DE4418691A1 - 3'-(4'-) nicht-radioaktiv markierte Nukleoside und Nukleotide mit Aminocarbonsäure-, Peptid- oder Carbonsäure-Spacer - Google Patents
3'-(4'-) nicht-radioaktiv markierte Nukleoside und Nukleotide mit Aminocarbonsäure-, Peptid- oder Carbonsäure-SpacerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft in 3′-(4′-)Position mit nicht-radioaktiv markierten Gruppen
modifizierte Nukleoside, Nukleotide und Oligonukleotide, ein Verfahren zu deren
Herstellung sowie ihre Verwendung.
Markierte Nukleotide haben in der Gentechnologie außerordentlich viele Anwen
dungen gefunden, da ihre Anwendung leichter ist als die der herkömmlich als Hy
bridisierungsproben verwendeten DNA-Sonden, die durch Restriktionsverdau aus
nativem Genmaterial hergestellt werden.
Modifizierte Oligonukleotide, die in Form von sogenannten "antisense"-DNA-
Oligonukleotiden eingesetzt werden, können regulierend in das Zellgeschehen ein
greifen und gewinnen damit z. B. für die in vivo-Untersuchung der Expression von
Proteinen sowie in der Krebs-, Virus- und Gentherapie immer größere Bedeutung.
Der Mechanismus läuft dabei über DNA-DNA-, DNA-RNA- und RNA-RNA-
Wechselwirkungen ab, bedarf im einzelnen aber noch vollständiger Klärung.
In vitro dienen markierte Oligonukleotide, z. B. der Identifizierung von Genfrag
menten innerhalb einer Genbank, indem man mit Hilfe eines markierten Oligo
nukleotids geblottete Genproben der Genbank sondiert und identifiziert.
Neben der radioaktiven Markierung durch geeignete Isotope werden als Form einer
nicht-radioaktiven Markierung beispielsweise derivatisierte Fluoreszenzfarbstoffe
verwendet, die die Möglichkeit einer leichteren und ungefährlicheren Handhabung
bieten.
Bislang wurde eine solche Technik erfolgreich zur nicht-radioaktiven Sequenzie
rung von DNA angewendet. Hier sind im wesentlichen auf der Methode von Sanger
[F. Sanger, S. Nicklen und S. Coulsen, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74, 5463 (1977)]
basierende Ansätze durchgeführt worden.
Das Fluoreszenzlabel wurde dabei entweder am 5′-Ende des Nukleotids
[L. E. Hood, L. M. Smith und C. Heiner, Nature 321, 674 (1986)] oder an der
Nukleobase [J. M. Prober, G. L. Trainor und R. J. Dain, Science 238, 336 (1987)]
angebracht [G. L. Trainor, Anal. Chem. 62, 418 (1990)]. Dies ist mit den Nachteilen
verbunden, daß nur bestimmte Polymerasen für die Synthese eingesetzt werden kön
nen, die Akzeptanz der Triphosphate durch die Polymerasen sinkt und daß außer
dem ein großer Substratüberschuß notwendig ist.
Auch die chemische Sequenzierung nach Maxam-Gilbert mit Fluoreszenzlabel ist
bekannt [H. Voss, C. Schwager, U. Wirkner, B. Sproat, J. Zimmermann,
A. Rosenthal, H. Erfle, J. Stegmann und W. Ansorge, Nucl. Acids. Res. 17, 2517
(1989)].
Außerdem ist bekannt, daß ein Fluoreszenzfarbstoff direkt über eine Amino- oder
Thiolgruppe in 3′-Position eines Nukleosids, Nukleotids oder Oligonukleotids ge
koppelt und diese Verbindung vorteilhaft für Synthese von Gegensträngen in An
wesenheit eines Template-Stranges sowie für die Detektion von genetischem Mate
rial in vivo und in vitro eingesetzt werden kann (EP 0490281). Diese Verbindun
gen sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß Quantenausbeute relativ gering ist
und die Synthese der Verbindungen mit langwierigen, aufwendigen chromatogra
phischen Reinigungsschritten verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, neue nicht-radioaktiv markierte
Nukleoside bzw. Nukleotide zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile der vorbe
kannten Verbindungen nicht aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe durch an 3′- bzw. 4′-Position modifizierte Nukleoside bzw.
Nukleotide der folgenden allgemeinen Formel:
wobei:
R′: Wasserstoff, Mono-, Di- oder Triphosphat, Alkylphosphonat, Dial kylphosphinat oder Phosphoramidit
X: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y: Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z: Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R: Spacergruppierung, woran eine nicht-radioaktive, detektierbare Gruppe oder ein Effektormolekül gebunden ist
Base: Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n: 0 oder 1 ist.
R′: Wasserstoff, Mono-, Di- oder Triphosphat, Alkylphosphonat, Dial kylphosphinat oder Phosphoramidit
X: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y: Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z: Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R: Spacergruppierung, woran eine nicht-radioaktive, detektierbare Gruppe oder ein Effektormolekül gebunden ist
Base: Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n: 0 oder 1 ist.
