-nitrogen atom is oxidized or adenine whose 1-nitrogen atom is oxidized. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、新規なヌクレオシドトリホスフェート誘導体、並びにその用途及び製造方法に関する。本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、相補的な塩基を正確に認識することができるので、核酸合成時におけるミスマッチ塩基対の発生を抑制することができる。   The present invention relates to a novel nucleoside triphosphate derivative, and its use and production method. Since the nucleoside triphosphate derivative of the present invention can accurately recognize complementary bases, generation of mismatch base pairs during nucleic acid synthesis can be suppressed.

DNAは生体内で生成した活性酸素により酸化を受け、酸化損傷塩基を生成することが知られている。DNAの複製時において、DNAが酸化されて生成した酸化損傷塩基が鋳型鎖に含まれていると、DNAポリメラーゼによる鎖伸長反応を阻害する原因、または突然変異を誘発させる原因となる。そのため、細胞にエラーを引き起こす変異原として広く認識されている。その一方、DNAの酸化損傷の機構を考えるうえで、鋳型鎖に酸化損傷塩基が含まれる場合とは別にもう1つ重要な論点が存在する。それは、酵素によって取り込まれるトリリン酸体の酸化損傷についてである。ヌクレオチドプールと呼ばれるトリリン酸体の貯蔵庫に対してもDNAの二重鎖に対する酸化と同様に活性酸素による酸化が起こるため、トリリン酸の酸化損傷体が生成する。トリリン酸の酸化損傷体が生成すると、DNAの複製時に酵素が酸化損傷塩基を基質として認識しなくなる場合や、鋳型鎖にある塩基が非相補的な塩基であっても基質として取り込み鎖伸長する場合が考えられる。後者の具体的な報告例として代表的な酸化損傷塩基である8-オキソグアニンについて述べる(非特許文献1〜4)。   It is known that DNA is oxidized by active oxygen generated in a living body to generate an oxidatively damaged base. During DNA replication, if an oxidatively damaged base formed by oxidation of DNA is contained in the template strand, it may cause a strand elongation reaction by DNA polymerase or cause a mutation. Therefore, it is widely recognized as a mutagen that causes errors in cells. On the other hand, when considering the mechanism of oxidative damage of DNA, there is another important issue apart from the case where the template strand contains an oxidative damage base. It is about oxidative damage of the triphosphate that is taken up by the enzyme. In the triphosphate body storage called nucleotide pool, oxidation by active oxygen occurs in the same manner as the oxidation of DNA double strands, so that an oxidative damage body of triphosphate is generated. When an oxidatively damaged body of triphosphate is generated, the enzyme may not recognize the oxidatively damaged base as a substrate when replicating DNA, or even if the base in the template strand is a non-complementary base, it will be incorporated as a substrate and extend the chain Can be considered. As a specific example of the latter, 8-oxoguanine, which is a representative oxidative damage base, will be described (Non-patent Documents 1 to 4).

8-オキソグアニンのトリリン酸体はヌクレオチドプールにて生成し、このトリリン酸体は鋳型鎖のアデニン塩基に対して取り込まれ鎖伸長する。これはDNA二重鎖が酸化され鋳型鎖に8-オキソグアニンが存在する場合と同様の変異を引き起こす。   The triphosphate form of 8-oxoguanine is generated in the nucleotide pool, and this triphosphate form is incorporated into the adenine base of the template strand and the chain is elongated. This causes the same mutation as when the DNA duplex is oxidized and 8-oxoguanine is present in the template strand.

Shimizu, M., Gruz, P., Kamiya, H., Masutani, C., Xu, Y., Usui, Y., Sugiyama, H., Harashima, H., Hanaoka, F., Nohmi, T. Biochemistry 2007, 46, 5515-5522.Shimizu, M., Gruz, P., Kamiya, H., Masutani, C., Xu, Y., Usui, Y., Sugiyama, H., Harashima, H., Hanaoka, F., Nohmi, T. Biochemistry 2007, 46, 5515-5522. Einolf, H. J., Guengerich, F. P. J. Biol. Chem. 2001, 276, 3764-3771.Einolf, H. J., Guengerich, F. P. J. Biol. Chem. 2001, 276, 3764-3771. Einolf, H. J., Schnetz-Boutaud, N., Guengerich, F. P. Biochemistry 1998, 37, 13300-13312.Einolf, H. J., Schnetz-Boutaud, N., Guengerich, F. P. Biochemistry 1998, 37, 13300-13312. Miller, H., Prasad, R., Wilson, S. H., Johnson, F., Grollman, A. P. Biochemistry 2000, 39, 1029-10Miller, H., Prasad, R., Wilson, S. H., Johnson, F., Grollman, A. P. Biochemistry 2000, 39, 1029-10

ところで、遺伝子解析等で一般的に用いられているPCRなどのDNA増幅方法では、鋳型となるDNAと相補的でないヌクレオシドが取り込まれてしまうこと(取り込みエラー)が問題となっている。本発明は、このような取り込みエラーを防止するため、相補的なヌクレオシドを正確に認識するヌクレオシド誘導体を提供することを目的とする。   By the way, in a DNA amplification method such as PCR generally used in gene analysis or the like, there is a problem that a nucleoside that is not complementary to a template DNA is incorporated (uptake error). An object of the present invention is to provide a nucleoside derivative that accurately recognizes a complementary nucleoside in order to prevent such uptake errors.

