靶向G-四链体的小分子配体在癌症治疗中应用的研究进展

G-四链体是一类由Hoogsteen氢键维持稳定的,富含鸟嘌呤的DNA或RNA二级结构。人类基因组中存在大量潜在的形成G-四链体的序列,所形成的G-四链体结构能够调控基因组的稳定性、DNA复制和基因表达,其中包括很多与癌症相关基因。因此寻找能够诱导DNA的G富集区域形成G-四链体结构的配体,进而筛选潜在抗癌药物的先导化合物,已成为癌症治疗研究的热点之一。本文对近年来发现和设计的以G-四链体为靶点的小分子配体,按照靶向的G-四链体结构类型和配体的分子结构进行分类,综述了这类化合物在癌症治疗方面的研究进展,分析了相关靶向治疗存在的问题,并对未来的研究方向进行了展望。     

以G-四链体为靶点的小分子端粒酶抑制剂研究进展

富含鸟嘌呤碱基的DNA序列能够通过鸟嘌呤环的互联作用形成四链螺旋结构,这种结构被称为G-四链体。G-四链体由于能够抑制端粒酶的活性而成为抗肿瘤药物的新靶点,能促使G-四链体形成或稳定该结构的物质则可能对癌症有潜在的治疗意义。本文对以G-四链体为靶点的小分子端粒酶抑制剂的研究进行了综述。     

核酸G-四链体的识别、复合物结构与细胞内探测的研究进展

富含鸟嘌呤的DNA或RNA序列可以折叠成非典型G-四链体二级结构. G-四链体结构丰富多样,在生物体内动态存在,参与了转录、复制、基因组稳定性和表观遗传调控等关键的基因组功能,与癌症生物学密切相关. G-四链体的结构与功能机制研究促进了以G-四链体为靶点的肿瘤治疗干预.本文综合评述了核酸G-四链体的特异性识别、细胞内探测及生物学功能的调控,总结了识别靶向G-四链体的小分子及复合物结构的研究进展,讨论了以G-四链体为靶点的靶向干预及疾病治疗的可能性,最后展望了G-四链体未来研究所面临的挑战与机遇.     

原癌基因c-myc G-四链体配体甲基蓝衍生物的设计、合成及其活性研究

采用计算机辅助药物设计方法,将以甲基蓝为先导化合物设计的配体分子与端粒DNA、原癌基因cmyc、c-kit2等形成的G-四链体三维结构进行分子对接模拟,发现目标化合物选择性靶向c-myc G-四链体,其对接分值为7.74。以吩噻嗪为起始原料合成出目标化合物,其结构经~1H-NMR、~(13)C-NMR和HRMS等确证。采用圆二色光谱实验测试了化合物与端粒、原癌基因c-myc和c-kit2等DNA的相互作用,结果表明目标化合物选择性诱导c-myc DNA形成G-四链体。     

G-四链体DNA稳定剂的研究进展

人体端粒由富含鸟嘌呤(G)的DNA重复序列组成,该序列在一定的条件下可以形成G-四链体DNA的结构.小分子化合物诱导该结构的形成并使之稳定,不但可以抑制端粒酶的活性或降低癌基因的转录表达而达到抗肿瘤的目的,还可以作为G-四链体DNA的探针,辅助G-四链体DNA生物功能的研究及与之相关疾病的诊断.因此,G-四链体DNA稳定剂的设计是近年来化学生物学的重要前沿领域之一.到目前为止,G-四链体DNA稳定剂主要可分为有机小分子化合物和金属配合物.本文重点综述这两方面特别是后者的最新研究进展.     

用结晶紫为荧光指示剂筛选G-四链体的小分子配体

基于结晶紫(CV)与G-四链体的特异性结合以及结晶紫和端粒DNA(G-DNA)、G-四链体作用后荧光强度的差异,以天然抗肿瘤中药槲皮素为研究对象,建立了一种简单、快速、无标记筛选G-四链体配体的方法。研究了槲皮素与G-DNA的相互作用,并考察了G-DNA在K+存在下形成G-四链体后与槲皮素的作用情况。该方法已用于筛选G-四链体的小分子配体。     

