四链DNA与药物结合模式的研究

摘要

晶体衍射实验和核磁共振成像实验结果显示，一些富含鸟嘌呤的DNA单链内部或多条DNA单链之间可以相互结合，形成一种富含鸟嘌呤的四聚体结构，这种结构被称为四链DNA，构成该形式DNA的单层鸟嘌呤结构叫做G四聚体。在每个G四聚体中，鸟嘌呤的碱基可以与相邻碱基配对并通过多个氢键相互连接，使其在近似生物细胞环境下能够保持稳定。
　　通过分析大量实验数据，研究人员发现四链DNA结构广泛分布在人体基因组的一些重要的基因调节区，比如基因启动子、基因体以及非翻译区。最重要的，在染色体的末端（端粒）上，同样存在这种四链DNA结构。Balasubramanian研究小组最近的研究结果显示端粒处的四链DNA仅有比较低的占有率(25％)，但是这部分四链DNA却引起了人们广泛关注。
　　研究人员对端粒上的四链DNA结构的兴趣逐步提高，其原因是一些研究结果发现提高G四聚体结构的稳定性可以抑制端粒酶对端粒结构的修复和延长作用。实验结果显示，一些配合基与四链DNA相互作用时，可以起到端粒酶抑制剂的作用，而85％的癌细胞生长和扩散都依赖于端粒酶作用下端粒的持续生长，因此四链DNA被认为是未来抗癌药物研究的潜在靶点，而识别四链DNA并能起到抑制剂作用的药物研究也逐步升温。
　　目前在临床治疗中广泛使用的抗癌药为蒽环类化合物阿霉素和正定霉素。这两种药物均作为化疗药物在市场上出现。阿霉素和正定霉素分子均有一个蒽环和一个糖基组成，主要作用机理为药物分子通过嵌入到癌细胞DNA的内部，阻止DNA的转录与复制，并最终造成癌细胞的死亡。
　　2003年Clark团队通过晶体X射线衍射方法首次测得了平行四链DNA与药物正定霉素相互结合的复合物结构。衍射图像显示，所有的药物分子均结合在四链DNA的顶端，通过π-π相互作用和G四聚体的碱基相结合。他们的实验结果揭示了第一种四链DNA的识别模式:顶端结合模式。那么顶端结合模式是否是四链DNA唯一的识别模式，双链DNA中其他的识别模式是否可以在四链DNA中存在，这些问题都尚未解答。
　　为了解答这些问题，我们对四链DNA和药物分子的结合过程进行了分子动力学模拟。模拟在水环境下进行，初始状态下四链DNA和药物分子相互独立。分析模拟所得到的轨迹，我们发现除了得到与实验结果相似的顶端结合模式之外还有新的结合模式出现，我们称其为称作凹槽结合模式。为了验证这些结合模式的稳定性并消除药物分子的影响，我们又以两种结合模式的代表结构为初始构型进行了100ns的模拟。
　　本文一共分为四章。第一章介绍了本论文的研究背景及意义。第二章为模拟系统的简单介绍并详细描述了轨迹分析过程。第三章我们对平行四链DNA和药物的结合过程进行了多次模拟，并分析了所得轨迹，得到了两种主要的结合模式。最后我们对本论文进行了总结和展望。