Brevet FR2682112A1 — publié le 19930409

Procédé de synthèse d'acide ribonucLéique La présente invention a pour objet un procédé de synthèse d'acide ribonucléique (ARN) utiLisant un réactif de déprotection qui permet d'obtenir rapidement une déprotection totale des groupes hydroxyles en 2' de l'ARN. Depuis quelques années, les procédés de synthèse de fragments d'acide ribonucléique se sont développés énormément en raison de l'intérêt croissant porté à L'ARN qui joue un rôle important dans de nombreux processus cellulaires. Ces procédés de synthèse qui sont proches des procédés de synthèse de L'acide désoxyribonucléi- que -(ADN), ont été décrits par exemple par Ogilvie et al dans Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 85, p. 5764--5768, Août 1988 et par Gasparutto et al dans Nucléosides & Nucléotides 9(8), p. 1087-1098, 1990. Pour cette synthèse, on part de ribonucleo- sides dont l'hydroxyle en 2' est protégé par un groupement approprié et qui comportent par ailleurs des groupements convenant à la synthèse nucleotidi- que, et on condense successivement ces dérives de nucléosides pour former l'acide ribonucléique. Ainsi, Ogilvie et al dans le document précité, ont utilise des dérivés de ribonucLeosides dans lesquels les groupements hydroxyles en 2' sont protégés par Le radical t-butyl-dimethylsilyle. Après couplage de tous Les nucléosides, on obtient donc un acide ribonucléique dont Les hydroxyles en 2' sont protégés. Par conséquent, il convient de réaliser en fin d'opération un traitement de déprotection pour éliminer ces groupements protecteurs des hydroxyles en 2'. Jusqu'à présent, on a réalisé cette depro- tection en utilisant comme réactif de déprotection du fluorure de tétrabutylammonium dans le tétrahydrofurane comme il est décrit dans Glen Research Report, vol. 4, n01, mars 1991, RNA Synthesis - Problems in Deprotection. La déprotection de la fonction hydroxyle en 2' d'un nucléoside ou d'un nucleotid-e libre portant en 2' une fonction tertio-butyl dimetylsilyle (TBDMS) s'effectue dans le fluorure de tetrabutylammonium en quelques minutes. Elle est beaucoup plus difficile dans le cas d'un oligonucleotide portant t-butyldimethylsilyle en 2' : elle nécessite des heures (voir fig. 3, courbe 5).On a constaté que dans le cas de fragments d'ARN de grande longueur, par exemple de plus de 25 bases, la déprotection des groupes hydroxyles n'est pas complète avec ce réactif car il y a effectivement au moins 1 à 2% de groupes hydroxyles non déprotegés par unité de base, c'est-à-dire que chaque molécule d'ARN possède au moins un hydroxyle non deprotége, ce qui peut nuire à l'activité biologique de l'ARN comme l'indique d'ailleurs Ogilvie. La présente invention a precisement pour objet un procédé de synthèse d'acide ribonucléique (ARN) qui permet d'obtenir totalement et rapidement la déprotection totale des groupes hydroxyles en 2' de L'acide ribonucléique synthetise. Ce procédé consiste a)à condenser successivement sur un premier nucléoside de formule dans laquelle R1 est un radical dérive d'une base pyrimidique ou purique choisi parmi les radicaux de formule dans Lesquelles R5 est H ou CH3, et R6, R7 et R8 sont des atomes d'hydrogène ou un groupe acyle protecteur d'un groupement NH2 exocyclique, R2 est un radical labile en milieu acide adapté à la synthèse nucleotidique, R3 est un support solide, et R4 est un radical trialkylsilyle, un ou plusieurs nucléosides identiques ou différents répondant à la formule (I) dans laquelle R1, R2 et R4 ont la signification donnée ci-dessus et R3 est un radical phosphoré adapté à la synthèse nucleotidique, pour former un acide ribonucléique synthétique dont tous les groupements