Abstract
Over the last few years, the chemical synthesis of DNA in vitro has become a routine technique. The ready availability of synthetic DNA has revolutionized molecular biological research and has enabled new research approaches to be attempted that had not been possible previously. The most commonly used approaches can be divided into three broad areas: the cloning and manipulation of genes, the diagnosis of diseases by probing gene structure, and the specific in vitro mutagenesis of DNA for structure/function studies. In this review, each of these three areas is discussed through specific applications from published work. This review is not intended to be comprehensive either in its scope or in its documentation of published results. Rather, it is meant to present some of the most commonly used applications of oligonucleotides in molecular biology through representative examples.
Similar content being viewed by others
REFERENCES
H. G. Khorana. Science 203:614–625 (1979).
M. H. Caruthers. Science 230:281–285 (1985).
S. A. Narang. Tetrahedron 39:3–22 (1983).
J. E. Davies and H. G. Gassen. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 22:13–31 (1983).
K. Itakura, J. J. Rossi, and R. B. Wallace. Annu. Rev. Biochem. 53:323–356 (1984).
C. B. Reese. Tetrahedron 34:3143–3179 (1980).
E. Ohtsuka, M. Ikehara, and D. Soll. Nucleic Acids Res. 10:6553–6570 (1982).
R. C. Sheppard. Chem. Br. 19:402–429 (1983).
M. Gait. (ed.) Oligonucleotide Synthesis, IRL Press, Oxford, 1984.
T. Maniatis, R. C. Hardbon, E. Lacy, J. Laver, C. O'Connell, D. Quon, G. K. Sim, and A. Efstratiadis. Cell 15:687–701 (1970).
F. Rudgeon, P. Kovrilsky, and B. Mach. Nucleic Acids Res. 2:2365–2378 (1975).
T. Maniatis, S. G. Kee, A. Efstratiadis, and F. C. Kafatos. Cell 8:163–182 (1976).
S. Tonegawa, C. Brack, N. Hozumi, and R. Schuller. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74:3518–3522 (1977).
M. Oskarrson, W. L. McClements, D. O. Blair, J. V. Maizel, and G. F. van de Woude. Science 207:1222–1224 (1980).
D. DeFeo, M. A. Gonda, H. A. Young, E. H. Chang, D. R. Lowy, E. M. Scolnick, and R. W. Ellis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:3328–3332 (1981).
S. K. Niyogi and C. A. Thomas. J. Biol. Chem. 243:1220–1223 (1968).
P. Besmer, R. C. Miller, M. H. Caruthers, A. Kumar, K. Minamoto, J. H. van de Sande, N. Sidarova, and H. G. Khorana. J. Mol. Biol. 72:503–522 (1972).
R. Wu. Nature New Biol. 236:198–200 (1972).
R. Wu, C. P. D. Tu, and R. Padmanabhan. Biochem. Biophys. Res. Commun. 55:1092–1099 (1973).
M. T. Doel and M. Smith. FEBS Lett. 34:99–102 (1973).
W. Gilbert. Science 214:1305–1312 (1981).
F. Sanger. Science 214:1205–1210 (1981).
E. M. Southern. J. Mol. Biol. 98:503–517 (1975).
R. B. Wallace, J. Schaffer, R. F. Murphy, J. Bonner, T. Hirose, and K. Itakura. Nucleic Acids Res. 6:3543–3557 (1979).
J. B. Dodgson and R. D. Wells. Biochemistry 16:2367–2372 (1977).
J. W. Szostak, J. I. Stiles, B.-K. Tye, P. Chiu, F. Sherman, and R. C. Wu. Methods Enzymol. 68:419–428 (1979).
R. B. Wallace. In S. Woo (ed.), DNA Recombinant Technology: Methods, CRC Press, Cleveland, Ohio, 1984.
S. V. Suggs, T. Hirose, T. Miyake, E. H. Kawashima, M. J. Johnson, K. Itakura, and R. B. Wallace. In D. Brown (ed.), Developmental Biology Using Purified Genes, Academic Press, New York, 1982, pp. 683–693.
R. B. Wallace, M. J. Johnson, T. Hirose, T. Miyake, E. H. Kawashima, and K. Itakura. Nucleic Acids Res. 9:879–894 (1981).
Y. Ike, S. Ikuta, M. Sato, T. Huang, and K. Itakura. Nucleic Acids Res. 11:477–488 (1983).
S. V. Suggs, R. B. Wallace, T. Hirose, E. H. Kawashima, and K. Itakura. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:6613–6617 (1981).
