寡核苷酸合成中的官能团保护及脱保护

　　核酸的人工合成是生物化学中的重要技术，目前为止已经积累了不少的技术经验^1）。 针对核酸的高效合成，官能团的适当保护和脱保护是必不可少的。将核酸合成研究的历史说成是保护基的研发历史也不为过,即便现在,也无法改变保护基团的选择极大的左右着核酸合成这一事实。本回我们来介绍一下关于核酸的保护基。

◆核酸合成策略

肽/糖链/核酸这三种活性高分子的结构是完全不相同的,但是它们之间的人工合成的基本策略有许多共通点,总结如下:

（1）准备适当保护的单体

（2）反应点进行脱保护

（3）接下来让单体进行结合

（4）根据需要多次重复（2）和（3）的步骤

（5）全体进行脱保护

　　肽的侧链具有多种官能团，糖链具有复杂的立体结构，多数羟基必须分开保护，与它们相比，核酸的保护相当简单。然而，要使其成为通用的方法，仍需要付出很多努力。

　　在核酸合成中，被保护的官能团是核酸碱基的氨基和糖基的羟基。即这两者的脱离条件是正交试验-也就是说，一个在脱离条件下另一个是稳定状态的，反之亦然。 下面将介绍保护基合成的常用方法。

◆核酸碱基的保护基

　　为了避免腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的氨基在核酸链延长反应时引起副反应，有必要对其进行保护。胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）不含反应的官能团，没有必要进行保护。

 

图1. 5种核酸碱基的结构上，用○标记了需要被保护的氨基

 

　　通常用作这些氨基保护基的是酰基如苯甲酰基（Bz），乙酰基（Ac），异丁酰基等。其中，苯甲酰基经常被使用。 它在酸处理和碱性水解条件下相当稳定，即使在核苷酸（或脱氧核苷酸，以下同理）链延长反应中也不会发生裂解或副反应。

　　近年来，在市面上有售各种被保护的核苷, 因此被普遍使用。但是，如果想合成特殊的核酸，自制保护核苷是十分必要的。

　　为了引入保护基团，经常使用两步反应。 也就是说，在碱基的存在下，将过量的酰氯加到待保护的核苷中，将核酸碱基的氨基和糖基的羟基一起进行酰化反应。此后，用碱性水溶液切断酯基，从而得到氨基酰化的衍生物。

图2. 氨基保护示例

 

　　还有通过五氟苯基苯甲酸酯与胞苷的一步反应法使核酸碱基苯甲酸酯化^2）。

图3. 用活化酯进行苯甲酰化

 

　　这些酰基在合成的最终阶段全部进行脱保护。在许多情况下，用浓氨水在50℃处理约5小时，可切断酰基。然而，在用异丁酰基保护鸟嘌呤的氨基的情况下，出现明显的抵抗情况。在这种情况下，可以使用比氨水更快进行切断的二甲基甲酰胺基（DMF）作为保护基^3）。导入是通过在室温条件下搅拌加入过量的二甲基甲酰胺二乙基缩醛到二甲基甲酰胺（DMF）中。

图4. 鸟嘌呤的DMF保护基

 

　　如果预计脱保护很困难，则使用称为“超温和保护基”的乙酰基（Ac），苯氧乙酰基（Pac），4-异丙基苯氧乙酰基（iPrPac）等。导入方法与上述酰化作用相同。 这些可以用33％氨水和40％甲胺的混合溶液在室温下进行脱保护^4）。但是，使用超温和保护基保护的化合物，注意避免在溶液状态下长期储存时出现缓慢分解的状况。

图5. 超温和保护基（从左至右: 乙酰基，苯氧乙酰基， 4-异丙基苯氧乙酰基）

 

◆糖基的保护基

　　DNA的脱氧核糖在3'和5'这两个位点具有羟基，RNA的核糖在2'，3'和5'这三个位点具有羟基。 但是，在通常合成方法中，由于3'位点是反应点，因此不进行保护。

　　在多数情况下，4,4'-二甲氧基三苯基甲基（俗称4,4'-二甲氧基三苯甲基，DMTr）用于保护5'位的羟基。 由于三苯甲基阳离子被两个甲氧基团稳定，通过弱酸处理容易被切断。另由于它非常庞大，可以选择性地保护5'位的一级羟基。

图6. 4,4'-二甲氧基三苯甲基（DMTr）

 

　　DMTr基团的导入是通过氨基保护的核苷与4,4'-二甲氧基三苯基甲基氯化物（DMTr-Cl）在碱性条件下反应。二级的2'位和3'位的羟基有区别，仅可以保护5'位羟基。

图７.5'位的保护

 

　　DMTr基团的脱保护是通过用2～3％二氯乙酸或三氯乙酸在二氯甲烷溶液中处理几分钟来完成。由于切断后产生的二甲氧基三苯甲基基团的阳离子显示橙色，所以反应进程可以用肉眼确认。为达到合成RNA的目的，必须保护2'位羟基。 为此，会经常使用叔丁基二甲基甲硅烷基（TBDMS）^5）。对于核酸碱基的氨基以及在5'位具有保护羟基的核苷，加入1当量的TBDMS-C1来进行反应合成。但是，在这种情况下，也会产生3'位甲硅烷基化，因此两者需要通过硅胶柱色谱法进行仔细分离。

图8.TBDMS基的保护

 

　　三异丙基甲硅烷氧基甲基（TOM）也用于2'位的保护。 TBDMS和TOM基均可通过用氟化物离子如四丁基氟化铵（TBAF）等处理进行脱保护。

图9. 三异丙基甲硅烷氧基甲基（TOM）

 

　　下回，我们将对核苷酸链延长反应的实际情况进行介绍。

参考文献:

1）  核酸合成全般の総説：

　　a）Reese, C. B. : Org. Biomol. Chem., 3, 3851（ 2005）.；

　　b）日本化学会 編：実験化学講座　第5版16巻「有機化合物の合成IVカルボン酸・アミノ酸・ペプチド」（丸善）．

2）  Igolen, J. and Morin, C. : J. Org. Chem., 45, 4802 （1980）.

3）  McBride, L. J. et al. : J. Am. Chem. Soc., 108, 2040 （1986）.

4）  Reddy, M. P. et al. : Nucleosides Nucleotides, 16, 1589 （2006）.

5）  Usman, N. et al. : J. Am. Chem. Soc., 109, 7845 （1987）.