生物小分子与DNA相互作用的光谱及二维核磁的研究

论文摘要

癌症是目前危及人类生命的最主要疾病之一,在当今世界的疾病中,癌症的致死率要占到25%左右。科学家历经数代人的艰辛努力,正花很大力气来攻克这个危害人类健康的堡垒。目前治疗癌症普遍使用两种方法:一种是化学疗法;另一种是放射元素治疗;简称化疗和放疗。在化疗的过程中几乎所有的抗癌药物在杀伤癌细胞的同时也杀伤正常细胞。同样,放疗也会因为放射线在治疗癌症的同时给身体带来一定的伤害。因此,提高抗癌药物的选择性、研制开发高效低毒的抗癌药物就成为科学家们关注的焦点。对于治疗癌症我们还有第三种路径可选择,那就是从基因水平上治疗。分子生物学和分子药理学的发展使人们能够从基因水平理解某些生命现象,并通过分子设计来寻找灵敏的核酸探针和有效的治疗药物。绝大多数抗癌剂在生物体内的靶点是DNA分子,其作用方式大致分为三种:（1）药物与模板DNA形成非共价复合物,主要与DNA以氢键相结合。当双链开始解离时,药物也随之从DNA上脱离。（2）药物与模板DNA形成共价复合物,主要与DNA以共价键相结合。若介于DNA的双链之间,则在双链之间形成交联,从而妨碍DNA双链的拆开。（3）选择性地与DNA结合,DNA双链结构变得不稳定,引起单链或双链断裂,降解模板DNA。由此可见,对DNA特定序列的断裂,应是抗癌剂高效杀灭癌细胞又保护正常细胞的主攻方向。人类基因组序列的揭示,为DNA特定序列的断裂提供了基础。研究表明,作为基因载体的DNA在聚合酶的错误复制、化学污染的侵袭、药物的滥用及电磁辐射的损伤下会产生碱基错配,通常细胞内的修复系统会及时将其修复,可一旦修复不成功,碱基错配将导致子系DNA的诱变,引发各种分子病,例如癌症等等。因此,作为分子病检测诊疗技术基础的DNA错配识别体系的开发和研究具有重要意义。由于小分子与核酸的键合能力非常强,而体积又小,易通过细胞膜进入细胞内部,直接与核酸作用,所以国际上已有很多课题组在研究小分子对核酸的识别,已经取得很大进展。核酸识别体系与核酸的作用方式有共价键合与非共价键合,如抗癌药物顺铂与核酸的作用为共价键合。而非共价键合的识别体系又分为两种,一种称为沟键合剂,其形状基本与核酸的大小沟互补,靠范德华力或与碱基形成氢键,在核酸的大沟或小沟处键合,如Distamycin,SN7167以及多胺类化合物;另一种称为插入剂,通常含有异环平面大配体,插入到核酸碱基对间,这种作用使得DNA的构型发生很大变化,如抗癌药物Nogalamycin（诺加霉素）以及本课题组和计亮年院士课题组一直研究的惰性金属多吡啶类混配配合物。美国的Barton教授课题组曾合成了一种铑的配合物[Rh（bpy）2（chrysi）]3+,该配合物以插入方式与DNA键合,对单碱基C:C错配具有特异选择性。伯明翰大学Hannon教授课题组又发现了一种新的药物-核酸作用模式,即药物在“三向连接DNA（3-way DNA junction）”的中心处键合,该工作已在Angewandte Chemie（2006 volume 45 issue 8 pages 1227-31）上发表。著名的生物化学家Stephen Neidle多年来一直致力于研究小分子对核酸的识别及抗癌药物的设计,在其新著的《Nucleic Acid Structure and Recognition》中也详细介绍了小分子对核酸的识别。我们课题组在研究中也发现了许多更有意义的切入点。特别值得提出的是,在所有的碱基错配中,剪式G:A错配构型多样,是最难识别和修复的,已有的研究结果表明,含剪式G:A错配的DNA比正常的B型DNA有较宽的小沟,而且核苷酸A从链内滑移出来,与互补链的核苷酸A形成交联堆积。因此本论文着重于设计合成并筛选出几种对G:A错配具有特异选择性的识别体系,并研究它们与这类寡聚核苷酸的精细、确切的作用情态。为分子病的检测提供某些实验和理论依据;由于不同的错配对应于不同的错配识别体系。DNA错配识别体系大都是一些含有芳香大环配体的手性金属配合物。其相互作用有不少的难点:其一,尽管核酸构型的多样性已逐渐被人们认识,但由于研究方法的局限性,目前对这一领域的认识还不完善、不系统、甚至不同的研究方法得出的结果也不同,因而对它们的识别研究是十分复杂的;其二,由于体系的相互作用是在溶液中的动态过程,通常是用光谱法研究它们与DNA或寡聚核苷酸的作用,而这种研究得出的直接信号是光谱的红移紫移、增色减色,得到的是一些现象学的间接结果,很难确证;鉴于以上两个原因,我们利用二维核磁的NOESY、TOCSY等图谱对它们的作用进行了研究。