钌多吡啶肽核酸对RNA三螺旋形成动力学及其稳定性的调控

RNA triple helices are formed via specific binding of a pyrimidine rich third strand to a purine rich strand of double helical RNA. However practical applications of RNA triple helices in gene therapy are hindered at present by two crucial problems to be solved urgently: (1) slow kinetics of formation and (2) low thermal stability. To achieve the rapid formation, balance, and stability of a triple helix, how to design a third strand oligonucleotide analogue will be to the first program solved to lower the interchain electrostatic repulsion and enhance the binding force between the double helical and a third strand. To lower the electrostatic repulsion electrostatic repulsion between the double helix and the incoming third strand oligonucleotide, this project aims to synthesize different structural ruthenium polypyridyl peptide nucleic acids as third strand oligonucleotide analogues by using amido bonds repacing pentose phosphodiester bonds of oligonucleotides. The regulation of the formation kinetics and stability of triple helices will be achieved by: (1) modifying the base sequence and molecular polarity of ruthenium polypyridyl peptide nucleic acid，(2) tuning the temperature, pH and ionic strength of the solution and (3) tuning the binding and driving force between the ruthenium polypyridyl peptide nucleic acid and double helical RNA. Thus, the regulation mechanisms of the formation kinetics and stability of RNA triple helices will be uncovered, which will provide new ideas for improving the formation kinetics and stability of RNA triple helices.

双螺旋RNA能与富含嘧啶碱基的第三链寡聚核苷酸特异性结合，形成RNA三螺旋结构，为肿瘤和病毒性疾病的治疗开辟了新途径。然而，RNA三螺旋的形成动力学及其稳定性，是目前开展RNA三螺旋技术在基因治疗中的实际应用急需解决的关键问题。如何设计第三链寡聚核苷酸的模拟物，将成为探索降低链间静电排斥力，提高双螺旋RNA与第三链结合力，实现RNA三螺旋快速形成及其结构稳定要解决的首要问题。本项目拟以酰胺键取代寡聚核苷酸的戊糖磷酸二酯键，合成不同结构的钌多吡啶肽核酸，作为第三链寡聚核苷酸的模拟物，降低双螺旋RNA与第三链的静电排斥力。通过调节钌多吡啶肽核酸的碱基序列、分子极性及溶液温度、酸碱性和离子强度等因素，调控钌多吡啶肽核酸与双螺旋RNA的结合力及结合驱动力，实现RNA三螺旋形成动力学及其稳定性的调控。揭示RNA三螺旋形成动力学及其稳定性的调控机制，为改善RNA三螺旋形成动力学及稳定性提供新思路。

三螺旋RNA在分子生物学、诊断学及治疗学等方面具有广泛应用前景。然而其结构稳定性低是目前开展三螺旋RNA于生理条件下实际应用有待解决的关键问题。本项目设计合成了系列钌不同结构的功能金属配合物，研究了反应条件对配体及其配合物合成的影响。应用各种生物物理技术，研究了功能钌配合物与三螺旋RNA的相互作用，探讨了外消旋或手性功能配合物的结构、溶液离子强度和pH变化及碱性氨基酸的种类和序列、肽链中正电荷的分布等因素对三螺旋RNA结构稳定的影响，报道了首例手性钌配合物对三螺旋RNA结构稳定的影响。研究结果表明，含肽核酸单体的钌配合物对三螺旋RNA结构中第三链的稳定作用强于其结构中的双链，然而与小分子钌金属肽相比，其对三螺旋的稳定作用弱得多。对于含有相同主配体的钌多吡啶配合物，增大辅助配体的共轭体系而增大钌多吡啶配合物极性，易于配合物突破包围在三螺旋RNA周围的水合层而有效接触三螺旋，使两者于结合位点产生紧密堆积，进而显著提高第三链的稳定性。对于含有相同辅助配体的钌多吡啶配合物，非对称芳香主配体的柔性与形状是影响三螺旋结构稳定的重要因素。柔性主配体的形状与三螺旋的小沟或新沟越匹配，有助于提高三螺旋结构中第三链的稳定性。因此设计共轭体系的主配体时，应考虑其结构的不对称性。主配体的空间位阻越小，越利于增加配合物与三螺旋间的结合力，从而显著提高三螺旋稳定性。与溶液pH变化相比较，溶液离子强度的变化对配合物稳定三螺旋RNA具有显著的影响，且低离子强度有利于增加配合物对三螺旋RNA的稳定化作用。与Λ-型钌多吡啶配合物相比较，Δ-型钌多吡啶配合物通常与三螺旋RNA具有更强结合力以及对三螺旋RNA更强的稳定化作用。这方面的研究，将加深理解化学小分子对三螺旋RNA结构稳定的调控及其影响因素，为改善三螺旋RNA的结构稳定性提供新思路。