許鳳，王振虹，陳紅華，左安俊，張仁帥，李祥乾，史大永

(1青島大學(xué)附屬醫(yī)院，山東青島266003；2中國科學(xué)院海洋研究所·實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國科學(xué)院大學(xué))

小分子DNA嵌插劑的最新研究進(jìn)展

許鳳1，王振虹1，陳紅華1，左安俊1，張仁帥2，李祥乾2，史大永2

(1青島大學(xué)附屬醫(yī)院，山東青島266003；2中國科學(xué)院海洋研究所·實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國科學(xué)院大學(xué))

DNA嵌插劑是一類能與DNA相互作用并與之形成嵌插復(fù)合物的多環(huán)小分子化合物，在癌癥化療中前景廣闊。通過嵌插結(jié)合，DNA嵌插劑可以直接抑制DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，或經(jīng)過進(jìn)一步活化裂解DNA進(jìn)而影響其結(jié)構(gòu)和功能。設(shè)計(jì)新高效的DNA嵌插劑是一種可以推進(jìn)臨床癌癥化療的可行性方法，已有多個(gè)DNA嵌插劑開發(fā)用于白血病等腫瘤的治療。近年新合成的具有代表性的DNA嵌插劑主要有喹啉和喹唑啉骨架衍生物、吩嗪骨架衍生物、吲哚骨架衍生物、吖啶骨架衍生物、異惡唑烷基多環(huán)芳烴衍生物、螺紋嵌插劑以及其他骨架嵌插劑等。嵌插劑所具有的嵌插結(jié)合性質(zhì)使其除了可以用作以DNA為靶點(diǎn)的多種腫瘤的直接治療外，還可以作為DNA結(jié)構(gòu)的診斷探針。

DNA嵌插劑；喹啉；吩嗪；吲哚；吖啶；螺紋嵌插劑

DNA基本骨架由磷酸、脫氧核糖以及連接到核糖上堿基組成。兩條DNA鏈通過嘌呤和嘧啶之間的特異性氫鍵相互纏繞形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。作為生物體內(nèi)遺傳信息的攜帶者，DNA是生物生長代謝、發(fā)育和繁殖等重要生命活動的基礎(chǔ)，同時(shí)與腫瘤以及多種遺傳性疾病密切相關(guān)。因此，DNA成為設(shè)計(jì)抗癌藥物的最有前景的作用靶點(diǎn)[1]。通過與DNA的相互作用，抗癌試劑可以改變DNA的構(gòu)象，抑制DNA的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄。

嵌插結(jié)合是小分子與DNA作用的重要形式。1961年Lerman首先提出了吖啶可以通過疏水作用、范德華力等非共價(jià)作用方式嵌插到雙鏈DNA的堿基對之間。有機(jī)嵌插劑一般含有平面或近乎平面的芳環(huán)系統(tǒng)，通過將平面芳環(huán)發(fā)色團(tuán)插入到相鄰的DNA堿基對之間實(shí)現(xiàn)嵌插結(jié)合。嵌插劑插入到DNA的相鄰堿基對后會導(dǎo)致DNA發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)改變[2]。

嵌插劑不但可以與DNA相互作用，對拓?fù)洚悩?gòu)酶的功能也有一定影響。隨著Lerman提出嵌插結(jié)合模式，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了各種高活性的嵌插試劑，如蒽醌類、吖啶類、萘酰亞胺類等。設(shè)計(jì)新的高效高選擇性的DNA靶向抗癌試劑成為藥物開發(fā)的研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹了近年新合成的具有代表性的DNA嵌插劑及其活性的研究進(jìn)展。

1 喹啉和喹唑啉骨架衍生物

喹啉環(huán)是一種非常重要的結(jié)構(gòu)單元，廣泛存在于天然生物堿及合成類似物中。喹啉環(huán)能夠與DNA堿基對嵌插結(jié)合，干擾拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的正常功能?？紤]到多肽展現(xiàn)出了良好的藥代動力學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)，Aravinda等設(shè)計(jì)合成了一系列喹啉多肽類化合物，他們含有一系列氨基酸殘基并通過1,2,3-三氮唑與喹啉環(huán)相連[3]，最高活性化合物與DNA結(jié)合常數(shù)為4.6×104M-1。對苯胺喹唑啉骨架的4位N原子進(jìn)行甲基化修飾是一種設(shè)計(jì)DNA靶向抗癌藥物的有效方法。修飾后的化合物可以與雙鏈DNA相互作用并能選擇性地識別DNA特定序列。其中6,7-二甲氧基取代喹唑啉類似物，6,7-亞甲二氧基喹唑啉衍生物可以結(jié)合并提高雙鏈DNA的熱穩(wěn)定性[4]。鹵素(尤其是氯和溴)和甲基的雙取代可顯著提高與DNA的結(jié)合能力。玫瑰樹堿的結(jié)構(gòu)類似物MPTQ是四環(huán)的喹諾酮類化合物，也是一種有效的DNA嵌插劑[5]。生物活性評價(jià)表明，MPTQ對多個(gè)白血病細(xì)胞株具有活性。體內(nèi)研究表明，水溶型的MPTQ單鹽酸鹽化合物能抑制腫瘤的發(fā)展，與對照組的腫瘤小鼠相比壽命延長了4倍。另一種玫瑰樹堿的類似物，在四環(huán)的喹諾酮類化合物中引入了硒原子，也是一種有效的DNA嵌插劑[6]，BPSQ和PPSQ是兩種有機(jī)硒類化合物。與PPSQ相比，BPSQ對K562細(xì)胞株具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性，可以誘導(dǎo)細(xì)胞周期停留在S期并引起細(xì)胞凋亡。

