基于DNA G-四链体识别的抗肿瘤分子筛选及结构设计研究进展论文

1、关于*南方化工*烯草酮合成生产工艺调查研究. 4. 研究生课程论文类试卷论文题目：基于DNA G-四链体识别的抗肿瘤分子筛选及构造设计研究进展基于DNA G-四链体识别的抗肿瘤分子筛选及构造设计研究进展摘 要：以生物靶分子为根底进展抗肿瘤药物先导化合物的筛选是抗肿瘤药物研究的热点之一，DNA G-四链体构造的发现和现代分子生物学技术对其与癌症的关系的提示，为目前抗肿瘤药物研发提供了一个新的契机。能够诱导DNA形成G-四链体构造或者与G-四链体特异性结合并使之稳定的化合物有望抑制肿瘤细胞的生长，从而到达抗癌的作用。关键词：生物靶；抗肿瘤药物；筛选；DNA G-四链体构造Based on the

2、DNA G - Four Chain Body Recognition Selection and Structure Design of Antitumor is ReviewedStudent: Sun Guijiu Wang shuai Sun Yu*ing Qian Pingping School of Chemical and Materials Engineering ,Shanghai Institute of Technology UniversityAbstract:Based on the biological molecular targets for screening

3、 of antitumor drug lead pounds is one of the hot topics in the study of antitumor drugs, the discovery of DNA G - four chain structure and modern molecular biology techniques for its relationship with the cancer suggest that for the antitumor drug development provides a new opportunity. Can induce D

4、NA four chain structure or form G - and G - four chain body and the stability of the specific binding of pounds could inhibit the growth of tumor cells, so as to achieve the effect of anti-cancer.关于*南方化工*烯草酮合成生产工艺调查研究. Keywords:Biological target; Antitumor drugs; Screening; The DNA G - four chain st

5、ructure恶性肿瘤是危害人类安康和生命的重大疾病，近几十年来，抗肿瘤药物的研发已经取得了显著成功。抗肿瘤药物的研发中，以生物靶分子为根底进展抗肿瘤药物先导化合物的筛选是抗肿瘤药物的研究热点之一1。如何快速、高效的寻找作用于特定靶标的药物，是目前药物研究亟待解决的瓶颈问题。DNA G-四链体结的发现及现代生物分子学技术对其生理功能的解释，为解决这一瓶颈提供了一个新的契机。1962年，Gellert等人首次发现了G-四链体构造2，直到20世纪90年代，伴随着端粒DNA构造的研究以及端粒酶活性与癌症关系的发现，对DNA G-四链体构造与功能的研究引起了人们极大的兴趣3。所谓G-四链体构造，是指富

6、含鸟嘌呤G的DNA单链在一价阳离子如K+的诱导下通过G碱基间Hoogste- en氢键形成G-四集体，并进一步堆积成四链体构造4。大量的研究说明，DNA G四链体的出现与许多重要的生理过程密切相关，在人体约有37万可以形成DNA G-四链体的基因序列5，它们位于双链DNA的延伸区域6，在一定条件下就可以折叠形成G-四链体7。而G-四链体的形成与其相关基因表达水平密切相关8，而且具有不同功能的蛋白，如核酸酶、解旋酶、溶解酶，与G-四链体也存在着特殊的相互作用9，尤为重要的是，G-四链体的形成选择性的引发了与整个癌细胞密切相关的很多生理功能的紊乱9，特别是端粒末端DNA G-四链体的形成，不仅阻止

7、了端粒酶对端粒DNA的识别而且抑制了端粒酶活性的表达，从而到达促进肿瘤细胞死亡的作用；而且也阻碍了与端粒相关的蛋白质对其靶分子的正常识别，从而大大增加了基因组的不稳定性10，同时，G-四链体对癌细胞生长的潜在调控作用也都得到了有力的证实。由于人类基因启动区例如：视网膜母细胞瘤易感基因、胰岛素、肌细胞特异性基因、血管皮生长因子、缺氧诱导因子、脆性*精神发育迟滞基因以及致癌基因都存在富含鸟嘌呤的序列，且都能形成G-四链体构造。因此，能够诱导DNA形成G-四链体构造或者G-四链体特异性结合，并使之稳定的化合物有望抑制肿瘤细胞的生长，从而到达抗癌的作用。以DNA G-四链体为抗癌药物作用靶点对化合物进

