化学生物学第七章-化学物质与核酸相互作用-课件.pptx

1、化学物质与核酸相互作用核酸重要的生命物质基础,对生物的生长发育和繁殖等有重要作用。化学物质与核酸相互作用破坏其模板作用使核酸链断裂,影响基因调控。影响表达功能。研究核酸的结构和功能抗肿瘤、病毒药物机制癌变机理和预警标示物作用效果生物探针相互作用的亲和力及键合选择性作用模式及其生物活性之间的关系研究内容第一节 概 述 化学物质的类型各类核酸探针药物诱变剂和致癌物荧光探针、电化学探针等,如:吖啶、吩噻嗪、喹啉类分子、金属卟啉类分子等。抗肿瘤、抗病毒的药物,如:顺铂、阿霉素等。多环芳烃类分子,如:苯并芘等。第二节 化合物致突变作用 基因一般认为是稳定的,但其稳定性也不是绝对的,DNA结构的改变将导致

2、相应蛋白质一级结构(氨基酸顺序)的变化,从而引起生物特征或性状发生变异。因此,一切生物的变异和进化都能够认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。生物体内的基因(DNA)在许多物理、化学、生物等因素的影响下也会发生变化。DNA核苷酸顺序或数目发生改变常常是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子,一旦DNA碱基顺序出错,它就会通过复制机制遗传下去。由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象,称为基因“突变”。一、基因突变的类型单碱基改变大段损伤插入重复缺失化学本质移码碱基置换移位突变的结果 1、碱基置换 碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落

3、而引起的突变。此时首先在DNA复制时会使互补链的相应位点配上一个错误的碱基,即发生错误配对。这一错误配上的碱基在下一次DNA复制时却能按正常规律配对,因此一对错误的碱基置换了原来的碱基对,最终产生碱基对置换或简称碱基置换。原来的嘌呤被另一种嘌呤置换,或原来的嘧啶被另一种嘧啶置换,都称为转换;原来的嘌呤被任一种嘧啶置换,或与此相反,原来的嘧啶被任一种嘌呤置换,都称为颠换。不管是转换依然颠换都只涉及一对碱基,是名符事实上的点突变,其结果可造成一个三联体密码子的改变;此时估计出现同义密码、错义密码或终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同,因此基因表达产物的蛋白质有估计受到某种影响,终止密码可使所编

4、码的蛋白质肽链缩短。2、移码 移码是DNA中增加或减少了一对或几对不等于3的倍数的碱基对所造成的突变。由于碱基序列所形成的一系列三联体密码子相互间并无标点符号,因此从受损位点开始密码子的阅读框架完全改变,故称移码。其结果是从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序列完全改变;也估计使读码框架改变其中某一点形成无义密码,因此产生一个无功能的肽链片段,移码较易成为致死性突变。如:少了或多了一对或几对碱基。3、大段损伤 大段损伤是DNA链大段缺失或插入。这种损伤有时可跨越两个或数个基因,涉及数以千计的核苷酸。缺失的片段远远小于光学显微镜可观察到的染色体缺失,故称小缺失。它往往是DNA断裂的结果,

5、有时在减数分裂过程中发生错误联合和不等交换也可造成小缺失。小缺失通常可引起突变。小缺失游离出来的DNA片段可整合到另一染色体某一位置而形成插入。每次整合都可发生突变。小缺失的片段也可倒转后仍插入原来位置而造成基因重排。二、化学诱变剂及其作用原理 能够提高生物体突变频率的物质即为诱变剂。大多数诱变剂在诱发生物体发生突变的同时造成生物体的大量死亡。诱变剂的作用原理特别多,目前使用的诱变剂基本上可分为物理诱变因子、化学诱变剂和生物诱变因子三大类。下表列出了一些常用的化学诱变剂类型、性质、作用机制和主要生物学效应。部分常用化学诱变剂的类型及作用机制 名称性质作用机制主要生物学效应亚硝酸（HNO2）脱氨

6、基诱变剂碱基脱氨基作用DNA交联；碱基缺失；碱基对的转换5-氟尿嘧啶（5-FU）5-溴尿嘧啶（5-BU）碱基类似物代替正常碱基掺入到DNA分子中碱基对转换吖啶黄、吖啶橙移码诱变剂插入碱基对之间碱基排列产生码组移动氮介(NM)、乙烯亚胺(EI)、硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NTG)、亚硝基甲基脲(NMU)烷化剂（双功能）烷化剂（单功能）碱基烷基化作用DNA交联；碱基缺失；引起染色体畸变碱基对的转换或颠换1、烷化剂类诱变剂 烷化剂类化合物是能与一个或几个核酸碱基起化学反应,从而引起DNA复制时碱基配对的转换而发生遗传变异的化学物质。这是一类在微生物诱变育种中普通使用的化