B. A. Cunningham, J. L. Wang, I. Berggard, and P. A. Peterson. Biochemistry 12:4811–4821 (1973).
A. S. Whitehead, G. Goldberger, D. E. Woods, A. F. Markham, and R. Colten. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:5387–5391 (1983).
J. Singer-Sam, R. L. Simmer, D. H. Keith, L. Shively, M. Teplitz, K. Itakura, S. M. Gartler, and A. D. Riggs. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:802–806 (1983).
J. B. Hurley, H. K. W. Fong, D. B. Teplow, W. J. Dreyer, and M. I. Simon. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81:6948–6952 (1984).
M. A. Bourdon, A. Oldberg, M. Pierschbacker, and E. Ruoslahti. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:1321–1325 (1985).
W. I. Wood, D. J. Capon, C. C. Simonsen, D. C. Eaton, J. Gitschier, B. Keyt, P. H. Seeburg, D. H. Smith, P. Hollingshead, K. L. Wion, E. Delwart, E. G. D. Tuddenham, G. A. Vehar, and R. M. Lawn. Nature 312:330–337 (1984).
J. J. Toole, J. L. Knopf, J. M. Wozney, L. A. Sultzman, J. L. Buecker, D. D. Pittman, R. J. Kaufman, E. Brown, C. Shoemaker, E. C. Orr, G. W. Amphlett, W. B. Foster, M. L. Coe, G. J. Knutson, D. N. Fass, and R. M. Hewick. Nature 212:342–347 (1984).
M. Jaye, H. de la Salle, F. Schamber, A. Balland, V. Kohli, A. Findeli, P. Tolstoshev, and J.-P. Lecocq. Nucleic Acids Res. 11:2325–2335 (1983).
K. L. Agarwal, T. J. Brunsted, and B. E. Noyes. J. Biol. Chem. 256:1023–1028 (1981).
S. Anderson and I. B. Kingston. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:6838–6842 (1983).
A. Ullrich, C. H. Berman, T. J. Dull, A. Gray, and J. M. Lee. EMBO J. 3:361–364 (1984).
B. S. Segundo, S. J. Chan, and D. F. Steiner. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:2320–2324 (1985).
A. Ullrich, J. R. Bell, E. Y. Chen, R. Herrera, L. M. Petruzzelli, T. J. Dull, A. Gray, L. Coussens, Y.-C. Liao, M. Tsubokura, A. Mason, P. H. Seeburg, C. Grunfeld, O. M. Rosen, and J. Ramachandran. Nature 313:756–761 (1985).
R. Lathe. J. Mol. Biol. 183:1–12 (1985).
M. Noda, Y. Furutani, H. Takahashi, M. Toyosato, T. Hirose, S. Inayama, S. Nakanishi, and S. Numa. Nature 295:202–208 (1982).
A. Ullrich, A. Gray, C. Berman, and T. J. Dull. Nature 303:821–825 (1983).
D. Pennica, W. E. Holmes, W. J. Kohr, R. N. Harkins, G. A. Vehar, C. A. Ward, W. F. Bennett, E. Yelverton, P. H. Seeburg, H. L. Heyneker, and D. V. Goeddel. Nature 301:214–221 (1983).
D. Cosman, D. P. Cerretti, A. Larsen, L. Park, C. March, S. Dower, S. Gillis, and D. Urdal. Nature 312:768–771 (1984).
E. Ohtsuka, S. Matsuki, M. Ikehara, Y. Takahashi, and K. Matsubara. J. Biol. Chem. 260:2605–2608 (1985).
T. Huynh-Dinh, N. Duchange, M. M. Zakin, A. Lemarchand, and J. Igolen. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:7510–7514 (1985).
G. E. Shull, A. Schwartz, and J. B. Lingrel Nature 316:691–695 (1985).
D. H. MacLennan, C. J. Brandl, B. Korczak, and N. M. Green. Nature 316:696–700 (1985).
G. G. Wong, J. S. Witek, P. A. Temple, K. M. Wilkens, A. C. Leary, D. P. Luxenberg, S. S. Jones, E. L. Brown, R. M. Kay, E. C. Orr, C. Shoemaker, D. W. Golde, R. J. Kaufman, R. M. Hewick, E. A. Wang, and S. C. Clark. Science 228:810–815 (1985).
