Synthesis of DNA with Phenanthridinium as an Artificial DNA Base

Huber, Robert; Amann, Nicole; Wagenknecht, Hans‐Achim

doi:10.1021/jo0355404

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“…[ [14,17,18] Deswegen kann das PB-Dimer in DNA als hydrophob und diagonal wechselwirkendes Basenpaar angesehen werden, ähnlich denen von Leumann et al [20] und Häner et al [19] Im Unterschied zu diesen publizierten Beispielen weist das PB-Basenpaar ein charakteristisches Absorptionsund Fluoreszenzsignal auf, das die Baseninteraktion anzeigt.…”

Section: Abbildung 1 Temperaturabhängige Fluoreszenzspektren Von Dna1unclassified

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

Baumstark

Wagenknecht

2008

Angewandte Chemie

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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.

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Section: Abbildung 1 Temperaturabhängige Fluoreszenzspektren Von Dna1unclassified

“…[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.…”

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

Baumstark

Wagenknecht

2008

Angewandte Chemie

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“…[21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33] Usually, cyanine dyes or other DNA stains [34,35] have been linked to nucleic acids by means of a flexible tether. Previous work by ourselves and others has shown that the tether plays an important role as far as the responsiveness of fluorescence and the stability of probe-target duplexes are concerned.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Exploring Base‐Pair‐Specific Optical Properties of the DNA Stain Thiazole Orange

Jarikote

Krebs

Tannert

et al. 2006

Chemistry A European J

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Double‐stranded DNA offers multiple binding sites to DNA stains. Measurements of noncovalently bound dye–nucleic acid complexes are, necessarily, measurements of an ensemble of chromophores. Thus, it is difficult to assign fluorescence properties to base‐pair‐specific binding modes of cyanine dyes or, vice versa, to obtain information about the local environment of cyanines in nucleic acids by using optical spectroscopy. The feasibility to stain DNA and simultaneously probe local perturbations by optical spectroscopy would be a valuable asset to nucleic acid research. So‐called FIT probes (forced intercalation probes) were used to pinpoint the location of the DNA stain thiazole orange (TO) in PNA⋅DNA duplexes. A detailed analysis of the base‐pair dependence of optical properties is provided and enforced binding of TO is compared with “classical” binding of free TO‐PRO1. UV‐visible absorbance, circular dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy, and melting‐curve analyses confirmed site‐specific TO intercalation. Thiazole orange exhibited base‐specific responses that are not observed in noncovalent dye–nucleic acid complexes, such as an extraordinary dependence of the TO extinction coefficient (±60 % variation of the averaged εmax of 57 000 M−1 cm−1) on nearest‐neighbor base pairs. TO signals hybridization, as shown by increases in the steady‐state fluorescence emission. Studies of TO fluorescence lifetimes in FIT–PNA and in DNA⋅DNA and PNA⋅DNA complexes highlighted four different fluorescence‐decay processes that may be closed or opened in response to matched or single‐mismatched hybridization. A very fast decay process (0.04–0.07 ns) and a slow decay process (2.33–3.95 ns) provide reliable monitors of hybridization, and the opening of a fast decay channel (0.22–0.48 ns) that resulted in an attenuation of the fluorescence emission is observed upon the formation of mismatched base pairs.

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“…In principle, organic chromophores like E can be synthetically incorporated as charge donors into oligonucleotides either by covalent attachment to natural DNA bases or by replacing natural bases or even base pairs (24). Recently, we reported the successful synthetic procedure for DNA duplexes bearing the phenanthridinium heterocycle of E as a base pair surrogate (25,26). Then, we applied the emission of the photoexcited E in combination with oxidative hole transfer (HT) to detect single base pair mismatches in duplex DNA (27).…”

mentioning

confidence: 99%

Base pair motions control the rates and distance dependencies of reductive and oxidative DNA charge transfer

Valis

Wang

Raytchev

et al. 2006

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

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In 1999, Wan et al. [Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 6014 -6019] published a pioneering paper that established the entanglement between DNA base pair motions and the transfer time of the charge carrier. The DNA assemblies contained an ethidium covalently bound via a flexible alkyl chain to the 5 hydroxyl group of the DNA backbone. Although covalently attached, the loose way in which the ethidium was linked to DNA allowed for large degrees of conformational freedom and thus raised some concern with respect to conformational inhomogeneity. In this letter, we report studies on a different set of ethidium DNA conjugates. In contrast to the ''Caltech systems,'' these conjugates contain ethidium tightly incorporated (as a base pair surrogate) into the DNA base stack, opposite to an abasic site analog. Despite the tight binding, we found that charge transfer from the photoexcited ethidium base pair surrogate across two or more base pairs is several orders of magnitude slower than in case of the DNA systems bearing the tethered ethidium. To further broaden the scope of this account, we compared (oxidative) electron hole transfer and (reductive) electron transfer using the same ethidium chromophore as a charge donor in combination with two different charge acceptors. We found that both electron and hole transfer are characterized by similar rates and distance dependencies. The results demonstrate the importance of nuclear motions and conformational flexibility and underline the presence of a base gating mechanism, which appears to be generic to electronic transfer processes through -stacked nucleic acids.conformational gating ͉ electron transfer ͉ ultrafast spectroscopy ͉ hole transfer O ver the last decade, there were many conf licting reports on the electronic conduction properties of DNA (1-4). From the multitude of studies in various laboratories, it has emerged that DNA must be understood as a dynamic medium with nuclear f luctuations, which extend over many time scales (5-11). Since the first femtosecond time-resolved experiments on ethidium (E) nucleotide complexes were reported (12), it has become clear that charge transfer through the base stack cannot be reduced to a static ''donor-bridge-acceptor'' problem. Several studies followed that highlighted the importance of conformational gating for electronic transfer processes in DNA (6 -11, 13) and peptides (14). The work presented here was motivated and inspired by the first publication on real-time DNA charge-transfer dynamics with photoexcited E in 1999 (5). The DNA systems investigated by the California Institute of Technology (Caltech) group contained E as chromophore that has been covalently attached to the 5Ј terminal hydroxyl group of one of the oligonucleotides (15). Femtosecond anisotropy measurements revealed that the f lexible alkyl chain linker warranted site-specific intercalation (within an error of 1 bp distance) without significantly restraining the orientational motions of E within the base stack (5).In most previous experiments, E has been used as...

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Synthesis of DNA with Phenanthridinium as an Artificial DNA Base

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

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

Exploring Base‐Pair‐Specific Optical Properties of the DNA Stain Thiazole Orange

Base pair motions control the rates and distance dependencies of reductive and oxidative DNA charge transfer

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