CN1203919A - 3′－单磷酸化寡核苷酸 - Google Patents

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Abstract

一种3′－单磷酸化寡核苷酸,经体外和细胞研究证明其在血清中和细胞内的稳定性明显高于不修饰的寡核苷酸,略高于硫磷酸修饰的寡核苷酸,3′－单磷酸化寡核苷酸被细胞摄取的能力高于不修饰的寡核苷酸及硫磷酸修饰的寡核苷酸。由于其不带非天然的修饰成分,其代谢降解产物无任何毒副作用,因此,3′－单磷酸化寡核苷酸用作治疗药物时,比硫磷酸修饰的寡核苷酸更为优越与安全。

Description

3＇-单磷酸化寡核苷酸
本发明涉及修饰的寡核苷酸，尤指磷酸化修饰的寡核苷酸。
寡核苷酸包括反义寡核苷酸、抗基因寡核苷酸(亦称三螺旋形成寡核苷酸)等可用于抑制基因的表达，是近年来发展起来的一种新的治疗方法(Wagner，RW，Nature，1994，372，333-335；Crook，ST，Annu．Rev．Pharmacol．Toxical1992，32，329-376；Helene，C，Eur．J．Cancer，1994，30A，1721-1726；Crooke，ST，Antisense Nucleic acids Drug Dev1996，6，141-147．)。其作用机制包括阻遏病毒基因的复制、转录和翻译，也可阻遏人体内有害基因的转录和翻译，以及通过体内的RNase H酶的作用使靶RNA降解，是一类专一性高、毒副作用小的治疗药物。目前已进入临床试验的反义寡核苷酸有抗HIV的GEM91(Ⅱ期)，抗炎症的ISIS2302(Ⅱ期)，抗癌症的ISIS3521(Ⅰ期)及ISIS5132(Ⅰ期)，抗艾滋病患者的CMV视网膜炎的ISIS2922(Ⅲ期)，治疗慢性髓性白血病的LR-3001(Ⅰ期)等(Genetic EngineeringNews，1996，16，29-34)。
由于寡核苷酸片段进入人体后，易受到人体内酶系统的作用而被降解，即进入人体的寡核苷酸未达到靶器官、靶细胞就被降解因而不能达到预期的治疗效果(Hoke，G．Det al．Nucleic Acids Res1991，19，5734-5748)。因此，提高寡核苷酸的稳定性，尤其是提高其抗酶解能力显得非常关键，这样，不仅可以提高疗效、减少药品用量，亦可进一步降低治疗成本和减少副作用。
为了提高寡核苷酸的稳定性，延长其在人体内的半衰期，人们采用不同的方法对寡核苷酸进行了一系列的化学修饰和结构改造，已有许多文献报道，例如：采用硫磷酸二酯键代替磷酸二酯键的方法(WO 9115500，1991)；将两个寡核苷酸片段以3＇与3＇相连，或5＇与5＇相连(EP 464638，1992)等。目前，反义寡核苷酸大多采用化学修饰方法来增加其稳定性，在诸多化学修饰中，硫磷酸修饰被认为是最理想的一种。但是，它必竟是非天然的，进入细胞后异质性大。而且其合成价格也比非修饰的寡核苷酸高，其化学稳定性也不如天然的磷酸二酯键。硫磷酸修饰寡核苷酸还具有非专一性作用，它能与细胞内的一些重要的蛋白质相结合，影响细胞的信号传递及其他生物功能；它具有很强的免疫原性，可以刺激机体的免疫系统；另一方面，采用硫磷酸二酯键替代物，在体内的代谢降解产物亦可能对人体产生毒副作用(Stein CA，Trends in Biotechnology，1996，14，147-149)。为了寻找更好的修饰方法，本发明进行了进一步的研究。
本发明的目的是提供一种3＇-单磷酸化寡核苷酸，以增加寡核苷酸稳定性，降低毒副作用。
本发明提供一种3＇-单磷酸化寡核苷酸，其结构式可用5＇d(NNN……NNN)p3＇或oligo(dN)-3＇P表示，式中N=A、G、C、T；p3＇或3＇P=3＇为单磷酸基团。它是采用3＇-磷酸固相柱(3＇-phosphate CPG Glen Research公司产品，全称2-[2-(4，4-二甲氧基三苯甲氧基)乙磺酰]乙基-丁二酰长链烷基胺-微孔玻璃珠(2-[2-(4，4-Dimethoxy trityloxy)ethylsulfomyl]ethyl-succinoyl long chain alkylamino-CPG))，在ABI 391EP DNA合成仪上合成，经浓氨水脱去保护基得3＇-单磷酸化寡核苷酸。