A. Bollen, A. Herzog, A. Cravador, P. Herion, P. Chuchana, A. van der Straten, R. Loriau, P. Jacobs, and A. van Elsen. DNA 2:255–264 (1983).
M. Courtney, A. Buchwalder, L.-H. Tessier, M. Jaye, A. Benavente, A. Balland, C. Kohli, R. Lathe, P. Tolstoshev, and J.-P. Lecocq. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81:669–673 (1984).
S. Rosenberg, P. J. Barr, R. C. Najarian, and R. A. Hallewell. Nature 312:77–80 (1984).
D. H. Calhoun, D. F. Bishop, H. S. Bernstein, M. Quinn, P. Hantzopoulos, and R. J. Desnick. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:7364–7368 (1985).
T. J. Knott, S. C. Rall, Jr., T. L. Innerarity, S. F. Jacobson, M. S. Urdea, B. Levy-Wilson, L. M. Powell, R. J. Pease, R. Eddy, H. Nakai, M. Byers, L. M. Priestley, E. Robertson, L. B. Rall, C. Betsholtz, T. V. Shows, R. W. Mahley, and J. Scott. Science 230:37–43 (1985).
E. S. Kawasaki, M. B. Ladner, A. M. Wang, J. van Arsdell, M. K. Warren, M. Y. Coyne, V. L. Schweickart, M.-T. Lee, K. J. Wilson, A. Boosman, E. R. Stanley, P. Ralph, and D. F. Mark. Science 230:291–296 (1985).
K. Jacobs, C. Shoemaker, R. Rudersdorf, S. D. Neill, R. J. Kaufman, A. Mufson, J. Sechra, S. S. Jones, R. Hewick, E. F. Fritsch, M. Kawakita, T. Shimizu, and T. Miyake. Nature 313:806–810 (1985).
R. G. DiScipio, M. R. Gehring, E. R. Podack, C. C. Kan, T. E. Hugli, and G. H. Fey. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81:7298–7302 (1984).
E. V. Prochownik, A. F. Markham, and S. H. Orkin. J. Biol. Chem. 258:8389–8394 (1983).
P. Jacobs, A. Cravador, R. Loriau, F. Brockly, B. Colau, P. Chuchana, A. van Elsen, A. Herzog, and A. Bollen. DNA 4:139–146 (1985).
K. E. Mayo, W. Vale, J. Rivier, M. G. Rosenfeld, and R. M. Evans. Nature 306:86–88 (1983).
E. Ohtsuka, Y. Taniyama, S. Iwai, K. Kitano, S. Miyamoto, T. Ohgi, Y. Sakuragawa, K. Fujiyama, T. Ikari, M. Kobayashi, T. Miyake, S. Shibahara, T. Tokunaga, M. Ikehara, A. Ono, T. Veda, T. Tanaka, H. Baba, T. Miki, A. Sakurai, and T. Oishi. Nucleic Acid Res. Symp. Ser. 12:79–82 (1983).
M. S. Urdea, J. P. Merryweather, G. T. Mullenbach, D. Cort, U. Heberlen, P. Valenzuela, and P. J. Barr. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:7461–7467 (1983).
B. S. Sproat and M. J. Gait. Nucleic Acids Res. 13:2959–2977 (1985).
W. Mandecki, K. W. Mollison, T. J. Bolling, B. S. Powell, G. W. Carter, and J. L. Fox. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:3543–3547 (1985).
M. D. Edge, A. R. Greene, G. R. Heathcliffe, P. A. Meacock, W. Schuch, D. B. Scanlon, T. C. Atkinson, C. R. Newton, and A. F. Markham. Nature 292:756–760 (1981).
J. J. Rossi, R. Kierzek, T. Huang, P. Walker, and K. Itakura. J. Biol. Chem. 257:9226–9229 (1982).
R. C. Scarpulla, S. A. Narang, and R. Wu. Anal. Bio. Chem. 121:353–365 (1982).
M. Gouy and C. Gautier. Nucleic Acids Res. 10:7055–7074 (1982).
J. L. Bennetzen and B. D. Hall. J. Biol. Chem. 257:3026–3031 (1982).
G. A. Bitter and K. M. Egan. Gene 32:263–274 (1984).
J. D. Windass, C. R. Newton, J. DeMaeyer-Guignard, V. E. Moore, and A. F. Markham. Nucleic Acids Res. 10:6639–6658 (1982).