Die Spacergruppierung besteht vorzugsweise aus einer geschützten oder unge
schützten bi-, tri- oder polyfunktionellen Carbonsäure, Aminocarbonsäure oder
einem Peptid bzw. entsprechenden Derivaten oder Salzen. Besonders bevorzugte
Spacer stellen alle natürlich vorkommenden Aminosäuren, wie beispielsweise
Glycin oder Asparaginsäure, Carbonsäuren bzw. Aminocarbonsäuren mit 2 bis
20 Atomen, aber auch Diamine, Thiole und Aminoalkohole dar.
Als ganz besonders geeignet für Spacergruppierungen haben sich Di- bzw. Tetra
mere von Aminosäureeinheiten erwiesen; desweiteren, wenn die Spacergruppierung
eine Länge aufweist, die einer Kohlenstoffkette von 2 bis 12 Atomen entspricht.
Als nicht-radioaktive, detektierbare Gruppe, sogenannte Reportermoleküle, kommen
alle chemisch, physikalisch oder biologisch nachweisbare Gruppen in Betracht. Sol
che Gruppierungen sind dem Fachmann bekannt. Auch sind hier sogenannte Effek
tormoleküle geeignet, die direkt oder nach chemischer, physikalischer oder bio
logischer Aktivierung zu Wechselwirkungen chemischer, physikalischer oder bio
logischer Art mit bestimmten Zielmolekülen in der Lage sind (wie Alkylierungs
mittel, π-Systeme aromatischer Verbindungen, Enzyme usw.). Beispielhaft sei hier
die Interkalation an DNA/RNA durch Acetylaminofluorene, Spaltung von
DNA/RNA durch Nukleasen oder die teilweise oder vollständige kovalente Bindung
von Alkyl- oder Arylgruppen an DNA/RNA durch Alkylierungsmittel oder Psora
lene, sowie z. B. Metallcluster, die lokal zu einer starken Erhöhung des Ein
fangquerschnitts von therapeutisch wirksamer elektromagnetischer Strahlung füh
ren, genannt. Als Reportermoleküle kommen insbesondere Lumineszenzfarbstoffe,
die im Wellenlängenbereich von ca. 630 bis 670 nm emittieren, Enzyme, wie
Peroxidase oder alkalische Phosphatase und Haptene, wie beispielsweise Biotin/
Iminobiotin, in Betracht. Insbesondere haben sich hier Fluorophere als geeignet er
wiesen, z. B. für die Sequenzierung nach Sanger. Die mit Effektorgruppen substi
tuierten Verbindungen sind insbesondere für die Antisense-Therapie von besonde
rem Wert.
Die in 3′- und/oder 4′-Position befindliche OH-Gruppe, Amino- oder Thiolgruppe
eines Nukleosids, Nukleotids oder Oligonukleotids wird mit einer Spacergruppe,
wie beispielsweise eine Aminocarbonsäure, Carbonsäure oder einem Peptid, ge
koppelt und anschließend ein Reporter- oder Effektormolekül angeknüpft. Die ent
standenen 3′- bzw. 4′-Hydroxyl-, Amino- oder Thiol-modifizierten Nukleoside,
Nukleotide und Oligonukleotide können dann für die Synthese von Gegensträngen
in Anwesenheit eines natürlichen oder synthetischen Templatestranges sowie für die
Detektion bestimmter Sequenzen oder die Lokalisierung eines Effektormoleküls an
bestimmte Sequenzen in genetischem Material verwendet werden. Sie bieten ins
besondere den Vorteil, daß die Modifizierung nicht mehr, wie in bisher bekannten
Markierungstechniken, am 5′-Ende des Nukleotids oder an der Nukleobase ange
bracht wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der 3′-
(4′-)modifizierten Nukleosiden bzw. Nukleotiden gemäß der allgemeinen For
mel (1). Verbindungen der allgemeinen Formel (2)
wobei:
Linker: eine selektiv spaltbare Ankergruppierung
X: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y: Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z: Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R: Wasserstoff
Base: Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n: 0 oder 1 ist.
Linker: eine selektiv spaltbare Ankergruppierung
X: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y: Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z: Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R: Wasserstoff
Base: Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n: 0 oder 1 ist.
Die Umsetzung zu über einen Linker in 5′-(6′-)Position an einen festen Träger ge
bundenen Nukleosiden kann darüber hinaus nach anderen, dem Fachmann bekann
ten, Methoden erfolgen. Als Linker-Gruppierung können sämtliche selektiv spaltba
ren Ankergruppierungen verwendet werden [z. B. G. B. Fields und R. L. Noble,
Int. J. Peptide Prot. Res. 35 (1990), 165-171]. Gruppierungen, die unter schonen
den Bedingungen spaltbar sind, wie beispielsweise photochemisch, durch Hydrie
rung oder im sauren bzw. alkalischen Bereich, haben sich als besonders geeignet
erwiesen. Bevorzugte Linker-Gruppen sind Tritylgruppierungen, die gegebenenfalls
substituiert sein können. Methoxy- und Halogenreste sind hier geeignete Substitu
enten. Dimethoxy- und o-Chlortritylgruppen haben sich hier als besonders geeignet
erwiesen. Außerdem ist das prinzipielle Vorgehen für die Verknüpfung der Linker
gruppierung mit der 5′- bzw. 6′-Position von Nukleosiden dem Fachmann bekannt
(M.J. Gait: "Oligonucleotide synthesis; a practical approach"; IRL Press, Oxford,
Washington DC (1984), S. 12 ff).