同时利用分子模拟,研究了构成识别体系的金属配合物与DNA相互作用的精细情态和规律,并揭示金属配合物与核苷酸相互作用的规律。我们设计了两处含G:A错配的十聚错配寡聚核苷酸d（CCGAATGAGG）2和正常的寡聚核苷酸d（CCTAATTAGG）2,并合成了三种金属配合物[Co（phen）2（DPQ）]Cl3;[Co（phen）2（HPIP）]Cl3;[Co（phen）2（HNAIP）]Cl3,然后用这三种金属配合物与正常d（CCTAATTAGG）2及错配寡聚核苷酸d（CCGAATGAGG）2的作用相对照,得出较满意的结果。同时我们还发现了一些小分子体系能够切割PBR322DNA,一些金属配合物能够对胃癌细胞株的活性具有很好的抑制效果。基于以上的工作,我们概括如下:1.我们首次发现6-苄氨基嘌呤可与Co2+、Ni2+形成稳定配合物,它们的存在影响药物分子与DNA之间的相互作用,本文从吸收光谱、荧光光谱、Scatchard图等方面研究了6-苄氨基嘌呤及其金属配合物与小牛胸腺DNA之间的相互作用,发现这些金属配合物与DNA都存在静电结合。同时,我们发现8-氮杂腺嘌呤可与Co2+、Cu2+形成稳定配合物,用同样方法我们发现,这些8-氮杂腺嘌呤的金属配合物与DNA都存在嵌插结合。2.我们发现现存的广谱抗癌药物（治疗L1210、P388白血病,肉瘤SA180,淋巴瘤、乳腺癌、卵巢癌、胃癌,黑色素瘤B16,乳腺癌,路易斯肺癌以及结肠癌38等）—表柔比星可与Cu2+形成2:5的稳定体系,并且通过紫外光谱、荧光光谱、粘度实验、DNA熔点实验、电化学实验以及切割实验发现表柔比星及表柔比星-Cu2+体系与DNA之间的作用均为嵌插作用,同时表柔比星-Cu2+体系能在1.0×10-5mol·L-1浓度下将pBR322DNA切割出明显的线性。3.我们首次合成了二水杨醛三乙基四胺合镁（Ⅱ）配合物并应用紫外光谱、荧光光谱、粘度实验、DNA熔点实验、电化学实验以及切割实验对其与DNA的相互作用进行了研究。结果表明,该配合物与EB在DNA上的结合位点是非竞争型的,同时发现该配合物能在较低浓度(10-6mol/L)下断裂pBR322质粒DNA,当配合物浓度达10×10-5mol·L-1时,可将pBR322质粒DNA切割为线性（formⅢ,linear带）,说明该配合物具有较高的切割质粒DNA的活性。而且我们推测,二水杨醛三乙基四胺合镁（Ⅱ）配合物对质粒DNA的作用很可能是水解切割,即其能较快地推动pBR322DNA磷酸二酯键的水解。这一结果为开发新的人工核酸酶、从分子水平上探讨配合物在药物的开发和分子生物学中的应用提供了有价值的信息。4.我们合成了[Ru（phen）2tpphz]（PF6）2·2H2O及[Co（phen）2tpphz]Cl（PF6）2·2H2O两种配合物,并通过切割实验及细胞毒性实验首次发现[Ru（phen）2tpphz]（PF6）2·2H2O及[Co（phen）2tpphz]Cl（PF6）2·2H2O均可导致胃癌细胞活性不同程度的降低,1nM[Co（phen）2tpphz]Cl（PF6）2·2H2O可以使胃癌细胞株7901成活率降低22.2%;1μM[Co（phen）2tpphz]Cl（PF6）2·2H2O可以使胃癌细胞株7901成活率降低30.6%。1nM[Ru（phen）2tpphz]（PF6）2·2H2O可以使胃癌细胞株7901成活率降低25.2%;1μM[Ru（phen）2tpphz]（PF6）2·2H2O可以使胃癌细胞株7901成活率降低48.6%。这一结果说明所合成的[Co（phen）2tpphz]Cl（PF6）2·2H2O及[Ru（phen）2tpphz]（PF6）2·2H2O配合物对癌细胞有很好的抑制作用。电泳实验表明它们均能在很低的浓度(5×10-6mol·L-1)将pBR322 DNA切割为线性。5.