hydroxyles en 2' sont protégés par R4, et b) à déprotéger tous les hydroxyles en 2' par traitement de L'acide ribonucléique ainsi synthétisé avec un réactif de déprotection répondant à la formule dans laquelle R9 représente un radical alkyle, linéaire ou ramifié en C1 à C10, R10 et R11 qui peuvent être identiques ou différents, représentent H ou un radical alkyle, Linéaire ou ramifié, en C1 à C10, identique ou différent de R9, et n est un nombre allant de 1 à 3, entier ou non. Dans ce procédé, on réalise les cycles successifs de condensation pour coupler les différents nucléosides entre eux en utilisant des méthodes classiques, c'est-à-dire les protocoles et les réactifs chimiques prescrits par les fournisseurs de synthétiseurs d'ARN. Dans ce but, le nucléoside de formule (I) utilisé pour chaque couplage comprend des radicaux R2 et R3 appropriés à la synthèse nucleotidique et un groupement R1 qui dépend de la base utilisée. Lorsque cette base comporte un groupement NH2 exocyclique, celui-ci est protégé par les groupes protecteurs appropriés utilisés généralement pour la synthèse nucleotidique. Des groupes protecteurs appropries sont les groupes acyle décrits par exemple dans les documents suivants : US-A- 4 980 460, Koster et al, Tetrahedron, vol. 37, p. 363-369, 1981 ; Wu et al, Nucleic Acids Research, vol. 17, 9, 1989, p. 3501-3517. De préférence, dans L'invention, lorsque la base est L'adénine ou la guanine, on utilise comme groupe protecteur Le groupe phénoxyacétyle, c'est-à-dire que R7 et R8 dans les formuLes précitées sont de preference le groupe phenoxyacétyle. Lorsque la base est la cytosine, on utilise de préférence comme groupe protecteur, le groupement acyle, c'est-à-dire que R6 dans la formule précitée représente un groupement acyle. On peut aussi utiliser dans ce cas le groupement isobutyryle ou propionyle. Pour R2, les radicaux labiles en milieu acide susceptibles de convenir sont par exemple - les radicaux tri type répondant à la formule dans laquelle R12, R13 et R14 qui peuvent être identiques ou différents, representent un atome d'hydrogène, un radical alkyle ou un radical alkoxy, par exemple le radical monométhoxytrityle, diméthoxytrityle, - les radicaux pixyle, et - les radicaux phenyl-9 xanthenyle. Pour R3, Les radicaux phosphores susceptibles d'être utilisés peuvent être par exemple les radicaux de formule : dans lesquelles R15 R16, R17 R18 et R19 sont des radicaux alkyle, linéaires ou ramifiés. De préférence, dans Le procédé de l'invention, on utilise pour R3 des groupements phosphoramidites de formule : dans laquelle R15 et R16 qui sont identiques ou différents, sont des radicaux alkyle en C1 à C4. A titre d'exemple, R15 peut être le radical méthyle et R16 le radical éthyle, ou R15 et R16 peuvent être tous deux des radicaux isopropyle. L'emploi des radicaux méthyle et éthyle pour R15 et R16 est très intéressant car on obtient avec ceux-ci un couplage rapide des nucléotides (formation de la liaison internucleotidique en 3 minutes) avec un excellent rendement ( 98%) et moins de réactions parasites. De plus, l'utilisation de ces radicaux avec Le groupe protecteur t-butyl diméthylsilyle en 2' conduit à des dérivés de nucléosides stables ayant une réactivité excellente pour la synthèse d'ARN, alors que ces radicaux éthyle et méthyle donnent des dérivés très instables pour la synthèse d'ADN. Selon le procédé de ' l'invention, aprèsavoir réalisé les cycles successifs de condensation des nucléosides, on soumet l'acide ribonucléique synthétique dont tous les hydroxyle en 2' sont protégés à un traitement de déprotection en utilisant comme réactif de déprotection, le réactif répondant à la formule dans