7、学诱变剂。烷化剂类诱变剂诱发突变的原理是由于这些诱变剂分子中有一个或多个活性烷基,它们能够转移到DNA分子中电子云密度极高的化点上去置换氢原子进行烷化反应。如在DNA分子中最估计的烷化位点好像是鸟嘌呤的N-7、N-3位、腺嘌呤的N-3位、胞嘧啶的N-3位等。胸腺嘧啶不能发生烷化作用。(1)(1)碱基环氮原子的烷基化反应 在一定条件下,碱基环上的氮原子能够发生烷基化反应。在同样条件下,U和T基本上不起反应。应用CH2N2作为烷基化剂,则所有碱基都能发生上述反应。HNN+H2NOCH3NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NN

8、H2ORCH3(2)烷基化后的生物学效应 DNA分子中的碱基烷基化后的生物学效应主要是,鸟嘌呤的N-7位烷化后,由于分子重量加大,使其与核糖的结合链容易发生水解作用而脱落。鸟嘌呤脱落形成缺口,在生物体自行修补过程中容易产生错误而引起碱基对排列顺序的改变,引起遗传密码子的改变而产生基因突变。DNA分子中的鸟嘌呤是酮式结构与胞嘧啶正常配对。烷化后的鸟嘌呤常以烯醇式结构存在。烯醇式鸟嘌呤由于化学结构的对应关系不能与胞嘧啶配对而与胸腺嘧啶错误配对,便产生碱基对的转换。烷化鸟嘌呤的错误配对是烷化剂诱变的主要原因。脱嘌呤作用结果往往是致死作用多于诱变作用。此外其产生的生物学效应还有烷化后的烷基与另一链上鸟

9、嘌呤的N-7位烷化而产生DNA链间的交联。烷化后的碱基由于烷化部分带上活性烷基所产生的重量造成碱基开环。2、碱基类似物诱变剂 某些化学诱变剂是与天然碱基化学结构十分接近的类似物,它能掺入到DNA分子中而引起遗传变异,即碱基类似物诱变剂。这类诱变剂包括5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶、5-氨基尿嘧啶、6-氯胸腺嘧啶、2-氨基嘌呤、6-氯嘌呤和8-氮鸟嘌呤等类似物。碱基类似物诱发基因突变是导致碱基对的转换,也可回复突变。如5-溴尿嘧啶是胸腺嘧啶的结构类似物,它在生物体内以烯醇式和酮式互变结构存在。当5-溴尿嘧啶以烯醇式状态存在时,它能与鸟嘌呤相配对,当以酮式状态存在时它能与腺嘌呤相配对。因此

10、,在机体缺乏胸腺嘧啶时,5-溴尿嘧啶较容易掺入到DNA分子中去。在掺入过程中,会出现两种情况:(1)掺入错误 假如5-溴尿嘧啶以烯醇式状态“错误地”掺入到DNA分子中正常的非互补碱基的相对位置上时,则其相对位置上是鸟嘌呤而不是腺嘌呤。在掺入后的第一次复制时,5-溴尿嘧啶又以酮式状态与腺嘌呤相配对,则在第二次复制以后就引起碱基对从G:C A:T的转换。NNOBrRPOHNNNNRPHNHHO 鸟嘌呤(G)5-溴尿嘧啶(5-BU)(2)复制错误 当5-溴尿嘧啶以酮式状态正确地掺入到正常互补碱基的相对位置上时,则5-溴尿嘧啶的相对化置上是腺嘌呤,在掺入后的第一次复制时,由于它变为烯醇式状态而错误地与

11、鸟嘌呤配对,则在第二次复制以后5-溴尿嘧啶又引起碱基对从A:TG:C转换。NNOOHBrRPNNNNNHHRP 腺嘌呤(A)5-溴尿嘧啶(5-BU)3、移码诱变剂 有些大分子能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间,称嵌入剂。它们多数是多环的平面结构,特别是三环结构,其长度为0、68nm,恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍。假如嵌入到新合成的互补链上,就会使之缺少一个碱基,假如嵌入到模板链的两碱基之间就会使互补链插入一个多余的碱基。不管多或少1个碱基都会造成移码。如表阿霉素在较低浓度(50 g/ml)作用30min,即可显示明显的嵌合效应且不可逆转。吖啶类

12、化合物 这类诱变剂包括吖啶黄、吖啶橙等吖啶类化合物。吖啶类化合物插入DNA双螺旋的邻近碱基对之间使DNA链拉长,两个碱基对之间的距离由3、4增大到6、8,同时由于吖啶类化合物的插入,造成DNA链上碱基的添加或缺失,如此在DNA复制时,突变点以下的碱基配对发生错误,引起所有遗传密码的转录、翻译错误而造成突变。这种由于遗传密码移动而产生的突变体称为码组错位突变体。NH2NNH2NNH2前黄素 5-氨基吖啶吖啶橙吖啶类化合物向DNA链中间插入的示意图 4、脱氨基诱变剂 有些化学物可对碱基产生氧化作用,改变或破坏碱基的化学结构,有时引起链断裂。如,亚硝酸能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化脱氨,分别变为次黄嘌呤

