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Ácido nucleico peptídico

El ácido nucleico peptídico ( PNA ) es un polímero sintetizado artificialmente similar al ADN o al ARN . [1]

Los oligómeros de ácidos nucleicos peptídicos sintéticos se han utilizado en los últimos años en procedimientos de biología molecular, ensayos de diagnóstico y terapias antisentido . [2] Debido a su mayor fuerza de unión, no es necesario diseñar oligómeros de PNA largos para su uso en estas funciones, que generalmente requieren sondas de oligonucleótidos de 20 a 25 bases. La principal preocupación de la longitud de los oligómeros de PNA es garantizar la especificidad. Los oligómeros de PNA también muestran una mayor especificidad en la unión a ADN complementarios, siendo un desajuste de bases PNA/ADN más desestabilizador que un desajuste similar en un dúplex ADN/ADN. Esta fuerza de unión y especificidad también se aplica a los dúplex PNA/ARN. Los PNA no son fácilmente reconocidos ni por las nucleasas ni por las proteasas , lo que los hace resistentes a la degradación por enzimas . Los PNA también son estables en un amplio rango de pH . Aunque un PNA no modificado no puede atravesar fácilmente la membrana celular para entrar en el citosol, el acoplamiento covalente de un péptido que penetra en la célula a un PNA puede mejorar la administración citosólica. [3]

No se sabe que el PNA se produzca de forma natural, pero se ha planteado la hipótesis de que la N-(2-aminoetil)-glicina (AEG), la columna vertebral del PNA, es una forma temprana de molécula genética para la vida en la Tierra y es producida por cianobacterias y es una neurotoxina . [4]

La PNA fue inventada por Peter E. Nielsen (Univ. Copenhague), Michael Egholm (Univ. Copenhague), Rolf H. Berg (Laboratorio Nacional Risø) y Ole Buchardt (Univ. Copenhague) en 1991. [1]

Estructura

El ADN y el ARN tienen una cadena principal de azúcar desoxirribosa y ribosa , respectivamente, mientras que la cadena principal del PNA está compuesta por unidades repetidas de N-(2-aminoetil)-glicina unidas por enlaces peptídicos . Las diversas bases de purina y pirimidina están unidas a la cadena principal por un puente de metileno ( -CH
2-) y un grupo carbonilo (-(C=O)-). Los PNA se representan como péptidos , con el extremo N en la primera posición (izquierda) y el extremo C en la última posición (derecha). [5]

Vinculante

Dado que la cadena principal del PNA no contiene grupos fosfato cargados , la unión entre las cadenas de PNA/ADN es más fuerte que entre las cadenas de ADN/ADN debido a la falta de repulsión electrostática. Desafortunadamente, esto también hace que sea bastante hidrófobo, lo que dificulta su administración a las células del cuerpo en solución sin ser eliminado del cuerpo primero. Los primeros experimentos con cadenas de homopirimidina (cadenas que consisten en una sola base de pirimidina repetida ) han demostrado que la Tm ( "temperatura de fusión") de una doble hélice de ADN de timina PNA/adenina de 6 bases era de 31 °C en comparación con un dúplex de ADN/ADN de 6 bases equivalente que se desnaturaliza a una temperatura inferior a 10 °C. Las moléculas de PNA de base mixta son verdaderas imitadoras de las moléculas de ADN en términos de reconocimiento de pares de bases. La unión PNA/PNA es más fuerte que la unión PNA/ADN.

Traducción de PNA a partir de otros ácidos nucleicos

Varios laboratorios han informado sobre la polimerización específica de secuencias de ácidos nucleicos peptídicos a partir de plantillas de ADN o ARN. [6] [7] [8] Liu y sus colaboradores utilizaron estos métodos de polimerización para desarrollar PNA funcionales con la capacidad de plegarse en estructuras tridimensionales, similares a las proteínas, los aptámeros y las ribozimas . [6]

Entrega

En 2015, Jain et al. describieron un sistema de administración anfifático basado en ADN transactivo para la administración conveniente de ácidos nucleicos no cargados con cola de poli A (UNA), como PNA y morfolinos , de modo que varios UNA se puedan examinar fácilmente ex vivo . [9] [ se necesita una fuente no primaria ]