laquelle R9 représente un radical alkyle, linéaire ou ramifié, en C1 à C10, R10 et R11 qui peuvent être identique ou différents, représentent H ou un radical alkyle, linéaire ou ramifié, en C1 à C10, identiques ou différent de R9, et n est un nombre allant de 1 à 3, entier ou non. A titre d'exemples de tels réactifs, on peut citer N(C2H5)3, 3HF ; N(CH3)3, 2HF ; (CH3)2NH, HF ; isopropylamine, HF ; isopropylamine, 1,8 HF ; diisopropylamine, 2 HF et diisopropylamine, 3 HF. De préférence, dans L'invention, on utilise le réactif de déprotection répondant à La formule : N(C2Hs)3, 3HF Ce réactif -connu a été utilisé jusqu'à présent comme réactif de fluoration des hydrates de carbone. Selon L'invention, L'emploi de ce réactif pour la déprotection des hydroxyles en 2' de l'acide ribonucleique est très intéressant car il permet d'obtenir une déprotection totale d'un acide ribonucléique de très grande longueur en une dizaine d'heures. Par ailleurs, il peut être utilise pur et être ensuite éliminé facilement par simple évaporation. Généralement, on réalise ce traitement de déprotection à la température ambiante, pendant des durées allant de 2 à 20h. On peut aussi utiliser ce réactif dilué dans un solvant organique, par exemple dans de l'acétonitrile. D'autres caracteristiques et avantages de L'invention apparaitront mieux à la lecture des exemples suivants donnés bien entendu à titre ilLustratif et non limitatif, en référence au dessin annexe sur lequel - la figure 1 représente L'ARN de transfert prépare dans L'exemple 1, - la figure 2 représente Les phosphoramidites de ribonucleosides utilisés pour la synthèse de L'ARN de transfert de l'exemple 1, - la figure 3 est un diagramme représentant en fonction du temps (en h) le pourcentage de dépro- tection d'un oligonucléotide de 42 bases, par diffe- rents réactifs de déprotection. Les figures 4 à 9 sont des chromatogrammes d'oligonucléotides obtenus lors d'une chromatographie Liquide à haute performance. Exemple 1: Synthèse de L'acide ribonuclé-ique de transfert t-ARN de L'alanine de E. col; K12^ Cet ARN de transfert est illustré sur la figure 1. Pour réaliser cette synthèse, on a utiliséles phosphoramidites de ribonucleosides protégés, représenté-s sur la figure 2. Sur cette figure DMt représente le groupement diméthoxytrityle et BP represente la base purique ou pyrimidique, eventuel- lement protégée. Dans le cas où la base est l'adénine ou la guanine, son groupement NH2 exocyclique est protégé par le groupe phenoxyacétyle, lorsqu'il s'agit de la cytosine, le groupement NH2 exocyclique est protégé par le groupe acétyle. La base BP peut être aussi l'uracile, la thymine, la 5,6 dihydrouracile, et la pseudouracile. On réalise les etapes successives de condensation des nucléosides avec un synthétiseur. en utilisant l'anhydride phénoxyacétique comme réactif de blocage (capping). La synthèse est réalisée en phase solide à une échelle de 0,2 mol, en utilisant un support de gel de silice à dimensions de pores controlé-es. Chaque cycle de condensation comporte les étapes suivantes - détritylation : acide trichloracétique à 2% dans CH2Cl2 pendant 1min30, - lavage : CH3CN pendant 2min, - condensation : dérive de nucléoside + agent d'activation dans CH3CN anhydre pendant 3min, - masquage des fonctions hydroxyles n'ayant pas réagi pour stopper l'elongation des chaînes incomplètes : mélange d'anhydride phenoxyacétique et de methyl-1 imidazole dans CH3CN anhydre pendant Imin, - oxydation : iode à 0,45% dans tetrahydrofurane/eau/lutidine (89,5/10/0,5) pendant 45 secondes, - lavage : CH3CN pendant 1min30s. Dans chaque cyle, on utilise 45 équivalents de nucléoside. En fin d'opération, on libère