Als Trägermaterial ist erfindungsgemäß jedes feste, chemisch inertes Material ge
eignet, welches unlöslich in dem jeweils verwendeten Lösungsmittel ist und mög
lichst leicht filtrierbar sein sollte. Bevorzugte Trägermaterialien sind anorganische,
polymere Materialien (Harze) auf Polystyrol- bzw. Polyethylenglykolbasis.
In dieser Art an feste Träger gebundene Nukleoside werden anschließend mit einem
entsprechenden Carbonsäure-, Aminocarbonsäure- oder Peptidderivat in Gegenwart
von Aktivierungsreagenz, wie beispielsweise Kondensationsmittel wie DCC, DIC
oder HOBT, versetzt.
Nach Verknüpfung der Aminocarbonsäure, des Peptides oder der Carbonsäure oder
deren Derivaten oder Salzen mit dem an fester Phase gebundenen Nukleosid oder
seinem Analogon, erfolgt die Einführung eines oder mehrerer, gleicher oder ver
schiedener Reporter-/Effektormoleküle kovalent selektiv in der Seitenkette oder C-
oder N-terminal, beispielsweise über Veresterung, Amidierung, Sulfonamidierung,
Sulfonsäureveresterung oder durch Umsetzung mit Isothiocyanaten. Entsprechende
Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
Als Reportermoleküle bzw. Effektormoleküle kommen solche Verbindungen bzw.
Verbindungsklassen in Betracht, die sich an eine Hydroxy-, Amino- oder Thiol
gruppe kovalent anknüpfen lassen (s. o.).
Die Abspaltung der Nukleosidderivate von der Linkergruppe erfolgt bevorzugt unter
schwach sauren, basischen, photochemischen oder reduktiven Bedingungen.
Nukleosidderivate, die an der Spacergruppierung eine oder mehrere Schutzgruppen
oder Seitenketten aufweisen, können entsprechend hergestellt werden.
Die auf diese Weise hergestellten Nukleosidderivate können anschließend, nach
dem Fachmann bekannten Verfahren, in die entsprechenden 5′- bzw. 6′-Mono-, Di-
oder Triphosphate(Nukleotide), Alkylphosphonate, Dialkylphosphinate oder Phos
phoramidit überführt werden.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Synthese der 5′- bzw. 6′-modifizierten Nu
kleosiden insbesondere deshalb, da - anders als bei bekannten Verfahren - problem
los ein hoher Überschuß der Farbstoffkomponente eingesetzt und einfach abgetrennt
werden kann. Für die vorbekannten Verfahren schließen sich für Abtrennung des
nicht-umgesetzten Farbstoffs langwierige und teure chromatographische Auf
reinigungsschritte an das eigentliche Herstellungsverfahren an.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1), wobei
Rest R′ eine Triphosphatgruppe darstellt, sind mittels eines Primers und eines
Templatestranges und in Gegenwart der vier Nukleosidtriphosphate vorteilhaft als
Substrate für DNA/RNA-Polymerasen verwendbar. Als geeignete Polymerasen sind
hier T7-, Taq-Polymerase, DNA-Polymerase I und reverse Transcriptasen zu nen
nen. Außerdem sind die Verbindungen als Terminatoren bei der enzymatischen
DNA/RNA-Sequenzierung geeignet. Die Termination der Synthese kann dabei je
weils durch Einsatz eines 3′-(4′-)modifizierten A, C, G, T-Nukleotids der Formel (1)
spezifisch bestimmt werden. Dies ist für die Synthese von DNA-Gegensträngen in
Anwesenheit eines Templatestranges (und damit auch für die Sequenzierung von
DNA-Strängen) von besonderer Bedeutung, da der Einsatz eines modifizierten Nu
kleotids einen sehr basenspezifischen Abbruch der Reaktion gewährleistet.
Die Synthese von RNA-Nukleosiden und Oligonukleotiden erfolgt in analoger Art
und Weise.
Darüber hinaus ist die Synthese von derivatisierbaren Oligonukleotiden mit Hilfe
eines Startnukleotids, welches am 3′-(4′)-Ende eine Spacergruppierung trägt und
amino- oder thiovariiert und an einem polymeren Träger fixiert wurde, möglich.
Als Oligonukleotide gelten alle im herkömmlichen Sinn hergestellten DNA- und
RNA-Nukleotide, vorzugsweise jedoch in einer Länge von 2 bis 100, besonders be
vorzugt 12-50 Nukleotiden (chemische Synthese) bzw. in einer Länge bis
ca. 3.000 Nukleotiden (enzymatische Synthese), je nach Effizienz der verwendeten
Polymerase.
Die Oligonukleotidsynthese erfolgt, ausgehend von dem Startnukleotid-Träger-
Komplex, im herkömmlichen Sinn, d. h. in 3′- und 5′-Richtung und ermöglicht die
Synthese eines Oligonukleotids definierter Sequenz.
Die Fixierung des Startnukleosids an handelsüblichen Trägern erfolgt über einen
Verbindungsarm (Spacer), der sich nach der Synthese spalten läßt; beispielsweise
über die literaturbekannte Bernsteinsäureverknüpfung oder aber über eine Ver
knüpfung mit Urethan (Efimov et al., Nucl. Acids. Res. 11, 8369, 1983).
