卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展
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2010 年第 30 卷 第 11 期, 1640～1651
·综述与进展·
有机化学
Chinese Journal of Organic Chemistry
Vol. 30, 2010 No. 11, 1640～1651
卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展
周 亭 龙玉华* 杨定乔 刘真权
* E-mail: yuhualong68@hotmail.com Received October 27, 2009; revised April 13, 2010; accepted May 18, 2010. 国家自然科学基金(No. 20802021)、广东省自然科学基金重点(No. 8251063101000002)和广东省自然科学基金(No. 7005804)资助项目.
2006 年, Wei 等[18]第一次用 UVRR (ultraviolet resonance Raman spectroscopy) 和 SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy)方法对化合物 4 与三种不同结构的 G4-DNA 结合模式进行了研究. 化合物 4 与平行式 (TG4T)4 以 2∶1 的化学计量比结合, 而对于发夹式 (G4T4G4)2 和篮式四链体 AG3(T2AG3)3 结合的化学计量比 例则为 4∶1; 紫外可见吸收滴定光谱以及荧光发射光
1 G-四链体的结构
G-四链体 DNA 是由富 G 的单链 DNA, 在特定的离 子强度和 pH 条件下, 单链内或单链之间对应的 G 碱基 通过 Hoogsteen 氢键的配对, 使 4 段或 4 条富 G 的 DNA 片段相互结合形成一段四链体 DNA. 其基本结构单元 是 G-四方体(G-quartet)(Chart 1, I), 它由 4 个鸟嘌呤在一 正方形平面内通过氢键作用连接而成, 每一个 G 碱基既 是氢键的受体同时也作为配体.
2007 年, Parkinson 等[19]通过 X 射线研究发现了化合 物 4 与 G4-DNA 的一种特殊结合模式, 这种模式是从外 部嵌插到核苷酸 TTA 环中, 而与 G-四方体没有结合作 用.
2009 年, Mikami-Terao 等[20]研究了化合物 4 对视网 膜母细胞瘤的抗肿瘤活性的分子机制. 其中体外端粒重 复增殖实验结果表明, 化合物 4 能促进肿瘤细胞中端粒 重复寡核苷酸序列形成稳定 G4-DNA 结构, 进而直接阻 止肿瘤细胞中端粒 DNA 的延长. 另外, 其他一些研究 小组[21～26]]认为化合物 4 对 G4-DNA 的选择性差, 而且 与不同结构的 G4-DNA 结合, 其作用模式也不尽相同, 其中最多的作用模式是外部堆积和嵌插作用.
1642
有机化学
Vol. 30, 2010
Han 等[8]研究认为化合物 4 和 6 都可以与 G4-DNA 相互作用, 但两种结合剂与分子内四链体(GGGTTA)4 的结合模式完全不同, 6 主要是从外部嵌插到 (GGGTTA)4 的 TTA 环中, 而 4 主要是从四链体的外部 堆积在 G-四方体上. 同年, Izbicka 等[9]通过分子模型研 究了 4 与 G-四链体 d(AG3[T2AG3]3)的相互作用模型, 研 究认为化合物 4 可以很好地与四链体 d(AG3[T2AG3]3)结 合(四个 N-甲基吡啶基阳离子恰好插入 G-四方体的四个 沟槽中).
其后, Hurley 研究小组[7～17]在卟啉类化合物 4～6 与 G4-DNA 相互作用方面做了大量研究工作.
1998 年, Wheelhouse 等[7]推测化合物 4 由于其特殊 结构能够与 G4-DNA 发生堆积作用, 并分别测试了 4 与 三 种 平 行 G4-DNA (TTAGGG)4, (TTAGGGTT)4 和 (TTAGGGTTA)4 的相互作用. 研究结果表明, 化合物 4 是通过 π-π 共轭作用和静电相互作用从外部堆积在 G四方体上, 对 G4-DNA 有较强的亲和稳定作用, 并且通 过 这 种 作 用 有 效 地 抑 制 了 端 粒 酶 的 活 性 (IC50 ＝ 6.5 µmol•L－1).