13、和尿嘧啶;羟胺能使嘧啶C-6位的氨基变为羟氨基。这些改变都会造成转换型碱基置换。亚硝酸 亚硝酸是常用的脱氨基诱变剂,其作用机理主要是脱去碱基分子中的氨基使腺嘌呤(A)脱去氨基变成次黄嘌呤(H)、胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U),鸟嘌呤(G)变成黄嘌呤(X)。胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下,能够形成重氮盐,再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有估计改变DNA的碱基组成。NNNH2ORHONONNN2+ORH2ONNOHORHNNORO三、化学致癌物质及其作用机制 癌症是严重危害人类健康的疾病之一,据医学专家估计,各国的发病率均在1%以上,占死亡人数的1215%。人类癌症约有8090%是受环境因素影

14、响而产生的,其中化学致癌物是环境中的主要致癌因素,因此,深刻认识癌症产生的环境因素并进行有效的防治就成了生命科学领域中的重大研究课题。化学致癌物(chemical earcinosen)使正常细胞转化为癌细胞称为致癌(carcinogenesis)。1、化学致癌物能引起癌症的化学物质称为化学致癌物。化学致癌物可分为直截了当致癌物、间接致癌物和促癌物三大类。直截了当致癌物是指进入机体后不需经体内代谢转化,直截了当作用于细胞中的大分子化合物(RNA、DNA、蛋白质等)而引起癌症的物质,如某些烷化剂、亚硝酰胺类物质。间接致癌物是指在体内需经代谢活化才与大分子化合物结合的致癌物,如多环芳烃类、亚硝胺类

15、、芳香胺等。促癌物是指本身并不致癌,但当它与致癌物同时作用时,能明显地强化致癌的一类物质,如巴豆油、丙酮、酚、氧化铁粉尘和咖啡因等。大多数化学致癌物属于间接致癌物。体内活化作用主要靠脏脏中的微粒体混合功能氧化酶进行,使原来未经活化不具有致癌性的化学物质-前致癌物变成近致癌物,最终变成有活性的终致癌物,而与生物大分子化合物结合,在远离作用部位引起癌肿。有机致癌物大致可分为多环芳烃类、芳香胺类、偶氮类、亚硝胺类及亚硝酰胺类、烷化剂类、内酯类、性激素、霉菌毒素等等。其中多环芳烃、亚硝胺及霉菌毒素是环境中三类最普遍、最重要的致癌物。(1)烷化剂类2、化学致癌物的类别 这类具有烷化作用的有机物分子,其中

16、某些功能基团有致癌作用,素有“化学射线”之称。如芥子毒气,工业原料中的异丙油、硫酸二甲酯、氯甲甲醚、二氯甲醚、氯乙烯、氯丁二烯,药物氮芥、环磷酰胺等。可诱发人皮肤、呼吸系统、消化系统、神经系统和造血系统肿瘤。(2)多环芳烃类(PAH)苯能抑制造血系统,慢性苯中毒会使血细胞总数降低或继发再生障碍性贫血,长期接触高浓度的苯会引起白血病。多环芳香烃简称PAH主要存在于煤,石油焦油和沥青中,也可由含碳氢元素的化合物不完全燃烧产生,各种机动车辆内燃机所排出的废气中,香烟的烟雾及露天焚烧(包括烧荒)等。已发现的致癌性多环芳烃及其衍生物有400余种,其中3,4-苯并芘致癌性强,是致癌性多环芳烃的代表。二环芳

17、烃不致癌。三环芳烃的两个异构体蒽和菲本身都无致癌活性,但其某些甲基衍生物可致癌。多环芳香烃 3,4-苯并芘 3,4-苯并芘分布极其广泛,从大气到土壤,从城市到农村,从海洋到森林,几乎到处都有它的存在。据估计,由各种来源,每年排放到大气中的3,4-苯并芘高达5000余吨。世界卫生组织证明,蛋白质、脂肪和碳水化合物等加热时,假如“烧焦”,就会产生3,4-苯并芘。因此,3,4-苯并芘已被列为研究癌的标准致癌剂和环境污染的监测项目之一。多环芳烃-DNA加合物(3)芳香胺类 芳香胺为染料和药物合成等的重要原料,经体内代谢酶系活化后才有致癌性。可分为芳香胺和芳香酰胺,前者如-萘胺、4-氨基联苯、联苯胺,后

18、者如2-乙酰氨基芴。芳香胺主要引起职业性膀胱癌,多数已被禁止使用。值得注意的是,目前市场上销售的许多染发剂即为此类物质,有致突变性,可使美发师和消费者增加患癌(如白血病)的风险。2-萘胺是对人体致癌作用最强的化学物质之一。1-萘胺、2-氨基-1-萘酚、2-氨基-6-萘酚等也有致癌活性。联苯胺类中有20多种是致癌的。芳香胺致癌的途径主要是呼吸道或皮肤吸收,多年接触大量2-萘胺、联苯胺,癌的发病率几乎可达100%。联苯胺除引起膀胱癌外,还会引起直肠癌、肺癌、口腔癌等。(4)偶氮染料 芳香族偶氮化合物含有偶氮基团(-NN-),多数与芳香基团相连,少数则连接于杂环基团或烃链上,属间接致癌物。偶氮苯本身