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、N-オキシド化されたシトシン及びアデニンが、天然の(N-オキシド化されていない)シトシン及びアデニンよりも相補的な塩基を認識する能力が高いことを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that N-oxidized cytosine and adenine have complementary bases to natural (non-N-oxidized) cytosine and adenine. The inventors have found that the ability to recognize is high, and have completed the present invention.

代表的な酸化損傷塩基である8-オキソグアニンは、相補的な塩基を認識する能力が低く、シトシンだけでなく、アデニンとも対合してしまう。従って、8-オキソグアニンと同様に酸化損傷塩基であるN-オキシド化されたシトシン及びアデニンが高い相補塩基認識能力を持つことは、本願の出願時においては全く予測できないことであった。   8-Oxoguanine, which is a typical oxidatively damaged base, has a low ability to recognize complementary bases, and will pair not only with cytosine but also with adenine. Therefore, it was completely unpredictable at the time of filing of the present application that N-oxidized cytosine and adenine, which are oxidatively damaged bases as in 8-oxoguanine, have a high ability to recognize complementary bases.

本発明は、以上の知見に基づき完成されたものである。   The present invention has been completed based on the above findings.

即ち、本発明は、以下の(1)〜(7)を提供するものである。   That is, the present invention provides the following (1) to (7).

(1)一般式(I)又は一般式(II) (1) General formula (I) or general formula (II)

〔式中、Xは水素原子又は水酸基を表す。〕
で表されるヌクレオシドトリホスフェート誘導体。
[Wherein, X represents a hydrogen atom or a hydroxyl group. ]
A nucleoside triphosphate derivative represented by:

(2)基質、核酸合成酵素、鋳型となる単鎖核酸、及びプライマーを用いて核酸を合成する方法であって、基質として(1)に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体を使用することを特徴とする核酸の合成方法。 (2) A method of synthesizing nucleic acid using a substrate, a nucleic acid synthase, a single-stranded nucleic acid as a template, and a primer, wherein the nucleoside triphosphate derivative described in (1) is used as a substrate. Nucleic acid synthesis method.

(3)核酸合成酵素がDNA合成酵素であり、単鎖核酸が単鎖DNAであることを特徴とする(2)に記載の核酸の合成方法。 (3) The method for synthesizing a nucleic acid according to (2), wherein the nucleic acid synthase is a DNA synthase and the single-stranded nucleic acid is a single-stranded DNA.

(4)ポリメラーゼ連鎖反応を利用することを特徴とする(2)又は(3)に記載の核酸の合成方法。 (4) The method for synthesizing nucleic acid according to (2) or (3), wherein polymerase chain reaction is used.

(5)(1)に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体を含有することを特徴とする核酸合成用基質。 (5) A nucleic acid synthesis substrate comprising the nucleoside triphosphate derivative according to (1).

(6)シチジン-5'-トリホスフェート、アデノシン-5'-トリホスフェート、デオキシシチジン-5'-トリホスフェート、又はデオキシアデノシン-5'-トリホスフェートを酸化剤と反応させることを特徴とする一般式(I)又は一般式(II) (6) General formula characterized by reacting cytidine-5'-triphosphate, adenosine-5'-triphosphate, deoxycytidine-5'-triphosphate, or deoxyadenosine-5'-triphosphate with an oxidizing agent (I) or general formula (II)

〔式中、Xは水素原子又は水酸基を表す。〕
で表されるヌクレオシドトリホスフェート誘導体の製造方法。
[Wherein, X represents a hydrogen atom or a hydroxyl group. ]
The manufacturing method of the nucleoside triphosphate derivative represented by these.

(7)酸化剤が、メタクロロ過安息香酸であることを特徴とする(6)に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体の製造方法。 (7) The method for producing a nucleoside triphosphate derivative according to (6), wherein the oxidizing agent is metachloroperbenzoic acid.

本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、相補的な塩基を正確に認識することができるので、鎖伸長反応やPCR反応時におけるミスマッチ塩基対の発生を抑制することができる。   Since the nucleoside triphosphate derivative of the present invention can accurately recognize complementary bases, it is possible to suppress the occurrence of mismatched base pairs during chain extension reactions and PCR reactions.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、一般式(I)又は一般式(II)   The nucleoside triphosphate derivative of the present invention has the general formula (I) or the general formula (II).

〔式中、Xは水素原子又は水酸基を表す。〕
で表されるものである。
[Wherein, X represents a hydrogen atom or a hydroxyl group. ]
It is represented by

本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、シトシン又はアデニンを持つ天然のヌクレオシドトリホスフェート(即ち、シチジン-5'-トリホスフェート、アデノシン-5'-トリホスフェート、デオキシシチジン-5'-トリホスフェート、及びデオキシアデノシン-5'-トリホスフェート)を酸化剤と反応させることにより製造できる。   The nucleoside triphosphate derivatives of the present invention include natural nucleoside triphosphates with cytosine or adenine (ie, cytidine-5′-triphosphate, adenosine-5′-triphosphate, deoxycytidine-5′-triphosphate, and deoxyadenosine -5'-triphosphate) with an oxidizing agent.

