Les analogues d'acides nucléiques sont des composés qui sont structurellement similaires aux ARN et ADN présents dans la nature. Ils ont des utilisations pour la recherche en médecine et en biologie moléculaire. Les nucléotides, qui constituent les acides nucléiques, sont composées de trois parties : un squelette phosphate, un sucre pentose (ribose ou désoxyribose) et l'une des quatre bases nucléiques. Dans un analogue d'acide nucléique, n'importe laquelle de ces parties peut être modifiée. Cela résulte typiquement en une modification de l'appariement ou de l'empilement des bases (il existe ainsi des bases universelles pouvant s'apparier avec n'importe quelle autre base). Les analogues permettent aussi des modifications de la structure de la chaîne, en remplaçant le squelette phosphate. Un squelette de PNA permet par exemple d'obtenir une structure en triple hélicePetersson B et al. Crystal structure of a partly self-complementary peptide nucleic acid (PNA) oligomer showing a duplex-triplex network. J Am Chem Soc. 2005 Feb 9;127(5):1424–30..
Utilisations
En médecine, plusieurs analogues de nucléosides sont employés comme antiviraux ou anticancéreux. Ils sont généralement administrés sous forme de nucléosides et transformés en nucléotides à l'intérieur de la cellule, car les nucléotides qui sont chargés traversent difficilement les membranes cellulaires.
vignette|Modifications communes dans les analogues de nucléosides.
Les analogues d'acides nucléiques ont de nombreux emplois en biologie moléculaire : Détection de séquences particulières Fabrication d'ARN résistants à l'hydrolyse Séquençage de l'ADN grâce à des didésoxynucléotides Investigation des mécanismes enzymatiques, en se servant des analogues comme inhibiteurs Investigation des propriétés structurales des acides nucléiques Création de systèmes alternatif en biologie de synthèse Recherche sur les origines de la vie…
Analogues où le squelette est modifié
Analogues d'ARN résistants à l'hydrolyse
redresse=.5|vignette|Structure chimique Morpholino
Les riboses de la molécule d'ARN sont très facilement hydrolysables, ce qui la rend difficile à synthétiser et utiliser de façon fiable. Des dérivés de ribose peuvent donc être utilisés. Les analogues les plus communs sont l'ARN substitué en 2'O-méthyl, l'acide nucléique verrouillé (Locked Nucleic Acid ou LNA), le morpholinoSummerton J and Weller D. Morpholino Antisense Oligomers: Design, Preparation and Properties. Antisense & Nucleic Acid Drug Development 1997; 7:187-195.Summerton J. Morpholino Antisense Oligomers: The Case for an RNase-H Independent Structural Type. Biochimica et Biophysica Acta 1999; 1489: 141-158. et les acides nucléiques peptidiques (Peptide nucleic acid ou PNA). Bien que ces oligonucléotides aient des squelettes différents, ils sont toujours capables de s'hybrider à l'ARN ou l'ADN, mais ils ne sont pas sensibles à l'hydrolyse par les nucléases. Il n'existe pas de méthode enzymatique pour les fabriquer, il est nécessaire de recourir à des méthodes de synthèse telles que la stratégie de la phosphoramidite ou (pour le PNA) la synthèse peptidique.
Rôle hypothétique dans l'apparition de la vie
Il est intéressant de noter que de tels analogues d'acides nucléiques pourraient avoir joué un rôle dans l'apparition de la vie, l'ARN connu actuellement étant trop complexe pour avoir été le premier acide nucléique. Des analogues plus simples comme le GNA, le TNA et le PNA pourraient être des candidats plus vraisemblables.
Analogues de bases
Bases présentes naturellement
On distingue les bases pyrimidines et purines. Elles sont capables de s'apparier grâce à deux ou trois liaisons hydrogène entre une fonction cétone) et une fonction amine ; elles peuvent aussi s'empiler par l'action de leurs cycles aromatiques (interaction de π-stacking).