L'oligonucléotide du support et on hydrolyse le groupe cyanoéthyle par traitement au moyen d'un mélange d'éthanol et d'une solution aqueuse d'ammoniaque concentrée (ammoniaque 28% : éthanol, 3/1 en volume) pendant 2h à la température ambiante. On chauffe ensuite L'oligonucléotide à 550C pendant 1h pour éliminer les groupes protecteurs des groupes NH2 exocycliques des bases, puis on évapore la solution sous vide et on maintient le résidu à la température ambiante dans 300ut du réactif de déprotection N(C2H5)3, 3HF pur (TEA, 3HF) pendant 16h. On évapore ensuite la phase Liquide à sec et on dessale Le mélange de produits, puis on purifie L'acide ribonucléique synthétique obtenu par électrophorèse sur gel de polyacrylamide à 15% (1,5mu d'épaisseur). On vérifie ensuite, après marquage des extrémités OH en 3' ou en 5' par du phosphore 32, que l'acide ribonucléique obtenu correspond bien à L'ARN de la figure 1, en réalisant un séquençage par des procédés de dégradation enzymatique. Dans tous les cas, la structure de L'acide ribonucléique de transfert est en accord avec la séquence donnée sur la figure 1. On vérifie encore la structure de L'acide ribonucléique synthétique ainsi obtenu, en réaLisant sur une petite quantité de cet ARN une hybridation de son extrémité 3' avec un oligodésoxynucléotide complémentaire d'une longueur de 16 bases et copie avec la transcriptase inverse. Après amplification PCR, les deux chaînes d'ADN peuvent être séquencées et elles correspondent parfaitement à la séquence attendue. Exemple 2. Dans cet exemple, on évalue précisément Le taux de déprotection de L'invention sur un oligonucléotide dT21rUdT20, servant de modèle, qui est un oligonucléotide comportant une channe d'ADN dans laquelle est inclus un seul ribonucléotide rU protégé par un groupe tertiobutyl diméthylsilyle. Pour synthétiser cet oligonucléotide dT21rUdT20, on suit le -même mode opératoire que dans L'exemple 1, sauf que l'on utilise comme nucléosides de départ Le composé de la figure 2 dans lequel BP représente la thymine et dans lequel est remplacé par H, et le composé de la figure 2 dans lequel BP représente L'uracile. Après synthèse, on réalise la déprotection pendant des durées différentes, et après chaque traitement de déprotection, on détermine Le taux de déprotection en séparant te produit obtenu sur une colonne C18 à phase inversée, ce qui permet de séparer les fragments complètement déprotégés de Leurs homologues portant encore le groupement tertiobutyl diméthylsilyle. Les résultats obtenus sont représentés par la courbe (1) de la figure 3. Sur cette figure, on voit que L'on obtient un taux de déprotection de 100% en 4h. Exemple 3. On suit le même mode opératoire que dans L'exemple 2 pour préparer L'oligonucléotide dT21 rU-dT20 mais on réalise la déprotection en utilisant un mélange du réactif de l'invention (TEA, 3HF) et d'acétonitrile avec un rapport en volume de 1/1. Les résultats obtenus sont représentés par la courbe 2 de la figure 3. Sur cette figure, on voit que le fait de diluer le réactif de déprotection de l'invention par l'acétonitrile, permet d'obtenir une déprotection complète au bout de 8h. ExempLe comparatif 1. Dans cet exemple, on suit le même mode opératoire que dans l'exemple 2 pour préparer l'oligonucléotide dT21-rU-dT20 mais on réalise la déprotection en utilisant le réactif de déprotection de l'art antérieur, soit le fluorure de tétrabutylammonium tri hydraté, (TBAF, 3H2O) à 1mol/l dans du diméthylsulfoxyde. Les résultats obtenus sont représentés par la courbe 3 de la figure 3. Ainsi, avec le réactif de L'art antérieur, il faut 11h pour obtenir une déprotection totale. ExempLe comparatif 2. Dans cet exemple, on