Nach erfolgter Synthese muß das Oligonukleotid mit geeigneten Reagenzien vom
Träger abgespalten werden. Die Derivatisierung mit einem beliebigen Fluoreszenz
farbstoff erfolgt direkt danach.
Auch die umgekehrte Syntheserichtung (5′ → 3′) von Oligonukleotiden ist möglich,
indem das Startnukleosid über die 5′-OH-Gruppe mit der Linkergruppierung des
Trägermaterials verknüpft wird und man analog zur herkömmlichen Oligonukleotid
synthese verfährt. Die Farbstoffmarkierung des Oligonukleotids kann dabei an der
festen Phase erfolgen.
Die so synthetisierten und am 3′(4′)-Ende modifizierten Oligonukleotide können
dann zur Detektion von z. B. komplementären Oligonukleotiden bzw. Nucleinsäu
ren und entsprechenden Derivate verwendet werden.
Aber auch als in vivo- und in vitro-Sensoren in der Analytik und als Gensonden in
der Gentherapie und für diesbezügliche analytische Zwecke sind die erfindungsge
mäßen Verbindungen geeignet.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiter:
1 Gramm Harz, das mit 1,1-1,6mmol 2-Chlorotritylchlorid-Linker [K. Barlos,
O. Chatzi, D. Gatos, G. Stauropoulos, Int. J. Peptide Prot. Res. 37, (1991),
513-520] beladen ist, wird mehrere Minuten in abs. DCM geschüttelt. Nach Zu
gabe von 3 mmol DIEA werden 1,2 mmol Fmoc geschützte Aminosäure zugegeben.
Die Reaktionszeit beträgt 90 min. Nach der Zugabe von weiteren 3 mmol DIEA
wird mit 5 ml abs. Methanol während ungefähr 30 min die unveresterte Linkerfunk
tionalität verethert. Das belegte Harz wird abfiltriert und mehrmals mit DMF, DCM,
Isopropanol und letztlich mit Diethylether gewaschen. Nach dem Trocknen im Öl
pumpenvakuum wird mit dem quantitativen Ninhydrintest (Beispiel 7b) oder durch
UV-spektrometrische Bestimmung der Fmoc-Abspaltung die Aminosäurebeladung
bestimmt. Durch die Variation der Aminosäuremenge erhält man Aminosäurebela
dungen zwischen 0,05 und 1,1 mmol/g.
Pro Äquivalent des harzgebundenen, N-terminal entschützen Peptids oder der zu
markierenden Aminosäure werden 3 Äquivalente des Fluoreszenzfarbstoffs,
1,2 Äquivalente DIEA und eine katalytische Menge DMAP (4,4′-Dimethylamino
pyridin) in einer Lösung aus DMF/DCM (v/v 4 : 1) in einem Schüttelgefäß mit Fritte
während 48 h zur Reaktion gebracht. Um Zersetzungsreaktionen der Farbstoffe zu
vermeiden, wird unter Lichtausschluß geschüttelt. Der Reaktionsverlauf kann mit
der Ninhydrin-Reaktion oder mit DC verfolgt werden. Sollten noch freie Amino
funktionalitäten vorhanden sein, so kann mit Ac₂O/DIEA (Äquivalente/Äqui
valente 1 : 2) acetyliert werden. Nicht umgesetzter Farbstoff wird abfiltriert und
mehrmals mit jeweils 10 ml DMF, DCM, DMSO, MeOH und letztlich mit
Diethylether gewaschen. Nach dem Trocknen im Ölpumpenvakuum können die
Aminosäure-Peptid-Farbstoffkonjugate im Kühlschrank gelagert werden.
Orthogonalität der Schutzgruppen erlaubt auch die Einführung eines oder mehrerer,
gleicher oder verschiedener Fluoreszenzfarbstoffe selektiv in die Seitenkette oder N-
terminal. Die Einführung von Fluoreszenzfarbstoffen in die Seitenkette von trifunk
tionalen Aminosäuren verläuft analog der Na-Ankupplung, jedoch ist der Anteil von
DMAP zu erhöhen.
Die Esterspaltung wird unter schwach sauren Bedingungen durchgeführt. Man ver
wendet je 1 g Peptidharz etwa 20 ml einer Mischung aus Eisessig/TFE/DCM im
Verhältnis von (v/v/v 1 : 2 : 7) [K. Barlos, O. Chatzi, D. Gatos, G. Stauropoulos,
Int. J. Peptide Prot. Res. 37, (1991), 513-520]. Die Abspaltzeit beträgt üblicher
weise ungefähr 90 min. Ist kein His (Nim Trt)-Rest enthalten, so kann mit einem
Gemisch aus DCM/TFE (v/v 1 : 1) abgespalten werden. Anschließend wird vom Harz
abfiltriert und die Peptidlösung mit etwa 100 ml Wasser aufgefüllt. Das zugegebene
Wasser verhindert die Aufkonzentration der Essigsäure beim anschließenden Ab
destillieren der leicht flüchtigen Komponenten am Rotationsverdampfer. Die hydro
phoben Aminosäure- und Peptidderivate werden beim Einrotieren ausgefällt und
nun an der Gefriertrocknungsanlage getrocknet.
