基于DNA G-四鏈體識(shí)別的抗腫瘤分子篩選及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展論文

1、關(guān)于*南方化工*烯草酮合成生產(chǎn)工藝調(diào)查研究. 4. 研究生課程論文類試卷論文題目：基于DNA G-四鏈體識(shí)別的抗腫瘤分子篩選及構(gòu)造設(shè)計(jì)研究進(jìn)展基于DNA G-四鏈體識(shí)別的抗腫瘤分子篩選及構(gòu)造設(shè)計(jì)研究進(jìn)展摘 要：以生物靶分子為根底進(jìn)展抗腫瘤藥物先導(dǎo)化合物的篩選是抗腫瘤藥物研究的熱點(diǎn)之一，DNA G-四鏈體構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)其與癌癥的關(guān)系的提示，為目前抗腫瘤藥物研發(fā)提供了一個(gè)新的契機(jī)。能夠誘導(dǎo)DNA形成G-四鏈體構(gòu)造或者與G-四鏈體特異性結(jié)合并使之穩(wěn)定的化合物有望抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而到達(dá)抗癌的作用。關(guān)鍵詞：生物靶；抗腫瘤藥物；篩選；DNA G-四鏈體構(gòu)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.關(guān)于*南方化工*烯草酮合成生產(chǎn)工藝調(diào)查研究. Keywords:Biological target; Antitumor drugs; Screening; The DNA G - four chain st

5、ructure惡性腫瘤是危害人類安康和生命的重大疾病，近幾十年來，抗腫瘤藥物的研發(fā)已經(jīng)取得了顯著成功?？鼓[瘤藥物的研發(fā)中，以生物靶分子為根底進(jìn)展抗腫瘤藥物先導(dǎo)化合物的篩選是抗腫瘤藥物的研究熱點(diǎn)之一1。如何快速、高效的尋找作用于特定靶標(biāo)的藥物，是目前藥物研究亟待解決的瓶頸問題。DNA G-四鏈體結(jié)的發(fā)現(xiàn)及現(xiàn)代生物分子學(xué)技術(shù)對(duì)其生理功能的解釋，為解決這一瓶頸提供了一個(gè)新的契機(jī)。1962年，Gellert等人首次發(fā)現(xiàn)了G-四鏈體構(gòu)造2，直到20世紀(jì)90年代，伴隨著端粒DNA構(gòu)造的研究以及端粒酶活性與癌癥關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，對(duì)DNA G-四鏈體構(gòu)造與功能的研究引起了人們極大的興趣3。所謂G-四鏈體構(gòu)造，是指富

6、含鳥嘌呤G的DNA單鏈在一價(jià)陽離子如K+的誘導(dǎo)下通過G堿基間Hoogste- en氫鍵形成G-四集體，并進(jìn)一步堆積成四鏈體構(gòu)造4。大量的研究說明，DNA G四鏈體的出現(xiàn)與許多重要的生理過程密切相關(guān)，在人體約有37萬可以形成DNA G-四鏈體的基因序列5，它們位于雙鏈DNA的延伸區(qū)域6，在一定條件下就可以折疊形成G-四鏈體7。而G-四鏈體的形成與其相關(guān)基因表達(dá)水平密切相關(guān)8，而且具有不同功能的蛋白，如核酸酶、解旋酶、溶解酶，與G-四鏈體也存在著特殊的相互作用9，尤為重要的是，G-四鏈體的形成選擇性的引發(fā)了與整個(gè)癌細(xì)胞密切相關(guān)的很多生理功能的紊亂9，特別是端粒末端DNA G-四鏈體的形成，不僅阻止