我们利用二维核磁研究了三种金属配合物[Co（phen）2（HPIP）]Cl3;[Co（phen）2（HNAIP）]Cl3;[Co（phen）2（DPQ）]Cl3分别与错配d（CCGAATGAGG）2及正常d（CCTAATTAGG）2的十聚寡聚核苷酸的作用,结果发现:对于配合物[Co（phen）2（HPIP）]Cl3,在其与错配寡聚核苷酸作用的NOESY谱上,我们看出,由于NOE相关峰主要来自于错配G:A附近区域的大沟质子,例如相关峰T6H6/A5H2’的消失,相关峰A8H8/G7H4’的减小,都说明[Co（phen）2（HPIP）]3+从“大沟”插入到错配G:A附近的碱基对,从而影响到附近碱基对的相关峰,近一步的指认我们可以确定[Co（phen）2（HPIP）]3+插入到碱基对T6G7之间。[Co（phen）2（HPIP）]3+与正常寡聚核苷酸作用的NOESY谱上,我们看出,[Co（phen）2（HPIP）]3+从小沟与正常寡聚核苷酸的端基作用。31P NMR表明配合物的加入没有改变正常寡聚d（CCTAATTAGG）2的磷酸骨架。由分子模拟可以得知配合物[Co（phen）2HPIP]3+对正常及剪式错配DNA都具有识别作用,识别的过程体现了异构体的选择性、DNA沟的选择性和位点特异性,在识别错配序列DNA的过程中手性选择性不明显,优先选择配合物结构形式Ⅱ与DNA在T6G7大沟发生作用;与正常DNA的相互作用优先选择配合物结构形式Ⅰ,在小沟端基发生作用,同时右手异构体会被富集。以上这些结果表明,分子模拟能够与二维核磁实验很好的吻和。对于[Co（phen）2（DPQ）]Cl3,在NOESY谱上,我们可以看到许多[Co（phen）2（DPQ）]Cl3与错配及正常寡聚核苷酸作用的NOE相关峰。对于错配寡聚核苷酸,NOE相关峰主要来自于端基G:C质子,我们判定配合物[Co（phen）2（DPQ）]3+主要从小沟与G:C区域作用,并且插入不深。对于正常寡聚核苷酸,数据表明[Co（phen）2（DPQ）]3+从小沟插入到碱基对T3/A4间。由于核苷酸G4和A5糖环上H4’与H5’/H5”共振的重叠,不可能清晰地归属为哪个核苷酸,但是出现的NOE相关峰表明配合物确实是插入键合。与这一插入模型相一致的是DPQ与大沟质子T3CH3的NOE相关峰,表明OPQ体系从小沟横跨堆积的碱基对而延伸到大沟里。31p NMR表明配合物的加入没有使得DNA的构型发生显著的改变。分子模拟结果显示[Co（phen）2（DPQ）]3+与错配寡聚DNA d（CCGAATGAGG）2作用时,作用在小沟,端基,同时左手异构体与错配寡聚的作用更加稳定,能量更低,左手异构体会被富集;与正常d（CCTAATTAGG）2寡聚核苷酸作用在小沟的T3A4区作用,同样左手异构体会被富集。这些结果与实验结果非常一致。对于[Co（phen）2（HNAIP）]3+,在其与错配寡聚核苷酸作用的NOESY谱上,我们看出,[Co（phen）2（HNAIP）]3+从“大沟”插入到碱基对G3A4、G7A8之间或它们附近的T6G7之间,这有待于分子模拟进一步给出详细的作用的情况。在[Co（phen）2（HNAIP）]3+与正常寡聚核苷酸作用的NOESY谱上,我们没有看到相关峰,或许由于配合物的尺寸问题,这有待进一步证实其原因。同时31P NMR表明配合物的加入没有改变DNA的构型。

论文目录

• 主要创新点
• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• §1.1 引言
• §1.2 DNA的切割
• 1.2.1 DNA的氧化切割
• 1.2.2 DNA的水解切割
• 1.2.3 DNA的光切割
• §1.3 金属配合物键合DNA的常用研究方法
• 1.3.1 光谱学方法
• 1.3.2 磁共振方法
• 1.3.3 硬射线方法
• 1.3.4 电化学方法
• 1.3.5 能量转移方法
• 1.3.6 论化学方法
• 1.3.7 其它方法
• §1.4 错配核酸的研究现状
• 1.4.1 错配理论的提出
• 1.4.2 常见的几种错配形式
• §1.5 错配核酸识别修复的研究进展
• 1.5.1 识别修复损伤DNA的模型
• §1.6 存在的问题及展望
• §1.7 选题的目的和意义
• 1.7.1 关于剪式（sheared）G∶A配对
• 1.7.2 本论文简介:
• 参考文献
• 第二章 嘌呤及嘌呤类金属配合物与DNA作用的研究