suit Le même mode opératoire que dans L'exemple 2 pour préparer L'oligonucléotide dT21-rU-dT20, mais on utilise pour la déprotection, une solution à Imolil de IBAF, 3H20 dans du diméthylformamide. Les résultats obtenus sont représentés par la courbe 4 de la figure 3. On remarque que dans ce cas, iL faut attendre 24h pour obtenir la déprotection totale. Exemple comparatif 3. Dans cet exemple, on suit le même mode opératoire que dans l'exemple 2 pour préparer l'oligonucléotide dT21-rU-dT20 et on réalise la déprotection en utilisant une solution à 1mol/l de TBAF, 3H20 dans du tétrahydrofurane (THF). Les résultats obtenus sont représentés par la courbe 5 de la figure 3. Au vu de cette figure, on remarque qu'il est impossible d'obtenir une déprotection totale avec le fluorure de tétrabutylammonium dans THF, qui est le réactif actuellement utilisé. ExempLe 4. Dans cet exemple, on suit Le même mode opératoire que dans l'exemple 1 pour préparer un oligonucléotide de 18 bases de long, ayant la séquence suivante : 5' UTUACUAUCUAUCUCCAA3' Après élimination des groupes protecteurs des groupes NH2 exocycliques des bases en milieu ammoniacal, on traite environ 40,ut soit 2 unités d'absorption à 260nm (20D) de L'oligonucléotide silylé dans un microtube Eppendorf par 60,ul du réactif de déprotection N(C2H5)3, 3HF (TEA, 3HF) pendant 20h à la température ambiante. On prélève des parties aliquotes du mélange réactionnel pour suivre L'évolution de la réaction, avant la réaction avec TEA, 3HF, après 4h de réaction et après 20h de réaction.Après prélèvement, on neutralise chaque partie aliquote par 4 volumes d'acétate de triéthyl ammonium TEAA (pH 7,0, 25mM), puis on l'analyse par chromatographie liquide à haute performance en échange d'ions en utilisant une colonne mono Q (LKB) et en éluant la colonne par un gradient de O à 1% KCl en 40min dans du tampon KH2P04, (pH 6,0). Dans le cas du prélèvement effectué après 20h de réaction, une partie de celui-ci est analysé comme les prélèvements précédents après neutralisation, et l'autre partie de celui-ci est dessalé, après neutralisation par TEAA, sur une colonne de Sephadex G25 (NAP 10 de Pharmacia), puis analysé par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) de la même façon. Le dessalage permet d'éliminer les pics parasites engendrés par le mélange TEA, 3HF. Les résultats obtenus sont donnés sur les figures 4 à 7. La figure 4 représente le chromatogramme obtenu au temps 0, soit avant réaction avec TEA3HF. La figure 5 représente le chromatogramme obtenu après 4h de réaction. La figure 6 représente le chromatogramme obtenu après 20h de réaction et La figure 7 représente le chromatogramme obtenu après 20h de réaction lorsqu'on soumet le produit prélevé à un dessalage. Dans tous les cas, on injecte 1gul de produit, sauf dans le cas de la figure 7 où L'on a injecté 2,5l du produit. Sur ces chromatogrammes, on remarque que l'oligonucléotide déprotégé apparat après 4h de réaction (chromatogrammes des figures 5, 6 et 7) pour un temps de rétention tR de 27min. Une déprotection poussée jusqu'à 20h n'amène qu'unie faible augmentation de rendement et l'on observe très peu de dégradations supplémentaires (v. fig. 6). Après dessalage (fig. 7), le produit dessalé montre la pureté de l'oligoribonucléotide brut ; les séquences incomplètes sont bien visibles sur le chromatogramme. Ainsi, l'oligonucléotide obtenu après déprotection suivie d'un dessalage est très pur et on obtient un rendement important. ExempLe 5. Dans cet exempLe, on vérifie que le produit TEA-3HF utilisé pour la déprotection ne dégrade pas les oLigoribonucléotides produits en étudiant la stabilité d'un ARN de transfert naturel