酸化剤としては、メタクロロ過安息香酸(mCPBA)を使用することができるが、他の酸化剤、例えば、過酸化水素、モノ過フタル酸などを使用してもよい。   As the oxidizing agent, metachloroperbenzoic acid (mCPBA) can be used, but other oxidizing agents such as hydrogen peroxide and monoperphthalic acid may be used.

使用する酸化剤の量は特に限定されないが、ヌクレオシドトリホスフェートに対して、1〜20モル当量とするのが好ましく、5〜6モル当量とするのがより好ましい。   The amount of the oxidizing agent to be used is not particularly limited, but it is preferably 1 to 20 molar equivalents, more preferably 5 to 6 molar equivalents with respect to the nucleoside triphosphate.

酸化剤による反応は、通常、溶媒存在下で行う。使用する溶媒は特に限定されず、例えば、水、メタノール、アセトニトリル、N,N-ジメチルホルムアミド、ジオキサン、N-メチルピロリドンなどを使用することができる。これらの溶媒は二以上混合して使用してもよい。   The reaction with the oxidizing agent is usually performed in the presence of a solvent. The solvent to be used is not particularly limited, and for example, water, methanol, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, dioxane, N-methylpyrrolidone and the like can be used. These solvents may be used as a mixture of two or more.

反応時の温度は特に限定されないが、15〜60℃とするのが好ましく、20〜25℃とするのがより好ましい。   Although the temperature at the time of reaction is not specifically limited, It is preferable to set it as 15-60 degreeC, and it is more preferable to set it as 20-25 degreeC.

反応時間も特に限定されないが、0.5〜24時間とするのが好ましく、3〜6時間とするのがより好ましい。   The reaction time is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 24 hours, and more preferably 3 to 6 hours.

反応時のpHも特に限定されないが、4.0〜8.0とするのが好ましく、5.0〜6.0とするのがより好ましい。   The pH during the reaction is not particularly limited, but is preferably 4.0 to 8.0, more preferably 5.0 to 6.0.

本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、核酸合成用の基質として使用することができる。より具体的には、本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体は、基質、核酸合成酵素、鋳型となる単鎖核酸、及びプライマーを用いて核酸を合成する方法における基質として使用することができる。このような核酸合成方法の例として、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)などを挙げることができる。また、使用する核酸合成酵素は、DNAポリメラーゼ、RNAポリメラーゼのいずれでもよく、例えば、DNAポリメラーゼI Klenow Fragment、Taqポリメラーゼ、T7 RNAポリメラーゼ、DNAポリメラーゼβ、DNAポリメラーゼλなどを使用できる。   The nucleoside triphosphate derivative of the present invention can be used as a substrate for nucleic acid synthesis. More specifically, the nucleoside triphosphate derivative of the present invention can be used as a substrate in a method for synthesizing a nucleic acid using a substrate, a nucleic acid synthase, a single-stranded nucleic acid as a template, and a primer. Examples of such nucleic acid synthesis methods include polymerase chain reaction (PCR). The nucleic acid synthase to be used may be either DNA polymerase or RNA polymerase. For example, DNA polymerase I Klenow Fragment, Taq polymerase, T7 RNA polymerase, DNA polymerase β, DNA polymerase λ and the like can be used.

核酸合成の基質として本発明のヌクレオシドトリホスフェート誘導体を使うことにより、従来法よりもミスマッチの少ない核酸鎖を合成できる。   By using the nucleoside triphosphate derivative of the present invention as a substrate for nucleic acid synthesis, it is possible to synthesize nucleic acid chains with fewer mismatches than conventional methods.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

〔参考例〕 N-オキシド化された酸化損傷塩基の塩基対形成能の評価
デオキシシチジン-3-N-オキシド(dCO)及びデオキシアデノシン-1-N-オキシド(dAO)を含むDNAオリゴマーの二重鎖融解温度(Tm値)を測定することで、それらの塩基対形成能を評価した。用いた配列と条件を図1に示す。
[Reference Example] Evaluation of base pairing ability of N-oxidized oxidatively damaged bases of DNA oligomers containing deoxycytidine-3-N-oxide (dC 2 O 3 ) and deoxyadenosine 1-N-oxide (dA 2 O 3 ) Their base pairing ability was evaluated by measuring the duplex melting temperature ( Tm value). The sequence and conditions used are shown in FIG.

DNA14量体中央(X)にdCOあるいはdAOを配置し、その相補的位置の塩基(Y)をA、T、G、Cと変えたDNA二重鎖を用いてTm値を測定した。その結果を図2に示す。 The DNA14 mer center (X) arranged dC O or dA O, was measured T m value of a base (Y) of its complementary position A, T, G, using DNA duplexes varied with C . The result is shown in FIG.