1 Gramm Harz, das mit 1,1-1,6 mmol 2-Chlorotritylchlorid-Linker beladen ist, wird
mehrere Minuten in einer Mischung aus CHCl₃/DMSO (v/v 1 : 2) geschüttelt. Nach
Zugabe von 2,5 mmol DIEA werden 0,52 mmol Nukleosid zugegeben. Die Reak
tionszeit beträgt ca. 120 min. Nach der Zugabe von weiteren 3 mmol DIEA wird mit
5 ml abs. Methanol während 30 min die unveretherte Linkerfunktionalität mit
Methanol verethert. Das belegte Harz wird abfiltriert und mehrmals mit DMF,
DCM, Isopropanol und letztlich mit Diethylether gewaschen. Nach dem Trocknen
im Ölpumpenvakuum wird mit dem quantitativen Ninhydrintest, im Falle der 3′-
Amino-Nukleotide (Beispiel 7 b), durch UV-spektrometrische Bestimmung nach
geeigneter Derivatisierung der 3′-Funktionalität des Nukleosids oder durch Abwie
gen des Harzes die Harzbeladung bestimmt. Durch die Variation der Nukleosid
menge erhält man Harzbeladungen zwischen 0, 1 und 1 mmol/g.
Die Kupplung erfolgt nach den aus der Peptidchemie bekannten Aktivierungs
methoden (Dauer: ca. 12 Stunden). Die Verwendung basenlabiler Schutzgruppen
erlaubt die Aminosäurekettenverlängerung oder Fragmentkondensationen nach den
bekannten Methoden [M. Bodanszky Principles of Peptide Syntheses, 2nd Edition,
Springer 1993, G. B. Fields & R. L. Noble, Int. J. Peptide Prot. Res. 35, (1990),
161-214]
Die Etherspaltung wird unter sauren Bedingungen durchgeführt. Man verwendet je
1 g beladenem Harz etwa 10 ml einer Lösung aus Dichloressigsäure/DCM im Ver
hältnis von (v/v 3 : 97). Die Abspaltzeit beträgt ca. 1 min. Anschließend wird vom
Harz abfiltriert und die Produktlösung sofort mit einer äquimolaren Lösung von
DIEA/DCM im Verhältnis (v/v 63 : 937) neutralisiert. Man wäscht das Harz mehr
mals mit wenig ACN nach. Es werden ca. 10 ml Wasser zugegeben. Das Produkt
wird nun an der Gefriertrocknungsanlage getrocknet.
Zur Durchführung des Ninhydrin-Tests [I. Kaiser, R. L. Colescott, C. D. Bossinger,
P. I. Cook, 3. Anal. Biochem, 34, (1970), 595] werden folgende drei Lösungen be
nötigt:
Lösung 1: Eine Lösung von 80 g Phenol in 20 ml Ethanol.
Lösung 2: Eine 2%ige Lösung von 33 mg Kaliumcyanid KCN in 50 ml Wasser in Pyridin.
Lösung 3: Eine Lösung von 500 mg Ninhydrin in 10 ml Ethanol.
Lösung 1: Eine Lösung von 80 g Phenol in 20 ml Ethanol.
Lösung 2: Eine 2%ige Lösung von 33 mg Kaliumcyanid KCN in 50 ml Wasser in Pyridin.
Lösung 3: Eine Lösung von 500 mg Ninhydrin in 10 ml Ethanol.
Für den Nachweis, ob eine Acylierung quantitativ verlaufen ist,
bringt man jeweils zwei bis drei Tropfen der drei Lösungen mit
einer Mikrospatelspitze des belegten Harzes in einem Eppendorf
gefäß zur Reaktion. Man erwärmt das Reaktionsgemisch auf etwa
5 min im Wasserbad auf 100 °C. Ist die Acylierungsreaktion nicht
vollständig verlaufen, so erhält die Lösung eine tiefdunkelblaue
Farbe, während im Falle quantitativer Kupplungsreaktionen das
Reaktionsgemisch seine gelbe Farbe behält.
Zur quantitativen Bestimmung der Harzbeladung mit Aminosäure
werden die Fmoc-Aminosäurederivate während 40 min mit Pipe
ridin/DMF (v/v 40 : 60) entschützt.
Nach dem Waschen mit DMF, Isopropanol und DCM wird das
Harz getrocknet. Eine Probe von etwa 3-5 mg wird mit den Lö
sungen 1 (4 Tropfen), 2 (8 Tropfen) und 3 (4 Tropfen) im Ther
moheizblock während 7 min auf 100 °C erhitzt. Das Reaktions
gemisch wird sofort mit 60% Ethanol verdünnt und in einen
Meßkolben geeigneter Größe überführt.
Nach der Kalibrierung des UV-Spektrometers mit 60% Ethanol
wird die Extinktion bestimmt und durch Einsetzen der entspre
chenden Werte in die folgende Gleichung wird die Harzbeladung
in µmol/g ermittelt.
Die folgenden aufgeführten Verbindungen wurden gemäß den obigen Beispielen
1-6 synthetisiert:
Ansatz:
0,17 mmol (673 mg) Harz-Gly(Fmoc)
0,5 mmol (193 mg) FITC
Retentionszeit: 10,05/11,00 Min.
Ausbeute (77,9 mg) 91%
0,17 mmol (673 mg) Harz-Gly(Fmoc)
0,5 mmol (193 mg) FITC
Retentionszeit: 10,05/11,00 Min.