为了显示本发明3＇-单磷酸化寡核苷酸对酶降解的稳定性，用蛇毒磷酸二酯酶代表体内的3＇→5＇核酸外切酶，用DNase Ⅰ代表体内的内切核酸酶在体外比较了不修饰的寡核苷酸、3＇-单磷酸化寡核苷酸、硫磷酸修饰的寡核苷酸及3＇部分硫磷酸修饰的寡核苷酸对3＇→5＇核酸外切酶和内切核酸酶的稳定性，进一步还比较了它们在血清中及细胞内的稳定性。实验证明经3＇-磷酸化修饰的寡核苷酸片段具有抗蛇毒磷酸二酯酶的性质，在血清中和细胞内的稳定性明显高于3＇不修饰的或3＇部分硫磷酸修饰的寡核苷酸，略高于硫磷酸修饰的寡核苷酸。而且，3＇-磷酸化修饰不影响寡核苷酸进入细胞的速度，这一点优于硫磷酸修饰的寡核苷酸。上述结果说明血清和细胞中主要存在的是3＇→5＇外切核酸酶，而该酶作用时需提供具有3＇-OH的底物，当寡核苷酸3＇OH基团被磷酸化后，就不能作为3＇→5＇外切核酸酶的底物，因而能抗3＇→5＇外切核酸酶作用，延长了在人体血清中的滞留时间，能够更有效地被运输到靶细胞中。在细胞甲由于3＇-单磷酸化寡核苷酸稳定性高，因此能更有效地与目的基因的互补序列相结合。
3＇-单磷酸化寡核苷酸只有被磷酸单酯酶切去3＇磷酸后才能被3＇→5＇外切核酸酶降解。3＇-单磷酸化寡核苷酸在血清中和细胞内稳定性高，表明在血清中和细胞内磷酸单酯酶活性不高。
此外，由于DNA复制时需要3＇为OH的引物，3＇-单磷酸化寡核苷酸引物一旦与DNA结合还能阻遏病毒DNA的复制或RNA反转录。目前在使用的反义寡核苷酸中大多是硫磷酸修饰的、3＇为OH的寡核苷酸，它没有阻遏病毒DNA复制或RNA反转录的作用。3＇-单磷酸化寡核苷酸对正常的碱基配对没有影响，因此能够保证这种经修饰的寡核苷酸正确地、专一地与靶DNA或RNA配对。概括而言，依据病毒或肿瘤基因等有害基因DNA或RNA特定顺序而设计的、3＇-单磷酸化寡核苷酸片段能够专一地与靶DNA或RNA结合，阻遏病毒DNA的复制、转录和翻译，也可阻遏人体内有害基因的转录和翻译，也可利用体内RNaseH使被3＇-单磷酸化寡核苷酸结合的靶RNA降解。因此，由于上述作用机制和优越的性能，3＇-单磷酸化寡核苷酸有更多的生物功能。另外的针对乙型肝炎病毒设计的一种反义寡核苷酸的研究证明，3＇-单磷酸化修饰比不修饰的寡核苷酸对于乙型肝炎病毒基因表达的抑制作用强一倍以上。
本发明的优点：本发明中提供的3＇-单磷酸化寡核苷酸具有比硫磷酸修饰的寡核苷酸还要高的稳定性和容易被细胞摄取的优点。而且，由于磷酸基团为天然核酸中固有成份，因此采用磷酸基团作为修饰基团并没有引入非天然的修饰成份，其代谢降解产物无任何毒副作用，因此，与其它化学修饰方法相比使用时更为安全，其综合性能优于目前应用最广的硫磷酸取代的寡核苷酸。3＇-单磷酸化寡核苷酸能专一地与靶DNA或RNA结合，阻遏病毒DNA的复制、转录和翻译。因此，3＇-单磷酸化寡核苷酸有望成为一种临床上有效的药物。
本发明通过以下附图和实施例作进一步阐述，但并不限止本发明的范围。
图1四种寡核苷酸片段对蛇毒磷酸二酯酶降解的抗性
图2四种寡核苷酸片段对DNaseⅠ降解的抗性
图3四种寡核苷酸片段在40％人血清中的稳定性
图4四种寡核苷酸片段在HeLa细胞内的稳定性
图5四种寡核苷酸片段在HeLa细胞浆中的浓度
图6四种寡核苷酸片段在HeLa细胞核内的浓度
实施例1  3＇-单磷酸化寡核苷酸片段和其它实验用寡核苷酸片段的合成
利用ABI公司的391EP DNA合成仪合成下列四种寡核苷酸片段，其DNA顺序结构及3＇端修饰情况如下：①3＇OH：5＇d(ATAGGGGCAT)3＇②3＇P： 5＇d(ATAGGGGCAT)p3＇③SP：5＇d(A*T*A*G*G*G*G*C*A*G*A)3＇④3SP：5’d(TTGAGGATGGAGCCCTGGA*C*C*A)3＇
