Triester-festphasensynthese von oligodesoxyribonucleotiden an polystyren-teflon trägern

Triester-festphasensynthese von oligodesoxyribonucleotiden an polystyren-teflon trägern

Tetrahedron Letters,Vol.24,No.l6,pp Printed in Great Britain 1691-1694,1983 0040-4039/83/161691-04$03.00/o 01983 Perqamon Press Ltd. TiiI!;STl~~H-F...

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Tetrahedron Letters,Vol.24,No.l6,pp Printed in Great Britain

1691-1694,1983

0040-4039/83/161691-04$03.00/o 01983 Perqamon Press Ltd.

TiiI!;STl~~H-FJ~STP~lS~r~SY~TH~S~ VON OLIGODESOXYHIBOP7UCLEOTIDEI~~ Al!? POLYSTYREN-TEFLON

TRiPiGERN

h. Rosenthal, D. Cech* Sektion Chemie der Humboldt-Universitat Invalidenstr.

zu Berlin, DDR-1040 Berlin,

42

V.P. Veiko, T.S. Orezkaja, X.11. Kuprijanova,

Z.A. Shabarova

CherriischeFakultat und A.N. Belozerskg Institut fiir Molekularbiologie und Bioorganische

Chemie der Moskauer Staatlichen Universitat,

11'7234 Xoskau, UdSSR A simple solid phase r.lethodfor the synthesis of oligodeoxyribonucleotides on a grafted polystyrene-teflon support' has been employed using the phosphotriester approach in 5'-3' direction. !:s a control of the reactions a semicuajititative p.yrolysis class spcctrometq approach for analyzing of the polymerbound oligonucleotides was developed. In den letzten drei Jahren sind neben dem Phosphit-Triesterverfahren

an Kie-

selgel 1 eine Reihe von leistungsfahigen

Phosphor-Triesterverfahren an unter2 schiedlichen Tr~ge~~laterialien crie Polgdirieth~lac~lar::ici, Polyacrylmorpholid 3 , 6 4 5 und dem Copolymer Polgatyren-Teflon 7 entvjickelt Cellulose , Glas , Polgstgren und in der Synthese einer groRen anzahl von Oligocucleotiden mit Kettenlangen :,7cr: S bis 31 Einheiten erfolgreich eingesetzt worden. Als Trager fiir automatisierte Festphasensynthesen

eignen sich davon nur Polystgren, Polystyren-Teflon

~!nc! Kieselgel. Polare Tragerclaterialien v:ie Polgacrylanide

sind nur dann fiir

den autonatischen Betrieb geeignet, wenn sie in eine anorganische I'.la-trix z.B. 8 Kieselgur eingebettet werden . 0bv:ohl schon 1978 von Potapov et al. PolystgrenTeflon als erstao Tragermaterial erfolgreich in halbautomatischen Sgntheseapparaturen eingesetzt wurde 9 , hat die zunachst starkere Rinwendung ei.niger Synthesegruppen

zu polaren Tragemlaterialien

die Erprobung unpolarer Trager in

tier Triester:~ethode verzagert. In jiingster Zeit erleben allerdings Polgstgren7. und Polgstgren-Teflon-Trager einc Renaissance in der Triestermethode (5, 11.1 Unterschied

ZLI

allen

anderen Festphasensynthesen

nach der? Triesterverfah-

ren, bei denell die Kette in 3'-5 ' Richtune; verlgngert cird, erfolgt die Kettenverlangerm,g in deri 2ri~str:rVerfa'lirc1~ an Polystgren-Teflon rlit Hilfe von Xono~,~d 3i:~ierbloclren nach de:,1 bereits 14)E? van Potapov et al. 7a entvjickelten Sche:la :_:,I 5'_?' i Richtung (.&bb. 1). Dies hat die Vorteile, daB erstens die in der Syn-these eingesetzten cberschtisse an IIono- oder Dirieren (PucleosidkoIrlponente) c?;urcl: I~i~~s~l~~elc~ro~~ctog~~aptie zuri_icl--i6c!.onncnwerden IcSnnen, zweitens v:ahrcnd dcr Kondensation keine Sulfonierung von polymer gebundenen RgdroAxylgruppen auftri-tt vrnd 6.28 drittc-ilcDcpurinisierung bei?? -Lbspalten der Cyanoethylschutzgrup1691

1692

pe im basischen tiileu fiir die vieitere Kettenverlgngerung werden kann. Da fiir die schnelle Zusbeutebestinmung

prinzipiell vermieder

keine spelctroskopischen

Blethoden z.B. der quantitativen Bestimmung von Schutzgruppen, die zur Verlangcrung der Kette abgespalten werden niissen, zur

Vcrfiig~mg

stehen, haben wir ers-t-

nalig die Pyrolgse-Yiassenspektrometrie als halbquantitatives wickelt, das die Bestimnung der Basenzusammensetzung nucleotid-Triester erlaubt".

somie die husbeutebesticnung

Grundvoraussetzung

iiber die Monomethoxgtrityl-

Verfahren ent-

polyller geblindener Oligo-

der Kondensationsreaktionen

dafiir ist, daR die Oligonucleotid-Triester,

die

oder I?-Benzylsuccinamid-Ankergruppe an Polystyren-

Teflon fixiert sind, unter pyrolgtischen Bedingungen

(l5O-22O'C) am 5'- bz\Fi.

