Ein Oligonukleotid ist eine kurze Kette von DNA- oder RNA-Molekülen, die in der Molekularbiologie und Medizin vielseitig verwendet werden kann. Es wird als Sonde zum Screening auf Krankheiten, Virusinfektionen und zur Identifizierung von Genen in molekularbiologischen Experimenten verwendet. Es wird auch als Primer in einer Art von DNA-Sequenzierung verwendet.
Um ein Oligonukleotid zu verstehen, hilft es, die Struktur der DNA zu verstehen. DNA-Moleküle sind sehr lange Spiralen aus zwei Strängen, die aus vier verschiedenen Nukleotid-Grundeinheiten bestehen, die in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sind. Jede Einheit hat eine komplementäre Base, die sie bindet, so dass jeder Strang einen entgegengesetzten Satz von Basen hat, der ihn bindet. Diese Basen können eine große Vielfalt verschiedener Kombinationen bilden, und es ist die Kombination der Basen, die den genetischen Code ergibt. DNA wird transkribiert, um Boten-RNA (mRNA) zu produzieren, die dann translatiert wird, um Proteine zu produzieren.
Oligonukleotide werden durch ihre Kettenlänge identifiziert. Beispielsweise würde ein Oligonukleotid, das zehn Nukleotidbasen lang ist, als Zehnmer bezeichnet. Sie werden im Allgemeinen chemisch synthetisiert und die Art der Synthese begrenzt die Kettenlänge auf weniger als 60 Basen lang.
Bei einer Art der DNA-Sequenzierung, die als Didesoxy-Sequenzierung bekannt ist, werden Oligonukleotide als Primer verwendet, damit das Enzym, das die DNA herstellt, eine Vorlage hat, von der aus es arbeiten kann. Es wird einzelsträngige DNA verwendet, und ein zum DNA-Strang komplementäres Oligonukleotid wird mit einem Automaten synthetisiert. Die DNA-Polymerase, die die DNA synthetisiert, addiert weiter an den Primer und synthetisiert daraus den entgegengesetzten DNA-Strang. Diese Reaktion erzeugt doppelsträngige DNA.
Eine neuere Verwendung von Oligonukleotiden als Primer ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die verwendet wird, um kleine DNA-Fragmente zu amplifizieren. Diese Technik hat sehr praktische Anwendungen, beispielsweise in der Forensik und bei Vaterschaftstests. Es hat auch die Forschung in der Medizin und den biologischen Wissenschaften revolutioniert, da es häufig in Gentechnik-Experimenten eingesetzt wird.
Eine Reihe von Oligonukleotidsonden wird häufig verwendet, um Gene aus einer Genbank oder komplementären DNAs (cDNAs) zu isolieren. cDNA-Bibliotheken bestehen aus doppelsträngiger DNA, bei der 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 der Gene vieler Organismen ist durch Sequenzierungsprojekte 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 basierend auf gemeinsamen Bereichen in diesen Sequenzen entwerfen. Die Forscher lassen dann eine Reihe von Oligonukleotidsonden synthetisieren, die mögliche Variationen im gemeinsamen Bereich berücksichtigen. Sie screenen die Bibliothek mit diesen Sonden und suchen nach Oligonukleotiden, die binden. Viele Gene wurden auf diese Weise identifiziert.
Ein Antisense-Oligonukleotid enthält einen Einzelstrang von RNA oder DNA, der das Komplement einer interessierenden Sequenz ist. Sobald ein bestimmtes Gen, das für ein Protein kodiert, kloniert wurde, wird Antisense-RNA häufig verwendet, um seine Expression durch Bindung an die mRNA zu blockieren, die es synthetisieren würde. Dadurch können die Forscher die Auswirkungen auf den Organismus bestimmen, wenn er dieses Protein nicht herstellt. Antisense-Oligonukleotide werden auch als neuartige Medikamente zur Blockierung toxischer RNAs entwickelt.
Mikroarray-Chips waren ein weiteres Gebiet, in dem Oligonukleotide von großem Nutzen waren. Dies sind Glasobjektträger oder eine andere Matrix, die Spots mit Tausenden verschiedener DNA-Sonden aufweisen – in diesem Fall aus Oligonukleotiden. Sie sind eine sehr effiziente Methode, um gleichzeitig auf Veränderungen in einer Reihe verschiedener Gene zu testen. Die DNA ist an eine Verbindung gebunden, die ihre Farbe ändert oder fluoresziert, wenn komplementäre DNA daran bindet, so dass die Flecken ihre Farbe ändern, wenn es eine Reaktion mit der Test-DNA gibt.
Einige der Dinge, für die Oligonukleotid-Mikroarrays verwendet werden, umfassen das Screening auf genetische Krankheiten. Zum Beispiel gibt es kleine Sonden, die die Aktivität von Genen darstellen, die an Brustkrebs beteiligt sind, BRCA1 und BRCA2. Es ist möglich, herauszufinden, ob eine Frau eine Mutation in einem dieser Gene hat, und diese weiter zu analysieren, um zu sehen, ob sie eine Prädisposition für Brustkrebs hat.
Es gibt einen Mikroarray 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, wodurch oft festgestellt werden kann, mit welcher Art von Virus eine Person infiziert ist. Virusinfektionen zu identifizieren kann ziemlich schwierig sein, da die Symptome bei verschiedenen Virentypen oft ähnlich sind.