まず、天然dCと酸化損傷塩基dCOとの二重鎖融解温度の比較について説明する(図2a)。天然の塩基であるdCはdGと塩基対を形成するため、dCを含む二重鎖のTm値は47.8℃と高い値を示したのに対し、酸化損傷塩基dCOを含む場合は31.0℃となり大幅にTm値が減少した。天然の場合と比べて、dCOとdGの塩基対形成が不安定化した原因として、シトシン塩基のN3位に酸素原子が存在するため、通常のWatson-Crick水素結合が形成されにくくなっていることが考えられる。一方、酸化損傷塩基dAOについてもdCOと同様の結果となった(図2b)。dTに対して天然塩基dAを含む二重鎖のTm値は45.7℃と高い値を示したのに対し、酸化損傷塩基dAOを含む場合は11.3℃となり10℃以上もTm値が減少した。dAOにおいてもN1位に酸素原子が付加しているためにWatson-Crickの水素結合様式が変化したことが、塩基対形成が不安定化した原因であると思われる。 First, the comparison of the double strand melting temperature between natural dC and oxidatively damaged base dC 2 O will be described (FIG. 2a). Since the natural bases dC is to form a dG base pairs, if value of T m duplex containing dC whereas showed 47.8 ° C. and a high value, including oxidative damage bases dC O is 31.0 ° C. The Tm value decreased significantly. Compared to the natural case, dC O and dG base pair formation has become unstable due to the presence of an oxygen atom at the N3 position of the cytosine base, which makes it difficult to form normal Watson-Crick hydrogen bonds. It is possible. On the other hand, the oxidation damage base dA 2 O also showed the same result as dC 2 O (FIG. 2b). The T m value of the duplex containing the natural base dA relative to dT was as high as 45.7 ° C, whereas when it contained the oxidatively damaged base dA 2 O , it was 11.3 ° C and the T m value decreased even at 10 ° C or higher. did. In dA O as well, the oxygen atom is added to the N1 position, so that the Watson-Crick hydrogen bonding mode is changed, which seems to be the cause of destabilization of base pairing.

また、他の塩基との塩基対形成能にも注目すると、dCOまたはdAOを含む二重鎖のTm値はdA、dT、dG、dCいずれの塩基に対してもほぼ同等の値を示した。このことからN-オキシド化された塩基は天然の四種類の塩基いずれに対しても、相補的な塩基として塩基対を形成しにくくなることが分かった。この結果より、N-オキシド化された塩基が相補的な塩基を認識する能力は低く、そのためDNAの複製時にDNAポリメラーゼがいずれの塩基をも取り込んでしまう可能性があることが予想された。 Also, paying attention to the ability to form base pairs with other bases, the T m value of the duplex containing dC 2 O or dA 2 O is almost equivalent to any of the dA, dT, dG, and dC bases. Indicated. This indicates that N-oxidized bases are less likely to form base pairs as complementary bases to any of the four natural bases. From this result, it was predicted that N-oxidized bases have a low ability to recognize complementary bases, and therefore DNA polymerase may incorporate any bases during DNA replication.

〔実施例1〕 トリリン酸体に対するN-オキシド化の検討
N-オキシド化された塩基dCO及びdAOのトリリン酸体(pppdCO、pppdAO)の合成は、天然のdC及びdAのトリリン酸(pppdC、pppdA)に対してN-オキシド化を行い合成することを考えた。まず、pppdCを用いて酸化条件の検討を行った(表1)。
[Example 1] Examination of N-oxidation of triphosphate
N-oxidized bases dC O and dA O triphosphates (pppdC O , pppdA O ) are synthesized by N-oxidation of natural dC and dA triphosphates (pppdC, pppdA). Thought to do. First, oxidation conditions were examined using pppdC (Table 1).

