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Trotz der Verfügbarkeit von siRNA, dem aktuellen Goldstandard zur Generierung von RNAInterferenz-vermitteltem Gen-silencing, stellen unerwünschte Immunantworten des Organismus auf doppelsträngige RNA exogenen Ursprungs noch immer ein fundamentales Problem dar, besonders mit Hinblick auf die Entwicklung Oligonukleotid-basierter Wirkstoffe.
Durch das begrenzte Repertoire an Modifikationen, welches durch die Abhängigkeit von zelleigenen Faktoren unter anderem zur Steigerung der intrazellulären Stabilität und zur Reduktion unerwünschter Effekte zur Verfügung steht, konnte bis dato nur einer überschaubaren Anzahl entsprechender Oligonukleotide eine offizielle Zulassung für die therapeutische Anwendung in der Medizin erteilt werden.
Hier bergen künstliche Ribonukleasen, welche die Umesterungsreaktion unabhängig von der zellinternen Maschinerie ebenfalls effizient und sequenzspezifisch bewerkstelligen können, großes Potential als eine Alternative. Während Metall-basierte Systeme in der Regel auf unphysiologisch hohe Konzentrationen zweiwertiger Übergangsmetallionen, wie beispielsweise Lanthanoide oder auch Kupfer, angewiesen sind, könnten metallfreie Katalysatoren dahingehend eine wesentlich flexiblere Option darstellen. Die Optimierung Guanidin-basierter RNA-Spalter für den Einsatz in der Bioanalytik und Medizin stellt seit geraumer Zeit eines der obersten Ziele unseres Arbeitskreises dar. Unter diesen bewährte sich vor allem das Tris(2-aminobenzimidazol), welches in Form von Konjugaten mit Antisense-Oligonukleotiden kurze Modellsubstrate sequenzspezifisch spaltet.
Neben der äußerst mühseligen, vielstufigen Synthese eines konjugierbaren Tris(2-aminobenzimidazol)s waren die untersuchten Systeme mit Halbwertszeiten von teilweise über 20 Stunden jedoch viel zu langsam, um auch potentiell beobachtbare Veränderung des Phänotyps in vivo induzieren zu können. Ein weiterer begrenzender Faktor stellte die Konjugationstrategie des Spalters über Aktivester-Chemie und Aminolinker dar, welche eine Kupplungsausbeute von 0 % bis im besten Fall ca. 30 % lieferte. Um eine Methode zu erhalten, welche routinemäßig zur sequenzspezifischen Spaltung einer Vielzahl verschiedener RNA-Substrate genutzt werden kann, war folglich eine praktikablere Synthesestrategie zur Darstellung der Spalterkonjugate einerseits und zudem eine Erhöhung der Katalysatoraktivität andererseits notwendig, um auch kurzlebige Ziel-RNAs wirkungsvoll ausschalten zu können. In diesem Zusammenhang wurde eine neue Syntheseroute erarbeitet, welche den für die Konjugation funktionalisierten Spalter über wenige Stufen in Mengen von über 10 g lieferte. Daran anschließend konnte die Synthese eines Phosphoramidits realisiert werden, welches in einer manuellen Kupplungsprozedur die Darstellung von 5‘-Konjugaten des Tris(2-aminobenzimidazol)s in exzellenten Ausbeuten und, im Vergleich zur vorherigen Methode, wesentlich kürzeren Kupplungszeiten ermöglichte. Die vollständige Kompatibilität des Phosphoramidits mit der automatisierten Festphasensynthese konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht erreicht werden. Während die manuelle Prozedur Konjugationsausbeuten von über 90 % lieferte, wurden an einem handelsüblichen Oligonukleotid-Synthesizer auch nach Modifikation der Kupplungsprotokolle und bei erhöhtem Amiditverbrauch lediglich 65 %erzielt. Durch Inkorporation von LNA-Nukleotiden in zwei gegen die PIM1-mRNA gerichtete 15mer DNA-Konjugate ließ sich eine Reduktion der Halbwertszeit von Cy5-markierten 22mer Modellsubstrate auf unter 4 h erreichen, wobei dieses Resultat auch anhand eines 412mer Modellsubstrats und in Gegenwart hoher Phosphatkonzentrationen reproduziert werden konnte. Darüber hinaus wurde die besondere Rolle des closing base pairs, sowohl bezüglich der Selektivität als auch der Kinetik der Spaltung, offensichtlich. Während stärker hybridisierende GC-Basenpaare generell eine hohe Präzision gewährleisteten, trat im Falle von AT-Basenpaaren fraying auf, d. h. es konnte auch innerhalb des vermeintlichen Duplex Spaltung beobachtet werden. Genauere Studien zur Positionierung von LNA-Nukleotiden ergaben bei unmittelbarer Lokalisation am 5‘-Terminus von AT-closing base pairs zwar einen selektivitätssteigernden Effekt, überraschenderweise konnte in diesem Fall jedoch auch eine Inhibierung der Spaltungskinetik festgestellt werden. Durch Verschiebung in die vorletzte Position konnte die Aktivität des Konjugats ohne Präzisionsverlust jedoch wiederhergestellt werden. Erste Experimente zur intrazellulären Stabilität der Spalterkonjugate ergaben quantitative, stufenweise Zersetzung, sowohl des DNA- als auch der Mixmer-Konjugate nach wenigen Stunden, was die Notwendigkeit weiterer stabilitätssteigernder Modifikationen zur Vorbereitung auf in vivo-Experimente impliziert. Auf der Suche nach neuen Spaltern stellte sich vor allem das 2-Aminoimidazol als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für genauere Untersuchungen heraus. Das korrespondierende Tris(2-aminoimidazol) konnte über eine Marckwald-Synthese in wenigen Stufen dargestellt werden. Erste Spaltexperimente ergaben vor allem in niedrigen Konzentrationen (10 μM) eine im Vergleich zum Benzimidazol-Analogon vielfach höhere Aktivität. Obwohl die Synthese eines funktionalisierten Bisimidazol-benzimidazols gelang, steht dessen Konjugation mit Oligonukleotiden und deren Aktivitätsbestimmung noch aus.