19、不致癌,但它的衍生物致癌,如奶油黄、偶氮萘、酸性猩红等,尽管工业用途广泛,但可引起职业性肝脏肿瘤。对-二甲氨基偶氮苯又称奶油黄或基黄,曾用作食用色素,但后来发现在体内代谢后最终会产生致癌性物质,已停止使用。几种偶氮染料的分子结构 苏丹红(一号)(5)亚硝基化合物(NOC)NOC为一类具有R-N(NO)-R结构的化合物,能溶于水和脂肪中,可在人体内外环境中合成,具有使DNA烷化的作用。其前体物广泛分布于环境中,是大众性暴露的一类致癌物,几乎对所有的实验动物都有致癌性。可分为亚硝胺、亚硝酰胺、亚硝基氨基酸等。几种N-亚硝基化合物的分子结构 亚硝胺为间接致癌物,如二甲基亚硝胺、甲基苄基亚硝胺等。亚硝

20、酰胺在化学性质上比亚硝胺更为活泼,是一种直截了当致癌物,可直截了当作用于机体暴露部位,使之发生癌变。由于长期以来缺乏有效的化学分析手段,对天然亚硝酰胺所知甚少。目前对这类物质的认识,主要来自对人工合成品和前体物的研究。摄入这类物质,可诱发实验动物腺性胃癌。某些食物如鱼、腌肉中均含有一些硝酸盐、亚硝酸盐和胺类化合物,特别在鱼制品加工时,不论是晒干、烟熏或装罐均可导致仲胺大量增加。某些寄生菌中含有硝基还原酶,若在室温下贮存食品,能够迅速促使硝酸盐转化为亚硝酸盐,如菠菜、白菜、酸菜在缺氧条件下腌制贮存时,在寄生菌作用下可使大量硝酸盐还原成亚硝酸盐。在腌制肉类和鱼类食品时,为了保持食品色泽新鲜,都要加

21、入亚硝酸盐和硝酸盐作为防腐剂、发色剂和护色剂。这些食品添加剂也是亚硝基化合物前体的来源。因此,胃癌与吃腌菜和腌制食品有关。但低温可抑制细胞活性,抑制硝酸盐还原成亚硝酸盐,故冰箱低温保存食物有利于健康。(6)生物毒素(Biotoxins)生物毒素为源自各种生物体、分子结构各异的天然化学致癌物,经代谢活化可发挥致癌作用。目前差不多发现的这类致癌物,主要来自植物和微生物。主要会引起消化系统肿瘤。广泛存在于植物中的吡咯啉碱(如农吉利甲素、千里光碱),蕨菜等植物中的黄酮类衍生物(如黄酮醇、漆黄素),铁树果实中的苏铁索,生姜和肉桂中的黄樟素,白蘑菇中的伞菌氨酸和甲基肼等。生物毒素可分为真菌性和放线菌性两类

22、,前者如黄曲霉毒素、杂色曲霉毒素、镰刀菌毒素等,后者如阿霉素、放线菌素D、博来霉素、丝裂霉素C等。几种生物毒素的分子结构 黄曲霉毒素 黄曲霉毒素是由黄曲霉菌生物体产生的毒素总称,是多种结构相似的杂环混合物。已发现的黄曲霉毒素及其衍生物有20余种,分别用B、G、M、P、U符号表示。其中B1的致癌性最强,比奶油黄强900倍,比二甲基亚硝胺大75倍,致癌所需的最短时间为24周,是已知致癌物中最强的一种肝癌致癌剂。B1也是最强的毒物之一,比砒霜大10倍以上,比敌百虫大25倍。黄曲霉毒素耐热,在0、1MPa压力下,加热到1002小时,约减少80%,其裂解温度为280,因此在一般烹调温度下难以消除。(7)

23、无机元素及其化合物 六价格(Cr6+)、镍(Ni)、三价砷(As3+)、铍(Be)、氡及其子体均为人类致癌物。镉(Cd)以及无机铅对人类估计有致癌性。含六价铬的重铬酸钾在许多实验室作为“洗液”的成分之一常规使用,严重污染水源,发达国家差不多禁用。致癌性元素主要引发皮肤肿瘤和呼吸系统肿瘤。镍及其化合物 镍及其化合物(Nickel pounds)具有致癌作用,主要是指羰基镍Ni(CO)4。主要是在冶炼镍矿石及其它含镍金属矿石时,燃烧生成的镍粉尘遇到热的一氧化碳时生成的。含镍汽油添加剂亦可与汽车内燃机废气中的一氧化碳生成羰基镍。一般认为镍进入机体后,与核糖核酸(RNA)聚合酶结合,进而影响DNA复制