7、了端粒酶對(duì)端粒DNA的識(shí)別而且抑制了端粒酶活性的表達(dá)，從而到達(dá)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡的作用；而且也阻礙了與端粒相關(guān)的蛋白質(zhì)對(duì)其靶分子的正常識(shí)別，從而大大增加了基因組的不穩(wěn)定性10，同時(shí)，G-四鏈體對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的潛在調(diào)控作用也都得到了有力的證實(shí)。由于人類基因啟動(dòng)區(qū)例如：視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤易感基因、胰島素、肌細(xì)胞特異性基因、血管皮生長(zhǎng)因子、缺氧誘導(dǎo)因子、脆性*精神發(fā)育遲滯基因以及致癌基因都存在富含鳥嘌呤的序列，且都能形成G-四鏈體構(gòu)造。因此，能夠誘導(dǎo)DNA形成G-四鏈體構(gòu)造或者G-四鏈體特異性結(jié)合，并使之穩(wěn)定的化合物有望抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而到達(dá)抗癌的作用。以DNA G-四鏈體為抗癌藥物作用靶點(diǎn)對(duì)化合物進(jìn)

8、展篩選和構(gòu)造設(shè)計(jì)是目前化學(xué)家和生物學(xué)家密切關(guān)注的熱點(diǎn)。鑒于DNA G-四鏈體與惡性腫瘤的關(guān)系，科學(xué)家們一致認(rèn)為：誘導(dǎo)DNA G-四鏈體構(gòu)造穩(wěn)定的化合物能夠?yàn)殚_展新的抗腫瘤藥物開辟一條行之有效的途徑?？茖W(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了許多能夠使DNA G-四鏈體構(gòu)造穩(wěn)定的化合物，大局部化合物構(gòu)造具有平面芳香大共軛體系且?guī)д姾?，通常是與G-四鏈體的G-四集團(tuán)平面通過-堆積和靜電作用兩種結(jié)合模式來穩(wěn)定G-四鏈體的構(gòu)造。這種-堆積的結(jié)合模式是區(qū)別于化合物與其它DNA的作用模式，并用于識(shí)別DNA G-四鏈體的一種獨(dú)特方式，已為學(xué)者研究的較為透徹11。同時(shí)，帶正電荷的化合物與DNA G-四鏈體之間通過靜電相互作用也能

9、夠起到穩(wěn)定G-四鏈體的作用。然而，由于DNA的立體異構(gòu)、鍵的極性不同、糖苷扭轉(zhuǎn)角的變化、連接回路不同、不同陽離子的配位作用都會(huì)導(dǎo)致G-四鏈體構(gòu)造的不同，因此DNA G-四鏈體構(gòu)造表現(xiàn)出多樣性，如圖一所示12，目前導(dǎo)致與4個(gè)溝槽相互作用的靜電電勢(shì)數(shù)據(jù)比較少，這方面的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有化合物和雙鏈DNA的相互作用研究的透徹。對(duì)于中心金屬離子對(duì)化合物與G-四鏈體的相互作用的影響的研究工作也很少，到目前為止，對(duì)于能夠穩(wěn)定G-四鏈體的化合物的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要遵循以上-堆積和靜電作用兩個(gè)原則。生物實(shí)驗(yàn)說明，對(duì)端粒DNA G-四鏈體構(gòu)造具有穩(wěn)定作用的這些化合物確實(shí)對(duì)端粒酶具有不同程度的控制能力，能夠使腫瘤細(xì)胞的端粒隨

10、分裂逐漸縮短從而引發(fā)凋亡。因此有望被開發(fā)成抗腫瘤藥物。目前已經(jīng)有兩個(gè)以DNA G-四鏈體為靶點(diǎn)的藥物C*-3543和AS1411正在進(jìn)展二期臨床實(shí)驗(yàn)13,14下面就對(duì)近年來基于G-四鏈體為靶點(diǎn)進(jìn)展抗腫瘤化合物的篩選以及構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)展綜述。1基于G-四鏈體的抗腫瘤化合物分子的構(gòu)造篩選化合物與DNA G-四鏈體結(jié)合后，其生物功能主要通過一些生化和生物實(shí)驗(yàn)來確定，而對(duì)二者相互作用體系進(jìn)展構(gòu)造方面的研究，來探討小分子與DNA G-四鏈體結(jié)合的位點(diǎn)及形成復(fù)合物的穩(wěn)定性，是針對(duì)DNA G-四鏈體的藥物設(shè)計(jì)和開發(fā)的根底。目前研究小分子化合物與DNA G-四鏈體相互作用的主要手段有：吸收光譜、熒光光譜、圓二色譜