Ausbeute (77,9 mg) 91%
HPLC-Analytik:
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 20-100% ACN (0, 1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/min. Abs. bei 235,0 nm und 225,0 nm.
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 20-100% ACN (0, 1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/min. Abs. bei 235,0 nm und 225,0 nm.
Ansatz:
0,43 mmol Harz-Gly₂(Fmoc)
1,3 mmol (504 mg) FITC
Retentionszeit: 8,00 Min.
Ausbeute (220,4 mg) 89%
0,43 mmol Harz-Gly₂(Fmoc)
1,3 mmol (504 mg) FITC
Retentionszeit: 8,00 Min.
Ausbeute (220,4 mg) 89%
HPLC-Analytik:
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 20-100% ACN (0,1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/mm.
Abs. 287,5 und 425,0 nm
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 20-100% ACN (0,1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/mm.
Abs. 287,5 und 425,0 nm
Ansatz:
0,2 mmol Harz-Gly₄(Fmoc)
0,5 mmol (195 mg) FITC
Retentionszeit: 17,5 Min.
Ausbeute (77 mg) 74%
0,2 mmol Harz-Gly₄(Fmoc)
0,5 mmol (195 mg) FITC
Retentionszeit: 17,5 Min.
Ausbeute (77 mg) 74%
HPLC-Analytik:
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-80% ACN (0,1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/min. Abs. bei 287,5 nm.
Säule Nucleosil RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-80% ACN (0,1% TFA) 40′ Flowrate 1 ml/min. Abs. bei 287,5 nm.
Ansatz:
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Cys(Trt)OH
Retentionszeit: 28,5 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Cys(Trt)OH
Retentionszeit: 28,5 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′. 60-100% 25′ 100% 30′. 0%35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm.
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′. 60-100% 25′ 100% 30′. 0%35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm.
Ansatz:
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Arg(Pmc)OH
Retentionszeit: 26,7 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Arg(Pmc)OH
Retentionszeit: 26,7 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′, 60-100% 25′ 100% 30′, 0% 35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm.
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′, 60-100% 25′ 100% 30′, 0% 35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm.
Ansatz:
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)LeuOH
Retentionszeit: 25,5 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
0,25 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)LeuOH
Retentionszeit: 25,5 Min.
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′, 60-100% 25′ 100% 30′, 0% 35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm
Säule Vydac RP18, 5 µm, 300A, 4 × 250 mm
Gradient 0-60% ACN (0,1% TFA) 20′, 60-100% 25′ 100% 30′, 0% 35′
Flowrate 1 ml/min
Abs. bei 265 nm
Beispiel 14, Verbindung 9 wurde sukzessive am Träger aufgebaut (1. Belegung des
Harzes mit Thymidin, 2. Ankopplung einer (Fmoc)-Aminosäure, 3. Entschützung
der Aminosäure, 4. Ankopplung des Farbstoffs).
Ansatz:
0,5 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Gly(OH)
1,0 mmol FITC
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,35; CHCl₃/MeOH (v/v 9 : 1).
0,5 mmol Harz-Thymidin
0,5 mmol (Fmoc)Gly(OH)
1,0 mmol FITC
Ausbeute: Die Abspaltung erfolgte im analytischen Maßstab
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,35; CHCl₃/MeOH (v/v 9 : 1).
Die folgenden Beispiele 15-17, Verbindungen 10-12, wurden ebenfalls am Träger
aufgebaut, anschließend vom Harz abgespalten und in Lösung zu den Triphosphaten
weiter umgesetzt.
Die Triphosphatsynthese wurde nach [Ludwig, Eckstein, J. Org. Chem. 54,
631-635, (1989)] durchgeführt.
Ansatz:
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,047 mmol FITC-Gly(OH)
Retentionszeit: 11,95 Min.
Ausbeute: über alle Stufen (17,4 mg) 60,1%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,59; Isoprop./NH₄OH/Wasser (v/v/v 7 : 1 : 4)
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,047 mmol FITC-Gly(OH)
Retentionszeit: 11,95 Min.
Ausbeute: über alle Stufen (17,4 mg) 60,1%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,59; Isoprop./NH₄OH/Wasser (v/v/v 7 : 1 : 4)
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0,15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0,15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Ansatz:
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,052 mmol FITC-Gly₂(OH)
Retentionszeit: 12,8 Min.
Ausbeute über alle Stufen (19,9 mg) 54%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,29; CHCl₃/MeOH (v/v 1 : 1)
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,052 mmol FITC-Gly₂(OH)
Retentionszeit: 12,8 Min.
Ausbeute über alle Stufen (19,9 mg) 54%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,29; CHCl₃/MeOH (v/v 1 : 1)
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0, 15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0, 15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Ansatz:
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,045 mmol FITC-Gly₄(OH)
Retentionszeit: 12,8 Min.
Ausbeute über alle Stufen (21,9 mg) 64,2%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,53 Isoprop./NH₄OH/Wasser (v/v/v 7 : 1 : 4)
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,26 CHCl₃/MeOH (v/v 1 : 1)
0,031 mmol Harz-3′Amino-3′-Desoxy-Thymidin
0,045 mmol FITC-Gly₄(OH)
Retentionszeit: 12,8 Min.