2003 年, Kim 等[13]通过电泳迁移实验和聚合酶阻滞 等实验证明化合物 4 更倾向于诱导分子间 G4-DNA 的形 成, 有效抑制端粒酶和 ALT(丙氨酸氨基转移酶)显阳性 的细胞中端粒的增殖.
Hurley 等[14～17]在 2004～2007 年研究发现血管内皮 (细胞)生长因子区、人类的 bcl-2 基因 P1 启动子区、RET 致癌基因启动子区以及 c-MYC NHE III1 启动子区都有 富含鸟嘌呤的核苷酸序列, 这些序列在化合物 4 的诱导 下能形成稳定的 G-四链体结构, 且已经证实这些 G-四 链体结构的形成严重影响了这些区域基因的表达.
G-四链体 DNA(简称“G4-DNA”)是由端粒 DNA 末端一段富含鸟嘌呤碱基的悬突单链在 4 个鸟嘌呤碱基 之间通过 Hoogsteen 氢键的配对方式循环排列连接而形 成的 DNA 二级结构. 1991 年, Zahler 等[1]证实了 K＋稳定 的 G4-DNA 二级结构的形成使得端粒酶的核酸模板不 能识别端粒 DNA 末端以完成延长端粒 DNA 的作用, 进 而达到抑制端粒酶活性的作用. 端粒酶是一种能延长端 粒末端的核糖核酸蛋白酶. 近年来的研究表明, 端粒酶 的激活与癌症及一些增生性疾病的发生与发展密切相 关, 鉴于端粒酶活性与恶性肿瘤之间的高度相关性使端 粒酶成为近年来肿瘤治疗研究的热点. 端粒酶抑制剂的 设计有多种途径, 其中以提高 G4-DNA 结构的稳定性为 目标的端粒酶抑制剂的设计合成是目前化学生物学领 域的一大热点. 卟啉衍生物是研究较多的一类 G4-DNA 结合剂, 其作为端粒酶抑制剂取得许多研究成果. 本文 综述了卟啉衍生物作为 G4-DNA 结合剂的研究进展, 包 括此类化合物的合成和端粒酶抑制活性的研究, 并讨论 了其应用前景和可能面临的问题.
2.1 阳离子型卟啉衍生物 1990 年, Sari 等[5]报道了合成卟啉衍生物 1～6
(Scheme 1)较为简捷的一种方法. 卟啉衍生物是一类具 有一定尺寸、相对缺电子的平面结构的化合物. 由于其 特殊的结构特点曾作为双链 DNA 结合剂[2～5]. 近年来, G4-DNA 结构及其生物学功能得到深入研究, 研究者认 为阳离子卟啉类化合物 4～6 更适于作 G4-DNA 的结合 剂和稳定剂.
2002 年, Siddiqui-Jain 等[11,12]发现 c-MYC 原癌基因 启动子区富含鸟嘌呤的核苷酸链能够形成两种不同结 构的分子间 G4-DNA, 其中椅式结构与该区域基因的转 录增殖密切相关, 由于椅式结构不稳定, 使 c-MYC 区域 端粒 DNA 转录增殖活性提高 3 倍, 而小分子 4 可以通 过稳定椅式结构的 G4-DNA 以抑制原癌基因的转录增 殖.
No. 11
周亭等：卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展
有一条链的骨架方向与其余 3 条不同; 单分子 G-四链体 结构, 又叫分子内 G-四链体, 按构象不同又可以分为椅 式(IV)和篮式(V), 这两种结构中链的延伸方向都是反 平行的.
1641
Chart 2
Chart 1
2 卟啉衍生物作为 G-四链体结合剂
Scheme 1
1998 年, Anantha 等[6]推测并证实了卟啉类化合物 可以与 G4-DNA 发生相互作用, 其推测的根据是: (1) 卟啉类化合物具有相对缺电子的平面结构, 其尺寸大小 与 G-四方体相近; (2)卟啉化合物中的芳香母体结构和 阴离子部分能分别与 G-四方体发生疏水作用和静电作 用 . 他 们 分 别 测 试 了 卟 啉 化 合 物 4 与 (T4G4)4 以 及 (CGCG-ATAT-CGCG)2 的结合作用, 实验证实, 4 对 (T4G4)4 的亲和作用是其对(CGCGATAT-CGCG)2 的 2 倍.