11、、線二色譜、熒光共振能量轉(zhuǎn)移、電噴霧質(zhì)譜、等溫滴定量熱分析、核磁共振、*射線晶體衍射、離子淌度、凝膠電泳、甲基化印跡法，分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法。此外，研究小分子配體與DNA之間的結(jié)合能力可以通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移、外表等離子體共振、差熱分析儀、恒溫滴定微量熱儀、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算等方法或儀器進(jìn)展。以上常用的方法在古練權(quán)、黃志紓課題組15的綜述中有詳細(xì)的介紹。在此主要介紹兩種基于G-四鏈體對(duì)其配體構(gòu)造特異性識(shí)別而對(duì)化合物進(jìn)展構(gòu)造篩選的研究方法，既基于核磁共振進(jìn)展抗腫瘤化合物篩選方法以及計(jì)算機(jī)虛擬篩選。1.1基于核磁共振的抗腫瘤化合物構(gòu)造篩選 核磁共振是研究G-四鏈體DNA的最重要的方法之一。能夠通過確定

12、分子的精細(xì)構(gòu)造，進(jìn)而深入研究G-四鏈體與小分子相互作用的作用模式以及其穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)16,17。形成G-四集體的鳥嘌呤堿基之間主要通過堿基上的氨基和亞氨基分別于相鄰鳥嘌呤堿基上的氮、氧原子形成的氫鍵相連，鳥嘌呤的氨基質(zhì)子一般落在化學(xué)位移7.08.5之間，而亞氨基質(zhì)子的化學(xué)位移遠(yuǎn)在10以外。活潑氫的峰形與活潑氫之間的交換速度有著密切的關(guān)系。交換速度很快出現(xiàn)鋒利的單峰；交換速度很慢則會(huì)看到與鄰位的明顯耦合；交換速度中出現(xiàn)則出現(xiàn)平坦的寬峰、有時(shí)候甚至觀察不到峰的存在。因此，通過觀察DNA氨基、亞氨基質(zhì)子峰的變化可以得到G-四鏈體構(gòu)造以及DNA與小分子之間的作用模式和作用位點(diǎn)等一些相關(guān)信息18。本課題

13、組在近年來開展G-四鏈體靶分子的識(shí)別及配體構(gòu)造設(shè)計(jì)研究1921的根底上，開展了一種全新的基于G-四鏈體生物靶分子特異性識(shí)別和核磁共振梯度場(chǎng)擴(kuò)散序譜技術(shù)DOSY，對(duì)天然植物中抗腫瘤活性成分快速篩選和構(gòu)造鑒定的方法，并將這一方法成功地用于兩種天然植物中抗腫瘤分子的發(fā)現(xiàn)22,23。擴(kuò)散序普主要是基于不同尺寸的分子在溶液中具有不同擴(kuò)散系數(shù)的原理24。根據(jù)Einstein-Stokes公式，分子在溶液中的擴(kuò)散速率與分子的大小有關(guān)、分子越大，擴(kuò)散越慢。在提取物混合溶液中參加生物靶分子，活性小分子與大分子相結(jié)合后擴(kuò)散變慢，擴(kuò)散系數(shù)與生物大分子處于同一量級(jí)。在DOSY中，活性小分子的對(duì)應(yīng)信號(hào)就應(yīng)該與生物大分子