8、展筛选和构造设计是目前化学家和生物学家密切关注的热点。鉴于DNA G-四链体与恶性肿瘤的关系，科学家们一致认为：诱导DNA G-四链体构造稳定的化合物能够为开展新的抗肿瘤药物开辟一条行之有效的途径。科学家们已经开发出了许多能够使DNA G-四链体构造稳定的化合物，大局部化合物构造具有平面芳香大共轭体系且带正电荷，通常是与G-四链体的G-四集团平面通过-堆积和静电作用两种结合模式来稳定G-四链体的构造。这种-堆积的结合模式是区别于化合物与其它DNA的作用模式，并用于识别DNA G-四链体的一种独特方式，已为学者研究的较为透彻11。同时，带正电荷的化合物与DNA G-四链体之间通过静电相互作用也能

9、够起到稳定G-四链体的作用。然而，由于DNA的立体异构、键的极性不同、糖苷扭转角的变化、连接回路不同、不同阳离子的配位作用都会导致G-四链体构造的不同，因此DNA G-四链体构造表现出多样性，如图一所示12，目前导致与4个沟槽相互作用的静电电势数据比较少，这方面的工作远远没有化合物和双链DNA的相互作用研究的透彻。对于中心金属离子对化合物与G-四链体的相互作用的影响的研究工作也很少，到目前为止，对于能够稳定G-四链体的化合物的构造设计主要遵循以上-堆积和静电作用两个原则。生物实验说明，对端粒DNA G-四链体构造具有稳定作用的这些化合物确实对端粒酶具有不同程度的控制能力，能够使肿瘤细胞的端粒随

10、分裂逐渐缩短从而引发凋亡。因此有望被开发成抗肿瘤药物。目前已经有两个以DNA G-四链体为靶点的药物C*-3543和AS1411正在进展二期临床实验13,14下面就对近年来基于G-四链体为靶点进展抗肿瘤化合物的筛选以及构造设计进展综述。1基于G-四链体的抗肿瘤化合物分子的构造筛选化合物与DNA G-四链体结合后，其生物功能主要通过一些生化和生物实验来确定，而对二者相互作用体系进展构造方面的研究，来探讨小分子与DNA G-四链体结合的位点及形成复合物的稳定性，是针对DNA G-四链体的药物设计和开发的根底。目前研究小分子化合物与DNA G-四链体相互作用的主要手段有：吸收光谱、荧光光谱、圆二色谱

11、、线二色谱、荧光共振能量转移、电喷雾质谱、等温滴定量热分析、核磁共振、*射线晶体衍射、离子淌度、凝胶电泳、甲基化印迹法，分子动力学模拟等方法。此外，研究小分子配体与DNA之间的结合能力可以通过荧光共振能量转移、外表等离子体共振、差热分析仪、恒温滴定微量热仪、分子动力学计算等方法或仪器进展。以上常用的方法在古练权、黄志纾课题组15的综述中有详细的介绍。在此主要介绍两种基于G-四链体对其配体构造特异性识别而对化合物进展构造筛选的研究方法，既基于核磁共振进展抗肿瘤化合物筛选方法以及计算机虚拟筛选。1.1基于核磁共振的抗肿瘤化合物构造筛选 核磁共振是研究G-四链体DNA的最重要的方法之一。能够通过确定

12、分子的精细构造，进而深入研究G-四链体与小分子相互作用的作用模式以及其稳定性和动力学16,17。形成G-四集体的鸟嘌呤碱基之间主要通过碱基上的氨基和亚氨基分别于相邻鸟嘌呤碱基上的氮、氧原子形成的氢键相连，鸟嘌呤的氨基质子一般落在化学位移7.08.5之间，而亚氨基质子的化学位移远在10以外。活泼氢的峰形与活泼氢之间的交换速度有着密切的关系。交换速度很快出现锋利的单峰；交换速度很慢则会看到与邻位的明显耦合；交换速度中出现则出现平坦的宽峰、有时候甚至观察不到峰的存在。因此，通过观察DNA氨基、亚氨基质子峰的变化可以得到G-四链体构造以及DNA与小分子之间的作用模式和作用位点等一些相关信息18。本课题

