Reversible Base-Filling of Oligonucleotides through formation of N-Methoxy-1,3-Oxazinane and -Oxazolidine Nucleosides

Abstract

Dynamic combinatorial chemistry (DCC) has emerged as a powerful tool for screening and optimization of lead compounds for the discovery of new drugs. This thesis introduces a novel method for base filling through the reversible incorporation of nucleobase aldehydes into the backbone of modified oligonucleotides using the principle of DCC. The formation of N-methoxy-1,3-oxazinane (MOANA) and N-methoxy-1,3-oxazolidine (MOGNA) nucleoside analogues for the preparation of oligonucleotide conjugates has been systematically studied. The reaction involves the unprotected (2R,3S)-4-(methoxyamino)butane-1,2,3-triol (MABT) residue and nucleobase modified aldehydes. The reaction is reversible under slightly acidic conditions (pH 5.5) and affords highly stable products at pH 7.4, where the reaction effectively enters a "switched-off" state. The reaction rates and equilibrium constants were influenced by the structural variations of the aldehydes with observed half-lives (t₁/₂) ranging from 9 to 32 hours. The reaction was predominantly driven by base stacking interactions and demonstrated significantly higher yield and base-pairing selectivity within the relatively rigid A-type double helices compared to the more flexible B-type double helices. In contrast, both single-stranded oligonucleotides and the Hoogsteen strand of triple helices exhibited significantly lower yield and selectivity for base-filling. The effects of the two isomers of the (2R,3S)-4-(methoxyamino)butane-1,2,3-triol scaffold on base-pairing selectivity were modest and varied depending on the sequence. This work is promising for the development of a modified oligonucleotides scaffold for reversible base filling which is important for the development of oligonucleotide therapeutics, diagnostics and DNA nanotechnology.

-- Dynaamisesta kombinatorisesta kemiasta (DCC) on tullut tehokas työkalu johtoyhdisteiden seulontaan ja optimointiin uusien lääkkeiden löytämiseksi. Tämä väitöskirja esittelee uuden dynaamisen kombinatorisen kemian periaatteita hyödyntävän menetelmän, jossa muokattujen oligonukleotidien runko täydennetään reversiibelisti nukleoemästen aldehydijohdoksilla. N-Metoksi-1,3-oksatsinaani- ja -oksatsolidiininukleosidien muodostusta oligonukleotidikonjugaattien valmistami-seksi on tutkittu järjestelmällisesti. Reaktion lähtöaineina toimivat suojaamaton (2R,3S)-4-(meoksiamino)butaani-1,2,3-trioliyksikkö (MABT) ja nukleoemäs, johon on liitetty aldehydiryhmä. Reaktio on reversiibeli lievästi happamissa olosuhteissa (pH 5,5), mutta tuotteet ovat pysyviä pH:ssa 7,4, jolloin reaktio käytännössä pysähtyy. Reaktion nopeus ja tasapaino riippuivat käytettyjen aldehydien raken-teesta puoliintumisaikojen vaihdellessa 9:stä 32:een tuntiin. Pääasiallinen reaktiota ajava voima oli emäspinoutuminen ja reaktion saanto ja emäspariutumis-selektiivisyys olivat huomattavasti korkeammat suhteellisen jäykillä A-tyypin kaksoiskierteillä kuin joustavammilla B-tyypin kaksoiskierteillä. Sitä vastoin yksinauhaisten oligonukleotidien ja kolmoiskierteiden Hoogsteen-nauhan emäksillä täydentämisen saanto ja selektiivisyys olivat selvästi heikommat. (2R,3S)-4-(meoksiamino)butaani-1,2,3-triolirungon paikkaisomerian vaikutus emäspariutu-misselektiivisyyteen oli vähäinen ja oligonukleotidin sekvenssistä riippuva. Väitöskirjatyö on lupaava sellaisten muokattujen oligonukleotidien kehittämiseksi, joiden runkoa voidaan reversiibelisti täydentää emäksillä. Nämä puolestaan olisivat hyödyllisiä kehitettäessä oligonukleotidilääkkeitä, diagnostiikkaa ja DNA-nanoteknologiaa.