一種寡核苷酸「直接縮合法」試劑及其用途的製作方法

2023-05-29 19:56:16 1

專利名稱：一種寡核苷酸「直接縮合法」試劑及其用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種寡核苷酸「直接縮合法」合成用試劑的結構及其製備方法，該結構 為包含一個亞磷醯胺基團及連接臂的核苷琥珀酸酯結構，該試劑可在固相載體表面羥基基 團或氨基基團上高效快速的連接核苷，進一步用於寡核苷酸的合成。
背景技術：
寡核苷酸是現代分子生物學研究中一類重要的研究手段，從診斷探針法到PCR到 基因表達的抑制作用，其在技術上被廣泛應用，寡核苷酸的廣泛使用使得寡核苷酸高效廉 價合成方法的需求快速增長。反義寡核苷酸和用於診斷試劑研究用的引物等的合成目前 已經很常規。早期合成方法包括磷酸二酯(Khorana et al, J Molec Biol, 1972 ；72 209) 和磷酸三酯(Reese, Tetrahedron Lett, 1978 ；34 :3143_3179)化學合成，這些早期的方 法為亞磷醯胺和H-磷酸酯等化合物用於寡核苷酸的合成奠定了基礎。之後，Beaucage和 Caruthers (Tetrahedron Lett, 1981 ；22 =1859-1862)採用亞磷醯胺合成脫氧寡核苷酸， Agrawal 和 GoodchiId (Tetrahedron Lett, 1987 ；28 :3539_3542)採用亞磷醯胺合成甲基膦 酸酯寡核苷酸，Connolly等(Biochemistry，1984 ;23 3443)採用亞磷醯胺合成硫代磷酸 酯寡核苷酸。Jager等(Biochemistry，1988 ；27 7237)採用亞磷醯胺合成磷酸醯胺寡核苷 酸，Agrawal 等(Proc Natl Acad Sci USA, 1988 ；85 :7079_7083)採用 H-磷酸酯化合物合 成磷酸醯胺寡核苷酸和硫代磷酸酯寡核苷酸。採用亞磷醯胺方法固相合成寡核苷酸是大多數實驗室選擇的方法，起始物質是與 固相載體相連的核苷，它將成為核苷酸的3』羥基末端，然後依次將後一個核苷單體的活性 3』磷酸基團連接到前一個核苷酸的5』羥基上，每合成上去一個核苷單體均包括脫保護-偶 聯-氧化/硫化-封閉四步，如此循環直至完成全部序列長度。由於合成的寡核苷酸鏈始終 連接在固相載體上，液相中過量的試劑可以過濾除去，因此每步合成循環間不需要進行純 化(Matteucci andCaruthers, J Amer Chem Soc, 1981 ；103 :3185)。當鏈合成完畢，粗品寡 核苷酸還需要從載體上切割下來，並脫掉保護。目前有多種固相載體用於寡核苷酸的固相 合成，最常用的是控制孔徑玻璃(Controlled Pore Glass, CPG)珠(Adams et al, J Amer Chem Soc, 1983 ；105 661)禾口聚苯乙j；希豐對月旨(McCollum andAndrus，Tetrahedron Lett, 1991 ；32:4069)，其中樹脂載體比CPG在氨水條件下進行寡核苷酸的切割和脫保護時更為 穩定。固相合成時多採用核苷3』位羥基連接的琥珀酸酯作為鹼切割的位點，該琥珀酸酯 鍵對鹼不穩定，用氨可以從載體上切去，合成完成後，寡核苷酸被定量切下，保留一個游離 的3』羥基。而琥珀酸與固體載體表面羥基的酯化反應則比較困難，產率低，而且該反應需 要在高溫下反應很長時間。為了提高載量，所使用的CPG通常採用氨基矽烷化試劑處理，即 將一個氨基烷基鏈通過矽氧烷鍵連接到其表面，可以增強反應基團的柔性，減小空間位阻； 而聚苯乙烯通常採用氨基甲基連接臂連接到其表面，核苷3』位羥基連接的琥珀酸羧基可以 共價結合到載體的氨基基團上。但琥珀酸羧基與氨基的縮合依然需要在高溫下反應過夜。