Hipótesis mundial de la PNA

Se ha planteado la hipótesis de que las primeras formas de vida en la Tierra pueden haber utilizado PNA como material genético debido a su extrema robustez, formación más simple y posible polimerización espontánea a 100 °C [10] (mientras que el agua a presión estándar hierve a esta temperatura, el agua a alta presión, como en el océano profundo, hierve a temperaturas más altas). Si esto es así, la vida evolucionó a un sistema basado en ADN/ARN solo en una etapa posterior. [11] [12] Sin embargo, la evidencia de esta hipótesis del mundo PNA está lejos de ser concluyente. [13] Sin embargo, si existió, debe haber precedido al mundo ARN ampliamente aceptado .

Aplicaciones

Las aplicaciones incluyen la alteración de la expresión genética, tanto como inhibidor como promotor en diferentes casos, agente terapéutico antisentido y antigénico, agente anticancerígeno, agente antiviral, antibacteriano y antiparasitario, herramientas moleculares y sondas de biosensores , detección de secuencias de ADN y nanotecnología. [14] [15]

Los PNA se pueden utilizar para mejorar la secuenciación de genes de ARN ribosómico 16S de alto rendimiento de muestras de plantas y suelo al bloquear la amplificación de secuencias de plástidos y mitocondriales contaminantes. [16]