pppdC(化合物1)にmCPBAをMeOH:H2O中で反応させ、生成物の確認をDEAE-HPLCにて行った。表1に示した生成比はDEAE-HPLCより得られた化合物1と化合物2のピーク面積の比とした。mCPBAを加え長時間反応させたところ、N-オキシド体(化合物2)の生成比の上昇が認められた(entry 1,2)。また、反応溶媒の構成比を変化させ適切な反応溶媒の検討を行ったが大きな変化は観測されなかった(entry 3)。そこで、mCPBAを過剰量に用いることでN-オキシド体(化合物2)の増加を期待した。その結果、mCPBAの当量を上げるにつれてN-オキシド体(化合物2)の生成比が向上し、さらに時間の短縮も認められた(entry 4,5)。定量的に化合物2を得ることを目指してさらに長時間反応させたが、生成比はほとんど変化がなかった。定量的に反応が進行しない原因として反応系内のpHが考えられる。シトシン塩基のmCPBAによるN-オキシド化の至適pHは6.0であるが、上述した反応系は試薬残査の安息香酸とリン酸部の影響もあり、より酸性に傾いているものと思われる。そこで、酸性を中和させるため重曹水を加え酸化反応を行った。その結果、予想した通りN-オキシド体(化合物2)がほぼ完全に生成したことを確認した(entry 6)。 pppdC (Compound 1) was reacted with mCPBA in MeOH: H 2 O, and the product was confirmed by DEAE-HPLC. The production ratio shown in Table 1 was the ratio of the peak areas of Compound 1 and Compound 2 obtained by DEAE-HPLC. When mCPBA was added and reacted for a long time, an increase in the production ratio of N-oxide (compound 2) was observed (entry 1, 2). In addition, we examined the appropriate reaction solvent by changing the composition ratio of the reaction solvent, but no significant change was observed (entry 3). Therefore, an increase in N-oxide (compound 2) was expected by using an excessive amount of mCPBA. As a result, as the equivalent of mCPBA was increased, the production ratio of the N-oxide (compound 2) was improved, and the time was also shortened (entry 4, 5). The reaction was continued for a longer time with the aim of obtaining compound 2 quantitatively, but the production ratio hardly changed. The cause of the reaction not progressing quantitatively is considered to be the pH in the reaction system. The optimum pH for N-oxidation of cytosine base with mCPBA is 6.0, but the above reaction system seems to be more acidic due to the influence of benzoic acid and phosphoric acid part of the reagent residue. Therefore, an aqueous solution of sodium bicarbonate was added to neutralize the acidity and an oxidation reaction was performed. As a result, it was confirmed that the N-oxide (compound 2) was almost completely produced as expected (entry 6).

〔実施例2〕 pppdCO及びpppdAOの合成
実施例1において検討した酸化条件を用い、下記のように、pppdCO及びpppdAOの合成を行った。
[Example 2] Synthesis of pppdC O and pppdA O Using the oxidation conditions studied in Example 1, pppdC O and pppdA O were synthesized as follows.

天然のトリリン酸である化合物1、化合物3に対してMeOH:NaHCO3中でmCPBAを反応させ、N-オキシド化された塩基のトリリン酸体化合物2、化合物4をそれぞれ合成した。これらのトリリン酸体の精製はDEAE-HPLCを用いて行い、UV(260 nm)の吸光度から収率を求めた。1H-NMR及び31P-NMR測定により目的のトリリン酸体化合物2、化合物4が合成できたことを確認した。 Compounds 1 and 3, which are natural triphosphates, were reacted with mCPBA in MeOH: NaHCO 3 to synthesize N-oxidized base triphosphate compound 2 and compound 4, respectively. These triphosphates were purified using DEAE-HPLC, and the yield was determined from UV (260 nm) absorbance. It was confirmed by 1 H-NMR and 31 P-NMR measurements that the desired triphosphate compound 2 and compound 4 could be synthesized.

〔実施例3〕 DNAポリメラーゼを用いた一塩基鎖伸長反応
DNAポリメラーゼを用いた鎖伸長反応におけるN-オキシド化された塩基の基質特異性を調べるために、合成したpppdCO及びpppdAOを用いて一塩基鎖伸長反応を行った。これにより、ヌクレオチドプールにおいてシトシン塩基またはアデニン塩基が酸化されて得られたpppdCO、pppdAOのDNA複製時に与える影響が明らかになると期待した。一塩基鎖伸長反応で用いた酵素は5’→3’エキソヌクレアーゼ活性が欠如したDNAポリメラーゼI Klenow Fragmentを用いた。反応の詳しい条件及び用いた配列等を図3に示す(Shimizu, M., Gruz, P., Kamiya, H., Masutani, C., Xu, Y., Usui, Y., Sugiyama, H., Harashima, H., Hanaoka, F., Nohmi, T. Biochemistry 2007, 46, 5515-5522.、Taniguchi, Y., Kool, E. T. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8836-8844.、Wu, Y., Ogawa, A. K., Berger, M., McMinn, D. L., Schultz, P. G., Romesberg, F. E. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7621-7632.、Hirao, I., Harada, Y., Kimoto, M., Mitsui, T., Fujiware, T., Yokoyama, S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13298-13305.)。
[Example 3] Single-base chain extension reaction using DNA polymerase
To examine the substrate specificity of bases that are N- oxides of the chain elongation reaction with DNA polymerase, it was a single nucleotide chain elongation reaction using a synthesized PppdC O and pppdA O. As a result, it was expected that the effects of pppdC O and pppdA O obtained by oxidizing cytosine base or adenine base in the nucleotide pool upon DNA replication would be clarified. The enzyme used in the single base chain extension reaction was DNA polymerase I Klenow Fragment lacking 5 ′ → 3 ′ exonuclease activity. Detailed reaction conditions and sequences used are shown in FIG. 3 (Shimizu, M., Gruz, P., Kamiya, H., Masutani, C., Xu, Y., Usui, Y., Sugiyama, H., Harashima, H., Hanaoka, F., Nohmi, T. Biochemistry 2007, 46, 5515-5522., Taniguchi, Y., Kool, ETJ Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8836-8844., Wu, Y ., Ogawa, AK, Berger, M., McMinn, DL, Schultz, PG, Romesberg, FEJ Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7621-7632., Hirao, I., Harada, Y., Kimoto, M Mitsui, T., Fujiware, T., Yokoyama, SJ Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13298-13305.).