en présence de TEA-3HF. A cet effet, on utilise l'ARN de transfert de E. Coli spécifique de la formyl-méthionine (Boehringer) qui contient de nombreuses bases modifiées telles que la 4-thiouridine, La 5-méthyluridine, la dihydrouridine, la pseudouridine, la 7-méthylguanosine et la 2'0-méthylcytidine. Pour tester la stabilité de cet ARNt, on introduit 40g d'ARNt (2 OD) dans 60pl de TEA3HF et on soumet à une forte agitation au moyen d'un vortex pendant 2h. On laisse ensuite Le produit dans ce milieu pendant 20h à la température ambiante, puis on neutralise par 4 volumes de TEAA, 25mu, pH 7,0 et on dessale ensuite le produit sur une colonne NAP-îO (Pharmacia). - On récupère 1,8 OD de ce produit (soit 90;s) puis on l'analyse par chromatographie Liquide à haute performance en échange d'ions comme dans l'exemple 4. La figure 8 représente le chromatogramme obtenu en injectant sur la colonne 0,025 OD. Sur La figure 9, on a représenté à titre comparatif Le chromatogramme obtenu avec le même ARNt naturel non traité lorsqu'on injecte sur une colonne identique 0,01 OD. En comparant ces deux chromatogrammes, on remarque que les temps de rétention sont strictement identiques et qu'aucun produit de séquence incomplète n'est visible sur le chromatogramme de la figure 8. Par conséquent, l'utilisation du réactif de déprotection TEA-3HF pendant 20h à la température ambiante ne provoque aucune dégradation de l'ARNt naturel qui contient des bases modifiées réputées pour leur fragilité. REVENDICATIONS 1. Procédé de synthèse d'acide ribonucléique, caractérisé en ce qu'il consiste a)à condenser successivement sur un premier nucléoside de formule dans laquelle R1 est un radical dérivé d'une base pyrimidique ou purique choisi parmi les radicaux de formule dans lesquelles R5 est H ou CH3, et R6, R7 et R8 sont des atomes d'hydrogène ou un groupe acyle protecteur d'un groupement NH2 exocyclique, R2 est un radical labile en milieu acide adapté à la synthèse nucléotidique, R3 est un support solide, et R4 est un radical trialkylsilyle, un ou plusieurs nucléosides identiques ou différents répondant à la formule (I) dans laquelle R1, R2 et R4 ont la signification donnée ci-dessus et R3 est un radical phosphoré adapté à la synthèse nucléotidique, pour former un acide ribonucléique synthétique dont tous les groupements hydroxyles en 2' sont protégés par R4, et b) à déprotéger tous les hydroxyles en 2' par traitement de L'acide ribonucléique ainsi synthétisé avec un réactif de déprotection répondant à La formule dans laquelle R9 représente un radical alkyle linéaire ou ramifié en C1 à C10, R10 et R11 qui peuvent être identiques ou différents, représentent H ou un radical alkyle, linéaire ou ramifié, en C1 à C10 identique ou différent de R9, et n est un nombre allant de 1 à 3, entier ou non. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réactif de déprotection répond à la formule N(C2Hs)3, 3HF 3. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que L'on réalise le traitement par le réactif de déprotection à la température ambiante pendant 2 à 20h. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que R4 est le radical tertiobutyldiméthylsilyle. 5. Procédé selon L'une quelconque des revend-ications 1 à 4, caractérisé en ce que R3 répond à la formule dans laquelle R15 et R16 qui sont identiques ou différents sont des radicaux alkyle en C1 à C4. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que R15 est le radical méthyle et R16 est le radical éthyle. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que R15 et R16 sont des radicaux isopropyle. 8. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que R2 est le radical diméthoxytrityle.