寡核苷酸

一、核苷酸及其组分概述

核酸作为生命体系中最核心的生物大分子之一，是由核苷酸单体通过磷酸二酯键聚合形成的高分子化合物，其相对分子质量可达数十万至数百万级。根据糖基类型差异，核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA）两大类。作为遗传信息载体，核酸通过水解反应可彻底分解为基本组成单元——核苷酸单体，每个核苷酸单体均由三部分构成：含氮杂环碱基（包括腺嘌呤、鸟嘌呤等嘌呤类，以及胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶等嘧啶类）、戊糖骨架（DNA含β-D-2-脱氧核糖，RNA含β-D-核糖）及磷酸基团。这种三联体结构通过β-糖苷键与磷酸酯键的特定连接方式，构成了遗传物质分子多样性与功能特异性的化学基础。

磷酸和磷酸基团

戊糖（五碳糖）

注：脱氧核糖与核糖的分子结构差异集中体现于2号碳原子连接基团——前者为氢原子（-H），后者为羟基（-OH）。这种结构特性使得脱氧核糖核苷酸（DNA基本单元）的戊糖骨架呈现β-D-2-脱氧构型，相较核糖核苷酸（RNA基本单元）的β-D-核糖构型具有更高的化学稳定性。正是这种糖基修饰差异，赋予DNA分子更强的抗水解能力与热力学稳定性，使其在漫长的生物进化过程中被自然选择确立为遗传信息的主要储存载体。

碱基：

注：除戊糖差异外，DNA与RNA的碱基组成亦存在显著区别——DNA特有胸腺嘧啶（T），而RNA含尿嘧啶（U），其余三种碱基（A、G、C）为两者共有。结构分析显示，T与U的嘧啶环母核高度同源，差异仅在于T的C5位点携带甲基取代基。这种化学修饰可视为DNA进化过程中形成的保护机制：甲基化修饰不仅增强了碱基的疏水性，更通过空间位阻效应阻止了某些核酸水解酶的识别与切割，从而显著提升了DNA分子的化学稳定性。从分子进化视角推测，RNA可能作为更原始的遗传物质载体首先出现，而DNA通过胸腺嘧啶甲基化修饰等适应性改变，逐步取代RNA成为主要遗传信息存储介质，这种转变在生命起源与进化过程中具有里程碑意义。

二.核苷酸单体的结构及修饰

1核苷酸单体结构

（1）核苷：由含氮碱基与核糖（或脱氧核糖）通过β-N-糖苷键共价连接形成核苷（或脱氧核苷），连接位点固定于戊糖环的C1'位置。依据碱基种类可分为嘌呤核苷（腺苷、鸟苷）和嘧啶核苷（胞苷、尿苷），对应脱氧形式则为脱氧腺苷、脱氧鸟苷、脱氧胞苷及胸苷（注：胸苷特指脱氧胸苷，其碱基为甲基化尿嘧啶）。

（2）核苷酸：核苷（或脱氧核苷）的戊糖羟基与磷酸通过磷酸二酯键连接形成核苷酸（或脱氧核苷酸），构成核酸的基本结构单元。

注：虽然理论上核糖环的C2'、C3'、C5'及脱氧核糖的C3'、C5'均可发生磷酸酯化，但生物体内超过99%的天然核苷酸呈现5'-核苷酸构型，即磷酸基团专一性连接于戊糖的C5'位点。根据所含磷酸基团数量，核苷酸可分为：

 

类别	磷酸化形式	缩写示例
核苷酸	核苷一磷酸（NMP）	AMP、GMP、CMP、UMP
核苷酸	核苷二磷酸（NDP）	ADP、GDP、CDP、UDP
核苷酸	核苷三磷酸（NTP）	ATP、GTP、CTP、UTP
脱氧核苷酸	脱氧核苷一磷酸（dNMP）	dAMP、dGMP、dCMP、dTMP
脱氧核苷酸	脱氧核苷二磷酸（dNDP）	dADP、dGDP、dCDP、dTDP
脱氧核苷酸	脱氧核苷三磷酸（dNTP）	dATP、dGTP、dCTP、dTTP

