Олигонуклеотиды следует синтезировать с использованием стандартных протоколов, соответствующих фосфорамидитам и автоматизированному синтезатору ДНК/РНК, оставляя продукт олигонуклеотид неочищенным от твердой опоры в исходной пластиковой колонке синтеза, с удалением 5-концевой диметокситритильной группы с получением свободного 5ʹ-гидроксила (раздел 1). Все олигонуклеотиды, использованные в этой демонстрации, были получены с использованием смолы 1000 Å-контролируемого порового стекла (CPG) в качестве твердой опоры и проводились по шкале 0,2 или 1 мкмоль. Репрезентативные примеры колонок синтезатора, смол, реагентов и фосфорамидитов приведены в Таблице материалов. Для более масштабных реакций объемы и время, используемые на последующих этапах, возможно, потребуется скорректировать.
Реакцию трифосфорилирования проводят на колонне в специально изготовленной реакционной камере (фиг.2, раздел 3) с использованием стандартных, коммерчески доступных компонентов, перечисленных в Таблице материалов , и следуют схеме, проиллюстрированной на Фиг.1 (раздел 4)28. Важно, чтобы условия были строго безводными во время трифосфорилирования и чтобы все растворители и реагенты были заранее приготовлены на молекулярных ситах и полностью высохли перед использованием (раздел 2). Трифосфорилирование обычно занимает 2 ч, после чего промытая и высушенная колонна может быть обработана в соответствии со стандартными процедурами депротекции и очистки олигонуклеотидов (раздел 5).
После депротекции олигонуклеотидные трифосфаты очищают денатурирующим электрофорезом полиакриламидного геля (PAGE), показывая одну основную полосу продукта путем ультрафиолетового обратного затенения, которое может быть иссечено и элюировано из геля. 5'-трифосфатный продукт легко отделяется от побочных продуктов реакции для коротких олигонуклеотидов, как показано для ДНК-тринуклеотида 5ʹ-трифосфатов, pppAAA и pppCCC, и L-РНК тринуклеотида 5ʹ-трифосфата pppGAA на рисунке 3A, B. Как 5'-гидроксильные, так и 5'-трифосфатные продукты для тримеров ДНК AAA и CCC были вырезаны и идентифицированы масс-спектрометрией и соответственно помечены на рисунке 3A. Дополнительные полосы, видимые для тримера ДНК ААА, как правило, не содержат достаточного количества материала для восстановления и идентификации. Присутствие этих полос, однако, коррелирует с дополнительными массами продукта в неочищенных продуктах реакции (рисунок 3C), обычно представляющих 5'-дифосфатные, монофосфатные и Н-фосфонатные побочные продукты, как обсуждается ниже.
После очистки PAGE более крупные олигонуклеотиды могут быть элюированы с использованием метода дробления и замачивания42 и последующего осаждения этанола. Однако олигонуклеотиды менее 15 nt не могут эффективно осаждаться этанолом и, таким образом, требуют модифицированной процедуры элюирования геля (этап 5.11.3). Столбец исключения одноразовых размеров, указанный в Таблице материалов, рассчитан только на использование с олигонуклеотидами длиной более 10 нт. Тем не менее, мы обнаружили, что олигонуклеотиды, такие короткие, как тримеры, могут быть эффективно обессолены с использованием рекомендованного производителем протокола. Тем не менее, при обессоливании коротких олигонуклеотидов (как на этапах 5.6 и 5.11.3) рекомендуется, чтобы элюат колонки собирался во фракциях, а фракции продукта были идентифицированы по абсорбции при 260 нм с использованием спектрофотометра UV-Vis. Столбец исключения размера, оптимизированный для более коротких олигонуклеотидов, приведен в Таблице материалов в качестве альтернативного выбора. Конечный выход из 1 мкмольной шкалы синтеза олигонуклеотидов после очистки составляет 50-300 нмоль.