钌配合物与G-四链体DNA的相互作用研究进展

人体端粒由富含鸟嘌呤(G)的DNA重复序列组成,该序列在一定条件下可以形成G-四链体DNA结构。小分子化合物诱导该结构的形成并使之稳定,可以抑制端粒酶活性而达到抗肿瘤的目的。因此,G-四链体DNA稳定剂的设计和筛选是近年来生物无机化学的重要前沿研究领域之一。在金属配合物中,钌配合物由于具有丰富的光化学、光物理特性以及生物活性,其作为G-四链体DNA稳定剂引起人们的高度关注。本文以近年一些代表性的研究工作为例,对钌配合物与G-四链体DNA相互作用方面的研究进展进行了综述。     

无标记筛选G-四链体小分子配体的荧光新方法

能够诱导端粒DNA(GDNA)形成G-四链体结构的小分子化合物具有重大的抗肿瘤意义。本文以天然抗肿瘤药物槲皮素为研究对象,基于N-甲基卟啉二丙酸Ⅸ(NMM)与G-四链体的特异性结合,以及配体加入NMM/GDNA体系前后荧光强度的变化,建立了一种简单快速、无需标记筛选G-四链体配体的新方法,并应用该方法考察了黄酮类化合物、生物碱类和有机酸类化合物对NMM/GDNA体系的影响。结果显示黄酮类化合物容易诱导端粒DNA形成G-四链体结构,而生物碱类和有机酸等比较困难。     

DNA G-四链体识别探针研究进展

G-四链体是一种由富含鸟嘌呤核酸序列形成的独特的二级结构,广泛分布于真核生物基因组,如端粒DNA、r DNA和一系列基因中的启动子区域。G-四链体结构对很多重要的生理过程如基因的转录、复制、重组以及保持染色体的稳定性方面具有重要作用。G-四链体的特异、高灵敏检测将为进一步了解G-四链体结构在人类细胞基因组中的分布、功能和机制奠定基础,也可能为靶向G-四链体的肿瘤治疗方法提供新的思路。因而过去几十年人们一直致力于开发设计具有高选择性和高灵敏度的G-四链体识别探针,这些探针已经广泛应用于溶液中G-四链体的识别,而且具有良好的选择性。目前也有少数探针能够直接用于检测活体G-四链体结构。本文综述了一些常见的靶向G-四链体的小分子配体,以及它们在染色体和活体细胞G-四链体检测中的应用。笔者希冀本文能为设计识别G-四链体的高性能探针,进一步实现活细胞内G-四链体的检测提供借鉴。     

异核苷G-四链DNA结构与活性的研究

富含鸟嘌呤的核酸序列能形成各种G-四链结构,G-四链结构具有重要的生物功能,在许多细胞内的事件如端粒DNA的保护和延长、复制、重组和转录等事件中有重要作用.一些以G-四链结构为靶点的小分子可抑制端粒酶的活性,使G-四链结构成为抗肿瘤药物设计的重要靶点.同时,某些特定序列的G-四链DNA具有抗肿瘤抗病毒等活性,如其中一个G-四链DNA T30923已经进入抗HIV-1 Ⅱ期临床研究.T30923的改进体T40214,即15聚体5′-(GGGC)4-3′,形成了一个对称而紧凑的分子内G-四链(图1),它的loop区因同时结合了两个K+而大大的增加了结构的稳定性[1].这种分子内的G-四链结构是体外抑制HIV整合酶以及抑制被感染细胞中HIV-1病毒的复制所必需的[2].为了增加T40214在体内的化学及酶稳定性,我们将异核苷分别掺入15聚体中[3],通过CD光谱、电泳等方法研究掺入异核苷的G-四链在结构和活性上的变化.     

Using Macrocyclic G-Quadruplex Ligands to Decipher the Interactions Between Small Molecules and G-Quadruplex DNA

This study aims to deepen the knowledge of the current state of rational G4-ligand design through the design and synthesis of a novel set of compounds based on indoles, quinolines, and benzofurans and their comparisons with well-known G4-ligands. This resulted in novel synthetic methods and G4-ligands that bind and stabilize G4 DNA with high selectivity. Furthermore, the study corroborates previous studies on the design of G4-ligands and adds deeper explanations to why a) macrocycles offer advantages in terms of G4-binding and -selectivity, b) molecular pre-organization is of key importance in the development of strong novel binders, c) an electron-deficient aromatic core is essential to engage in strong arene-arene interactions with the G4-surface, and d) aliphatic amines can strengthen interactions indirectly through changing the arene electrostatic nature of the compound. Finally, fundamental physicochemical properties of selected G4-binders are evaluated, underscoring the complexity of aligning the properties required for efficient G4 binding and stabilization with feasible pharmacokinetic properties.     

