Was ist ein Oligonukleotid?
Ein Oligonukleotid ist eine kurze Kette von DNA- oder RNA-Molekülen, die in der Molekularbiologie und Medizin vielfältig eingesetzt werden kann. Es wird als Sonde zum Screening auf Krankheiten und Virusinfektionen sowie zur Identifizierung von Genen in molekularbiologischen Experimenten verwendet. Es wird auch als Primer in einer Art DNA-Sequenzierung verwendet.
Um ein Oligonukleotid zu verstehen, ist es hilfreich, die Struktur der DNA zu verstehen. DNA-Moleküle sind sehr lange Spulen aus zwei Strängen, die aus vier verschiedenen Nukleotid-Baseneinheiten bestehen und in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sind. Jede Einheit hat eine komplementäre Base, die sie bindet, so dass jeder Strang eine entgegengesetzte Menge von Basen hat, die ihn binden. Diese Basen können eine Vielzahl verschiedener Kombinationen bilden, und es ist die Kombination von Basen, die den genetischen Code ergibt. DNA wird transkribiert, um Messenger-RNA (mRNA) zu produzieren, die dann übersetzt wird, um Proteine zu produzieren.
Oligonukleotide werden anhand ihrer Kettenlänge identifiziert. Beispielsweise würde ein Oligonukleotid, das zehn Nukleotidbasen lang ist, ein Zehn-Mer genannt . Sie werden im Allgemeinen chemisch synthetisiert und die Art der Synthese begrenzt die Kettenlänge auf weniger als 60 Basen.
Bei einer Art DNA-Sequenzierung, die als Didesoxy-Sequenzierung bekannt ist , werden Oligonukleotide als Primer verwendet, so dass das Enzym, das die DNA herstellt, eine Matrize hat, aus der gearbeitet werden kann. Es wird einzelsträngige DNA verwendet und ein zum DNA-Strang komplementäres Oligonukleotid wird unter Verwendung einer automatisierten Maschine synthetisiert. Die DNA-Polymerase, die die DNA synthetisiert, fügt sich weiter an den Primer an und synthetisiert den gegenüberliegenden DNA-Strang. Diese Reaktion erzeugt doppelsträngige DNA.
Eine neuere Verwendung von Oligonukleotiden als Primer ist die Polymerasekettenreaktion (PCR), die zur Amplifikation kleiner DNA-Fragmente verwendet wird. Diese Technik kann sehr praktisch eingesetzt werden, z. B. in der Forensik und bei Vaterschaftstests. Es hat auch die Forschung in der Medizin und den Biowissenschaften revolutioniert, da es häufig in gentechnischen Experimenten eingesetzt wird.
Eine Reihe von Oligonukleotidsonden wird häufig verwendet, um Gene aus einer Bibliothek von Genen oder komplementären DNAs (cDNAs) zu isolieren. cDNA-Bibliotheken bestehen aus doppelsträngiger DNA, wobei ein Strang von einem mRNA-Strang abgeleitet ist und der andere dazu komplementär ist. Solche Bibliotheken haben den Vorteil, dass sie nicht die Lücken aufweisen, die häufig in Genen höherer Organismen zu finden sind.
Die Struktur von Genen aus vielen Organismen ist aufgrund von Sequenzierungsprojekten bekannt und öffentlich zugänglich. Wenn man ein Gen aus einem anderen Organismus klonen möchte, kann man sehen, was über das Gen in anderen Organismen bekannt ist, und Sonden entwerfen, die auf gemeinsamen Bereichen in diesen Sequenzen basieren. Die Forscher lassen dann eine Reihe von Oligonukleotidsonden synthetisieren, die mögliche Variationen im gemeinsamen Bereich berücksichtigen. Sie durchsuchen die Bibliothek mit diesen Sonden und suchen nach Oligonukleotiden, die binden. Auf diese Weise wurden viele Gene identifiziert.
Ein Antisense-Oligonukleotid enthält einen einzelnen RNA- oder DNA-Strang, der das Komplement einer interessierenden Sequenz ist. Sobald ein bestimmtes Gen, das für ein Protein kodiert, kloniert wurde, wird häufig Antisense-RNA verwendet, um seine Expression durch Bindung an die mRNA zu blockieren, die es synthetisieren würde. Auf diese Weise können Forscher die Auswirkungen auf den Organismus bestimmen, wenn dieses Protein nicht produziert wird. Antisense-Oligonukleotide werden auch als neuartige Arten von Arzneimitteln entwickelt, um toxische RNAs zu blockieren.
Microarray-Chips waren ein weiterer Bereich, in dem Oligonukleotide von großem Nutzen waren. Hierbei handelt es sich um Objektträger oder eine andere Matrix mit Spots, die Tausende verschiedener DNA-Sonden enthalten - in diesem Fall aus Oligonukleotiden. Sie sind eine sehr effiziente Methode, um Veränderungen in einer Reihe verschiedener Gene gleichzeitig zu testen. Die DNA wird an eine Verbindung gebunden, die ihre Farbe ändert oder fluoresziert, wenn komplementäre DNA daran bindet, sodass die Flecken ihre Farbe ändern, wenn eine Reaktion mit der Test-DNA stattfindet.
Zu den Dingen, für die Oligonukleotid-Mikroarrays verwendet werden, gehört das Screening auf genetisch bedingte Krankheiten. Beispielsweise gibt es kleine Sonden, die die Aktivität der an Brustkrebs beteiligten Gene BRCA1 und BRCA2 darstellen . Es ist möglich herauszufinden, ob eine Frau eine Mutation in einem dieser Gene hat, und diese weiter zu analysieren, um festzustellen, ob sie für Brustkrebs prädispositioniert ist.
Es gibt einen Microarray namens ViroChip , der Sonden für etwa 20.000 Gene verschiedener pathogener Viren enthält, die sequenziert wurden. Mit dem Chip können Körpersekrete wie Schleim analysiert werden, mit denen häufig festgestellt werden kann, mit welcher Art von Virus eine Person infiziert ist. Das Erkennen von Virusinfektionen kann recht schwierig sein, da die Symptome bei verschiedenen Virustypen häufig ähnlich sind.