3'-Ende vom Polymer abgespalten !P!erden,ohne daB starendc Fragmente fiir die ankergruppen

im Massenspektrometer

gebildet werden. I'eben allen B- und P-

Schutzgruppen werden vor allem die Basen-typischen Fragmente vie [(B+B)-CO]+', [B+HJ+' , [(B+EH;-CO]+' , [B+SI]+' und [J~+I~I]+' fiir die quantitativen Bestimmungen genutzt

.

Die Kettenverlangerung der Cyanoethylgruppe Kondensation

am Polymer bestcht aus zwei Schritten: 1. ilbspalten

in basischen Uilieu vom 3'-Ende der wachsenden Kette; 2.

der polymer gebundenen 3 l-Phosphordiesterkomponente

ponente) nit der 5'-OH Dinucleotidtriester

(Phosphatkor:-

Gruppe der verwendeten N- und P-geschiitzten Lono- oder

(Nucleosidkomponente)

mit den Kondensationsmitieln

TPS/

I3 (Abb. 1). Tetrazol12 oder I-I.Iethylimidazol

Abb. 1: Triester-Festpllasensynthese an Polyst;Jren-Teflon in ",’ - 3 ’ Richtung (LbkLirzungen siche PuBnote 14) Die Synthese der in Tab. 2 ausgenicsenen Oligonucleotide reaktor mit G 2 Fritte

(V=l,5

rd)

wurde in eincli Glas-

durchgefiihrt. Der Zu- und iibfluB 8ov:i.edie

KreislauffLihrung aller Rengenzien und Losungsmittel (0 Imm) wurde iiber ein System van Teflon-Vectilcn

durch cinen Teflon-Schlauci'

SKV-? und SliV-4 (Firma Pl:a>>-

1693

macia) gesteuel:t. Piir cXe Synthesen w&en

ca. lGO-500

iig

Polymer eingesetzt.

Bei Veraendung von vieniger als 150 mg Polyl?er ist eine Kreislauffiihrung der Iteagenzien nicht r!ehr notnendig. Polymer gebundene Nucleosid-3'-phosphorsZureCriestcr

wurden durch 16 h Reaktion van@-(NeO)Tr-Cl

Init den Nucleosid-

3'-phospilors$iuretriestern in Pyridin erhalten' (dTg=115, dbzA$=77, dbzGe=97 l_lntl dbzC+=92

Trgger). TPS wrde

in 3fachen, Tetrazol, I-Methylimidazol

in gfachell und die Nucleosidkonponente

in lOfacher:lgberschul3 inbezug auf die

~r.~ol/g

polynere Phosphatkol~lponexteeingesetzt. Die Cyanoethylgruppe xX+/Ii20

wurde xit F]ridiE/

(3:1:1, v/v/v) in 30 Iiinuten abgespalten. Alle Operationen

eines

ZyGlus cibt Tab. 1 an (fUr 100-150 mg Polymer). Tab. 1 Operation

Xenge (ml)

Reagenz

Zeit (min)

1

Pyridin/Et3I!/H20 (?:I:'!, v/v/v)

1x5

30

2 3

trockenes Pyridin

3x5

5

liono- oder Dixerblock in 0,~ xl trockenw

Pyridin + TPS/Tetrazol

120 (a)+

(a)

oder I-1.Iethylimiclazol (Is) 30 (b)+ 4 Pyridin 3x5 5 +Gesantzeit fi_irden Zyklus 160 (a) bzw. 70 W_nuten (b). 1Jm eine geniigend hohe ILusbeute der sterisch gehinderten Reaktion des ersten Dirqerblocks 2 (x2) rnit dem polymer gebundenen Nucleotid 1 zu erhalten, nuB aufgrund kynetischer Untersuchungen die Kondensationszeit Tiir beide Kondensationsnittel auf 4-5 h verl~ngert cierden. Nach jeder Kondensation wrden

jeweils kleine Polymermengen

tor entnorrwn wit Et011 und rither genaschen,i.V.

(5 rg)

dem Reak-

getrocknet, pulverisiert

:?assenspektrometrisch untersucht. Daneben nurden, u.1;eindeutige uussagen tiie Kusbeuten der Kondensationsreaktionen

und iiber

zu gevrinnen, das Oligonucleotidmate-

rial Ilit 2% TFA in Cli Cl bei -2O'C (B- und P-Schutzgruppen wrden vorher mit g 2 IX3 in Pyridin bei 50 C, 12 h entfernt) abgespalten und durch Ionenaustauschchromatographie

an DEAE-Cellulose

i-litlinearem NaCl-Gradienten

in 7 1,: Harn-

stoss, 0,Ol I.1Tris IICl, pH 7,5 oder an Li chrosorb mit linerarem PhosphatGradienten irl11ikro;iaBstabaufgetrenlit (Abb. 2).