與單嵌插劑相比，雙嵌插劑具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，更高的選擇性以及更低的解離速率。通過將8-羥基喹啉連接到葡萄糖的6位羥基上同時(shí)將葡萄糖的1位羥基用不同的連接臂連接設(shè)計(jì)合成了一系列新的DNA雙嵌入劑[7]。單糖所具有的高密度功能團(tuán)是此類嵌插劑的優(yōu)勢，葡萄糖的存在增強(qiáng)了化合物與ct-DNA的嵌插作用。這類化合物在1 μmol/L濃度下對MDA人乳腺癌細(xì)胞株顯示出抑制活性。

2 吩嗪骨架衍生物

苯并[a]吩嗪-5-磺酸類似物是經(jīng)典的DNA嵌插劑，四元平面芳環(huán)系統(tǒng)可以嵌入到DNA堿基對之間，同時(shí)含有多個(gè)N原子，有利于減少無N原子的多環(huán)體系特有的致癌性和細(xì)胞毒性[8]。在苯并[a]吩嗪環(huán)上4,5和9位不同的取代基團(tuán)影響其藥代動力學(xué)性質(zhì)和體內(nèi)活性。體外研究表明，在抑制HL-60細(xì)胞株方面，此類化合物比順鉑活性更高。4位和9位的硝基取代減低了其細(xì)胞毒活性，而當(dāng)將硝基還原為胺基或引入羰基時(shí)會增加細(xì)胞毒活性。熱變性研究顯示，此類化合物對DNA有結(jié)合活性[8]。

3 吲哚骨架衍生物

苯并[c,d]吲哚酮衍生物所的平面三環(huán)體系有利于分子嵌入DNA堿基對，同時(shí)其所含有的內(nèi)酰胺基團(tuán)可以與蛋白或者核酸骨架形成氫鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)了化合物與DNA產(chǎn)生相互作用[9]?？紤]到不飽和取代基團(tuán)的引入可以增強(qiáng)與DNA的靜電作用。Li等[9]將胺基用非堿性的缺電子基團(tuán)取代，所得苯并[c,d]吲哚酮衍生物增強(qiáng)了DNA嵌插結(jié)合能力和抗腫瘤活性，結(jié)合常數(shù)約為1.65×105M-1。該類化合物可以將超螺旋DNA切割為松弛的開放環(huán)狀。

考慮到含有功能性側(cè)鏈的氨基酸可以與多種類型的DNA堿基發(fā)生作用，Zhang等[10]將三肽芐基酯引入到DNA嵌插劑的設(shè)計(jì)中。所得化合物對HepG2、S180、H22、K562以及B16的IC50值在8.1～154.0 μmol/L。對化合物與DNA嵌插結(jié)合的研究表明，隨著化合物濃度的增加小牛胸腺DNA的黏度也隨之增加。該類化合物可以增加ct-DNA的穩(wěn)定性，而這種穩(wěn)定性的增加有助于化合物與DNA的嵌插結(jié)合。

4 吖啶骨架衍生物

吖啶衍生物可以通過平面的吖啶骨架嵌插結(jié)合，插入到DNA堿基對中與DNA相互作用。Janovec等[11]研究結(jié)果顯示，吖啶骨架可以嵌插到DNA堿基對中，而烷基側(cè)鏈與DNA小溝結(jié)合，對ct-DNA的結(jié)合常數(shù)在104～105M-1之間。對L1210(小鼠白血病)和HeLa(人子宮癌)細(xì)胞株的抑制活性分別為4.31和2.44 μmol/L。Barros等[12]合成了一系列吖啶-噻唑烷二酮衍生物。與DNA相互作用的活性研究表明，此類化合物可以引起DNA雙鏈的形變和堿基對的氧化。細(xì)胞毒活性研究表明，此類化合物對結(jié)腸癌細(xì)胞和惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞株具有較高的活性(5.8～58.0 μmol/L)。

5 異惡唑烷基多環(huán)芳烴衍生物

Rescifina等[13]通過將異惡唑連接到蒽、菲、芘平面芳環(huán)上制備了一系列DNA嵌插劑。異惡唑環(huán)上C-5位羥基可以與DNA的骨架形成分子間氫鍵，有助于形成穩(wěn)定的復(fù)合物。紫外光譜分析研究表明，此類化合物能夠與ct-DNA嵌插結(jié)合，結(jié)合常數(shù)約為6×103M-1。細(xì)胞毒活性研究表明，此類化合物對MOLT-3細(xì)胞株具有顯著的細(xì)胞毒和細(xì)胞凋亡活性。分子對接模擬表明，芳環(huán)嵌插到了堿基對之間，而異惡唑環(huán)與DNA的大溝區(qū)結(jié)合，羥基與磷酸基團(tuán)的氧原子之間有氫鍵形成。