13、组在近年来开展G-四链体靶分子的识别及配体构造设计研究1921的根底上，开展了一种全新的基于G-四链体生物靶分子特异性识别和核磁共振梯度场扩散序谱技术DOSY，对天然植物中抗肿瘤活性成分快速筛选和构造鉴定的方法，并将这一方法成功地用于两种天然植物中抗肿瘤分子的发现22,23。扩散序普主要是基于不同尺寸的分子在溶液中具有不同扩散系数的原理24。根据Einstein-Stokes公式，分子在溶液中的扩散速率与分子的大小有关、分子越大，扩散越慢。在提取物混合溶液中参加生物靶分子，活性小分子与大分子相结合后扩散变慢，扩散系数与生物大分子处于同一量级。在DOSY中，活性小分子的对应信号就应该与生物大分子

14、的的信号处于一样扩散带上，由此找到活性小分子的特征谱峰，再通过进一步的2D NMR实验即可确定活性小分子的构造。该方法是在植物提取物体系中引入生物靶分子G-四链体，利用G-四链体对其配体的构造特异性识别作用而获取核磁共振谱学信息，分析HNMR和DOSY谱，从而获得被G-四链体识别的化合物的准确构造，此方法的优势在于把核磁谱学的构造鉴定和筛选结合起来，让天然植物提取物中活性成分的快速筛选和构造鉴定成为可能，这一方法的创新在于把核磁共振中的DOSY技术用于基于G-四链体DNA特异性识别的抗肿瘤活性分子的筛选中。1.2 计算机虚拟筛选采用计算机虚拟筛选对G-四链体的配体进展筛选和构造优化已经成为一个

15、必不可少的方法。文献报道通常用的两种建立G-四链体和化合物之间的相互作用的模型是分子对接molecular docking和分子动力学模拟molecular dynamics。采用虚拟筛选能够有效地对G-四链体配体进展高通量筛选，大大提高抗肿瘤候选药物筛选的命中率，此方法已经成功应用在抗肿瘤候选药物筛选中25。而且也可以通过对G-四链体与化合物之间的相互作用方式，例如氢键、静电以及-堆积作用、沟槽键合作用以及loop区的相互作用，对其结合模式进展预测26,27。同时还可以实现系列化合物与G-四链体之间的相互结合能力与其构造之间的特效关系的分析28，为G-四链体配体进一步的构造优化，以及合成具有

16、高选择性、高结合能力的G-四链体配体提供了非常有效的线索和依据29，计算机虚拟筛选的快速和低本钱是任何常规实验手段都无法比较的，从理论上讲，只要建立模型适当，它就能够对实验有很好的指导意义和参考价值。因此计算机虚拟筛选可以为靶向G-四链体药物设计提供重要依据，成为抗肿瘤药物的筛选和构造设计中不可或缺的手段。2 以G-四链体为靶点的化合物构造设计化学家们已经了许多能够使DNA G-四链体构造稳定的化合物，主要包括：蒽醌类衍生物30、苝类化合物31、端粒抑素和阳离子类化合物32,33、溴乙啡啶衍生物34、吖啶类衍生物35、三椹类化合物36、脂肪类氨基化合物37、小僻碱类化合物38、二价镍配合物39

17、、二苯邻二氮杂菲衍生物40，DODC41、氟代喹诺42、锌指蛋白43等。这些化合物对G-四链体的稳定作用在以往的综述文章中有非常详细的报道15。在此不赘述。前文提到对于能够稳定G-四链体化合物的构造设计主要还是遵循以上-堆积和静电作用两个准则，导致与四个沟槽相互作用的静电电势数据比较少，面对于化合物与G-四链体的之间静电作用研究工作也比较少。Teulade-Fichou研究小组44以一个独特的视角来审视G-四链体配体的构造设计，从化合物与G-四链体之间的静电相互作用的角度提出设计G-四链体配体的新概念。据报道，能够稳定G-四链体的化合物按照它们带正电的性质可以分为四类：1原位胺的质子化；2通过杂环芳香族化合物上的N-甲