而本發明提出的採用包含亞磷醯胺基團及連接臂的核苷琥珀酸酯，即「直接縮合 法」試劑，在固相載體表面羥基或氨基基團上連接核苷的方法，反應條件溫和，反應時間短， 可以實現高載量，同時合成的寡核苷酸純度和產率均較高。與CPG載體合成效果相比，採用 羥基樹脂進行合成時，寡核苷酸合成載量和產率明顯高於採用CPG合成的產品，並且採用 羥基樹脂合成的寡核苷酸n-1雜質明顯低於採用氨基樹脂合成的產品，而後者又明顯低於 採用CPG合成的產品
發明內容
本發明的目的在於利用化學合成方法提供一種能使固相載體表面羥基基團上快 速高效連接核苷的新結構，該結構包含一個亞磷醯胺基團及連接臂的核苷琥珀酸酯，採用 該試劑進行的「直接縮合法」可提高寡核苷酸固相合成效率。根據本發明，上述「直接縮合法」試劑的結構通式為式中R為H時，結構為β -D-呋喃脫氧核苷，R為OH時，結構為β -D-呋喃核苷；B 為鹼基，選自腺嘌呤(Α)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)或尿嘧啶(U) ；η取值為2、 3、6 或 12。本發明中的「直接縮合法」是指，在沒有連接首個核苷的載體上直接進行亞磷醯胺 合成循環的寡核苷酸合成方法，這與目前寡核苷酸常用的合成方式不同。目前寡核苷酸合 成的起始物質多是採用已事先連接到固相載體表面的核苷，核苷與固相載體表面氨基的連 接方式是醯胺鍵。核苷的種類根據待合成寡核苷酸的3』末端首個鹼基的種類來確定，這樣 在實際合成過程中，核苷單體偶聯的次數為理論鹼基數目減「 1」，這種寡核苷酸的合成方法 可以認為是一種「間接」的合成方法。本發明的另一目的在於提供所述的寡核苷酸「直接縮合法」試劑在天然寡核苷酸、 硫代寡核苷酸、RNA及其混合物等化合物分子合成領域中的用途。本發明提出的「直接縮合法」試劑通過化學合成方法製備，包括1)在β -D-呋喃脫氧核苷或β -D-呋喃核苷的呋喃糖環部位3』位羥基與琥珀酸 的一個羧基縮合形成一個具備鹼敏感切隔位點的琥珀酸酯結構；2)琥珀酸的第二個羧基基團與連接臂相連接；3)連接臂含有一個氨基基團和一個羥基基團，氨基基團與琥珀酸的羧基基團以醯 胺鍵進行連接，羥基基團與2-氰乙氧基-N，N- 二異丙基亞磷醯胺以亞磷酸酯鍵進行連接。根據本發明，結構為β-D-呋喃脫氧核苷時，核苷鹼基可以為腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶，結構為β-D-呋喃核苷時，核苷鹼基可以為腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿 嘧啶。根據本發明，反應的連接臂部分由具備游離氨基和羥基基團的氨基醇試劑製得， 結構通式(I)所用氨基醇選自2-氨基乙醇、3-氨基-1-丙醇、6-氨基-1-己醇、12-氨 基-1-十二烷醇；結構通式(II)所用氨基醇選自2_氨基乙氧基-乙醇、3-氨基乙氧 基-1-丙醇、6-氨基乙氧基-1-己醇、12-氨基乙氧基-1-十二烷醇。進一步，本發明 提出的「直接縮合法」試劑用於固相載體表面羥基或氨基基團上高 效快速連接核苷的方法，包括1)提供一種表面具備游離羥基或游離氨基的固相載體，固相載體表面負載羥基或 氨基基團的載量範圍在每克載體可合成20 μ mol到300 μ mol的寡核苷酸；2) 「直接縮合法」試劑以亞磷酸酯鍵或亞磷醯胺鍵共價結合到固相載體表面游離 羥基或氨基上；3)採用封閉試劑對固相載體表面未反應的游離羥基或氨基進行封閉；4)採用氧化或硫化方法使三價亞磷酸酯或亞磷醯胺氧化或硫化成穩定的五價磷 酸酯或磷醯胺。根據本發明，具備游離羥基或游離氨基的固相載體可選自控制孔徑玻璃(CPG)、大 孔羥基甲基聚苯乙烯樹脂、大孔氨基甲基聚苯乙烯樹脂、大孔羥基甲基聚氯苯乙烯樹脂、大 孔氨基甲基聚氯苯乙烯樹脂；固相載體的孔徑範圍在500 A到1000 A，粒徑範圍在25 μ m到 200 μ Hlo根據本發明，封閉試劑可選自醋酐、吡啶和N-甲基咪唑，醋酐和吡啶，苯甲酸酐和