6 螺紋嵌插劑

Howell等[14]以3位或4位由酰胺取代的吖啶環(huán)為骨架合成了多個(gè)9-(6-氨基己基)氨基吖啶酰胺類化合物。其中吖啶環(huán)可以結(jié)合到DNA雙鏈，而連接臂的長度對取代基團(tuán)在DNA上的定位非常重要，同時(shí)取代的脂肪體系、芳香體系或短鏈的多肽也可以與DNA相互作用。此類化合物與DNA的結(jié)合常數(shù)可達(dá)3.10×107M-1，大約是9-胺基吖啶的17倍(1.81×106M-1)。

7 其他骨架嵌插劑

小檗堿是一種具有抗腫瘤活性的異喹啉生物堿，最新研究表明其能嵌插到DNA，與DNA小溝區(qū)結(jié)合并能抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ。通過引入不同的取代基團(tuán)，已得到多個(gè)小檗堿的衍生物，其中化合物的9位取代可以改善化合物與拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的相互作用，而12位溴取代的類似物對酶的活性減弱，但對DNA的結(jié)合能力增強(qiáng)。小檗堿9位酰胺基團(tuán)的取代可以增強(qiáng)與ct-DNA的親和力，可能是與DNA形成了氫鍵及靜電相互作用有關(guān)。但9位取代基的延長會逐漸降低結(jié)合能力。

細(xì)菌代謝物教酒菌素可以與DNA結(jié)合，抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ，引起細(xì)胞的凋亡。教酒菌素所含有的發(fā)色團(tuán)可以嵌插到DNA并引起自由基介導(dǎo)的DNA單鏈斷裂。然而這兩個(gè)化合物的臨床應(yīng)用因多種不良作用的存在而受到限制。為了克服這種缺陷，Ueberschaar等[15]合成了乙烯基取代的教酒菌素類似物。在光誘導(dǎo)條件下此類化合物對結(jié)腸癌細(xì)胞株HT-29的活性(IC50=0.6 μmol/L )是無光條件下活性(IC50=7.1 μmol/L)的12倍。在光照2 h后，細(xì)胞開始出現(xiàn)凋亡的征兆，而天然的教酒菌素不受光照的影響。電泳遷移率試驗(yàn)表明,此類化合物能與DNA形成共價(jià)加合物。

α-(3-羥基-4-甲氧基苯基)-N-苯基-α-胺基磷酸酯(HMPAP)是一種具有抗菌、抗氧化及抗腫瘤活性的α-氨基酸類似物。熒光光譜試驗(yàn)和紫外-可見吸收光譜試驗(yàn)表明，HMPAP可以通過嵌插作用與ct-DNA結(jié)合。HMPAP的熒光強(qiáng)度會隨著ct-DNA的加入而劇烈增加。EB競爭結(jié)合試驗(yàn)表明，加入HMPAP后DNA-EB復(fù)合物能夠與EB競爭性地結(jié)合到DNA上。

有機(jī)光致變色分子螺吡喃、二芳基乙烯或苯并吡喃衍生物可以在光照下轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA結(jié)合配體。利用光照前后分子結(jié)構(gòu)的改變，可將其作為分子光開關(guān)用于藥物控制釋放領(lǐng)域。Ihmels等[16]將類似的方法應(yīng)用于DNA嵌插劑的制備。苯乙烯噻唑類化合物本身對DNA的親和力較低，但通過光誘導(dǎo)的電環(huán)化反應(yīng)和氧化反應(yīng)后所得的產(chǎn)物具有DNA嵌插劑的兩個(gè)典型特征：增大的芳環(huán)π系統(tǒng)，帶有正電荷。喹啉衍生物與DNA相互作用特征明顯，有明顯的減色效應(yīng)并伴隨著最大吸收峰的紅移(Δλ=14 nm)，結(jié)合常數(shù)為1.7×105M-1。

7 結(jié)語

小分子與DNA的相互作用在許多生物進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。DNA嵌插劑可以通過嵌插結(jié)合的模式與DNA相互作用，在抗腫瘤藥物研發(fā)及DNA探針研究領(lǐng)域意義重大。全面了解小分子與DNA的相互作用對合理地設(shè)計(jì)活性更高選擇性更強(qiáng)的抗腫瘤藥物具有重要意義。雖然對已有的基于不同骨架的DNA嵌插劑的研究已取得一定進(jìn)展，但對DNA嵌插劑的嵌插機(jī)理及其發(fā)揮作用的具體過程仍有許多不清楚的環(huán)節(jié)。此外，對如何減少耐藥性、降低不良作用也是嵌插劑開發(fā)中需要進(jìn)一步研究的方向。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.45.037

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1002-266X(2017)45-0110-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41506169)。

史大永(E-mail:shidayong@qdio.ac.cn)

2017-08-19)