P. L. deHaseth, R. A. Goldman, C. L. Cech, and M. H. Caruthers. Nucleic Acids Res. 11:773–787 (1983).
T. Miyake, T. Oka, S. Sumi, and M. Susuki. Nucleic Acids Res. Symp. 11:81–83 (1982).
J. J. Rossi, X. Soberon, Y. Marumoto, J. McMahon, and K. Itakura. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:3203–3207 (1983).
J. Messing, B. Gronenborn, B. Muller-Hill, and P. H. Hofschneider. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74:3642–3646 (1977).
J. Messing, R. Crea, and P. H. Seeburg. Nucleic Acids Res. 9:309–321 (1981).
P. P. Lau and H. B. Gray. Nucleic Acids Res. 6:331–339 (1979).
S. L. McKnight and R. Kingsbury. Science 217:316–324 (1982).
S. McKnight. Cell 31:355–365 (1982).
R. A. Flavell, J. M. Kooter, E. DeBoer, P. F. R. Little, and R. Williamson. Cell 15:25–41 (1978).
R. F. Geever, L. B. Wilson, F. S. Nallaseth, P. F. Milner, M. Bittner, and J. T. Wilson. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:5081–5082 (1981).
J. C. Chang and Y. W. Kan. N. Engl. J. Med. 307:30–32 (1982).
S. H. Orkin, P. F. R. Little, H. H. Kazazian, and C. D. Boehm. N. Engl. J. Med. 307:32–36 (1982).
M. Goossens, K. Y. Lee, S. A. Liebhaber, and Y. W. Kan. Nature 296:864–865 (1982).
K. Kurachi, T. Chandra, S. J. F. Degen, T. T. White, T. L. Marchioro, S. L. C. Woo, and E. W. Davie. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:6826–6830 (1981).
R. B. Wallace, M. Schold, M. J. Johnson, P. Dembeck, and K. Itakura. Nucleic Acids Res. 9:3647–3656 (1981).
B. J. Conner, A. A. Reyes, C. Morin, K. Itakura, R. L. Teplitz, and R. B. Wallace. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:278–282 (1983).
L. Pauling, H. A. Itano, S. J. Singer, and I. C. Wells. Science 25:543–548 (1949).
T. M. Shinnick, E. Lund, O. Smithies, and F. R. Blattner. Nucleic Acids Res. 2:1911–1929 (1975).
S. H. Orkin, A. F. Markham, and H. H. Kazazian. J. Clin Invest. 71:775–779 (1983).
M. Piratsu, Y. W. Kan, A. Cao, B. J. Conner, R. L. Teplitz, and R. B. Wallace. N. Engl. J. Med. 309:284–287 (1983).
V. J. Kidd, R. B. Wallace, K. Itakura, and S. L. C. Woo. Nature 304:230–234 (1983).
N. M. Green. Adv. Protein Chem. 29:85–133 (1975).
J. E. Manning, N. D. Hershey, T. R. Broker, M. Pellegrini, and N. Davidson. Chromosoma 53:107–117 (1975).
P. R. Langer, A. A. Waldrop, and D. C. Ward. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78:6633–6637 (1981).
J. J. Leary, D. J. Brigati, and D. C. Ward. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:4045–4049 (1983).
A. Murasugi and R. B. Wallace. DNA 3:269–277 (1984).
T. Kempe, W. I. Sundquist, F. Chow, and S.-L. Hu. Nucleic Acids Res. 13:45–57 (1985).
A. B. Studencki and R. B. Wallace. DNA 3:7–15 (1984).
D. Shortle, D. DiMaio, and D. Nathans. Annu. Rev. Genet. 15:265–294 (1981).
D. Botstein and D. Shortle. Science 229:1193–1201 (1985).
M. Smith. Annu. Rev. Genet. 19:423–462 (1985).
A. Razin, T. Hirose, K. Itakura, and A. D. Riggs. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 75:4268–4270 (1978).