二甲基氨基吡啶。根據本發明，用於亞磷酸酯或亞磷醯胺氧化或硫化的試劑可選自碘的吡啶水溶 液、氫化黃原素的吡啶乙腈溶液、二硫酸四乙基硫脲(TETD)的乙腈溶液等。根據本發明的另一目的，提供一種在固相載體上合成寡核苷酸的方法，包括1)採用「直接縮合法」試劑在固相載體表面羥基或氨基基團上連接核苷；2)在β -D-呋喃脫氧核苷或β -D-呋喃核苷的已知位點上，即DMT保護的5』反應 性羥基上採用標準的亞磷醯胺方法進行寡核苷酸合成循環；3)採用切割用的鹼試劑從固相載體上將合成的寡核苷酸切割下來，切割部位為具 備鹼敏感切割位點的琥珀酸酯，過濾回收濾液，獲得一個具有3』位游離羥基的寡核苷酸粗
女口
廣 PFt ο根據本發明，在固相載體上合成的寡核苷酸包括DNA、RNA及其混合物，合成的寡 核苷酸長度不限，範圍在1到100個核苷單體，通常為15到30個核苷單體。根據本發明，切割用的鹼試劑可選擇氨水、電化學生成的鹼、氫氧化鈉、氫氧化鉀、 甲胺、乙胺及其混合物，這樣從固相載體表面切割下來的寡核苷酸包括DNA和RNA具有一個
3』羥基。本發明提供的採用「直接縮合法」試劑在固相載體表面羥基或氨基基團上連接核 苷的製備過程可應用於天然寡核苷酸、化學修飾寡核苷酸及RNA等分子的合成。本發明提供的「直接縮合法」試劑應用於寡核苷酸的合成方法，反應條件溫和，反 應時間短，可以實現高載量，同時合成的寡核苷酸純度和產率均較高，採用羥基樹脂合成寡核苷酸的載量和產率明顯高於採用CPG合成的結果，採用羥基樹脂合成的寡核苷酸n-1雜 質明顯低於採用氨基樹脂合成的產品，而後者又明顯低於採用CPG合成的產品。本發明提供的方法可應用於寡核苷酸各個規模的合成，包括從實驗室小量製備到 大規模的工業化生產，根據本發明方法製備的寡核苷酸終產品可應用於研究、診斷及治療 等目的。


圖1 「直接縮合法」試劑(I)的合成及在羥基固相載體表面連接核苷方法的示意 圖。圖中，R = H β -D-呋喃脫氧核苷；R = OH β -D-呋喃核苷；B =鹼基，可選自腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶⑴或尿嘧啶⑶；η = 2、3、6或12 ;Χ = 0 氧代；X =S 硫代。圖2 「直接縮合法」試劑(II)的合成及在氨基固相載體表面連接核苷方法的示意 圖。圖中，R = H β -D-呋喃脫氧核苷；R = OH β -D-呋喃核苷；B =鹼基，可選自腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)或尿嘧啶(U) ；η = 2、3、6或12 ;Χ = 0 氧代；X =S 硫代。圖3用於製備「直接縮合法」試劑T-氨基己醇亞磷醯胺的代表性化合物。A為脫 氧胸苷琥珀酸酯(T-succinate)，B為N-羥基琥珀醯亞胺，C為6_氨基-1-己醇，D為2-氰 乙氧基_雙(N，N- 二異丙基)亞磷醯胺。圖4連接核苷的羥基固相載體封閉前後載體表面的變化。A為封閉前，B為封閉後。圖5連接核苷的氨基固相載體封閉前後載體表面的變化。A為封閉前，B為封閉後。圖6羥基固相載體合成硫代寡核苷酸癌泰得的合成路線圖。
具體實施例方式實施例一「直接縮合法」試劑T-氨基己醇亞磷醯胺的製備過程步驟一 T-活潑酯(脫氧胸苷琥珀酸酯琥珀醯亞胺酯，2)的合成T-succinate (1,39. 6g,0. 061mol)溶於乾燥的四氫呋喃(450ml)，冰浴冷卻至 0 10°C，加入二環己基碳二亞胺(DCC，19. 2g,0. 093mol)和N-羥基琥珀醯亞胺(9. 6g， 0.083mol)，0 10°C攪拌3h。將反應液倒入冰水中攪拌片刻，用乙酸乙酯(600mlX2)提 取。合併乙酸乙酯層，依次用1 3%碳酸鉀溶液(300 400ml)和水(500ml X 2)洗滌至 PH中性，無水硫酸鈉乾燥，過濾，濾液減壓濃縮至幹，得油狀物，用無水乙醚浸泡，得鬆散白 色固體，抽濾，少量無水乙醚淋洗，得2 (38. Sg,收率85. 8% )。