24、机制,导致诱发细胞突变。第三节 小分子药物与核酸的相互作用 小分子与DNA的相互作用是以DNA为靶分子的各种物质生物效应的分子基础,其键合状态估计是导致癌变、突变及细胞死亡的重要环节;另一方面能够与DNA结合的小分子特别多又是临床上广泛应用的抗癌药物,因此,小分子化合物对DNA的分子识别研究发展特别迅速。尽管与DNA相互作用的小分子药物数量特别多,但其作用方式归纳起来大致可分为共价结合、非共价结合和剪切作用三种。第十次课一、共价结合 早期使用的绝大多数抗癌药仅具有简单的使DNA烷基化功能,如氮芥。它们对细胞的作用基本上没有选择性,因此临床使用有严重的毒副作用。后来发现的是一些天然抗癌抗生素,作

25、用特点是首先与DNA形成非共价复合物,然后再与之共价结合。这些杂环化合物最初的作用是干扰DNA、RNA合成,而达到杀菌的目的,特别多这类化合物表现出明显的抗癌活性,且具有选择性毒性。1、丝裂霉素C 丝裂霉素C经酶的还原活化会引起结构中某些碳位甲醇成分的脱去,继而进行DNA的烷基化。氨茴霉素、茅屋霉素首先迅速地非共价结合在DNA的小沟区,再通过失水或醇与鸟嘌呤碱基上N-2形成共价键。2、氨茴霉素、茅屋霉素3、CC-1065 CC-1065是一种较新的螺旋丙烷类抗生素,有较强的细胞毒作用,首先序列特异性地作用在DNA小沟区。由于它攻击腺嘌呤N-3位,脱嘌呤作用发生会产生一个活性部位,序列分析表明C

26、C-1065对DNA的AT富集区有选择性。二、非共价结合 大多数抗癌药物与DNA的作用都是非共价结合,包括:静电结合、沟区结合和嵌插结合三种方式。1、外部静电作用 核酸是一个高度带电的聚合电解质,其阴离子磷酸根部分对DNA的构象及其反应有强烈影响。许多环境因素,如离子强度、pH等能影响磷酸根的解离状态,使DNA的构象以不同的形式出现,如DNA构象存在形式(其中四种、型为右手螺旋,型为左手螺旋)就是在不同的条件下获得的。带有阳离子电荷的小分子化合物与DNA发生静电相互作用,能够改变DNA分子的构象,但一般特别难作为药物使用,因为这种沿着螺旋外部的静电相互作用多是非特异性的,如乙二胺、聚乙烯亚胺、

27、十六烷基三甲基溴化铵等与DNA作用,造成DNA聚集形成沉淀,可用于对DNA的分离、纯化。2、沟区结合 特别多蛋白质与DNA的特异性结合是在DNA大沟区,而药物小分子一般是在小沟区作用。沟区结合的药物分子能选择性地作用于DNA双螺旋结构中AT较为丰富的片段,通过氢键、范德华力等作用非嵌入性地与DNA结合,从而阻止DNA的模板复制,起到抗病毒、抗肿瘤的作用。小沟区是AT富集区,不像GC富集区比较宽,药物小分子通过与胸腺嘧啶碱基C-2上的碳基氧(C=O)或腺嘌呤碱基N-3上的氮形成氢键与AT碱基结合。尽管同样的碱基在GC碱基对上也存在,然而鸟嘌呤上的氨基在氢键形成时有立体障碍,关于药物进入GC富集区

28、有一定的抑制。而DNA AT小沟区的负静电势要大于GC富集区,是形成DNA沟区特异性作用的静电因素。典型的小沟区结合药物分子多含有简单芳香杂环结构,如呋喃、吡咯或苯环,芳环由能够自由旋转的键连接,整个分子具有半月形状。这种小分子形状与DNA的小沟曲率相吻合,依靠氢键、范德华力、静电相互作用在小沟中与DNA形成一种三明治形结构。偏端霉素和纺锤霉素 偏端霉素和纺锤霉素其核心结构是寡聚的吡咯酰胺,分子中不含手性中心,容易合成。实验表明偏端霉素对DNA的AT富集区有高选择性,尤其与5-AAATT-3 序列的结合性特别好。SN6999 药物SN6999也具有较高的AT碱基对选择性,它们结合在DNA的小沟

29、区,药物的弯月形曲线正好适合双螺旋的小沟区,像其它沟区结合分子一样与AT碱基对形成氢键。CC 1065的类似物 CC 1065能与腺嘌呤的(3)形成共价加合物,具有良好的体内抗肿瘤活性,但对人体有慢性毒性。依照CC 1065的结构特点,德国的Tietze以及美国Scripps研究所设计了一系列CC 1065类似物,如U71,184、Adozelesin、Carzelesin和Bizelesin等。苯并咪唑类分子 苯并咪唑类分子中最著名的是被广泛用来作DNA荧光标记的Hoechst 33258,它具有一定的抗肿瘤活性,对45个碱基的A/T序列有特别强的亲和性,结合在AATC序列CG部分的末端。H