One Terminal Guanosine Flip of Intramolecular Parallel G-Quadruplex: Catalytic Enhancement of G-Quadruplex/Hemin DNAzymes

Numerous studies have shown compelling evidence that incorporation of an inversion of polarity site (IPS) in G-rich sequences can affect the topological and structural characteristics of G-quadruplexes (G4s). Herein, the influence of IPS on the formation of a previously studied intramolecular parallel G4 of d(G₃TG₃TG₃TG₃) (TTT) and its stacked higher-order structures is explored. Insertion of 3′–3′ or 5′–5′ IPS did not change the parallel folding pattern of TTT. However, both the species and position of the IPS in TTT have a significant impact on the G4 stability and end-stacking through the alteration of G4–G4 interfaces properties. The data demonstrate that one base flip in each terminal G-tetrad can stabilize parallel G4s and facilitate intermolecular packing of monomeric G4s. Such modifications can also enhance the fluorescence and enzymatic performances by promoting interactions between parallel G4s with N-methyl mesoporphyrin IX (NMM) and hemin, respectively.     

基于G-四链体结构多态性的核酸纳米技术

G-四链体是由富G核酸形成的独特四链螺旋结构,区别于遵循A-T、G-C碱基互补配对原则形成的传统Watson-Crick双链结构.基于G-四链体的特异分子识别特性,能够引导纳米粒子的有序组装、赋予纳米器件以刺激一响应功能,使得核酸纳米技术领域的内容更丰富多样.本文介绍了G-四链体的结构多态性,从纳米材料组装和纳米器件设...     

Single-Molecule FRET Study of DNA G-Quadruplex

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｅｌｏｍｅｒｅｓａｒｅｔｈｅｅｎｄｒｅｇｉｏｎｓｏｆｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅｓｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆＤＮＡａｎｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄｐｒｏｔｅｉｎ .Ｔｈｅｔｅｌｏｍ ｅｒｉｃＤＮＡｃｏｎｔａｉｎｓＧ ｒｉｃｈｒｅｐｅａｔｓｏｆＤＮＡｓｅｑｕｅｎｃｅｓ .ＴｈｉｓＧ ｒｉｃｈｏｖｅｒｈａｎｇｃａｎｆｏｒｍａｓｔａｂｌｅ ｇｕａｎｉｎｅ ｑｕａｄｒｕｐｌｅｘｉｎｖｉｔｒｏｕｎｄｅｒ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉ ｔｉｏｎｓ[1,2 ] .Ｉｔｉｓｎｏｗｗｅｌｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔ…     

基于"分段"-"完整"转化的G-四链体脱氧核糖核酸酶传感器用于多聚核苷酸激酶的检测

采用"分段"转化为"完整"G-四链体脱氧核糖核酸酶的策略,构建了检测多聚核苷激酶(T4 PNK)的传感器.将形成G-四链体的富G序列PS5.M序列拆分成5 '和3'端均为羟基的两条链:链S1OH和链S2OH,即分别具有12个碱基的"分段"的PS5.M.在ATP存在下,T4 PNK酶可以将链S2OH的5 '端的羟基磷酸化,转化为S2P;在S1OH、S2P以及Helper链S—H存在下,T4 DNA连接酶(T4 DNA Ligase)将链S1OH和链S2P连接成"完整"的PS5.M序列.在体系中再加入核酸外切酶Ⅲ(ExoⅢ),从S—H的3'端剪切S-H,释放出PS5.M.在K+存在下,PS5.M与氯化血红素(Hemin)作用,形成具有类过氧化物酶活性的复合物,催化H2O2氧化2,2'-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)的反应,通过检测氧化产物在418 nm处的吸收值变化,实现对T4 PNK活性的定量检测.线性检测范围为0.02 ～ 3.0 U/mL,检出限为0.014 U/mL(S/N=3).对Hela细胞和HEK293细胞实际样本的T4 PNK活性进行了检测,平均回收率为95.6％～105.7％.     

