PNA is a class of artificial nucleic acid that has neutral amide backbone, which endowed PNA with outstanding properties such as chemical/biological stability and higher binding affinity to both DNA and RNA. However, no binding selectivity between PNA/RNA and PNA/DNA was observed, which may cause potential side effects for antisense application. Furthermore, the similar binding affinity between parallel and antiparallel orientation presumably due to its achiral backbone would be also problematic. There have been several efforts to overcome the drawbacks by modifying PNA backbone scaffold, but few examples are successful.
We have developed new chiral peptide nucleic acid based on gammapeptide scaffold, which binds RNA more specifically as well as in an antiparallel fashion. Efficient synthetic protocol for $\gamma^3-PNA$ monomers is also developed. The RNA binding specificity was assessed by using Tm measurement and $\gamma^3-PNA$ chip-based assay. Introduction of one or two $\gamma^3-PNA$ monomers into aeg-PNA skeleton could restore the helical propensity of the PNA oligomer, whereas the aeg-PNA is unstructured by CD analysis. In addition, we successfully synthesized homo $\gamma^3-PNA$ oligomers and confirmed the binding characteristics of them.
우리는 최근 β위치에 핵산 염기가 치환된 $\gamma$-아미노산 골격을 바탕으로 한, 새로운 형태의 키랄 펩티드 비천연 핵산 $(\gamma^3-PNA)$을 개발하였다. TNA의 구조에서 착안한 이 $\gamma^3-PNA$의 높은 광학 순도를 가진 Fmoc으로 보호된 아데닌과 시토신 모노머를 고안하고 합성하였다. 고체 고정상 펩티드 합성법을 이용하여 얻은 올리고머는 HPLC와 MALDI-TOF를 이용하여 분리, 정제하였다.
온도 의존 UV 실험을 통해 aeg-PNA 올리고머에 몇 개의 $\gamma^3-PNA$ 단위체를 넣었을 때 RNA에 대한 높은 결합 선택성을 확인할 수 있었다. 또한, $\gamma^3-PNA$ 가 천연 RNA와 DNA에 대해 역평행 결합 선택성이 있음이 보여졌다. 하지만 전체적으로 Duplex의 안정성은 순수 aeg-PNA 올리고머에 비해 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이러한 RNA에 대한 결합 선택성을 열역학적인 안정성 측면 뿐 아니라 $\gamma^3-PNA$ 칩 기술을 이용해 동역학적으로 확인할 수 있었다. 그 결과, aeg-PNA 올리고머에 $\gamma^3-PNA$ 단위체 3개를 넣었을 때 RNA에 대한 결합 선택성이 약 30배 정도 증가하는 것을 알 수 있었다.
또한, 우리는 $\gamma^3-PNA$ 단위체 만으로 이루어진 올리고머를 합성하였다. β위치에 핵산 염기가 치환된 $\gamma$-아미노산 골격으로 이루어진 새로운 핵산 폴대머의 개발은 비록 천연 핵산에 대해 낮은 안정성을 보이나, 결합 친화성을 가지고 있고, 천연 DNA와 RNA에 대해 구조적인 순응적 변화를 가지는 것으로 비추어 이러한 발견은 미래의 비천연 핵산 유사체 폴대머의 고안 및 개발에 중요한 시작이 될 것이다.
$\gamma^3-PNA$는 앞으로 RNA 선택성을 이용한 유전자 치료제로서 많은 잠재력을 지니고 있으며 분자생물학적 도구나 진단 시약으로 이용될 것이라 여겨진다.
