G-四链体小分子配体：小檗碱衍生物的设计、合成及活性研究

摘要

G—四链体是由富含鸟嘌呤的DNA或者RNA序列通过自身组装形成的特殊二级结构。该结构存在于人端粒末端以及重要癌基因的启动子区域。研究证明端粒或癌基因启动子区域在形成G—四链体结构之后，端粒酶活性或者相应癌基因的转录和表达水平将受到很大的影响。因此，G—四链体的形成或拆散可能涉及到体内的一些重要生理事件和过程，比如细胞凋亡、细胞增殖、信号转导和肿瘤形成和发展等。小分子配体通过诱导形成以及稳定这些G—四链体结构，可以抑制癌细胞中端粒酶的活性以及调控癌基因的转录和表达水平，因此G—四链体已成为新型抗癌药物设计的重要靶点。 小檗碱属于季胺类异喹啉天然生物碱，具有多方面的药理活性，如抗疟、抗菌、抗心律失常、抗肿瘤、抗血小板等。小檗碱作为传统中药，除了具有良好的药理作用外，还具有对人体副作用小，细胞毒性小等特点。更重要的是，小檗碱的基本结构符合G—四链体小分子配体的结构特点，近似平面的新月型结构有利于分子与G—四分体的π—π堆积作用；分子中的季铵阳离子可以和四链体负电的离子通道相互作用(静电作用)；另外，非完全平面性在某种程度上增加了分子对G—四链体与DNA双螺旋之间的选择性。因此以小檗碱为先导化合物，进行结构修饰，有希望获得具有高选择性的G—四链体的小分子配体。 为了系统的研究小檗碱类生物碱衍生物诱导形成和稳定G—四链体的能力、选择性，以及对G—四链体相关生物功能的影响，并研究其相互作用的构效关系和规律，本论文在前期工作的基础上，以天然小檗碱为先导化合物，借助计算机辅助分子模拟等手段，设计并合成了几个系列的小檗碱衍生物，并对每个系列的衍生物与G—四链体的相互作用及其机制进行了系统的研究。 本论文的主要内容和结果包括： 1、综述了G—四链体结构及其相关生物学功能的研究进展。文中概述了G—四体的结构类型及拓扑学特点；G—四链体基因家族的组成，家族部分成员端粒和c—myc、c—kit、bcl—2等癌基因的G—四链体结构特点和生物学功能；以G—四链体为靶点的小分子配体的最新研究进展等。 2、概述了天然原小檗碱类生物碱的结构分类，小檗碱类衍生物主要的药理活性和构效关系，及小檗碱衍生物与DNA相互作用的研究进展。 3、根据前期的研究结果，借助计算机模拟研究的提示，设计、合成了六个系列的小檗碱衍生物：包括9-N—胺链小檗碱衍生物(系列Ⅰ)、9-O—长链胺取代小檗碱衍生物(系列Ⅱ)、9-O—氮杂芳香取代小檗碱衍生物(系列Ⅲ)、六环氮杂环并异喹啉衍生物(系列Ⅳ)等，共32个终产物，其中30个是新化合物。所有化合物结构经过核磁共振、质谱、元素分析等手段确证。 4、系统研究了小檗碱衍生物与G—四链体的相互作用及其机制。综合运用CD光谱、荧光光谱、FRET熔点实验、EMSA、PCR终止实验、选择性透析实验、计算机分子模拟、TRAP实验、细胞毒实验、细胞长期增殖实验、RT—PCR等多种实验手段，分别研究了以上几个系列的衍生物与G—四链体的相互作用情况。结果证明配体可以诱导富G序列形成G—四链体结构，并显著地提高G—四链体的稳定性；与双链DNA相互作用很小；可以有效地抑制端粒酶活性或者抑制肿瘤细胞增殖和癌基因的转录等生物功能。 5、构效关系研究可以得出以下几点结论： 1)侧链的引入，对于小檗碱衍生物诱导和稳定四链体结构的能力有重要贡献。 2)侧链末端基团的性质对于相互作用影响较大。例如末端带有碱性较强的哌啶环或呱基等的衍生物效果要强于碱性较弱的氨基或者吗啉环，更强于改造前的小檗碱。此外，末端带有氮杂芳香基团，尤其是带正电荷的氮杂芳香基团可以通过多重方式与四链体相互作用，包括与四分体的堆积，与磷酸骨架的静电作用以及与loop碱基的堆积作用等。 3)侧链的长度也会影响衍生物与四链体的相互作用(侧链长于三个碳的配体作用效果明显强于两个碳的)；此外，侧链上氮原子的个数不同，其相互作用也存在差异。 4)小檗碱母核的结构对于衍生物与四链体的相互作用有影响。小檗碱的五元含氧环的打开不会破坏配体的高效专一的活性，而母核的面积增加对于相互作用有一定贡献。 5)侧链的位置对于相互作用贡献各异。研究表明，小檗碱在靠近氮正离子的9-位和远离氮正离子的11-位改造，与四链体相互作用的能力相当，但都强于在小檗碱新月形结构内侧改造的13-衍生物。可见，在小檗碱新月形的外侧改造的效果明显好于在其内侧的改造。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章G-四链体结构及其相关生物学功能的研究进展

1.1引言

1.2 G-四链体结构类型及其特点

1.3 G-四链体基因家族及其重要成员的结构与生物学功能

1.4 G-四链体小分子配体研究的最新进展

参考文献

第2章原小檗碱类生物碱及其衍生物的研究进展

2.1引言

2.2天然原小檗碱类生物碱

2.3原小檗碱类化合物药理活性及其构效关系研究进展

2.4小檗碱及其衍生物与DNA相互作用的研究进展

2.5小结

2.6本论文的研究目的及内容

参考文献

第3章以G-四链体为靶点的小分子配体：小檗碱类衍生物的设计与合成

3.1引言

3.2设计思想

3.3小檗碱衍生物的合成

3.4实验部分

参考文献

第4章小檗碱衍生物与G-四链体相互作用及其生物学效应的研究

4.1引言

4.2小分子配体与G-四链体DNA相互作用的研究方法

4.3结果与讨论

4.3.1 9-N-脂肪氨基取代小檗碱衍生物与c-myc-G-四链体相互作用及其生物学效应的研究

4.3.2氨杂环取小檗碱衍生物与G-四链体DNA的相互作用及其生物学效应的研究

4.3.3 9-O-长链多胺取代小檗碱衍生物与G-四链体的相互作用及其生物学效应的研究

4.3.4六环氮杂异喹啉衍生物与G-四链体的相互作用及其生物学效应的研究

4.4总结

4.5实验部分

参考文献

附录

博士期间的文章和专利

致谢