14、的的信號(hào)處于一樣擴(kuò)散帶上，由此找到活性小分子的特征譜峰，再通過進(jìn)一步的2D NMR實(shí)驗(yàn)即可確定活性小分子的構(gòu)造。該方法是在植物提取物體系中引入生物靶分子G-四鏈體，利用G-四鏈體對(duì)其配體的構(gòu)造特異性識(shí)別作用而獲取核磁共振譜學(xué)信息，分析HNMR和DOSY譜，從而獲得被G-四鏈體識(shí)別的化合物的準(zhǔn)確構(gòu)造，此方法的優(yōu)勢(shì)在于把核磁譜學(xué)的構(gòu)造鑒定和篩選結(jié)合起來，讓天然植物提取物中活性成分的快速篩選和構(gòu)造鑒定成為可能，這一方法的創(chuàng)新在于把核磁共振中的DOSY技術(shù)用于基于G-四鏈體DNA特異性識(shí)別的抗腫瘤活性分子的篩選中。1.2 計(jì)算機(jī)虛擬篩選采用計(jì)算機(jī)虛擬篩選對(duì)G-四鏈體的配體進(jìn)展篩選和構(gòu)造優(yōu)化已經(jīng)成為一個(gè)

15、必不可少的方法。文獻(xiàn)報(bào)道通常用的兩種建立G-四鏈體和化合物之間的相互作用的模型是分子對(duì)接molecular docking和分子動(dòng)力學(xué)模擬molecular dynamics。采用虛擬篩選能夠有效地對(duì)G-四鏈體配體進(jìn)展高通量篩選，大大提高抗腫瘤候選藥物篩選的命中率，此方法已經(jīng)成功應(yīng)用在抗腫瘤候選藥物篩選中25。而且也可以通過對(duì)G-四鏈體與化合物之間的相互作用方式，例如氫鍵、靜電以及-堆積作用、溝槽鍵合作用以及l(fā)oop區(qū)的相互作用，對(duì)其結(jié)合模式進(jìn)展預(yù)測(cè)26,27。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)系列化合物與G-四鏈體之間的相互結(jié)合能力與其構(gòu)造之間的特效關(guān)系的分析28，為G-四鏈體配體進(jìn)一步的構(gòu)造優(yōu)化，以及合成具有

16、高選擇性、高結(jié)合能力的G-四鏈體配體提供了非常有效的線索和依據(jù)29，計(jì)算機(jī)虛擬篩選的快速和低本錢是任何常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段都無法比較的，從理論上講，只要建立模型適當(dāng)，它就能夠?qū)?shí)驗(yàn)有很好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。因此計(jì)算機(jī)虛擬篩選可以為靶向G-四鏈體藥物設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，成為抗腫瘤藥物的篩選和構(gòu)造設(shè)計(jì)中不可或缺的手段。2 以G-四鏈體為靶點(diǎn)的化合物構(gòu)造設(shè)計(jì)化學(xué)家們已經(jīng)了許多能夠使DNA G-四鏈體構(gòu)造穩(wěn)定的化合物，主要包括：蒽醌類衍生物30、苝類化合物31、端粒抑素和陽離子類化合物32,33、溴乙啡啶衍生物34、吖啶類衍生物35、三椹類化合物36、脂肪類氨基化合物37、小僻堿類化合物38、二價(jià)鎳配合物39

17、、二苯鄰二氮雜菲衍生物40，DODC41、氟代喹諾42、鋅指蛋白43等。這些化合物對(duì)G-四鏈體的穩(wěn)定作用在以往的綜述文章中有非常詳細(xì)的報(bào)道15。在此不贅述。前文提到對(duì)于能夠穩(wěn)定G-四鏈體化合物的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要還是遵循以上-堆積和靜電作用兩個(gè)準(zhǔn)則，導(dǎo)致與四個(gè)溝槽相互作用的靜電電勢(shì)數(shù)據(jù)比較少，面對(duì)于化合物與G-四鏈體的之間靜電作用研究工作也比較少。Teulade-Fichou研究小組44以一個(gè)獨(dú)特的視角來審視G-四鏈體配體的構(gòu)造設(shè)計(jì)，從化合物與G-四鏈體之間的靜電相互作用的角度提出設(shè)計(jì)G-四鏈體配體的新概念。據(jù)報(bào)道，能夠穩(wěn)定G-四鏈體的化合物按照它們帶正電的性質(zhì)可以分為四類：1原位胺的質(zhì)子化；2通過雜環(huán)芳香族化合物上的N-甲