Perylenbisimid‐Dimere als fluoreszenter “Klebstoff” für DNA und zum Nachweis von Basenfehlpaarungen

Abstract

Perylen-3,4:9,10-tetracarbonsäurebisimid (PB) und dessen Derivate werden aufgrund ihrer hervorragenden photochemischen Stabilität und der hohen Quantenausbeuten gerne als Fluoreszenzfarbstoffe in organischen Materialien eingesetzt. [1,2] Die starken hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen PB-Chromophoren machen diesen Farbstoff zu einem wichtigen Baustein für funktionelle supramolekulare Architekturen. [1,3] Betrachtet man die Kombination dieser Eigenschaften, erscheint es interessant, PB in der dimeren Form auch als Sonde für die fluoreszente DNAund RNA-Analytik einzusetzen. Die nicht-kovalente Bindung an DNA wurde mit PB-Derivaten untersucht, die mit Spermin [4] oder anderen Aminen modifiziert wurden.[5] Darüber hinaus erschien in den letzten Jahren eine zunehmende Zahl von Publikationen, die die kovalente Modifikation von Oligonucleotiden mit PB beschreiben. [6][7][8][9][10][11][12] Kürzlich stellten wir eine einfache Syntheseroute für den Einbau von PB als artifizielle DNA-Base vor, um die Stapelungseigenschaften dieses Farbstoffes an spezifischen Stellen in Doppelstrang-DNA untersuchen zu können.[13] Hier präsentieren wir nun die Evaluierung der optischen Funktionalisierung mit PBDimeren anhand dreier exemplarischer Doppelstränge (DNA1, DNA3 und DNA4 a). Für die synthetische Modifizierung der entsprechenden Oligonucleotide mit dem PBChromophor (Schema 1) wurde der 2-Desoxyribofuranosidteil durch ein acyclisches Linkersystem ersetzt, das über eines der beiden Imid-Stickstoffatome des PB-Farbstoffes angeknüpft wurde.[13] Dieser Linker ermöglicht es dem Chromophor, in den Basenstapel zu interkalieren, und er weist die für die automatisierte Phosphoramiditchemie erforderliche hohe chemische Stabilität auf. [13,14] DNA1 enthält ein Interstrang-PB-Dimer, wohingegen DNA3 je ein PB-Monomer außerhalb des Doppelstrangs an beiden 5'-Enden trägt. Beide Doppelstränge weisen palindromische Sequenzen auf. Die Fluoreszenzspektren beider Doppelstränge DNA1 und DNA3 (Anregung bei 505 nm) werden von einer breiten Bande bei 660 nm ohne Feinstruktur dominiert (Abbildung 1). Diese excimerartige Emission des PB-Dimers wurde auch in Nanoaggregaten von Perylenbismiden beobachtet. [3,8,15] Die UV/Vis-Spektren von DNA1 und DNA3 (Abbildung 2) zeigen bei niedriger Temperatur zwei Hauptbanden, die im Vergleich zu den vibronischen Übergängen (0!1 und 0!0) des PB-Monomers hypsochrom (506 nm) bzw. bathochrom (545 nm) verschoben sind.[16]Dieses Resultat belegt die starken excitonischen p-p-Wechselwirkungen zwischen den beiden PB-Chromophoren im Inneren des Doppelstrangs (DNA1) bzw. außen am Doppelstrang (DNA3).[15]Sowohl die excimerartige Fluoreszenzbande als auch die verschobenen Absorptionsbanden von DNA1 verschwinden bei höheren Temperaturen. Besonders bemerkenswert ist Schema 1. PB-modifizierte Doppelstränge DNA1-DNA3, DNA4 a-DNA4 e. Abbildung 1. Temperaturabhängige Fluoreszenzspektren von DNA1 (oben) und DNA3 (unten), 1.25 mm DNA-Doppelstrang, 10 mm Na-P iPuffer, 250 mm NaCl, pH 7, Anregung bei 505 nm.

Fluorescent Hydrophobic Zippers inside Duplex DNA: Interstrand Stacking of Perylene‐3,4:9,10‐tetracarboxylic Acid Bisimides as Artificial DNA Base Dyes

“…[27,28] The 2'-deoxyribofuranoside of natural nucleosides was replaced by an acyclic linker that is tethered to one of the imide nitrogen atoms of the PB dye. We showed that this linker allows different chromophores to intercalate in the base stack while facilitating the synthesis of the corresponding phosphoramidites.…”

“…We showed that this linker allows different chromophores to intercalate in the base stack while facilitating the synthesis of the corresponding phosphoramidites. [27][28][29][30] The S configuration of this linker was chosen to mimic the stereochemical situation at the 3'-position of natural 2'-deoxyribofuranosides. [31][32][33] All synthesized duplexes (DNA1-DNA7) contain palindromic sequences to ensure quantitative duplex formation in the samples for spectroscopic measurements (Scheme 1).…”

“…[28] The PB dimer that is formed in an interstrand mode can be regarded as a hydrophobically interacting "diagonal" base pair with a fluorescence readout signal for the pairing interaction. The intrastrand PB dimer as a clamp around a questionable site of base mismatches or base deletions allows the detection and quantification of the amount of matched counterstrand.…”

Electron Hopping among Cofacially Stacked Perylenediimides Assembled by Using DNA Hairpins

“…Perylenediimides (PDIs), which have the advantages of strong absorptivity, high fluorescence quantum yields, high photochemical and thermal stability, strong hydrophobic p-p stacking interactions, and semiconducting properties, have been incorporated in a variety of structures. [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16] Recently, Wagner and Wagenknecht [10] reported the preparation of a PDI derivative, P (Figure 1), which is readily incorporated into an oligonucleotide and serves as a base-pair surrogate when located opposite an abasic site in a duplex structure. The incorporation of P in opposite complementary oligonucleotides has been shown to result in the formation of stable duplexes in which the P units are located in a zipperlike fashion within the hydrophobic interior of the resulting duplex.…”

“…[5,17] The stacking of P units within the duplex resulted in an excimer-like state following photoexcitation. [16] We report herein the results of our investigation of intramolecular electron hopping within a series of synthetic DNA hairpins 1-4 (Figure 1). These hairpins possess compact 3'-CCA loop regions connecting poly(T)-poly(A) stems containing a single P moiety located opposite an abasic site (1), two P moieties located opposite abasic sites and attached either to the same strand (in 2 s) or to opposite strands (in 2 o), or three or four P moieties positioned adjacent to one another but on opposite strands in a zipperlike fashion (in 3 and 4).…”