谱显示化合物 4 是从外部堆积在平行 G-四链体(TG4T)4 的 两 端 , 对 于 发 夹 式 四 链 体 (G4T4G4)2 和 篮 式 四 链 体 AG3(T2AG3)3, 则是通过嵌插到 Loop 区域以及相邻两个 G-四方体之间. 外部堆积结合模式不能改变四链体的结 构, 而嵌插到 Loop 区域或相邻两个四方体之间的结合 模式能够拉大碱基对间的垂直距离, 有利于四链体的生 成和稳定存在.
Zhou, Ting Long, Yuhua* Yang, Dingqiao Liu, Zhenquan
(School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006)
Abstract The research progress in the studies of porphyrin derivatives as G-quadruplex binders including their synthetic design, binding affinities and telomerase inhibitory activity is reviewed. Keywords porphyrin; G-quadruplex DNA binders; telomerase inhibitor
2001 年, Han 等[10]进一步通过凝胶迁移实验和解旋 酶解旋实验比较了三种阳离子型卟啉 4～6 与平行及反 平行 G4-DNA 的相互作用的差异. 研究表明, 化合物 5 能够特异性地稳定平行 G4-DNA, 三种卟啉抑制酵母 Sgs1 解旋酶对平行式和反平行分子间发夹式 G4-DNA 的解旋能力迥然不同: Sgs1 解旋酶对平行 G4-DNA 的解 旋作用, 化合物 5 的抑制作用最强, 4 次之; Sgs1 解旋酶 对反平行 G4-DNA 的解旋作用, 化合物 4 的抑制作用最 强, 5 次之; 但不论是平行还是反平行 G4-DNA, 化合物 6 对 Sgs1 解旋酶都没表现出任何的抑制作用. 出现这种 现象可能的原因是化合物 6 的邻位取代基阻碍了侧链的 旋转, 即阻碍了 6 对 G4-DNA 的嵌插或堆积作用.
以 G4-DNA 为靶分子的药物设计, 首先要考虑 G4-DNA 本身的结构特点以及与药物分子进行特异性 识别的模式, 即要考虑药物是嵌插在内部 G-四方体平 面之间, 还是堆积在 G4-DNA 的外部或末端, 抑或是沟 区结合, 或是两种或多种作用模式的结合. 研究表明, 小分子药物和不同结构的 G4-DNA 作用, 其模式也不尽 相同. 到目前为止, 文献所报道小分子药物与 G4-DNA 的作用模式主要有三种: 外部堆积模式(Chart 2, a)、嵌 插模式(Chart 2, b)以及非特异性结合模式(ChBiblioteka Baidurt 2, c). 同时还要考虑阳离子化合物与 G4-DNA 阴离子骨架之 间的离子相互作用. 下面是对阳离子卟啉衍生物和金属 卟啉配合物作为 G4-DNA 结合剂的总结.
(华南师范大学化学与环境学院 广州 510006)
摘要 综述了卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展, 其中涉及该类化合物作为 G-四链体 DNA 结合剂的 设计合成、亲和能力以及端粒酶抑制活性. 关键词 卟啉; G-四链体 DNA 结合剂; 端粒酶抑制剂
Progress in Studies of Porphyrin Derivatives as G-Quadruplex DNA Binders
两个或更多个 G-四方体就可以形成 G-四链体, 其 最显著的特点就是具有多态性(polymorphism). 根据 G四链体结构中所含的富 G 单链 DNA 数目, 可以将其分 为四分子 G-四链体(Chart 1, II)、双分子 G-四链体(Chart 1, III)以及单分子 G-四链体(Chart 1, IV, V). 无论 G-四 链体由几条单链 DNA 形成, 根据核酸骨架的 5'端至 3' 端的延伸方式不同, 总的可以分为平行(parallel) (II)和 反平行(antiparallel) (Chart 1, III～V)两种形式, 平行式 中四条骨架的延伸方向都相同, 而反平行式结构中至少
·综述与进展·
有机化学
Chinese Journal of Organic Chemistry
Vol. 30, 2010 No. 11, 1640～1651
卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展
周 亭 龙玉华* 杨定乔 刘真权
* E-mail: yuhualong68@hotmail.com Received October 27, 2009; revised April 13, 2010; accepted May 18, 2010. 国家自然科学基金(No. 20802021)、广东省自然科学基金重点(No. 8251063101000002)和广东省自然科学基金(No. 7005804)资助项目.