2-Aminobenzimidazole 10, although a weak catalyst in the monomeric state, is a successful building block for effective artificial ribonucleases. In an effort to identify new building blocks with improved catalytic potential, RNA cleavage by a variety of heterocyclic amidines and guanidines has been studied. In addition to pKa values and steric effects, the energy difference between tautomeric forms seems to be another important parameter for catalysis. This information is available from quantum chemical calculations on higher levels, but semiempirical methods are sufficient to get a first estimate. According to this assumption, imidazoimidazol 18, characterized by isoenergetic tautomeric forms, is superior to 2-aminoimidazol 6, the best candidate among the simple compounds. By far the largest effects are seen with 2-aminoperimidine 24, which rapidly cleaves RNA even in the micromolar concentration range. The impressive reactivity, however, is related to a tendency of compound 24 to form polycationic aggregates which are the actual catalysts.
2-Aminobenzimidazole 10, although a weak catalyst in the monomeric state, is a successful building block for effective artificial ribonucleases. In an effort to identify new building blocks with improved catalytic potential, RNA cleavage by a variety of heterocyclic amidines and guanidines has been studied. In addition to pKa values and steric effects, the energy difference between tautomeric forms seems to be another important parameter for catalysis. This information is available from quantum chemical calculations on higher levels, but semiempirical methods are sufficient to get a first estimate. According to this assumption, imidazoimidazol 18, characterized by isoenergetic tautomeric forms, is superior to 2-aminoimidazol 6, the best candidate among the simple compounds. By far the largest effects are seen with 2-aminoperimidine 24, which rapidly cleaves RNA even in the micromolar concentration range. The impressive reactivity, however, is related to a tendency of compound 24 to form polycationic aggregates which are the actual catalysts.
The RNA cleaving catalyst tris(2-aminobenzimidazole) when attached to the 5’ terminus of oligonucleotides cuts complementary RNA strands in a highly site-specific manner. Conjugation was previously achieved by the acylation of an amino linker by an active ester of the catalyst. However, this procedure was low yielding and not reliable. Here, a phosphoramidite building block is described that can be coupled to oligonucleotides by manual solid phase synthesis in total yields around 85%. Based on this chemistry, we have now studied the impact of LNA (locked nucleic acids) nucleotides on the rates and the site-specificities of RNA cleaving conjugates. The highest reaction rates and the most precise cuts can be expected when the catalyst is attached to a strong 5’ closing base pair and when the oligonucleotide contains several LNA units that are equally distributed in the strand. However, when placed in the 5’ position, LNA building blocks tend to diminish the specificity of RNA cleavage.
Site-specific cleavage of RNAs derived from the PIM1 3′-UTR by a metal-free artificial ribonuclease
(2019)
Oligonucleotide conjugates of tris(2-aminobenzimidazole) have been reported previously to cleave complementary RNA strands with high levels of sequence and site specificity. The RNA substrates used in these studies were oligonucleotides not longer than 29-mers. Here we show that ~150–400-mer model transcripts derived from the 3′-untranslated region of the PIM1 mRNA reacted with rates and specificities comparable to those of short oligonucleotide substrates. The replacement of DNA by DNA/LNA mixmers further increased the cleavage rate. Tris(2-aminobenzimidazoles) were designed to interact with phosphates and phosphate esters. A cell, however, contains large amounts of phosphorylated species that may cause competitive inhibition of RNA cleavage. It is thus important to note that no loss in reaction rates was observed in phosphate buffer. This opens the way to in-cell applications for this type of artificial nuclease. Furthermore, we disclose a new synthetic method giving access to tris(2-aminobenzimidazoles) in multigram amounts.