S. Gilliam and M. Smith. Gene 8:81–97 (1979).
S. Gilliam and M. Smith. Gene 8:99–106 (1979).
R. B. Wallace, P. F. Johnson, S. Tanaka, M. Schold, K. Itakura, and J. Abelson. Science 209:1396–1400 (1980).
M. Schold, A. Colombero, A. A. Reyes, and R. B. Wallace. DNA 3:469–477 (1984).
M. J. Zoller and M. Smith. Nucleic Acids Res. 10:6487–6500 (1982).
M. J. Zoller and M. Smith. Methods Enzymol. 100:469–500 (1983).
M. J. Zoller and M. Smith. DNA 3:479–488 (1984).
K. Norris, F. Norris, L. Christiansen, and N. Fiil. Nucleic Acids Res. 11:5103–5112 (1983).
C. E. Bauer, S. D. Hesse, D. A. Waechter-Brulla, S. P. Lynn, R. I. Gumport, and J. F. Gardner. Gene 37:73–81 (1985).
P. Carter, H. Bedouelle, and G. Winter. Nucleic Acids Res. 13:4431–4442 (1985).
G. K. Ackers and F. R. Smith. Annu. Rev. Biochem. 54:597–629 (1985).
G. Dalbadie-McFarland, L. W. Cohen, A. D. Riggs, C. Morin, K. Itakura, and J. H. Richards. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79:6409–6413 (1982).
I. S. Sigal, B. G. Harwood, and R. Arentzen. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79:7157–7160 (1982).
I. S. Sigal, W. F. DeGrado, B. J. Thomas, and S. R. Petteway. J. Biol. Chem. 259:5327–5332 (1984).
G. Winter, A. R. Fersht, A. J. Wilkinson, M. Zoller, and M. Smith. Nature 299:756–788 (1982).
A. J. Wilkinson, A. R. Fersht, D. M. Blow, P. Carter, and G. Winter. Nature 307:187–188 (1984).
J. E. Villafranca, E. E. Howell, D. H. Voet, M. S. Strobel, R. C. Ogden, J. N. Abelson, and J. Kraut. Science 222:782–788 (1983).
S. Gutteridge, I. Sigal, B. Thomas, R. Arentzen, A. Cordova, and G. Lorimer. EMBO J. 3:2737–2743 (1984).
J. Travis, M. Owen, P. George, R. Carrell, S. Rosenberg, R. A. Hallewell, and P. J. Barr. J. Biol. Chem. 260:4384–4369 (1985).
M. Courtney, S. Jallat, L.-H. Tessier, A. Benavente, R. G. Crystal, and J.-P. Lecocq. Nature 313:149–151 (1985).
G. J. Pielak, A. G. Mauk, and M. Smith. Nature 313:152–154 (1985).
M. Mishina, T. Tobimatsu, K. Imoto, K. Tanaka, Y. Fujita, K. Fukuda, M. Kurasaki, H. Takahashi, Y. Morimoto, T. Hirose, S. Inayama, T. Takahashi, M. Kuno, and S. Numa. Nature 313:364–369 (1985).
C. E. Stauffer and D. Etson. J. Biol. Chem. 244:5333–5338 (1969).
D. A. Estell, T. P. Graycar, and J. A. Wells. J. Biol. Chem. 260:6518–6521 (1985).
J. A. Wells, M. Vasser, and D. B. Powers. Gene 34:315–323 (1985).
P. G. Thomas, A. J. Russell, and A. R. Fersht. Nature 318:375–376 (1985).
C. S. Craik, C. Largman, T. Fletcher, S. Roczniak, P. J. Barr, R. Fletterick, and W. J. Rutter. Science 228:191–297 (1985).
S. J. Gardell, C. S. Craik, D. Hilvert, M. S. Urdea, and W. J. Rutter. Nature 317:551–555 (1985).
R. B. Wallace, P. F. Johnson, S. Tanaka, M. Schold, K. Itakura, and J. Abelson. Science 209:1396–1400 (1980).
T. Zarucki-Schulz, S. Y. Tsai, K. Itakura, X. Soberon, R. B. Wallace, M.-J. Tsai, S. L. C. Woo, and B. W. O'Malley. J. Biol. Chem. 257:11070–11077 (1982).
M. Kozak. Nature 308:241–246 (1984).
A. D. Charles, A. E. Gautier, M. D. Edge and J. R. Knowles. J. Biol. Chem. 14:7930–7932 (1982).
S. Inouye, X. Soberon, T. Franceschini, K. Nakamura, K. Irakura, and M. Inouye. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79:3438–3441 (1982).
Author information
Authors and Affiliations
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Ellis, R.W. The applications of synthetic oligonucleotides to molecular biology. Pharm Res 3, 195–207 (1986). https://doi.org/10.1023/A:1016382512330
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1023/A:1016382512330