2006 年, Wei 等[18]第一次用 UVRR (ultraviolet resonance Raman spectroscopy) 和 SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy)方法对化合物 4 与三种不同结构的 G4-DNA 结合模式进行了研究. 化合物 4 与平行式 (TG4T)4 以 2∶1 的化学计量比结合, 而对于发夹式 (G4T4G4)2 和篮式四链体 AG3(T2AG3)3 结合的化学计量比 例则为 4∶1; 紫外可见吸收滴定光谱以及荧光发射光
1 G-四链体的结构
G-四链体 DNA 是由富 G 的单链 DNA, 在特定的离 子强度和 pH 条件下, 单链内或单链之间对应的 G 碱基 通过 Hoogsteen 氢键的配对, 使 4 段或 4 条富 G 的 DNA 片段相互结合形成一段四链体 DNA. 其基本结构单元 是 G-四方体(G-quartet)(Chart 1, I), 它由 4 个鸟嘌呤在一 正方形平面内通过氢键作用连接而成, 每一个 G 碱基既 是氢键的受体同时也作为配体.
2007 年, Parkinson 等[19]通过 X 射线研究发现了化合 物 4 与 G4-DNA 的一种特殊结合模式, 这种模式是从外 部嵌插到核苷酸 TTA 环中, 而与 G-四方体没有结合作 用.
2009 年, Mikami-Terao 等[20]研究了化合物 4 对视网 膜母细胞瘤的抗肿瘤活性的分子机制. 其中体外端粒重 复增殖实验结果表明, 化合物 4 能促进肿瘤细胞中端粒 重复寡核苷酸序列形成稳定 G4-DNA 结构, 进而直接阻 止肿瘤细胞中端粒 DNA 的延长. 另外, 其他一些研究 小组[21～26]]认为化合物 4 对 G4-DNA 的选择性差, 而且 与不同结构的 G4-DNA 结合, 其作用模式也不尽相同, 其中最多的作用模式是外部堆积和嵌插作用.
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有机化学
Vol. 30, 2010
Han 等[8]研究认为化合物 4 和 6 都可以与 G4-DNA 相互作用, 但两种结合剂与分子内四链体(GGGTTA)4 的结合模式完全不同, 6 主要是从外部嵌插到 (GGGTTA)4 的 TTA 环中, 而 4 主要是从四链体的外部 堆积在 G-四方体上. 同年, Izbicka 等[9]通过分子模型研 究了 4 与 G-四链体 d(AG3[T2AG3]3)的相互作用模型, 研 究认为化合物 4 可以很好地与四链体 d(AG3[T2AG3]3)结 合(四个 N-甲基吡啶基阳离子恰好插入 G-四方体的四个 沟槽中).
其后, Hurley 研究小组[7～17]在卟啉类化合物 4～6 与 G4-DNA 相互作用方面做了大量研究工作.
1998 年, Wheelhouse 等[7]推测化合物 4 由于其特殊 结构能够与 G4-DNA 发生堆积作用, 并分别测试了 4 与 三 种 平 行 G4-DNA (TTAGGG)4, (TTAGGGTT)4 和 (TTAGGGTTA)4 的相互作用. 研究结果表明, 化合物 4 是通过 π-π 共轭作用和静电相互作用从外部堆积在 G四方体上, 对 G4-DNA 有较强的亲和稳定作用, 并且通 过 这 种 作 用 有 效 地 抑 制 了 端 粒 酶 的 活 性 (IC50 ＝ 6.5 µmol•L－1).