步驟二 T-氨基己醇(3)的合成2(自製，12. Og, 0. 016mol)溶於N，N- 一二甲基甲醯胺(DMF，120ml)，冰浴冷卻至 0 5°C，滴加含氨基己醇(1.8g，0.015mol)的甲醇水溶液(120ml，1 l，v/v)，控制滴速大 約30min滴畢，維持此溫度，繼續攪拌6. 5h。將反應液倒入冰水中攪拌片刻，得到乳白色液 體，用乙酸乙酯(200mlX2)提取。合併乙酸乙酯層，用水(500ml)洗滌，無水硫酸鈉乾燥，過濾，濾液減壓濃縮至幹，得泡狀物。用無水乙醚浸泡得3粗品(10. Og)，經矽膠柱層析純化 (洗脫劑苯丙酮=3 7)得3純品(5. 8g，收率52.0%)。步驟三T-氨基己醇亞磷醯胺(4)的合成
3(自製，3. Og, 0. 004mol)溶於乾燥氯仿(20ml)中，通氮氣，磁力攪拌至全溶，冰浴 冷卻至0 5°C，加入2-氰乙氧基-雙(N，N-二異丙基)亞磷醯胺(2. 6g，0. 0086mol)和 四唑乙腈溶液(10ml，2.8%，v/g)，控制溫度在20°C保持90min。反應液減壓濃縮至幹，力口 入氯仿溶解，用飽和碳酸氫鈉溶液(100ml X 2)洗滌，合併水層，水層再用氯仿提取一次，合 並氯仿層，無水硫酸鈉乾燥。濾液減壓濃縮三分之二時，慢慢滴加30 60°C石油醚，有油狀 物析出，傾去上清液，再用氯仿溶解油狀物，再次滴加石油醚，析出油狀物，減壓濃縮至幹， 再用高真空泵抽至發泡。得白色固體4(3.5g，收率94.6% )。實施例二在固相載體表面羥基上連接脫氧胸苷(T)採用實施例一中自製的4(即「直接縮合法」試劑)溶於無水乙腈中，配製成 0. lmol/L的溶液，活化劑為四唑乙腈溶液(0.25mol/L)。採用OligoPilot II合成儀 (Pharmacia Biotech 公司)，合成柱為 6. 3ml 柱(Pharmacia Biotech 公司)，柱內裝載 1. Ig 羥基甲基聚苯乙烯樹脂(孔徑500埃，粒徑範圍75微米到150微米)，載體用無水乙腈衝洗 四個柱體積，將4的乙腈溶液和四唑溶液分別以1. 2ml/min和1. 8ml/min的流速同時輸入 柱子，持續時間3min，之後用無水乙腈洗滌，採用0.05mol/L碘的吡啶/水溶液(90 10， ν/ν)氧化得到5，無水乙腈洗滌後對載體表面未發生偶聯反應的羥基進行封閉，封閉劑採 用吡啶/醋酐/N-甲基咪唑/乙腈(3 2 2 13，ν/ν)溶液，封閉後採用無水乙腈洗 滌，乾燥，測定固相載體表面連接核苷的載量。得到的連接有脫氧核糖胸苷的固相樹脂載體 即作為實施例三中的起始反應物。實施例三合成硫代寡核苷酸為檢測採用本發明方法合成寡核苷酸的有效性，進行下述硫代寡核苷酸的合成 硫代寡核苷酸為以端粒酶催化亞基hTERT為靶的反義寡核苷酸癌泰得(抑制端粒酶活性的 反義寡核苷酸及其應用，專利號ZL981244610)，序列為ACTCACTCAGGCCTCAGACT，磷酸骨架 硫代修飾。所有合成均採用OligoPilot II合成儀(Pharmacia Biotech公司)進行，合成柱 為6. 3ml柱(Pharmacia Biotech公司)，採用實施例二中連接脫氧核糖胸苷的固相載體作 為起始反應物，後續鹼基的合成均採用標準亞磷醯胺法進行，合成規模約為200 μ mol。合成 粗品採用55°C氨解12h後過濾定量，在260nm波長下測定紫外吸收值，計算粗品產率。合 成粗品純度採用IE-HPLC和CGE方法進行檢測。載體合成結果為載量106 μ mol/g,產率 1300D/ymol，HPLC和 CGE 純度分別為 59. 09%和 76. 48%，P = O1 和 n_l 含量分別佔 6. 75% 和4. 78%。採用氨基固相載體和CPG同法合成的產品n-1雜質則要明顯高於羥基固相載體 合成的產品(分別在5%和7%左右)。
權利要求
