偶氮苯修饰的核酸对生物体内基因表达的可逆光调控

The precise control of gene expression is essential for the regulation of many important cellular and organismal functions. We have designed an efficient azo-type regulator for nucleic acid using 4,4’-bis(hydroxymethyl)-azobenzene, which was able to reversibly control the stability of the whole hairpin structure and the degradation of the target RNA via UV or visible light irradiation. Here, In order to explore an oligonucleotide photoswitch that is suitable for applications in biosystems, a series of ortho-substitued azobenzene compounds will be designed, synthesized and further placed in the loop of hairpin DNA. The azobenzene-modified hairpins will be screened based on analysis of performance including wavelength tuning, stability of cis-isomer, glutathione-mediated reduction and photoconversion. The azobenzene derivative will be inserted between an asODN and a short inhibitory sense strand, forming a dumbbell oligonucleotide. Photomodulation of GFP expression in cell will be investigated using azobenzene linked dumbbell asODNs. Furthermore, the strategy will be applied to control the expression period of gene in zebrafish embryo.

精确调控基因表达对于调控许多重要的生物体功能具有重要的意义。我们已经使用4,4’-羟甲基偶氮苯设计合成了一种有效的偶氮苯核酸开关，在紫外和可见光照射下，其能够可逆调控整个发夹DNA的稳定性及靶向RNA的降解。为了开发一类适用于生物体的核酸开关，本项目拟设计和合成一系列邻位取代的偶氮苯类化合物，并将其置于发夹DNA的环状位置.通过分析这些偶氮苯修饰的发夹DNA中偶氮苯异构化的光照波长的调节、顺式偶氮苯的热稳定性、耐谷胱甘肽还原的能力及异构化效率，筛选适用于生物体系的偶氮苯修饰的核酸开关。然后，将筛选出的邻位取代的偶氮苯衍生物作为连接单元引入到反义寡核苷酸的两端，且末端引入短链，形成哑铃型核酸。以此研究偶氮苯修饰的哑铃型核酸对细胞内GFP基因表达的光控制，而且通过这种策略对斑马鱼胚胎发育的基因表达的时间进行精确调控。

特异性调控基因表达对基因功能的研究和新疗法的探索有着重要的意义。本项目利用偶氮苯分子设计合成了有效的核酸开关，并构建了“智能”的偶氮苯-核酸体系，研究了偶氮苯-核酸体系在生物模型及细胞环境中对核酸功能的可逆调控。项目研究结果具体包括：1）设计合成了一系列偶氮苯衍生物，将其置于发夹DNA的环状位置形成光敏感发夹开关，通过分析这些偶氮苯异构化的光照波长的调节、顺式偶氮苯的热稳定性、耐谷胱甘肽还原的能力及异构化效率，筛选出了适用于生物体系的核酸开关。2）利用偶氮苯衍生物构建了不同类型的“智能”的偶氮苯-核酸体系，包括光敏感哑铃型核酸、核酸适配体等，实现了对DNA聚合酶、凝血酶、DNA切割酶活性的可逆调控，也进行了生物体内基因编辑的可逆调控以及逻辑门的控制的研究，还研究了纳米结构的调控和免疫细胞特异性识别的调控。通过实现在空间和浓度上核酸功能的特异性控制，为解决生物体内基因功能研究和发展新疗法提供新型的策略。