Kinetic Target-Guided Synthesis of Small-Molecule G-Quadruplex Stabilizers

The formation of a G-quadruplex motif in the promoter region of the c-MYC protooncogene prevents its expression. Accordingly, G-quadruplex stabilization by a suitable ligand may be a viable approach for anticancer therapy. In our study, we used the 4-(4-methylpiperazin-1-yl)aniline molecule, previously identified as a fragment library screen hit, as a template for the SAR-guided design of a new small library of clickable fragments and subjected them to click reactions, including kinetic target-guided synthesis in the presence of a G-quadruplex forming oligonucleotide Pu24. We tested the clickable fragments and products of click reactions for their G-quadruplex stabilizing activity and determined their mode of binding to the c-MYC G-quadruplex by NMR spectroscopy. The enhanced stabilizing potency of click products in biology assays (FRET, Polymerase extension assay) matched the increased yields of in situ click reactions. In conclusion, we identified the newly synthesized click products of bis-amino derivatives of 4-(4-methylpiperazin-1-yl)aniline as potent stabilizers of c-MYC G-quadruplex, and their further evolution may lead to the development of an efficient tool for cancer treatment.     

Enantioselective Diels-Alder Reactions with G-Quadruplex DNA-Based Catalysts

DNA in command: An enantioselective Diels-Alder reaction can be achieved using human telomeric G-quadruplex DNA-based catalysts. The absolute configuration of the product can be reversed when the conformation of G-quadruplex DNA is switched from antiparallel to parallel, and both the reaction rate and the enantioselectivity of the Diels-Alder reaction were found to be dependent on the DNA sequence.     

鸟嘌呤四链体中Na~+的移动

Na+-G-四链体复合物是一个明显的极化体系,其形成或解离过程中,Na+的移动路线目前还不十分明确.σπ水平的原子-键电负性均衡方法融合进分子力学(ABEEMσπ/MM)模型除原子位点外,还明确地定义了孤对电子、σ键和π键的位置,并且各位点电荷随分子环境改变而浮动,因此能更好地反映该体系的极化现象.本文应用ABEEMσπ/MM方法研究了Na+-G-四平面复合物的性质,包括它的几何构型、电荷分布和结合能等,并在MP2/6-31G(d,p)水平上做了相应的从头算,两种结果十分吻合.Na+的存在改变了G-tetrad的氢键方式.通过比较Na+各条移动路线中体系的结合能,预测G-四链体中三个Na+最有可能沿α方向依次移出.以上研究为进一步应用ABEEMσπ/MM模型进行G-四链体中离子交换通道的动力学模拟打下坚实的基础.     

金属离子诱导的G-四链体凝胶体系的基本性质研究

<正>核酸是生命体内最重要的生物分子之一，具有生物相容性和低毒性等特点，常被应用在生物医药等领域¹。鸟嘌呤(G)是DNA分子中的四种碱基之一，在人体端粒末端的DNA单链上，富含丰富的鸟嘌呤，使其能够形成G-四链体结构，该结构的稳定与端粒酶的活性有关，具有非常重要的生物学意义²。此外，小分子鸟嘌呤也可以通过超分子自组装形成G-四链体结构。该结构具有结构有序和性质可调控的特点，可作为模板用于功能材料的制备，应用于组织工程等领域³。     

Novel Naphthalimide Derivatives as Selective G-Quadruplex DNA Binders

A new derivate of 4-bromo-1,8-naphthalic anhydride and its quaternized analogue have been prepared and characterized. The interactions of both derivatives with human telomere quadruplex-DNA and ds-DNA have been comparatively studied by UV-visible (UV-Vis), fluorescent intercalator displacement assays, competition dialysis, circular dichroism (CD), agarose gel electrophoresis, and polyacrylamide gel electrophoresis. The results show that both derivatives can stabilize G-quadruplexes DNA, and they show different binding affinities for G-quadruplexes-DNA and ds-DNA. All spectroscopic studies have shown that the derivatives have a modest selectivity for G-quadruplex versus ds-DNA.