Purine Pyrimidine
Bases marquées par un fluorophore
vignette|Structure de l'aminoallyl-uridine
Des fluorophores comme la rhodamine et la fluorescéine sont liés au cycle voisin du sucre (en para) par un bras flexible, de sorte qu'il soit positionné dans le sillon majeur de la double hélice. En général, on synthétise d'abord la séquence avec des nucléotides ayant seulement le bras, puis l'on couple ces bras à des fluorophores (marquage indirect). L'enzyme utilisée, la Taq polymérase, n'est en effet pas capable d'incorporer directement les fluorophores en raison de leur taille.
Bases constituant elles-mêmes un fluorophore
La plus fréquemment utilisée est la 2-aminopurine, qui présente la propriété intéressante d'être fortement fluorescente quand elle est libre en solution, mais considérablement moins lorsqu'elle est incorporée à un brin d'acide nucléique. La variation de l'intensité dépend de la séquence, mais elle est de l'ordre de cent foisWard et al. Fluorescence Studies of Nucleotides and Polynucleotides I. Formycin 2-Aminopurine Riboside 2,6-Diaminopurine Riboside and Their Derivatives. J. Biol. Chem. 1969; 244: 1228–37..
Il existe d'autres bases du même type : 3-MI, 6-MI, 6-MAPHawkins Fluorescent pteridine nucleoside analogs - A window on DNA interactions. Cell Biochem. Biophys. 2001; 34: 257–81., pyrrolo-dCBerry et al. Pyrrolo-dC and pyrrolo-C: fluorescent analogs of cytidine and 2 '-deoxycytidine for the study of oligonucleotides. Tetrahedron Lett. 2004; 45: 2457–61. et ses dérivésWojciechowski et al. Fluorescence and hybridization properties of peptide nucleic acid containing a substituted phenylpyrrolo-cytosine designed to engage guanine with an additional H-bond. J. Am. Chem. Soc. 2008; 130: 12574-12575., bases furaniques modifiées Greco et al. Simple fluorescent pyrimidine analogues detect the presence of DNA abasic sites. J. Am. Chem. Soc. 2005; 127: 10784–85. et bien d'autresRist et al. Fluorescent nucleotide base analogs as probes of nucleic acid structure, dynamics and interactions. Curr. Org. Chem. 2002; 6: 775–93.Wilson et al. Fluorescent DNA base replacements: reporters and sensors for biological systems. Org, & Biomol. Chem. 2006; 4: 4265–74.Wilhelmsson Fluorescent nucleic acid base analogues. Q. Rev. Biophys. 2010; 43(2): 159-183.Sinkeldam et al. Fluorescent analogs of Biomolecular Building Blocks: Design, properties and applications. Chem. Rev. 2010; 110(5): 2579-2619..
La fluorescence de ces bases est très dépendante de leur environnement direct. Ceci est utile pour observer les interactions entre protéines et ADN, et les transferts d'électron au sein de l'ADN. D'autres bases comme la 1,3-Diaza-2-oxophenothiazine, tC, ont un rendement de fluorescence presque indépendant des bases environnantesWilhelmsson et al. A highly fluorescent DNA base analogue that forms Watson-Crick base pairs with guanine. J. Am. Chem. Soc. 2001; 123: 2434–35.Sandin et al. Fluorescent properties of DNA base analogue tC upon incorporation into DNA - negligible influence of neighbouring bases on fluorescence quantum yield. Nucleic Acids Res. 2005; 33: 5019–25.. Par ailleurs, elles ont peu d'influence sur les propriétés physiques et chimiques de l'ADN, ce qui en fait des outils appréciables pour les analyses FRET. Le tCnitro, une base jouant le rôle d'accepteur de fluorescence, a été développé à cet effetBörjesson et al. Nucleic acid base analog FRET-pair facilitating detailed structural measurements in nucleic acid containing systems. J. Am. Chem. Soc. 2009; 131: 4288–93.. Le couple tCO (donneur)/ tCnitro (accepteur) est ainsi la première paire pour FRET utilisant des bases nucléiques.