30、oechst 33258分子弯曲形状结构与DNA小沟区的曲线特别符合,该分子的甲基哌嗪部分结合于双链的中央,而酚羟基则定位在序列的3-端。以Hoechst 33258为母体,发现了一批苯并咪唑类分子(如31、32、33)。通过改变取代基或采纳二聚、三聚的形式,能够有效提高分子与DNA的结合性,其中氢键起着主要的作用。如,头对头的二聚苯并咪唑类分子33既能够与单链的t RNA结合,又能够与双链DNA的/富集区结合;咪唑环的引入,则能够提高与非/富集区的结合性。二苯脒类分子 Berenil1,3-二(4-脒基苯基)-三氮烯具有抗原生物活性和抗菌活性。晶体衍射实验表明:它是通过其脒基与胸腺嘧啶的O(

31、2)或腺嘌呤的N(3)之间的氢键结合在DNA的小沟/富集区。1,5-二(4-脒苯酚基)戊烷能够与双链DNA结合(主要识别A/T碱基对,识别序列的长度约4个碱基对),并具有治疗肺炎的临床效力。只是它引起低血糖或白血球缺少症,限制了在临床的推广。DAPIDAPI(4,6-二氨基-2-苯基吲哚),它被广泛应用于染色体DNA的荧光标记。它是一个典型的DNA小沟/富集区结合分子,但它也能嵌入结合在/富集区(/区结合力不如/区)。DAPI通过脒基上的氮原子与环外鸟嘌呤的氨基形成氢键,来有效识别/富集区中5-GGCGAATTCGCG-3 序列和5-GGCCAATTGGG-3 序列。寡糖的衍生物 Calich

32、eamicin 1I(CLM)是含寡糖的天然抗生素,它既能结合在DNA小沟区,同时也对DNA进行切割。CLM主要由两部分构成:一是烯二炔部分,它在一定条件下能切割DNA;另一部分是寡糖,对DNA的识别主要由寡糖部分完成,其中芳环上的碘关于序列选择性具有重要的作用。研究表明:CLM能较好识别DNA中的四碱基序列:5-TCCT-3,5-TCTC-3 和5-TTTT-3 。寡聚酰胺 受偏端霉素结构的启发,Dervan合成了以寡聚酰胺为模板的DNA识别分子。为了让寡聚酰胺分子能与GC碱基对有效结合,合成了ImPyPyDp分子(Im=N-甲基咪唑;Py=N-甲基吡咯;Dp=N,N-二甲基丙胺)。它以2

33、1的比例、反向平行地与DNA小沟区的(A/T)G(A/T)C(A/T)序列结合。以此现象为基础,Dervan通过研究提出了寡聚酰胺识别DNA的配对规则:反向平行成对的Py/Im特异识别C-G碱基对,而Im/Py识别G-C碱基对;反向平行成对的Hp/Py(Hp=N-甲基-3-羟基吡咯)特异识别T-A碱基对,Py/Hp识别A-T碱基对。晶体衍射实验表明:在Im/Py与G-C碱基对之间共有三个氢键,其中咪唑环的N(3)与鸟嘌呤环外的氨基之间有一个氢键;而在Hp/Py与T-A碱基对之间共有三个氢键,其中Hp与胸腺嘧啶的O(2)之间有两个氢键。在2 1的寡聚酰胺-DNA复合物模型的基础上,Dervan等

34、又设计了发夹状(hairpin)的寡聚酰胺(通过-氨基丁酸或-丙氨酸将两条反向平行寡聚酰胺链的C端与N端连结起来)。这种“头对尾”的头针状寡聚酰胺的序列选择性和亲合性优于两条独立的反向平行酰胺链,相关于独立的两条寡聚酰胺链,头针状寡聚酰胺与DNA的亲合性提高了约400倍。3、嵌插结合 在经典的嵌插模型中,由于嵌插部位的形成引起碱基对分开,螺旋伸长0、34nm,这正是典型的芳香系统的厚度。由于嵌插,螺旋解链,造成螺旋扭转角减小,不同结构的嵌插剂对不同的DNA序列造成的解链程度也不同。乙锭及丙基哌啶与DNA嵌插时解链角为26,丫啶及丫啶橙解链角则为17,而柔红霉素及阿霉素则是每个结合分子令DNA解

35、链11。一些药物分子正是通过嵌入DNA,令DNA构象发生改变,使其不能或不易复制,而显现出抗肿瘤、抗病毒活性的。(1)(1)经典的嵌插结合 临床上广泛应用的抗癌药阿霉素及柔红霉素,二者均为典型的DNA嵌插剂,它们能够嵌插在DNA小沟区,与GC部位结合,随之氨基糖伸向内部且基本上填充了小沟区。柔红霉素特别容易与B-DNA结合,表现出对DNA不同构象的识别特异性。由于小分子药物嵌插造成了DNA双螺旋的解链和伸长,DNA溶液的粘度在加入药物后逐渐增大,这是嵌插结合方式的一个重要特征。用紫外或可见光测定发现,嵌插结合常常引起减色效应,使最大吸收波长向长波长方向移动,出现等吸光点。在荧光测定中可观察到由