*代表硫磷酸二酯键位置
第①条寡核苷酸的3＇为OH基团；
第②条寡核苷酸的3＇为单磷酸基团；
第③条寡核苷酸为全部核苷酸之间通过硫磷酸二酯键相连，3＇为OH基团；
第④条寡核苷酸的3＇端有三个硫磷酸二酯键，其余为磷酸二酯键，3＇为OH基团。
第②条3＇-单磷酸化寡核苷酸使用0．2μmole 3＇磷酸固相柱(3＇-phosphate CPG Glen Research公司产品，全称2-[2-(4，4-二甲基三苯甲氧基)乙磺酰]乙基-丁二酰长链烷基胺-微孔玻璃珠(2-[2-(4，4-Dimethoxytrityloxy)ethylsulfomyl]ethyl-succinoyl long chain alkylamino-CPG))，在ABI391EP DNA合成仪上用0．2μmole合成顺序合成。第①条3＇为OH的寡核苷酸用0．2μmole dT固相柱(Glen Research产品)，用相同的合成顺序合成。第③条、第④条用dA固相柱(Glen Research产品)，用相同的合成顺序合成，只有在硫磷酸修饰的位置用硫化试剂替代氧化试剂(参见Iyer，RT，et al.J．Org．Chem．1990，55，4693-4699)，其余均相同。合成结束后，取出挂有寡核苷酸的载体，用浓氨水55℃处理15小时脱去保护基，吸出溶液，真空浓缩至干，重新溶解于200μl 50％甲酰胺中，经7 mol／L尿素-20％聚丙烯酰胺凝胶电泳纯化，紫外灯下割带，重蒸水浸泡，透析去盐，浓缩后-20℃保存。测A260，计算产物量。
实施例2  对蛇毒磷酸二酯酶降解的稳定性
实施例1中所得到的四种寡核苷酸片段(3＇OH，3＇P，SP，3SP)分别用T4多聚核苷酸激酶(T4 PNK)在其5＇端标记上32P，取50 pmol寡核苷酸片段，加50μCi[γ-32p]-ATP，2单位T4多聚核苷酸激酶，1μl 10倍缓冲液，加双蒸水至1Oμl，37℃保温1小时，同实施例1一样，用聚丙烯酰胺凝胶电泳的方法纯化标记的寡核苷酸，分别加入未标记的寡核苷酸至终浓度为5μmol／L，加蛇毒磷酸二酯酶至100μU／ml，缓冲液为1O mmol／L Tris-HCl，50 mmol／LMgCl2，0．1％牛血清白蛋白(BSA)，pH8．0，37℃保温，在0、0．5、1、1．5、2、4、8、12、24小时各取5μl，加等体积上样缓冲液(98％甲酰胺，10mmol／L EDTA，0．025％二甲苯蓝FF，0．025％溴酚蓝)混匀，用7 mol／L尿素-20％聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定。结果显示，3＇-单磷酸化寡核苷酸、全硫磷酸修饰的寡核苷酸以及3＇端三个硫磷酸二酯键的寡核苷酸对于蛇毒磷酸二酯酶的抗性作用相近，它们对蛇毒磷酸二酯酶的抗性都比3＇-OH的寡核苷酸要高许多，表现出显著差异。见图1。
实施例3  对DNase Ⅰ(内切核酸酶)降解的稳定性
同实施例2一样制得32P标记的四种寡核苷酸，在其中分别加入未标记的寡核苷酸至终浓度为5μmol／L，加DNase Ⅰ至100 U/ml，缓冲液为10 mmol／LTris-HCl，5 mmol／L MgCl2，0．1％BSA，pH 8．0，37℃保温，在0、0．5、1、1．5、2、4、8、12、24小时各取5μl，加等体积上样缓冲液混匀，用7 mol／L尿素-20％聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定。结果显示，3＇-单磷酸化寡核苷酸对于DNase Ⅰ降解的稳定性略低于全硫磷酸修饰的寡核苷酸，但明显高于3＇-OH寡核苷酸和3＇端三个硫磷酸二酯键的寡核苷酸，而其中3＇端三个硫磷酸二酯键的寡核苷酸对DNase Ⅰ的作用特别敏感。见图2。
实施例4  在40％人血清体系中的稳定性