図3に示したように、templateは25量体のDNAを用い、3’末端から19番目の位置に鋳型となる四種類の塩基(A、G、C、T)を配置した。一方、primerは18量体のDNAを用い、5’末端に蛍光修飾基であるFAM基を導入し蛍光検出により観測できるようにした。評価を行ったトリリン酸体は、酸化損傷塩基であるpppdCO及びpppdAOとコントロールとして天然のpppdC及びpppdAを用いて行った。まず、template-primer二重鎖に対し基質となるトリリン酸を加え、DNAポリメラーゼの至適温度である37℃で10分間反応させた。その後、98% formamideを加えることで反応を停止させた。7 Mの尿素で変性させたポリアクリルアミドゲルを用いて電気泳動を行い、蛍光検出により一塩基鎖伸長の様子を観察した。その結果を図4に示す。 As shown in FIG. 3, 25-mer DNA was used as the template, and four types of bases (A, G, C, T) serving as templates were arranged at the 19th position from the 3 ′ end. On the other hand, 18-mer DNA was used as the primer, and a FAM group, which is a fluorescent modifying group, was introduced at the 5 ′ end so that it could be observed by fluorescence detection. The evaluated triphosphates were obtained using pppdC O and pppdA O , which are oxidative damage bases, and natural pppdC and pppdA as controls. First, triphosphoric acid as a substrate was added to the template-primer duplex and reacted at 37 ° C., the optimal temperature for DNA polymerase, for 10 minutes. Thereafter, the reaction was stopped by adding 98% formamide. Electrophoresis was performed using polyacrylamide gel denatured with 7 M urea, and the state of single base chain elongation was observed by fluorescence detection. The result is shown in FIG.

まず、pppdCOの一塩基鎖伸長反応について説明する(図4a)。pppdCOの酵素による取り込みは、予想していなかったことに鋳型がdGに対してのみ鎖伸長が認められた。このことから、天然のトリリン酸pppdCと同様の傾向にあることが示された。また、天然のpppdCではdG以外にもわずかに鎖伸長が起こっていることが観測されたが、酸化損傷体pppdCOでは他の塩基における鎖伸長反応は認められなかった。つぎに、pppdAOの一塩基鎖伸長反応について説明する(図4b)。pppdAOの酵素による取り込みもpppdCOを用いた場合と同様の結果となった。鎖伸長反応が観測されたものは鋳型がdTのときのみであり、他の塩基に対しては鎖伸長が起こらなかった。以上の結果は、参考例(二重鎖融解温度の結果)から考察された「塩基識別能がないため、いずれの塩基に対しても取り込まれて鎖伸長を起こす」、もしくは「塩基形成能がないため、いずれの塩基に対しても酵素が認識せず鎖伸長が起こらない」ことと反しており、大変興味深い結果となった。 First, a description will be given of an nucleotide chain elongation reaction of pppdC O (Fig. 4a). Enzymatic incorporation of PppdC O are template that was not expected chain extension was observed only for dG. From this, it was shown that the tendency was similar to that of natural pppdC triphosphate. Although also slightly chain elongation in addition to the natural in PppdC of dG is going was observed, a chain extension reaction in the oxidative damage body PppdC O In other bases was observed. Next, the single base chain elongation reaction of pppdA 2 O will be described (FIG. 4b). It was the same result as if also uptake by enzymes PppdA O using pppdC O. Chain elongation was observed only when the template was dT, and no chain elongation occurred for other bases. The above results are considered from the reference example (results of double-strand melting temperature), “Because there is no base discrimination ability, it is incorporated into any base and causes chain elongation”, or “base formation ability is This is contrary to the fact that the enzyme does not recognize any of the bases and chain elongation does not occur.

〔合成例〕
新規化合物、あるいは従来法とは異なる方法で合成した化合物について、その合成法を示す。
(Synthesis example)
A synthesis method for a new compound or a compound synthesized by a method different from the conventional method will be described.

(1)2’-デオキシシチジン-3-N-オキシド-5'-トリホスフェート(化合物2)
事前に化合物1を水に溶解し0.4 Mのstock solution Aを調製した。また、mCPBAをMeOHに溶解し1.2 Mのstock solution Bを調製した。
(1) 2′-Deoxycytidine-3-N-oxide-5′-triphosphate (Compound 2)
Compound 1 was dissolved in water in advance to prepare 0.4 M stock solution A. Further, mCPBA was dissolved in MeOH to prepare 1.2 M stock solution B.