36、于嵌插作用所产生的荧光淬灭现象。依照所得到的光谱滴定数据,能够测定配合物表观稳定常数、结合位点数等。嵌插剂分子芳香环上电性环境的改变也会造成嵌插部位芳环原子的1H NMR谱的化学位移向高场方向移动,同时由于弛豫时间的改变,谱峰明显加宽。嵌插结合方式的特征(2)双嵌插结合 双嵌插剂是两个嵌插环被不同长度的链共价连接起来。这些化合物相关于一元嵌插剂来说,作为药物的生物活性往往由于与DNA的强结合而加强,分解速率也低。合成双嵌插剂的代表是一些丫啶类双嵌插剂。连接链长度对嵌插的影响 天然的双嵌插剂以三骨菌素A(triostin A)和棘霉素(echinomycin)为代表。优先DNA的CpG位点,覆盖

37、6个碱基对,以NNCGNN这种类型的序列比较有利,双嵌插剂上所有的喹喔啉环都是双嵌插到GC序列中,形成“三明治”结构。(3)带有多个大取代基的嵌插剂 假如嵌插剂带的取代基太大,或有极性,或带电荷,则对嵌插结合及分解动力学都会有影响。抗癌药放线菌素D(actinomycin,Act D)与诺加霉素(nogalamycin)就属于这一类。放线菌素D Act D主环部分苯骈恶嗪酮环在DNA GC序列碱基对之间嵌入。药物的GC序列结合特异性与其和鸟嘌呤的氨基形成氢键有关。双链DNA(CGTCAACG)2能以一种强的协同方式与两个Act D分子结合,结合后的异常光谱和热力学测量提示药物与这种双链的作用不

38、属于在DNA小沟区的经典嵌入方式。序列CGTC是一种Act D的强结合位点。由于Act D是一种DNA嵌插药物,它与DNA结合后估计引起DNA扭曲。造成DNase I 切割速率增强。诺加霉素 Nogalamlycin是一种可与DNA结合的蒽环抗生素,连在药物糖苷配基上的是一个诺加糖和一个大的双环氨基糖。药物交连于双链磷酸二酯键骨架之间。糖苷配基的三个芳环嵌入DNA中,诺加糖位于DNA的小沟区,而双环氨基糖位于DNA的大沟区。诺加霉素通过与甲基边缘的G特异性光敏作用选择性地抑制某些含鸟嘌呤序列的DNA断裂,同时还抑制硫酸二甲酯对DNA的烷基化作用。诺加霉素嵌入DNA估计有两种方式,一种是以占据小

39、沟区的诺加糖部分嵌入,而另一种是以处在大沟区的糖环部分嵌入。嵌插发生时,由于分子有较大的侧链,需要碱基对有更宽的开口,双螺旋更明显的扭曲或是在形成嵌插络合物前碱基氢键的断裂,因此嵌插的动力学要慢得多。三、剪切作用 DNA的断裂在DNA修复、转录及突变中是特别重要的一个生物学过程。DNA断裂剂的研究是小分子与DNA分子识别研究中不可缺少的一部分。许多DNA断裂剂属于金属配合物类化合物,这个地方只讲授天然的或合成的有机小分子对DNA的断裂作用。1、针棘霉素(EPM)和生硝霉素(CLM)针棘霉素和生硝霉素它们都是作用特别强的一类新型抗癌剂。在巯基存在的情况下,连在药物弹头位置的三硫化合物部分会转变成

40、一种硫醇阴离子,该阴离子通过一种内部Michael加成反应,最终将1,5-二炔-3-烯部分转变成能切割DNA的亚苯基双自由基。由于两种自由基同时经由单一活化过程所形成,因此活化后的药物分子能同时与相反的DNA链作用,产生双链断裂。2、新制癌菌素新制癌菌素(NCS)是一个含二炔-烯生色团的抗肿瘤抗生素,是由链霉菌属的培养液中分离得到的。含有一个具有生物活性的生色团和一个作为载体的,保护生色团在体内不受破坏的脱辅基蛋白。药物通过静电引力与DNA磷酸骨架接近,随后弹头部分嵌入到DNA碱基对之间。当加入一种巯基辅助因子如二硫苏糖醇后,会使生色团的环氧基开环。然后再通过重排产生一种具有自由基中心的中间物

41、,引起DNA的单链断裂。3、具有断裂作用的寡聚酰胺 在头针状寡聚酰胺的转折处接上4-双(氯乙基)胺苯丁酸(CHL),这个新分子同样能识别并切割HIV 1启动子。这种新型寡聚酰胺分子无疑为设计新一代的DNA烷基化切割试剂指明了一条途径。从生物活性实验来看,寡聚酰胺不仅能进入细胞内,而且能够有效地调控基因表达,还能抑制HIV 1的转录及复制。带切割基团的寡聚酰胺 第四节 小分子化合物与RNA的相互作用 现代新药研究与开发离不开筛选模型,而筛选模型的关键是寻找、确定和制备药物筛选靶-分子药靶。选择确定新颖的有效药靶是新药开发的首要任务。传统的小分子药靶多是蛋白质,近年来的研究表明同DNA的双螺旋结构