 

浓度梯度差异：活细胞中核糖核苷酸池浓度（0.5-2.0 mmol/L）较脱氧核糖核苷酸池（0.05-0.2 μmol/L）高出3-4个数量级，这种浓度梯度与DNA复制的周期性需求及RNA合成的持续高负荷特性密切相关。

核苷单体化学修饰技术演进

天然寡核苷酸存在核酸酶敏感性高、药代动力学特性欠佳等缺陷，直接限制其临床转化应用。通过系统性的核苷酸单体化学修饰可实现三大核心优化目标：a)构建核酸酶抗性骨架提升药物稳定性；b)优化碱基配对特性增强靶标亲和力；c)改善理化性质提高生物利用度。当前化学修饰技术已发展至第三代，形成多维度结构改造策略。

第一代骨架修饰技术

硫代磷酸酯修饰(Phosphorothioate, PS)：作为首个成功商业化的修饰策略，其通过硫原子取代磷酸二酯键中的非桥接氧原子，形成硫代磷酸酯键。这种改造产生三重药效学优势：①核酸酶抗性提升10-100倍；②血浆蛋白结合率提高3-5倍，肾脏清除率降低50%；③血浆半衰期延长至24-48小时。该修饰已成为反义寡核苷酸(ASO)药物的标准配置，获批药物Fomivirsen（抗CMV视网膜炎）、Mipomersen（家族性高胆固醇血症）等均采用此技术。

第二代核糖修饰技术

1. 2'-O-甲基修饰(2'-OMe)
   通过甲氧基取代核糖2'-羟基，产生双重药效增强效应：①与互补RNA的Tm值提升3-5℃/修饰位点；②核酸酶抗性提高20-50倍。该修饰显著降低免疫刺激风险，广泛应用于ASO、siRNA及适配体药物，获批产品Volanesorsen（家族性乳糜微粒血症）中2'-OMe修饰比例达60%。

2. 2'-O-甲氧基乙基修饰(2'-MOE)
   在2'-羟基引入甲氧基乙基支链，形成立体位阻效应，实现三大药效突破：①血浆半衰期延长至7-14天；②靶标亲和力提升5-10倍；③核酸酶抗性提高100倍以上。获批药物Mipomersen的2'-MOE修饰密度达80%，显著改善药物代谢特征。

3. 2'-氟代修饰(2'-F)
   以氟原子取代2'-羟基，通过电负性效应增强碱基堆积作用，带来：①与互补链结合自由能降低1.2 kcal/mol/修饰位点；②核酸酶抗性提升50倍；③细胞膜穿透性提高2-3倍。该修饰在siRNA药物Inclisiran中实现全链2'-F修饰，使皮下给药生物利用度达80%。

第三代结构重构技术

1. 肽核酸(Peptide Nucleic Acid, PNA)
   采用N-(2-氨基乙基)甘氨酸骨架替代糖磷酸骨架，创造完全电中性的DNA类似物，具有四大突破性优势：①核酸酶抗性提高1000倍以上；②与DNA/RNA结合常数达10^6-10^9 M^-1；③细胞膜穿透性提升10倍；④可编程抑制转录翻译过程。PNA在反义药物领域展现巨大潜力，但水溶性限制仍需配方优化。

2. 吗啉代寡核苷酸(Phosphorodiamidate Morpholino Oligomer, PMO)
   以吗啉环替代呋喃糖环，并通过电中性磷酰二氨基连接，形成独特药效特征：①靶标亲和力提升50-100倍；②核酸酶抗性达天然核酸的1000倍；③无免疫原性。获批药物Eteplirsen通过PMO技术实现外显子跳跃治疗杜氏肌营养不良，临床剂量低至30mg/kg/周。

3. 锁核酸(Locked Nucleic Acid, LNA)
   在核糖2'-O-4'-C位点形成亚甲基桥接，构建刚性双环结构，产生三大药效提升：①与互补RNA的Tm值提升3-8℃/修饰位点；②双链热稳定性提高5-10℃；③细胞通透性提高5倍且无肝毒性。LNA修饰的siRNA药物Patisiran实现肝细胞靶向递送，疗效持续时间超过6个月。