0.4 M stock solution A(50 μL, 20 μmol)に飽和重曹水(50 μL)とstocl solution B(100 μL, 120 μmol)を加え、室温で6時間反応させた。反応液に水(500 μL)を加え0度で10分静置し、沈殿物を濾過して取り除いた。DEAE-HPLC(eluted by TEAB-buffer)により精製し、化合物2(42%)を得た。収率はUV(260 nm)の吸光度を測定し、dCOのε値(3910)を用いて算出した。 Saturated sodium bicarbonate water (50 μL) and stocl solution B (100 μL, 120 μmol) were added to 0.4 M stock solution A (50 μL, 20 μmol), and reacted at room temperature for 6 hours. Water (500 μL) was added to the reaction solution, and the mixture was allowed to stand at 0 ° C. for 10 minutes, and the precipitate was removed by filtration. Purification by DEAE-HPLC (eluted by TEAB-buffer) gave Compound 2 (42%). The yield was calculated by measuring the absorbance of UV (260 nm) and using the ε value of dC 2 O (3910).

UV (H2O) λmax 272 nm, λmax 224 nm. 1H NMR (D2O) δ 1.14 (t, 27H, J = 7.5 Hz), 2.20-2.30 (m, 1H), 2.33-2.43 (m, 1H), 3.03-3.11 (m, 18H), 4.10-4.11 (m, 3H), 4.48-4.53 (m, 1H), 6.20 (t, 1H, J = 6.4 Hz), 6.27 (d, 1H, J = 7.9 Hz), 7.84 (d, 1H, J = 7.9 Hz); 31P NMR (D2O) δ -22.6 (t, J = 21.0 Hz, J = 20.0 Hz), -10.9 (d, J = 20.0 Hz), -10.1 (d, J = 21.0 Hz).
(2)2’-デオキシアデノシン-1-N-オキシド-5'-トリホスフェート(化合物4)
事前に化合物3を水に溶解し0.4 Mのstock solution Aを調製した。また、mCPBAをMeOHに溶解し1.2 Mのstock solution Bを調製した。
UV (H 2 O) λ max 272 nm, λ max 224 nm. 1 H NMR (D 2 O) δ 1.14 (t, 27H, J = 7.5 Hz), 2.20-2.30 (m, 1H), 2.33-2.43 ( m, 1H), 3.03-3.11 (m, 18H), 4.10-4.11 (m, 3H), 4.48-4.53 (m, 1H), 6.20 (t, 1H, J = 6.4 Hz), 6.27 (d, 1H, J = 7.9 Hz), 7.84 (d, 1H, J = 7.9 Hz); 31 P NMR (D 2 O) δ -22.6 (t, J = 21.0 Hz, J = 20.0 Hz), -10.9 (d, J = 20.0 Hz), -10.1 (d, J = 21.0 Hz).
(2) 2'-deoxyadenosine-1-N-oxide-5'-triphosphate (compound 4)
Compound 3 was dissolved in water in advance to prepare 0.4 M stock solution A. Further, mCPBA was dissolved in MeOH to prepare 1.2 M stock solution B.

0.4 M stock solution A(50 μL, 20 μmol)に飽和重曹水(50 μL)とstocl solution B(100 μL, 120 μmol)を加え、室温で6時間反応させた。反応液に水(500 μL)を加え0度で10分静置し、沈殿物を濾過して取り除いた。DEAE-HPLC(eluted by TEAB-buffer)により精製し、化合物4(48%)を得た。収率はUV(260 nm)の吸光度を測定し、dAOのε値(7930)を用いて算出した。 Saturated sodium bicarbonate water (50 μL) and stocl solution B (100 μL, 120 μmol) were added to 0.4 M stock solution A (50 μL, 20 μmol), and reacted at room temperature for 6 hours. Water (500 μL) was added to the reaction solution, and the mixture was allowed to stand at 0 ° C. for 10 minutes, and the precipitate was removed by filtration. Purification by DEAE-HPLC (eluted by TEAB-buffer) gave Compound 4 (48%). The yield was calculated by measuring the absorbance of UV (260 nm) and using the ε value (7930) of dA 2 O.

UV (H2O) λmax 261 nm, λmax 232 nm. 1H NMR (D2O) δ 1.09 (t, 27H, J = 7.4 Hz), 2.38-2.46 (m, 1H), 2.63-2.73 (m, 1H), 2.97-3.05 (m, 18H), 4.01-4.11 (m, 3H), 6.36 (t, 1H, J = 6.6 Hz), 8.41-8.42 (2s, 2H); 31P NMR (D2O) δ -22.3 (t, J = 19.5 Hz), -10.7 (d, J = 19.5 Hz), -7.9 (d, J = 19.5 Hz).
(3)一塩基鎖伸長反応
用いたpppdCO、pppdAOは化合物2、4をMeOH(100 μL)に溶解し、0.6 M NaClO4/acetone(600 μL)を加え、白色粉体を遠心分離により沈殿させたのち溶液を取り除き、acetoneで4回洗浄することでNa+-formとした。5’末端をFAMで蛍光ラベル化したprimerを使用した。用いたprimer及びtempleteの配列は図3に示す通りである。
UV (H 2 O) λ max 261 nm, λ max 232 nm. 1 H NMR (D 2 O) δ 1.09 (t, 27H, J = 7.4 Hz), 2.38-2.46 (m, 1H), 2.63-2.73 ( m, 1H), 2.97-3.05 (m, 18H), 4.01-4.11 (m, 3H), 6.36 (t, 1H, J = 6.6 Hz), 8.41-8.42 (2s, 2H); 31 P NMR (D 2 O) δ -22.3 (t, J = 19.5 Hz), -10.7 (d, J = 19.5 Hz), -7.9 (d, J = 19.5 Hz).
(3) Single base chain extension reaction The pppdC O and pppdA O used were obtained by dissolving compounds 2 and 4 in MeOH (100 μL), adding 0.6 M NaClO 4 / acetone (600 μL), and centrifuging the white powder. After precipitation, the solution was removed and washed 4 times with acetone to form Na + -form. A primer whose 5 ′ end was fluorescently labeled with FAM was used. The arrangement of primer and templet used is as shown in FIG.