Трифосфорилирование может быть подтверждено масс-спектрометрией, где трифосфорилированный продукт имеет массу +239,94 Да больше, чем 5'-гидроксильный олигонуклеотид, хотя часто наблюдается наличие материалов, соответствующих 5'-ди- и монофосфату (+159,96 и +79,98 Да соответственно). Также может наблюдаться побочный продукт 5'-Н-фосфонат с массой +63,98 Да от массы 5'-ОН, и высокие уровни этого продукта указывают на то, что условия во время трифосфорилирования были недостаточно безводными. Перед очисткой незащищенные олигонуклеотиды обычно показывают все эти продукты (рисунок 3C), в то время как очищенный материал покажет пик, соответствующий 5'-трифосфатному продукту вместе с 5'-ди- и монофосфатами (рисунок 3D, E).
Масс-спектрометрия сама по себе, как правило, не дает строгой меры чистоты 5'-трифосфата из-за дифференциальных скоростей ионизации и фрагментации трифосфата во время ионизации. Для измерения чистоты конечного продукта рекомендуется обратная фазовая жидкостная хроматография и тандем ESI-MS (RP-LC / ESI-MS), особенно для более длинных олигонуклеотидов. Анализ D-РНК 5ʹ-трифосфатов pppACGAGG и pppGACCGCAACUUA с помощью RP-LC/ESI-MS (Рисунок 4A,B, соответственно) показывает типичную чистоту конечного продукта, содержащего 20% 5ʹ-дифосфата, поскольку эти два вида трудно разделить при наличии на более длинных олигонуклеотидах.
Синтетические 5'-трифосфатные олигонуклеотиды обычно функционируют так же хорошо или лучше, чем материалы, полученные ферментативно в биохимических исследованиях. В разделе 6, в качестве примера, 5'-трифосфатные 14 nt субстраты РНК, полученные либо синтетически, либо путем транскрипции in vitro, сравнивали в катализируемой РНК реакции саморепликации 14,15,43,44,45. Рибозим E катализирует соединение субстратов A и B с получением новой копии E в автокаталитической реакции, способной к экспоненциальному росту (рисунок 5A). E и 32P-меченые A компоненты получали путем транскрипции in vitro, а трифосфорилированный субстрат B получали либо синтетически, как описано выше, либо транскрипцией in vitro 14. Прогресс реакции саморепликации контролировался путем взятия периодических образцов, которые анализировались путем денатурации PAGE и количественно оценивались с помощью флуоресцентного / фосфоресцентного гелевого сканера. Полученные данные, соответствующие функции логистического роста, показали, что либо транскрибированная, либо синтетическая субстрата B поддерживает экспоненциальный рост, но синтетический B дает несколько большее количество продукта (рисунок 5B). Этот результат может отражать композиционную неоднородность на 5'-конце РНК, полученной транскрипцией in vitro 23,24.
Химическое трифосфорилирование также позволяет синтезировать олигонуклеотидные трифосфаты, которые не могут быть получены биологически, ни in vitro , ни в клетках. В разделе 7 небиологические олигонуклеотидные трифосфаты, состоящие из L-РНК, энантиомера природной D-РНК, приготовленные как в разделах 1-5, использовали в качестве субстратов для D-РНК «кросс-хирального» полимеразы рибозима 27,3t (Рисунок 6A), который катализирует шаблонно-направленную полимеризацию более длинного продукта L-РНК из коротких L-РНК олигонуклеотид 5'-трифосфатов последовательностью. Например, рибозим может синтезировать L-РНК-версию мотива саморасщепления головки молота (рисунок 6B)18. Очищенные тринуклеотидные трифосфаты L-РНК комбинировали с флуоресцеин-меченым L-РНК праймером и шаблоном L-РНК (рисунок 6C) и реагировали с кросс-хиральной лигазой. Образцы в ходе реакции были проанализированы PAGE и сфотографированы с использованием флуоресцентного/фосфоресцентного гелевого сканера для демонстрации синтеза L-РНК-версии рибозима-молота, закодированного шаблоном (рисунок 6D).