Modification de l'appariement des bases
Paires de bases naturellesUne paire GC, formant 3 liaisons hydrogèneUne paire AT, formant 2 liaisons hydrogène
La diaminopurine (DAP) est présente naturellement chez le Cyanophage S-2L. Utilisée à la place de l'adénine, elle forme trois liaisons hydrogène avec la thymine, ce qui rend le brin plus stable et rend les interactions AT et GC aussi fortes l'une que l'autreKirnos MD, Khudyakov IY, Alexandrushkina NI, Vanyushin BF. 2-aminoadenine is an adenine substituting for a base in S-2L cyanophage DNA. Nature. 1977 Nov 24;270(5635):369–70.. Cela peut être utilisé pour analyser les interactions moléculaires mettant en jeu cette différence de force.
D'autres bases comme l'isoguanine et l'isocytosine (qui ont des groupements amine et cétone inversés par rapport à leurs homologues) peuvent être incorporées lors d'une amplification par PCR, même en présence des quatre bases canoniquesJohnson SC et al. A third base pair for the polymerase chain reaction: inserting isoC and isoG. Nucleic Acids Res. 2004 Mar 29;32(6):1937–41..
Paires de bases absentes dans la natureDAP-TX-DAPiG-iC
Il est également possible de créer des bases qui s'apparient par interactions hydrophobes. On a par exemple le 2,4-difluorotoluène, un analogue de thymine, et le 4-méthylbenzimidazole, analogue d'adénineTaniguchi Y, Kool ET. Nonpolar isosteres of damaged DNA bases: effective mimicry of mutagenic properties of 8-oxopurines. J Am Chem Soc. 2007 Jul 18;129(28):8836–44. Epub 2007 Jun 26., ou encore l'isoquinoline et la pyrrolo[2,3-b]pyridineG. T. Hwang, F. E. Romesberg, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14872.
Bases universelles
Ces bases sont capables de s'apparier sans discrimination avec n'importe quelle autre base. Généralement, elles diminuent considérablement la température de fusion de la séquence. Parmi elles, on trouve les dérivés de la 2'-déoxyinosine (désoxynucléotide d'hypoxanthine), les analogues de nitroazole, et les bases aromatiques hydrophobes qui se lient sans liaison hydrogène. Elles n'ont cependant pas montré d'intérêt particulier dans la constitution d'amorces pour la polymérisation.
Bases étendues et xDNA
Il existe un jeu de bases nucléiques étendu, appelé xDNA, qui comporte en plus des quatre bases canoniques, quatre bases étendues qui sont en fait les bases canoniques auxquelles on a ajouté un cycle benzène. Une base classique s'apparie avec une base étendue, de sorte que la longueur totale de la paire de base soit constante. De cela, il résulte quatre combinaisons possibles : xA-T, xT-A, xC-G et xC-C. Ce système peut avoir une utilité pour des cas particuliers de recherche scientifique. Le yDNA est un système similaire, mais le benzène sert cette fois-ci à élargir les basesLiu H et al. (ET Kool Lab). A four-base paired genetic helix with expanded size. Science. 2003 Oct 31;302(5646):868–71.
Paires de bases artificielles ayant des propriétés particulièresBase F-Z : Pas de liaison hydrogèneBase S-Pa: Trois liaisons hydrogèneBase xA-T : Liaison similaire à A-T
Appariement avec un ion métallique
Les liaisons de type Watson-Crick peuvent être remplacées par un ion métallique central. Les nucléosides jouent alors le rôle de ligands. Différentes configurations bidentates permettent d'apparier deux nucléosides autour d'un atome métallique central : en tétraèdre, en dodécaèdre, et carrée plane. La formation d'une telle paire de base peut résulter de l'appariement non-canonique des bases habituelles en présence d'un ion métallique, ou du remplacement des atomes d'hydrogène impliqués dans les liaisons de Watson et Crick par des atomes métalliquesS. D. Wettig, D. O. Wood.m J.S. Lee.J. Inorg. Biochem. 2003, 94, 94–99.
L'introduction d'ions métalliques dans un duplex d'ADN peut lui conférer des propriétés de perméabilité magnétiqueH. Zhang, A. Calzolari, R. Di Felice. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15345–15348.P. Aich, R. J. S. Skinner, S. D. Wettig, R. P. Steer, J. S. Lee.Biomol. Struct. Dyn. 2002, 20, 93–98. ainsi qu'une stabilité augmentéeG. H. Clever, K. Polborn, T. Carell, Angew. Chem. Int. Ed.2005, 117, 7370–7374.