化学修饰技术的持续突破，推动寡核苷酸药物从概念验证迈向临床转化，形成以稳定性增强、亲和力优化、递送改善为核心的技术体系，为遗传性疾病治疗提供全新解决方案。

三．常见的核苷酸单体和核苷酸保护基团

1.常见核苷酸单体类型

当前寡核苷酸药物合成领域普遍采用固相亚磷酰胺化学合成法，其核心原料亚磷酰胺单体是构建小核酸药物的基础单元。典型亚磷酰胺单体由四部分构成：含氮杂环碱基（Base）、戊糖骨架（核糖或脱氧核糖）、5'-端二甲氧基三苯甲基（DMT）保护基团及3'-端连接的2-氰乙基磷酸二异丙胺基团。基于碱基种类（A/T/C/G/U及其修饰衍生物）与糖基类型（核糖或脱氧核糖）的组合，可形成多种单体变体，其中X=H时对应脱氧核糖核苷酸（DNA单体），X=OH时对应核糖核苷酸（RNA单体）。这种模块化设计为构建具有特定生物学功能的寡核苷酸药物提供了分子基础。

2.核苷酸单体保护基

保护位置	保护基名称	英文	缩写	脱保护方法
磷酸保护基	β-氰乙基	β-cyanoethyl	N/A	20%TEA in ACN(PH=10-11) 或 20%DEA in ACN(PH=10-11)
磷酸保护基	O-甲基	O-methyl	N/A	硫酚处理30-45min
羟基保护基	二甲氧基三苯甲基	Dimethoxytrityl	DMT	10%二氯乙酸甲苯溶液
羟基保护基	苯甲酰基	Benzoyl	Bz (A, C)	通常使用碱处理
碱基上的保护基	异丁酰基	Isobutyryl	Ib (G, C)	25%氨水溶液处理55℃，5小时
碱基上的保护基	二甲基脒	Dimethylformamidines	Dmf(A, G)
碱基上的保护基	苯氧乙酰基	Phenoxuacetyl	PheAc(A, G)

 

四．总结

本文系统阐述了寡核苷酸单体的组成架构、化学修饰技术演进及其生物学效应。第一代修饰技术以硫代磷酸酯（PS）为代表，通过磷酸骨架硫原子取代实现三大突破：a) 核酸酶抗性显著提升，PS修饰DNA在体外人血清中半衰期延长至9-10小时（未修饰对照仅1小时）；b) 形成标准Watson-Crick碱基对，特异性激活RNase H酶切活性；c) 负电荷密度优化改善细胞递送效率，奠定反义药物药代动力学基础。第二代修饰技术（2’-OMe、2’-MOE、2’-F）聚焦核糖环改造，通过2'-羟基化学修饰实现双重强化：a) 核酸酶抗性较第一代提升10-100倍；b) 与互补链结合自由能降低1-3 kcal/mol，显著增强靶标亲和力。第三代技术（LNA、PNA、PMO）代表结构生物学突破，其中锁核酸（LNA）通过双环刚性结构使双链热稳定性提升5-10℃，肽核酸（PNA）以人工肽骨架实现完全酶抗性，吗啉代寡核苷酸（PMO）凭借电中性骨架将外显子跳跃效率提升至临床治疗阈值。核苷酸单体作为小核酸药物生产的基石原料，其修饰技术突破直接推动药物可开发性边界扩展，形成"单体技术创新-药物临床转化-市场需求增长-技术迭代加速"的产业正反馈循环，当前全球核苷酸单体市场规模已突破15亿美元，年均增速超25%，彰显该领域技术驱动的产业发展特征。

 

名称	货号	规格
核苷酸	abs42020456-5g	5g
还原型 β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 二钠盐	abs42022866-1g	1g
5-腺嘌呤核苷酸二钠盐	abs42012815-5g	5g
腺嘌呤二核苷酸磷酸二氢钾	abs42082354-100mg	100mg