同实施例2一样制得32P标记的四种寡核苷酸，在其中分别加入未标记的寡核苷酸至终浓度为5μmol／L，加人血清至终浓度为40％，37℃保温，在0、0．5、1、1．5、2、4、8、12、24小时各取5μl，加等体积上样缓冲液混匀，用7 mol／L尿素-20％聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定。结果显示，3＇-单磷酸化寡核苷酸稳定性最好，反应24小时后还留有近一半的量，明显高于其他几种结构的寡核苷酸，3＇-OH的寡核苷酸在此体系中稳定性最差。见图3
实施例5  在细胞内的稳定性在35mm培养皿中接种2×105HeLa细胞，加1．5ml细胞培养液(DMEM含10％小牛血清)，于37℃5％CO2生长到培养孔面积的40％-60％，吸去培养液，分别加入200μl 5＇P-32标记的3＇OH、3＇P、SP或3SP转染混合液(含4μl Lipofectin，3＇OH、3＇P、SP或3SP 0．2μmol/L)，5小时后，吸干转染混合液，加入2 ml含10％小牛血清的DMEM培养液，37℃5％CO2继续培养，并于5，12，24，36，48，72小时消化细胞，离心沉淀细胞，用酸性溶液洗去细胞表面的寡核苷酸(参见Gao WY，et al．J．Biol．Chem．1990，265，20172-20178；Lappalainen K．et al．Biochim．Biophys．Acta，1994，1196，201-208)，加1ml TES液(20 mmol／L Tris-HCl pH 8．0，10 mmol／L EDTA，1％SDS)，于室温10分钟裂解细胞，用有机混合溶剂(苯酚∶氯仿∶异戊醇=50∶48∶2)抽提两次，加2倍无水乙醇沉淀DNA，加10μl蒸馏水溶解，7mol／L尿素-15％聚丙烯酰胺凝胶电泳，放射自显影，然后，做黑度扫描，并以寡核苷酸转染5小时的时候，HeLa细胞中全长寡核苷酸的含量为100％，比较在不同培养时间后细胞中所保留的全长寡核苷酸的百分比。结果显示：在HeLa细胞中，3＇P的稳定性要明显高于3SP及3＇OH，SP稳定性也较高，见图4。
实施例6  在细胞内的分布
在12孔细胞培养板中接种5×104HeLa细胞，加0．5ml细胞培养液(DMEM含10％小牛血清)，于37℃，5％CO2生长到培养孔面积的40％-60％，吸去培养液，分别加入100μl 5＇-32P标记的3＇OH、3＇P、SP或3SP转染混合液(含4μl Lipofectin，3＇OH、3＇P、SP或3SP 0．2μ mol/L)，每个样品重复三份，5小时后加入400μl含10％小牛血清的DMEM培养液，37℃5％CO2继续培养，并于0，2，4，8，18，24，30小时吸去培养液，用0．5mlPBS洗一次，再用100μl胰酶消化6分钟，然后加100μl含10％小牛血清的DMEM，细胞计数三次，取平均值，5000转／分离心1分钟沉淀细胞，同实施例5用酸性溶液洗去细胞表面的寡核苷酸然后分离细胞浆及细胞核(参见Weintraub H，et al．Cell 1983，32，1191-1203)，胞浆及胞核分别测定同位素放射性强度。计算3＇OH，3＇P，SP和3SP于不同时间在胞浆及胞核中的含量，三次的重复数据取平均值。3＇OH，3＇P，SP和3SP四种寡核苷酸在细胞浆和细胞核内的浓度见图5和图6。在实验的条件下，3＇OH，和3＇P进细胞比SP和3SP快，SP进细胞较慢，3SP最慢。除3SP较长以外，3＇OH与3＇P长度相同，SP多一个核苷酸。从实验结果可见，3＇-单磷酸化修饰并不影响其进细胞速度。

Claims (2)

1．一种3＇-单磷酸化寡核苷酸，其特征在于其结构式可表示为：
5＇d(NNN……NNN)p3＇或oligo(dN)-3＇P，
式中N=A、G、C、T；
p3＇或3＇P=3＇为单磷酸基团。
2．按权利要求1所述的3＇-单磷酸化寡核苷酸的应用，其特征在于该寡核苷酸与靶DNA或RNA结合，在制备治疗由病毒基因或人体有害基因表达而引起的疾病的药物中的应用。
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