2003 年, Kim 等[13]通过电泳迁移实验和聚合酶阻滞 等实验证明化合物 4 更倾向于诱导分子间 G4-DNA 的形 成, 有效抑制端粒酶和 ALT(丙氨酸氨基转移酶)显阳性 的细胞中端粒的增殖.
Hurley 等[14～17]在 2004～2007 年研究发现血管内皮 (细胞)生长因子区、人类的 bcl-2 基因 P1 启动子区、RET 致癌基因启动子区以及 c-MYC NHE III1 启动子区都有 富含鸟嘌呤的核苷酸序列, 这些序列在化合物 4 的诱导 下能形成稳定的 G-四链体结构, 且已经证实这些 G-四 链体结构的形成严重影响了这些区域基因的表达.
G-四链体 DNA(简称“G4-DNA”)是由端粒 DNA 末端一段富含鸟嘌呤碱基的悬突单链在 4 个鸟嘌呤碱基 之间通过 Hoogsteen 氢键的配对方式循环排列连接而形 成的 DNA 二级结构. 1991 年, Zahler 等[1]证实了 K＋稳定 的 G4-DNA 二级结构的形成使得端粒酶的核酸模板不 能识别端粒 DNA 末端以完成延长端粒 DNA 的作用, 进 而达到抑制端粒酶活性的作用. 端粒酶是一种能延长端 粒末端的核糖核酸蛋白酶. 近年来的研究表明, 端粒酶 的激活与癌症及一些增生性疾病的发生与发展密切相 关, 鉴于端粒酶活性与恶性肿瘤之间的高度相关性使端 粒酶成为近年来肿瘤治疗研究的热点. 端粒酶抑制剂的 设计有多种途径, 其中以提高 G4-DNA 结构的稳定性为 目标的端粒酶抑制剂的设计合成是目前化学生物学领 域的一大热点. 卟啉衍生物是研究较多的一类 G4-DNA 结合剂, 其作为端粒酶抑制剂取得许多研究成果. 本文 综述了卟啉衍生物作为 G4-DNA 结合剂的研究进展, 包 括此类化合物的合成和端粒酶抑制活性的研究, 并讨论 了其应用前景和可能面临的问题.
2.1 阳离子型卟啉衍生物 1990 年, Sari 等[5]报道了合成卟啉衍生物 1～6
(Scheme 1)较为简捷的一种方法. 卟啉衍生物是一类具 有一定尺寸、相对缺电子的平面结构的化合物. 由于其 特殊的结构特点曾作为双链 DNA 结合剂[2～5]. 近年来, G4-DNA 结构及其生物学功能得到深入研究, 研究者认 为阳离子卟啉类化合物 4～6 更适于作 G4-DNA 的结合 剂和稳定剂.
2002 年, Siddiqui-Jain 等[11,12]发现 c-MYC 原癌基因 启动子区富含鸟嘌呤的核苷酸链能够形成两种不同结 构的分子间 G4-DNA, 其中椅式结构与该区域基因的转 录增殖密切相关, 由于椅式结构不稳定, 使 c-MYC 区域 端粒 DNA 转录增殖活性提高 3 倍, 而小分子 4 可以通 过稳定椅式结构的 G4-DNA 以抑制原癌基因的转录增 殖.
No. 11
周亭等：卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展
有一条链的骨架方向与其余 3 条不同; 单分子 G-四链体 结构, 又叫分子内 G-四链体, 按构象不同又可以分为椅 式(IV)和篮式(V), 这两种结构中链的延伸方向都是反 平行的.
1641
Chart 2
Chart 1
2 卟啉衍生物作为 G-四链体结合剂
Scheme 1
1998 年, Anantha 等[6]推测并证实了卟啉类化合物 可以与 G4-DNA 发生相互作用, 其推测的根据是: (1) 卟啉类化合物具有相对缺电子的平面结构, 其尺寸大小 与 G-四方体相近; (2)卟啉化合物中的芳香母体结构和 阴离子部分能分别与 G-四方体发生疏水作用和静电作 用 . 他 们 分 别 测 试 了 卟 啉 化 合 物 4 与 (T4G4)4 以 及 (CGCG-ATAT-CGCG)2 的结合作用, 实验证实, 4 对 (T4G4)4 的亲和作用是其对(CGCGATAT-CGCG)2 的 2 倍.