100 nM templete-primer duplex、DNA polymerase Klenow fragment exo-(0.01 unit)、10 μMトリリン酸体を含んだバッファー(50 mM Tris-HCl (pH 7.2)、10 mM MgSO4、0.1 mM DTT)10 μLを37℃で10分間インキュベートした。反応停止剤(98% formamide、20 mM EDTA)を30 μL加え、7 M尿素を含む変性20%ポリアクリルアミドゲルを用いて電気泳動を行った。検出はフルオロイメージアナライザー(FUJIFILM FLA-2000G)により蛍光検出した。 100 nM templete-primer duplex, DNA polymerase Klenow fragment exo - (0.01 unit), 10 μM triphosphate containing acid material buffer (50 mM Tris-HCl (pH 7.2), 10 mM MgSO 4, 0.1 mM DTT) 10 μL Incubated at 37 ° C for 10 minutes. 30 μL of a reaction terminator (98% formamide, 20 mM EDTA) was added, and electrophoresis was performed using a modified 20% polyacrylamide gel containing 7 M urea. Detection was carried out by fluorescence detection with a fluoro image analyzer (FUJIFILM FLA-2000G).

dCO及びdAOを含むDNAオリゴマーの塩基対形成能評価実験に用いた配列と条件を示す図。shows the sequences and conditions used in the base-pairing ability evaluation experiment of a DNA oligomer containing dC O and dA O. 二重鎖融解温度を用いたdCO及びdAOの塩基対形成能の評価実験の結果を示す図。It shows the results of evaluation experiments dC O and dA O base pairing capability with duplex melting temperatures. 一塩基鎖伸長反応で用いた配列と条件を示す図。The figure which shows the arrangement | sequence and conditions used by the single base chain extension reaction. 一塩基鎖伸長反応の実験結果を示す図。The figure which shows the experimental result of a single base chain extension reaction.

Claims (7)

一般式(I)又は一般式(II)
〔式中、Xは水素原子又は水酸基を表す。〕
で表されるヌクレオシドトリホスフェート誘導体。
General formula (I) or general formula (II)
[Wherein, X represents a hydrogen atom or a hydroxyl group. ]
A nucleoside triphosphate derivative represented by:
基質、核酸合成酵素、鋳型となる単鎖核酸、及びプライマーを用いて核酸を合成する方法であって、基質として請求項1に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体を使用することを特徴とする核酸の合成方法。   A method of synthesizing a nucleic acid using a substrate, a nucleic acid synthase, a single-stranded nucleic acid as a template, and a primer, wherein the nucleoside triphosphate derivative according to claim 1 is used as a substrate. Method. 核酸合成酵素がDNA合成酵素であり、単鎖核酸が単鎖DNAであることを特徴とする請求項2に記載の核酸の合成方法。   The nucleic acid synthesizing method according to claim 2, wherein the nucleic acid synthase is a DNA synthase and the single-stranded nucleic acid is a single-stranded DNA. ポリメラーゼ連鎖反応を利用することを特徴とする請求項2又は3に記載の核酸の合成方法。   The method for synthesizing a nucleic acid according to claim 2 or 3, wherein a polymerase chain reaction is used. 請求項1に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体を含有することを特徴とする核酸合成用基質。   A nucleic acid synthesis substrate comprising the nucleoside triphosphate derivative according to claim 1. シチジン-5'-トリホスフェート、アデノシン-5'-トリホスフェート、デオキシシチジン-5'-トリホスフェート、又はデオキシアデノシン-5'-トリホスフェートを酸化剤と反応させることを特徴とする一般式(I)又は一般式(II)
〔式中、Xは水素原子又は水酸基を表す。〕
で表されるヌクレオシドトリホスフェート誘導体の製造方法。
General formula (I) characterized by reacting cytidine-5'-triphosphate, adenosine-5'-triphosphate, deoxycytidine-5'-triphosphate or deoxyadenosine-5'-triphosphate with an oxidizing agent Or general formula (II)
[Wherein, X represents a hydrogen atom or a hydroxyl group. ]
The manufacturing method of the nucleoside triphosphate derivative represented by these.
酸化剤が、メタクロロ過安息香酸であることを特徴とする請求項6に記載のヌクレオシドトリホスフェート誘導体の製造方法。   The method for producing a nucleoside triphosphate derivative according to claim 6, wherein the oxidizing agent is metachloroperbenzoic acid.
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