Рисунок 3: Очистка тринуклеотидов 5ʹ-трифосфатов. (A) PAGE-анализ (визуализированный УФ-обратной тенью) трифосфорилирования ДНК-тринуклеотидов три-дезоксиаденозина (AAA, синий) и три-дезоксицитидина (CCC, красный), намеренно перегруженных для визуализации второстепенных побочных продуктов. Как исходный материал 5ʹ-трифосфата (ppp), так и исходный материал 5ʹ-гидроксила (OH) были иссечены MALDI-MS. (B) Препаративный PAGE трифосфорилирования L-РНК тринуклеотида GAA, при этом основной полоса продукта иссекается и идентифицируется как 5ʹ-трифосфат (ppp) ESI-MS. (C) MALDI-MS сырых продуктов реакции после депротекции и (D) очищенных продуктов из (A). 5ʹ-трифосфат (ppp; pppAAA ожидается 1 119 Da, наблюдается 1 118 Da; pppCCC ожидается 1 047 Da, наблюдается 1 046); Маркировка 5ʹ-дифосфат (pp), 5ʹ-монофосфат (p), 5ʹ-гидроксил (OH) и 5ʹ-H-фосфонат (Hp). (E) Деконволютированный массовый спектр от прямого впрыска ESI-MS выделенного 5ʹ-трифосфатного продукта из (B) с идентифицированными пиками маркировки (ожидается 1 181,6 Да, наблюдается 1 181,0 Да). Также наблюдаются продукты 5ʹ-дифосфата (pp), а также пики ионов натрия как для три-, так и для дифосфатных продуктов (+22 Da). Распространенные пики загрязняющих веществ помечены звездочкой. Для удобства сравнения масс-спектры были нормализованы до самой высокой интенсивности, измеренной в каждом спектре, и представлены в процентах относительно этого значения. Сокращения: PAGE = электрофорез полиакриламидного геля; MALDI-MS = матричная лазерная десорбция/ионизация; ESI-MS = масс-спектрометрия электрораспылительной ионизации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Аналитический RP-LC из 6 nt и 14 nt D-РНК олигонуклеотид трифосфатов. (A) 5ʹ-pppACGAGG-3ʹ и (B) 5ʹ-pppGACCGCAACUUA-3ʹ. Тандем ESI-MS определил основной пик обоих (~ 70%) как 5ʹ-трифосфат (ppp), с меньшим количеством 5ʹ-дифосфата (pp). Сокращения: RP-LC = обратная фазовая жидкостная хроматография; nt = нуклеотиды; ESI-MS = масс-спектрометрия электрораспылительной ионизации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Сравнение олигонуклеотидных 5ʹ-трифосфатных субстратов, полученных путем химического синтеза или транскрипции in vitro. (A) Самовоспроизводящийся рибозим E торгует РНК А и 5'-трифосфорилированную РНК B. (B) Сравнение реакций саморепликации с использованием 10 мкМ А и 10 мкМ В, либо синтетических (открытые круги), либо транскрибированных in vitro (заполненные круги). (B) Данные соответствовали уравнению логистического роста: [E] = a / (1 + b e-ct), где a - конечная доходность, b - степень сигмоидности, а c - экспоненциальный темп роста. Темпы роста для двух реакций были идентичными, при 1,14 ч-1, в то время как конечная степень была на 10% выше для реакций с синтетическим B. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Кросс-хиральная L-РНК-полимеризация с рибозимом. (A) D-РНК 27.3t полимеразного рибозима, который катализирует шаблон-зависимое лигирование L-РНК. (B) Продукт L-РНК, синтезируемый 27,3 т, является частью мотива эндонуклеазы молота. (C) Полимеризация L-РНК катализируется 27,3 т с использованием биотинилированного шаблона L-РНК (коричневого цвета), концевой маркировки L-РНК праймера (пурпурный) и четырех L-РНК тринуклеотидтрифосфатов (голубой), полученных синтетически. (D) СТРАНИЧНЫЙ анализ продуктов расширения (B) через 4 ч и 24 ч, показывающий каждое включение тринуклеотида до полноразмерного продукта (черная точка). Нереагированный букварь L-РНК включен в качестве эталонного маркера. Сокращения: PAGE = электрофорез полиакриламидного геля; M = ссылочный маркер. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.