Ausbeute über alle Stufen (21,9 mg) 64,2%
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,53 Isoprop./NH₄OH/Wasser (v/v/v 7 : 1 : 4)
Rf-Wert (Kieselgel 60, F₂₅₄, Merck): 0,26 CHCl₃/MeOH (v/v 1 : 1)
HPLC-Analytik des Rohproduktes:
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0,15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Säule Supersphere RP18(e); 3 µm; 2 × 125 mm Grad. 0-2% B 20′; 2-4% B 25′; 4-20% B
A = TEAA, pH 7.0; B = ACN Flowrate 0,15 ml/min. Abs. bei 265 nm
Es wurden folgende, nach Beispiel 1 bis 6 hergestellte, Nukleotide verwendet:
1: n = 0
2: n = 1
3: n = 2
4: n = 4
2: n = 1
3: n = 2
4: n = 4
1 µg M13mp18 einsträngige DNA (5 µl), 2 µl Fluoreszin markierter Universal-
Primer (1 pmol, Pharmacia LKB), 2 µl Mn-Puffer I (311 mM Tris· HCl, pH 7.5),
2 µl Mn-Puffer II (177 mM DTT) und 2 µl Mn-Puffer III (62 mM MnCl₂, 460 mM
Natriumisocitrat) werden miteinander vermischt und auf 70 °C erhitzt und dann auf
25 °C gekühlt (ca. 40 min). Zum dem auf 37 °C erhitzten Template und Primer
werden dann 2 µl einer verdünnten T7 DNA-Polymerase (4 Einheiten, Phamacia)
gegeben. In der Zwischenzeit werden 3 µl eines Termination-Mixes (T-mix 1 :
150 µl/Verbindung 1; T-mix Verbindung 2 : 200 µM II; T-mix Verbindung 3 :
300 µM Verbindung 4; außerdem erhält jeder Mix: 1 mM dATP, 1 mM dGTP,
1 mM dCTP, 1 mM dTTP, 50 mM NaCl, 40 mM Tris· HCl, pH 7.5) in vier Reak
tionsgefäße pipettiert und mindestens 1 Minute auf ca. 37 °C erwärmt. Anschlie
ßend werden sofort 3,8 µl des ersten Mix (annealing mix) in die vorgewärmten
Termination-Mixe pipettiert. Nach einer Inkubation von ca. 10 Minuten bei 37 °C
werden zu jeder Reaktionslösung 4 µl eines Stopreagenzes (deionisierte Formamid
lösung, Dextran Blau) gegeben. Die Reaktionslösungen werden für 2 Minuten bei
ca. 90 °C erhitzt und auf ein 6%iges denaturierendes Sequenzgel in die einzelnen
Taschen gegeben (à 6 µl). Anschließend wurden die einzelnen DNA-Fragmente
mittels eines Fluoreszenz-Detektionsgerätes nachgewiesen und identifiziert.
Fig. 1 zeigt den Quotient aus Fluoreszenzemission F (λex = 488 nm;
λem = 520 mm) und Adsorption A (λabs = 265 nm) für die Verbindungen 1-4 be
stimmt während RP-HPLC-Analyse.
Für Verbindung 1 wurden danach die geringste Fluoreszenzintensität erhalten. Die
Intensität für die Verbindungen 2 bis 4 steigt deutlich mit Länge der Spacerfunktion
in 3′-(4′-)Position an.
Alle vier modifizierten Nukleotide werden von der angesetzten DNA-Polymerase
als Substrat akzeptiert und zeigen vergleichbare Terminationsqualität, wie z. B.
ddTTP. Dies ist bemerkenswert, da aufgrund der sperrigen Reste in 3′-(4′-)Position
der Nukleotide der erfindungsgemäßen Verbindungen 2 bis 4 zu erwarten gewesen
wäre, daß die Verbindungen von DNA-Polymerasen nicht als Substrate erkannt und
umgesetzt werden.
Entsprechen den Vorschlägen der IUPAC-IUB Kommission für biochemische
Nomeuklatur (J. Biochem. 138, (1984), 9; J.Biol. Chem. 247, (1972), 977;
Biochemistry 9, (1970), 3471).