42、相比,RNA结构具有令人惊奇的复杂性和多样性,同蛋白质一样形成复杂的三级结构,可成为新型小分子药物的作用靶点,为制药业提供了新的机遇。RNA分子作为小分子药物的作用靶点 一、RNA药靶的优越性 基因组计划的顺利进行为RNA作为药靶提供了机遇。基因组测序揭示了编码蛋白质的mRNA信息,而所有的蛋白质都是mRNA翻译获得的,通过干扰mRNA的翻译,能够更有效地抑制蛋白质发挥作用。因此,结合RNA的小分子药物还能够产生结合蛋白质的小分子药物所达不到的作用。除了抑制蛋白质的产生,还能够诱导提高蛋白质的量。依照核糖核酸(RNA)的结构,同DNA相比,RNA更适合作为药物的靶点。1、RNA种类多样性 因为

43、RNA具有三种不同类型(mRNA、rRNA和 tRNA),每一种蛋白质不但具有一种相对应的mRNA,而且每一种mRNA还具有不同的启动基因、转录基因、调控基因等,不同组织表达不同的mRNA,同一种mRNA在不同组织中的起始、剪接、腺苷酰化也不同,结合RNA特定区域的小分子药物估计只在特定的组织中起作用,而不影响其他组织RNA的功能。2、RNA结构的多样性 RNA是单链分子。同 DNA分子相比,RNA的分子结构更复杂。RNA一般由独立的折叠亚结构域构成,分离的亚结构域仍保持其形状和功能,能够利用其与药物结合进行筛选,较用蛋白质靶筛选药物廉价和快1001000倍。因此,作为药靶RNA具有明显的优点

44、,为创新型药物的研制提供了机遇和广阔的前景。二、作用于RNA的小分子药物 以RNA为靶点的小分子药物的研制需要建立一系列的研究技术和方法,涉及功能基因组学、生物信息学、结构生物学、RNA化学、药物学、组合化学和高通量筛选等一系列新理论和新方法。目前,以RNA为作用靶的药物研究主要包括两大类:一是传染性疾病-新型抗菌和抗病毒药物研制;另一类是非传染性疾病-抗癌和抗炎症药物研制。1、与HIV、TAR、RNA作用的小分子化合物 HIV 1基因表达是由一类病毒编码的蛋白调控的,其中包括一种转录的反式激活子Tat。当基因表达的Tat水平增高时,病毒的复制才能够进行。这是通过RNA聚合酶转录复合物延长的增

45、加而达到的,也叫做反式激活(TAR)。反式激活依赖于Tat蛋白和一个RNA序列特异区(TAR、RNA)的相互结合。TAR、RNA含有一个六核苷酸的环状区和三核苷酸的嘧啶骨架区,三核苷酸的骨架把双螺旋颈区分成上下两部分。由于TAR、RNA序列的高度保守和相对不易变异性,使得它成为90年代以后人们寻找抗艾滋病药物的新靶点。小分子化合物与HIV-1、TAR、RNA 结合及对 Tat识别(1)作用于环区(2)作用于突起区(3)作用于下部颈区 要解决这一难题,首先必须建立小分子识别RNA形状的化学方法。蛋白质与RNA的相互作用、RNA-RNA相互作用、天然产物抗生素与RNA的结合、以及人工合成RNA与小

46、分子的作用研究基础为此提供了可借鉴的经验。结合RNA的蛋白质研究提供了一些RNA碱基、氢键、骨架等的结合规律;天然抗生素氨基糖类抗生素与RNA的相互作用研究同样提供了一些经验。2、与rRNA作用的小分子化合物小分子化合物与核糖体16S A位点的结合研究,有助于阐明特定基团静电作用、氢键作用对小分子结合RNA亲和力的影响规律。同蛋白质相比,RNA上的结合位点是亲水的和相对开放的。小分子结合特定靶RNA形成相对刚性结构取决于构象、电荷分布、芳香性、氢键。恰当位置的正电荷是特别重要的,同样,长距离的静电作用使分子以正确的方向结合到口袋中。在核苷酸碱基暴露的结构中,芳香基的堆积力对相互作用有特别大贡献

47、。在众多的抗生素中,核糖霉素(Ribostamycin)、巴龙霉素(Paromomycin)和利维霉素(Lividomycin)可与原核rRNA的A位点亚结构域形成特定的复合物;而安普霉素(Apramycin)对原核亚结构域的强结合依赖于1408位点,其它抗生素的结合位点标在图中。RNA结构和序列的多样性表明RNA是具有高亲和性和特异性的靶点,小分子化合物能够作为基因研究的工具,特别是细胞内它们的作用方面。然而,要实现这一目标还有许多重要工作要做。合成化合物特异识别RNA三维形状的规律还有待发展,最佳RNA靶的鉴别方法还需完善,先导化合物的设计合成、筛选、临床前研究和临床研究都有漫长的路要走。影响RNA功能的各种化合物结构 感谢您的聆听！