• §2.1 引言
• §2.2 6-苄氨基嘌呤及其金属配合物与DNA作用的研究
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.2 结果处理
• 2.2.3 结论
• 参考文献
• §2.3 8-氮杂腺嘌呤及其金属配合物与DNA作用的研究
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 结果处理
• 2.3.3 结论
• 参考文献
• §2.4 表柔比星-铜体系与DNA作用的光谱和电化学法研究
• 2.4.1 实验部分
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.4.3 小结
• 参考文献
• 第三章 二水杨醛三乙基四胺金属配合物的合成、表征及其与DNA作用的研究
• §3.1 引言
• §3.2 二水杨醛三乙基四胺合镁（Ⅱ）金属配合物的合成、表征及其与DNA作用的研究
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 小结
• 参考文献
• 第四章 单核四吡啶[3,2-a:2',3'-c:3",2"-h:2''',3'''-j]吩嗪（tpphz）金属配合物的合成、表征及其与DNA、细胞的作用研究
• §4.1 前言
• §4.2 单核四吡啶[3,2-a:2',3'-c:3",2"-h:2''',3'''-j]吩嗪（tpphz）钴及钌配合物的合成、表征及其与pBR322DNA、癌细胞的作用研究
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果分析
• 4.2.3 总结
• 参考文献
• 2（HPIP）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的相互作用'>第五章 用二维核磁共振及分子模拟研究[Co（phen）₂（HPIP）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的相互作用
• §5.1 该体系二维核磁实验
• 5.1.1 实验
• 5.1.2 结果
• 5.1.3 小结
• §5.2 本课题组对该体系的分子模拟结果
• 5.2.1 模拟方法
• 5.2.2 模拟结果
• 5.2.3 配合物与错配DNA结合体及正常DNA结合体的精细结构
• 5.2.4 讨论
• 参考文献
• 2（HNAIP）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的作用'>第六章 用二维核磁共振研究[Co（phen）₂（HNAIP）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的作用
• §6.1 实验部分
• 6.1.1 材料
• 6.1.2 仪器方法
• 6.1.3 配合物的合成与表征
• 2和正常寡聚核苷酸d（CCTAATTAGG）₂'>6.1.4 用金属配合物滴定错配寡聚核苷酸d（CCGAATGAGG）₂和正常寡聚核苷酸d（CCTAATTAGG）₂
• §6.2 结果
• 2（HNAIP）]³⁺与错配及正常寡聚核苷酸的作用'>6.2.1[Co（phen）₂（HNAIP）]³⁺与错配及正常寡聚核苷酸的作用
• §6.3 讨论
• 参考文献
• 2（DPQ）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的相互作用'>第七章 用二维核磁共振及分子模拟研究[Co（phen）₂（DPQ）]³⁺金属配合物与错配d（CCGAATGAGG）₂及正常d（CCTAATTAGG）₂寡聚核苷酸的相互作用
• §7.1 该体系二维核磁实验
• 7.1.1 实验
• 7.1.2 结果
• 7.1.3 小结
• §7.2 本课题组对该体系的分子模拟结果
• 7.2.1 模拟结果
• 7.2.2 配合物与错配DNA结合体及正常DNA结合体的精细结构
• 7.2.3 讨论
• 参考文献
• 第八章 总结和展望
• §8.1 总结
• §8.2 展望
• 读博士期间发表论文及申报专利情况
• 致谢
• 个人简况