JLbb.

2: i.:i!croionenaustaL!schc~,ro!latograpl;ie von d(TTG&TTCTC) se (c) u1-d d(CCdiGG>:GCTp)ar, Li cl~~osor~l? (I:)

an DE&L&Cellulo-

1694

Fiir d(TTGAATTCTC)

v:urden dabei Reaktionsausbeuten

den Peakfl&chen)von massenspektrometrisch Hauptprodukte

gewonnenen Werten stehen. klle Oligonucleotide

nach Abspalten aller Schutzgruppen

austauschchronatographie Homogenitgt

(rechnerische Ermittlung

aus

58, 78, 82, 100 und 85% ermittelt, die in Einklang mit den

an DUE-Cellulose

nurden als

und des Trggers durch Ionen-

bei pH '7,5 und 3,5 isoliert und ihre

durch Mikroionenaustauschchronatographie

an Li chrosorb iiberpriift.

Die Struktur wurde durch Sequenzanalgse nach Flaxam und Gilbert I5 bestgtigt. isoliertes Oli onucleotid Ausbeute Tab, 2 Polynernenge (%) W&O) ? rmol ) (rig) 1. d(T?%@?m)

25

25,O

C,250

857

2. d(Tmn=ClQ)

19

I?,0

0,113

592

3. d(GCATTGATm)

13

235

0,023

138

4. d(CCTGGAATTTp)

18

890

0,078

498

5. d(CCAGGAGCTp)

29

21,5

0,225

8,2

Nit der von uns entwickelten Festphasensgnthese der Triestermethode

an Polystgren-Teflon

in 5'-3' Richtung kcnnen Oligonucleotide

nach

r!iitoder ohne

3'-Phosphat in guten Busbeuten und einfach zu handhabender Technik synthetisiert werden. kufierdem ist diese b1ethode fi_irautornatisierte Sgnthesen gut geeignet. Literatur Idatteucci und L'1.H.Caruthers 1. P.I.D.

(1981) J. Am. Chem. SOC. 10 , 3185; F. Chow, T. Kempe und G. Palm (1981) Nucleic Acids Res. 2, ?& 7;

2.

3. und K. Itakura 4. Lett. 22, 4177. 2: K. I,liyoshiet al. (1980) Nucleic ;;cids ReB.Q, 5507; H. Ito et al. v982) ibid. 2, 1755; V.N. Dobqnin, B.K. Tschernov und I-.l?.Kolosov (1980) Bioorg. Khtia. i, 138; ~.f<. Sin:,akov et al. (1982) ibid. c",,490; E. Ohtsuka, H. Takashirla und 1:. Ikehara (1982) Tetrahedron Lett. 2, 3081. 7. ;.f. Potapov et al. (1981) Dokl. Akad. Bauk SSSR 260, 240 (a); Anirkhanov et al. (1982) Bioorg. KM:-1. g, l?F N:v: ;&rlirkbanov,?:!.I.Iiivkin und V.P. Kumarev iblci. 1008. k:.J. Gait et al. (1982) J. Chen. Sot. CheIl. Cor~~un. 37. 241, 1352; ;: Potapov et al. (1978) Do!::. likad. I;auk SS% Potapov et al. (1979) ITucleic Acids Res. 5, 'zb4'l. 10. L. Alder, A. Rosenthal und D. Cech, in Vorbereitung. 11. L. Alder, i\. Rosenthal, D. Cech und V.P. Veiko (1982) 2. Chem. 22, 2Ct); A. Rosenthal et al. Z. Chen., im Druck. R.K. Seth und E. Jay (1980) Nucleic Acids Res. 2, 5445. (:982) Tetrahedron :;: V.A. Cfimov, S.V. Reverdatto und O.G. Chakh!lakilclleva , 961. Poiystgren-Teflon, n=l oder 2, zA, dbzC und dbzG,@=Copolylicr 14. CB=2-Cyanoethyl-, Bz oder bz= R=o- oder p-ClPh-, K&Kondensationsmittel, Benzoyl-, Nq=Np(o- oder p-ClPhO-), I\g=?vp(o-oder p-ClPhO-,CE-), TF.i=Trifluoressigs,$.ure,Lusbeuten (Tab. 2) v,urderrinbezu,; aui' C:as e?,ste r?:ml TrB,r,er bezeichnet verwendete Diruclcot~.dbl~jcke. gebundene Nucleotid eniittelt, I.iaxall und V. Gilbert (1980),I~etho&s in Bnzgrlol. E, 439. 15. h.l.1, (Received in Germany 7 January 1983)