提供一種寡核苷酸「直接縮合法」合成用試劑，該試劑包含一個亞磷醯胺基團及連接臂的核苷琥珀酸酯的結構，通式為式中R為H時，結構為β-D-呋喃脫氧核苷，R為OH時，結構為β-D-呋喃核苷；B為鹼基，選自腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)或尿嘧啶(U)；n取值為2、3、6或12。FSA00000120399000011.tif
2.按照權利要求1所述的「直接縮合法」試劑通過化學合成方法製備，包括1)在β-D-呋喃脫氧核苷或β -D-呋喃核苷的呋喃糖環部位3』位羥基與琥珀酸的一 個羧基縮合形成一個具備鹼敏感切隔位點的琥珀酸酯結構；2)琥珀酸的第二個羧基基團與連接臂相連接；3)連接臂含有一個氨基基團和一個羥基基團，氨基基團與琥珀酸的羧基基團以醯胺鍵 進行連接，羥基基團與2-氰乙氧基-N，N- 二異丙基亞磷醯胺以亞磷酸酯鍵進行連接。
3.按照權利要求2所述的連接臂部分，由具備游離氨基和羥基基團的氨基醇試劑制 得，結構通式(I )所用氨基醇選自2_氨基乙醇、3-氨基-1-丙醇、6-氨基-1-己醇、 12-氨基-1-十二烷醇；結構通式(II )所用氨基醇選自2_氨基乙氧基-乙醇、3-氨基乙 氧基-1-丙醇、6-氨基乙氧基-1-己醇、12-氨基乙氧基-1-十二烷醇。
4.按照權利要求1所述的「直接縮合法」試劑用於固相載體表面羥基或氨基基團上高 效快速連接核苷的方法，包括1)提供一種表面具備游離羥基或游離氨基的固相載體，固相載體表面負載羥基或氨基 基團的載量範圍在每克載體可合成20 μ mol到300 μ mol的寡核苷酸；2)「直接縮合法」試劑以亞磷酸酯鍵或亞磷醯胺鍵共價結合到固相載體表面游離羥基 或氨基上；3)採用封閉試劑對固相載體表面未反應的游離羥基或氨基進行封閉；4)採用氧化或硫化方法使三價亞磷酸酯或亞磷醯胺氧化或硫化成穩定的五價磷酸酯 或磷醯胺。
5.按照權利要求4所述的固相載體選自控制孔徑玻璃(CPG)、大孔羥基甲基聚苯乙烯 樹脂、大孔氨基甲基聚苯乙烯樹脂、大孔羥基甲基聚氯苯乙烯樹脂、大孔氨基甲基聚氯苯乙 烯樹脂；固相載體的孔徑範圍在500 A到1000 A，粒徑範圍在25μπι到200 μ m。
6.按照權利要求4提供一種在固相載體上合成寡核苷酸的方法，包括1)採用「直接縮合法」試劑在固相載體表面羥基或氨基基團上連接核苷；2)在β-D-呋喃脫氧核苷或β-D-呋喃核苷的已知位點上，即DMT保護的5』反應性羥 基上採用標準的亞磷醯胺方法進行寡核苷酸合成循環；3)採用切割用的鹼試劑從固相載體上將合成的寡核苷酸切割下來，切割部位為具備鹼 敏感切割位點的琥珀酸酯，過濾回收濾液，獲得一個具有3』位游離羥基的寡核苷酸粗產品。
7.按照權利要求6，合成的寡核苷酸包括DNA、RNA及其混合物。
8.按照權利要求7，合成的寡核苷酸長度範圍在1到100個核苷單體。
9.按照權利要求8，合成的寡核苷酸長度範圍通常在15到30個核苷單體。
全文摘要
本發明涉及一種寡核苷酸「直接縮合法」試劑的結構及其用途，該結構包含一個亞磷醯胺基團及連接臂的核苷琥珀酸酯，通式為式中R為H或OH，B為鹼基，n為2、3、6或12。該試劑的製備方法如下核苷糖環的3』位羥基與琥珀酸的一個羧基縮合形成酯鍵，琥珀酸的第二個羧基與氨基醇連接臂的氨基以醯胺鍵進行連接，連接臂上羥基再連接2-氰乙氧基-N，N-二異丙基亞磷醯胺得到。該試劑可分別以亞磷酸酯鍵或亞磷醯胺鍵與固相載體表面的羥基或氨基共價結合，之後再氧化或硫化成穩定的磷酸酯或磷醯胺。本發明提供的「直接縮合法」試劑在固相載體表面羥基或氨基上高效快速連接核苷的製備過程可應用於寡核苷酸的合成循環。
文檔編號C07H19/073GK101870717SQ201010185499
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者丁雨, 李魯, 王升啟, 魯丹丹 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院放射與輻射醫學研究所