Antagonismo/inhibición funcional celular. En 2001, Strauss y sus colegas informaron sobre el diseño de una aplicación para oligómeros de PNA en células de mamíferos vivos. La región de unión de la cromatina Xist se dilucidó por primera vez en células fibroblásticas de ratones hembra y células madre embrionarias mediante el uso de un antagonista molecular de PNA. El nuevo enfoque de PNA demostró directamente la función de un lncRNA. El ARN largo no codificante (lncRNA), Xist, se une directamente al cromosoma X inactivo. Los experimentos de inhibición funcional de PNA revelaron que regiones de repetición específicas del ARN Xist eran responsables de la unión a la cromatina y, por lo tanto, podrían considerarse regiones de dominio de la transcripción de ARN. El antagonista molecular de PNA se administró a células vivas e inhibió funcionalmente la asociación de Xist con el cromosoma X inactivo utilizando el enfoque para estudiar la función del ARN no codificante en células vivas llamado mapeo de interferencia de ácido nucleico peptídico (PNA). En los experimentos descritos, un único PNA antisentido de 19 pb que permeaba las células dirigido contra una región particular del ARN Xist provocó la interrupción del Xi. La asociación del Xi con la macrohistona H2A también se ve alterada por el mapeo de interferencia del PNA. [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Nielsen PE, Egholm M, Berg RH, Buchardt O (diciembre de 1991). "Reconocimiento selectivo de secuencia de ADN por desplazamiento de cadena con una poliamida sustituida con timina". Science . 254 (5037): 1497–500. Bibcode :1991Sci...254.1497N. doi :10.1126/science.1962210. PMID  1962210.
  2. ^ Gupta A, Mishra A, Puri N (octubre de 2017). "Ácidos nucleicos peptídicos: herramientas avanzadas para aplicaciones biomédicas". Revista de biotecnología . 259 : 148–159. doi :10.1016/j.jbiotec.2017.07.026. PMC 7114329 . PMID  28764969. 
  3. ^ Zhao XL, Chen BC, Han JC, Wei L, Pan XB (noviembre de 2015). "Entrega de conjugados de péptido-ácido nucleico peptídico que penetran en las células mediante ensamblaje en un armazón de oligonucleótidos". Scientific Reports . 5 : 17640. Bibcode :2015NatSR...517640Z. doi :10.1038/srep17640. PMC 4661726 . PMID  26612536. 
  4. ^ Banack SA, Metcalf JS, Jiang L, Craighead D, Ilag LL, Cox PA (7 de noviembre de 2012). "Las cianobacterias producen N-(2-aminoetil)glicina, una estructura básica para los ácidos nucleicos peptídicos que pueden haber sido las primeras moléculas genéticas para la vida en la Tierra". PLOS ONE . ​​7 (11): e49043. doi : 10.1371/journal.pone.0049043 . PMC 3492184 . PMID  23145061. 
  5. ^ Egholm M, Buchardt O, Christensen L, Behrens C, Freier SM, Driver DA, Berg RH, Kim SK, Norden B, Nielsen PE (octubre de 1993). "PNA se hibrida con oligonucleótidos complementarios obedeciendo las reglas de enlaces de hidrógeno de Watson-Crick". Nature . 365 (6446): 566–8. Bibcode :1993Natur.365..566E. doi :10.1038/365566a0. PMID  7692304. S2CID  4318153.
  6. ^ ab Brudno Y, Birnbaum ME, Kleiner RE, Liu DR (febrero de 2010). "Un sistema de traducción, selección y amplificación in vitro para ácidos nucleicos peptídicos". Nature Chemical Biology . 6 (2): 148–55. doi :10.1038/nchembio.280. PMC 2808706 . PMID  20081830. 
  7. ^ Kleiner RE, Brudno Y, Birnbaum ME, Liu DR (abril de 2008). "Polimerización con plantilla de ADN de aldehídos de ácidos nucleicos peptídicos funcionalizados con cadena lateral". Journal of the American Chemical Society . 130 (14): 4646–59. doi :10.1021/ja0753997. PMC 2748799 . PMID  18341334. 
  8. ^ Ura Y, Beierle JM, Leman LJ, Orgel LE, Ghadiri MR (julio de 2009). "Ácidos nucleicos peptídicos adaptativos a secuencias autoensamblables". Science . 325 (5936): 73–7. Bibcode :2009Sci...325...73U. doi :10.1126/science.1174577. PMID  19520909. S2CID  13327028.
  9. ^ Jain HV, Verthelyi D, Beaucage SL (2015). "Los elementos de ADN fosforotioato transactuantes anfipáticos median la entrega de secuencias de ácidos nucleicos no cargadas en células de mamíferos". RSC Advances . 5 (80): 65245–65254. Bibcode :2015RSCAd...565245J. doi : 10.1039/C5RA12038A .
  10. ^ Wittung P, Nielsen PE, Buchardt O, Egholm M, Nordén B (abril de 1994). "Doble hélice similar al ADN formada por ácido nucleico peptídico". Nature . 368 (6471): 561–3. Bibcode :1994Natur.368..561W. doi :10.1038/368561a0. PMID  8139692. S2CID  551986.
  11. ^ Nelson KE, Levy M, Miller SL (abril de 2000). "Los ácidos nucleicos peptídicos, en lugar del ARN, pueden haber sido la primera molécula genética". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 97 (8): 3868–71. Bibcode :2000PNAS...97.3868N. doi : 10.1073/pnas.97.8.3868 . PMC 18108 . PMID  10760258. 
  12. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J (marzo de 2002). Biología molecular de la célula (4.ª ed.). Routledge. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  13. ^ Zimmer C (enero de 2009). "Raíces evolutivas. Sobre el origen de la vida en la Tierra". Science . 323 (5911): 198–9. doi :10.1126/science.323.5911.198. PMID  19131603. S2CID  206583796.
  14. ^ Anstaett P, Gasser G (2014). "Ácido nucleico peptídico: una oportunidad para la bionanotecnología" (PDF) . CHIMIA . 68 (4): 264–8. doi :10.2533/chimia.2014.264. PMID  24983612.
  15. ^ D'Souza AD, Belotserkovskii BP, Hanawalt PC (febrero de 2018). "Un nuevo modo de inhibición de la transcripción mediado por bucles R inducidos por PNA con un sistema modelo in vitro". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mecanismos reguladores de genes . 1861 (2): 158–166. doi :10.1016/j.bbagrm.2017.12.008. PMC 5820110 . PMID  29357316. 
  16. ^ Lundberg DS, Yourstone S, Mieczkowski P, Jones CD, Dangl JL (octubre de 2013). "Innovaciones prácticas para la secuenciación de amplicones de alto rendimiento". Nature Methods . 10 (10): 999–1002. doi :10.1038/nmeth.2634. PMID  23995388. S2CID  1751531.
  17. ^ "Beletskii et al 2001"/ Beletskii, Anton; Strauss, William (2001). "El mapeo de interferencia de PNA demuestra dominios funcionales en el ARN no codificante Xist". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (16): 9215–20. Bibcode :2001PNAS...98.9215B. doi : 10.1073/pnas.161173098 . PMC 55400 . PMID  11481485. 

Lectura adicional