Μικροί μοριακοί ανιχνευτές για τετραπλές έλικες Γουανίνης

Abstract

Ολοένα και περισσότερα στοιχεία δείχνουν ότι οι μη κανονικές δομές νουκλεϊκών οξέων, που ονομάζονται τετραπλές έλικες γουανίνης, παίζουν λειτουργικό ρόλο σε βασικές βιολογικές διεργασίες που κυμαίνονται από τη αναστολή της τελομεράσης έως τη γονιδιακή ρύθμιση. Ως εκ τούτου, υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον για τον έλεγχο της λειτουργίας τους με σκοπό την επίτευξη θεραπευτικών αποτελεσμάτων Ωστόσο, η αρχική πρόκληση έγκειται στον εντοπισμό του σημείου όπου σχηματίζονται αυτές οι δομές εντός των κυττάρων in vivo. Για το σκοπό αυτό, συντέθηκαν και χαρακτηρίστηκαν τρία νέα μικρά μόρια (TO-BF, TO-Morpho και TO-Thio) που μπορούν να αλληλοεπιδράσουν και να ανιχνεύουν αυτές τις δομές in vitro. Η αξιολόγηση της σταθεράς πρόσδεσης αυτών των μορίων με διάφορες τοπολογίες DNA μέσω φασματοσκοπίας απορρόφησης και φθορισμού αποκάλυψε μέτρια επιλεκτικότητα προς οποιαδήποτε συγκεκριμένη μορφή τετραπλής έλικας, εκτός από το TO-Thio, το οποίο επέδειξε μερική προτίμηση για τις τετραπλές έλικες που σχηματίζονται από την τελομερική αλληλουχία. Η ενίσχυση της έντασης του φθορισμού όλων των μορίων μετά την πρόσδεση στην αντιπαράλληλη τετραπλή έλικα της τελομερικής αλληλουχίας είναι αρκετά μεγαλύτερη κάτι που τα καθιστά καλούς οπτικούς ανιχνευτές για αυτή την δομή. Στη συνέχεια, συνδυάζοντας ένα ανιονικό πολυμερές, το PDV.Li, με αυτά τα μικρά μόρια, δημιουργήθηκε ένας οπτικός βιοαισθητήρας τύπου διακόπτη για την ενίσχυση της ευαισθησίας ανίχνευσης των τετραπλών ελίκων σε διάλυμα, απαιτώντας μόνο όγκους μικρολίτρων και νανομοριακές συγκεντρώσεις.

Mounting evidence suggests that non-canonical structures in nucleic acids, known as G-quadruplexes, are involved in vital biological processes, spanning from telomerase inhibition to gene regulation. Consequently, there's significant interest in modulating their function for therapeutic purposes. However, the initial challenge lies in pinpointing where these structures form within cells in vivo. To address this, three novel small molecules (TO-BF, TO-Morpho, and TO-Thio) were synthesised and characterized to interact with and detect these structures in vitro. Assessment of the binding affinities of these molecules with various DNA topologies via absorption and fluorescence spectroscopy revealed modest selectivity towards any specific quadruplex form, except for TO-Thio, which displayed partial preference for G-Quadruplex formed from the telomeric sequence. Notably, all molecules exhibited a substantial increase in fluorescence intensity upon binding to the antiparallel G-quadruplex formed from the telomeric sequence, rendering them effective optical probes for this structure. Subsequently, by combining an anionic polymer, PDV.Li, with these small molecules, a switch-type optical biosensor was engineered to enhance the detection sensitivity of quadruplex helices in solution, requiring mere microliter volumes and nanomolar concentrations.