ACN | |
Acetonitril | |
AcOH | Eisessig |
AS | Aminosäure |
CDCl₃ | Deuterochloroform |
CH₃OH | Methanol |
CHCl₃ | Trichlormethan |
DC | Dünnschichtchromatographie |
DCA | Dichloressigsäure |
DCC | N-N′-Dicyclohexylcarbodiimid |
DCM | Dichlormethan |
ddTTp | 2′,3′-Didesoxy, 5′-Triphosphat |
DIC | N-N′-Diisopropylcarbodiimid |
DIEA | Diisopropylethylamin |
DMAP | 4,4′-Dimethylaminopyridin |
DMF | N,N-Dimethylformamid |
DMTr | 4,4′-Dimethoxytrityl |
DNA | Desoxynucleic Acid |
Et₂O | Dieethylether |
FITC | Fluoresceinisothiocyanat (5-Isomer) |
Fmoc | 9-Fluorenylmethoxycarbonyl |
HOBt | 1-Hydroxybenzotriazol |
HPLC | High Performance Liquid Chromatography |
KCN | Kaliumcyanid |
Linker | Ankergruppe zwischen AS und dem Harz |
MeOH | Methanol |
MG | Molgewicht |
ml | Milliliter |
mM | Millimolar |
Mn | Mangan |
nm | Nanometer |
NMR | Nuclear Magnetic Resonance |
Pmc | Pentamethylchroman |
Rf | Relative Wanderungsstrecke der Probe bei der DC |
RNA | Ribunucleic Acid |
RP | Reversed-Phase |
RT | Raumtemperatur |
Rt | Retentionszeit |
SPPS | solid phase peptide synthesis |
T | Thymidin |
T7 | Escherichia coli Phage T7 |
Taq | Thermococcus aquaticus |
TBTU | 2-(1H-Benzotriazol-1yl)-1,1,3,3-tetramethyl-uroniumtetrafluoroborat |
TEAA | Tetraethylammoniumacetat |
TFA | Trifluoressigsäure |
TFE | Trifluorethanol |
Tris | Tris(hydroxymethyl)aminomethan |
Trt | Triphenylmethyl (Trityl) |
TTp | 5′-Triphosphat-Thymidin |
UV | Ultraviolett |
VIS | Visible |
µl | Mikroliter |
Claims (12)
1. Verbindungen der allgemeinen Formel (1)
wobei:
R′ Wasserstoff, Mono-, Di- oder Triphosphat, Alkylphosphonat, Dialkylphosphinat oder Phosphoramidit
X Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z Wasserstoff- Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R Spacergruppierung, woran eine nicht-radioaktive, detektierbare Gruppe oder ein Effektormolekül gebunden ist,
Base Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n 0 oder 1 ist.
R′ Wasserstoff, Mono-, Di- oder Triphosphat, Alkylphosphonat, Dialkylphosphinat oder Phosphoramidit
X Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z Wasserstoff- Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R Spacergruppierung, woran eine nicht-radioaktive, detektierbare Gruppe oder ein Effektormolekül gebunden ist,
Base Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n 0 oder 1 ist.
2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spacergruppierung des Restes R 2 bis 12 Atome aufweist.
3. Verbindungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rest R
eine (Aminoacyl)2-6-Gruppierung aufweist.
4. Verbindungen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die nicht-radioaktive, detektierbaren Gruppe ein Fluoreszenzfarbstoff ist.
5. 3′-Amino-(glycly)2-6-FITC-3′-deoxy-5′-triphosphat-Nukleotide.
6. Verfahren zur Herstellung der Verbindungen einer der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der allgemeinen Formel (2)
wobei:
Linker eine selektiv abspaltbare Ankergruppierung
X Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R Wasserstoff
Base Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n 0 oder 1 ist
über die Linker-Gruppierung an einen festen Träger gebunden werden, eine gegebenenfalls durch Schutzgruppen versehene bi- oder polyfunktionelle Verbindung, anschließend eine gegebenenfalls reaktivierte, detektierbare Farbstoffkomponente zugegeben wird, die Abspaltung des Nukleosidderivats von der Trägermix vorgenommen wird und gegebenenfalls eine Derivatisierung der 5′-Position erfolgt.
Linker eine selektiv abspaltbare Ankergruppierung
X Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Schwefel
Y Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel
Z Wasserstoff, Hydroxyl-, Amino- oder Thiolgruppe
R Wasserstoff
Base Purin oder Pyrimidinbase oder deren Derivate darstellen,
n 0 oder 1 ist
über die Linker-Gruppierung an einen festen Träger gebunden werden, eine gegebenenfalls durch Schutzgruppen versehene bi- oder polyfunktionelle Verbindung, anschließend eine gegebenenfalls reaktivierte, detektierbare Farbstoffkomponente zugegeben wird, die Abspaltung des Nukleosidderivats von der Trägermix vorgenommen wird und gegebenenfalls eine Derivatisierung der 5′-Position erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der bi-
bzw. poly-funktionellen Verbindung um ein oder mehrere Carbonsäure-,
Aminocarbonsäure- oder Peptidderivate handelt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aminosäurekomponente in der ein- oder zweifachen äquimolaren Menge der
Verbindung (2) zugesetzt wird und dieser Vorgang gegebenenfalls ein oder
mehrere Male wiederholt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der
Linker-Gruppierung um einen unsubstituierten Methoxy- oder Halogen
substituierten Tritylrest handelt.
10. Verwendung der Verbindungen der allgemeinen Formel (1) zur Sequenzierung
von RNA- oder DNA-Sequenzen.
11. Verwendung der allgemeinen Formel (1) zum nicht-radioaktiven Nachweis
von Oligo-, Polynukleotiden oder Nukleinsäuren.
12. Verwendung der Verbindungen/der allgemeinen Formel (1) als Antisense-
bzw. Gentherapeutika.
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---|---|---|---|
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EP95920863A EP0763051A1 (de) | 1994-05-28 | 1995-05-23 | 3'-(4'-)nicht-radioaktiv markierte nukleoside und nukleotide mit aminocarbonsäure-, peptid- oder carbonsäure-spacer |
JP8500261A JPH10500963A (ja) | 1994-05-28 | 1995-05-23 | アミノカルボン酸、ペプチドまたはカルボン酸スペーサーを有する3’−(4’−)非放射性標識ヌクレオシドおよびヌクレオチド |
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---|---|---|---|
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