谱显示化合物 4 是从外部堆积在平行 G-四链体(TG4T)4 的 两 端 , 对 于 发 夹 式 四 链 体 (G4T4G4)2 和 篮 式 四 链 体 AG3(T2AG3)3, 则是通过嵌插到 Loop 区域以及相邻两个 G-四方体之间. 外部堆积结合模式不能改变四链体的结 构, 而嵌插到 Loop 区域或相邻两个四方体之间的结合 模式能够拉大碱基对间的垂直距离, 有利于四链体的生 成和稳定存在.
Zhou, Ting Long, Yuhua* Yang, Dingqiao Liu, Zhenquan
(School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006)
Abstract The research progress in the studies of porphyrin derivatives as G-quadruplex binders including their synthetic design, binding affinities and telomerase inhibitory activity is reviewed. Keywords porphyrin; G-quadruplex DNA binders; telomerase inhibitor
2001 年, Han 等[10]进一步通过凝胶迁移实验和解旋 酶解旋实验比较了三种阳离子型卟啉 4～6 与平行及反 平行 G4-DNA 的相互作用的差异. 研究表明, 化合物 5 能够特异性地稳定平行 G4-DNA, 三种卟啉抑制酵母 Sgs1 解旋酶对平行式和反平行分子间发夹式 G4-DNA 的解旋能力迥然不同: Sgs1 解旋酶对平行 G4-DNA 的解 旋作用, 化合物 5 的抑制作用最强, 4 次之; Sgs1 解旋酶 对反平行 G4-DNA 的解旋作用, 化合物 4 的抑制作用最 强, 5 次之; 但不论是平行还是反平行 G4-DNA, 化合物 6 对 Sgs1 解旋酶都没表现出任何的抑制作用. 出现这种 现象可能的原因是化合物 6 的邻位取代基阻碍了侧链的 旋转, 即阻碍了 6 对 G4-DNA 的嵌插或堆积作用.
以 G4-DNA 为靶分子的药物设计, 首先要考虑 G4-DNA 本身的结构特点以及与药物分子进行特异性 识别的模式, 即要考虑药物是嵌插在内部 G-四方体平 面之间, 还是堆积在 G4-DNA 的外部或末端, 抑或是沟 区结合, 或是两种或多种作用模式的结合. 研究表明, 小分子药物和不同结构的 G4-DNA 作用, 其模式也不尽 相同. 到目前为止, 文献所报道小分子药物与 G4-DNA 的作用模式主要有三种: 外部堆积模式(Chart 2, a)、嵌 插模式(Chart 2, b)以及非特异性结合模式(ChBiblioteka Baidurt 2, c). 同时还要考虑阳离子化合物与 G4-DNA 阴离子骨架之 间的离子相互作用. 下面是对阳离子卟啉衍生物和金属 卟啉配合物作为 G4-DNA 结合剂的总结.
(华南师范大学化学与环境学院 广州 510006)
摘要 综述了卟啉衍生物作为 G-四链体 DNA 结合剂的研究进展, 其中涉及该类化合物作为 G-四链体 DNA 结合剂的 设计合成、亲和能力以及端粒酶抑制活性. 关键词 卟啉; G-四链体 DNA 结合剂; 端粒酶抑制剂
Progress in Studies of Porphyrin Derivatives as G-Quadruplex DNA Binders
两个或更多个 G-四方体就可以形成 G-四链体, 其 最显著的特点就是具有多态性(polymorphism). 根据 G四链体结构中所含的富 G 单链 DNA 数目, 可以将其分 为四分子 G-四链体(Chart 1, II)、双分子 G-四链体(Chart 1, III)以及单分子 G-四链体(Chart 1, IV, V). 无论 G-四 链体由几条单链 DNA 形成, 根据核酸骨架的 5'端至 3' 端的延伸方式不同, 总的可以分为平行(parallel) (II)和 反平行(antiparallel) (Chart 1, III～V)两种形式, 平行式 中四条骨架的延伸方向都相同, 而反平行式结构中至少