小分子DNA嵌插劑的最新研究進展

許鳳，王振虹，陳紅華，左安俊，張仁帥，李祥乾，史大永

(1青島大學附屬醫院，山東青島266003；2中國科學院海洋研究所·實驗海洋生物學重點實驗室·中國科學院大學)

小分子DNA嵌插劑的最新研究進展

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青島大學附屬醫院，山東青島266003；2中國科學院海洋研究所·實驗海洋生物學重點實驗室·中國科學院大學)

DNA嵌插劑是一類能與DNA相互作用并與之形成嵌插復合物的多環小分子化合物，在癌癥化療中前景廣闊。通過嵌插結合，DNA嵌插劑可以直接抑制DNA的復制與轉錄，或經過進一步活化裂解DNA進而影響其結構和功能。設計新高效的DNA嵌插劑是一種可以推進臨床癌癥化療的可行性方法，已有多個DNA嵌插劑開發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合性質使其除了可以用作以DNA為靶點的多種腫瘤的直接治療外，還可以作為DNA結構的診斷探針。

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構。作為生物體內遺傳信息的攜帶者，DNA是生物生長代謝、發育和繁殖等重要生命活動的基礎，同時與腫瘤以及多種遺傳性疾病密切相關。因此，DNA成為設計抗癌藥物的最有前景的作用靶點[1]。通過與DNA的相互作用，抗癌試劑可以改變DNA的構象，抑制DNA的復制或轉錄。

嵌插結合是小分子與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、范德華力等非共價作用方式嵌插到雙鏈DNA的堿基對之間。有機嵌插劑一般含有平面或近乎平面的芳環系統，通過將平面芳環發色團插入到相鄰的DNA堿基對之間實現嵌插結合。嵌插劑插入到DNA的相鄰堿基對后會導致DNA發生一定的結構改變[2]。

嵌插劑不但可以與DNA相互作用，對拓撲異構酶的功能也有一定影響。隨著Lerman提出嵌插結合模式，已有大量文獻報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。設計新的高效高選擇性的DNA靶向抗癌試劑成為藥物開發的研究熱點。本文重點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展。

1 喹啉和喹唑啉骨架衍生物

喹啉環是一種非常重要的結構單元，廣泛存在于天然生物堿及合成類似物中。喹啉環能夠與DNA堿基對嵌插結合，干擾拓撲異構酶Ⅱ的正常功能。考慮到多肽展現出了良好的藥代動力學及生物學性質，Aravinda等設計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相連[3]，最高活性化合物與DNA結合常數為4.6×104M-1。對苯胺喹唑啉骨架的4位N原子進行甲基化修飾是一種設計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合并提高雙鏈DNA的熱穩定性[4]。鹵素(尤其是氯和溴)和甲基的雙取代可顯著提高與DNA的結合能力。玫瑰樹堿的結構類似物MPTQ是四環的喹諾酮類化合物，也是一種有效的DNA嵌插劑[5]。生物活性評價表明，MPTQ對多個白血病細胞株具有活性。體內研究表明，水溶型的MPTQ單鹽酸鹽化合物能抑制腫瘤的發展，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是兩種有機硒類化合物。與PPSQ相比，BPSQ對K562細胞株具有更強的細胞毒性，可以誘導細胞周期停留在S期并引起細胞凋亡。

與單嵌插劑相比，雙嵌插劑具有更強的結合能力，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位羥基上同時將葡萄糖的1位羥基用不同的連接臂連接設計合成了一系列新的DNA雙嵌入劑[7]。單糖所具有的高密度功能團是此類嵌插劑的優勢，葡萄糖的存在增強了化合物與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-磺酸類似物是經典的DNA嵌插劑，四元平面芳環系統可以嵌入到DNA堿基對之間，同時含有多個N原子，有利于減少無N原子的多環體系特有的致癌性和細胞毒性[8]。在苯并[a]吩嗪環上4,5和9位不同的取代基團影響其藥代動力學性質和體內活性。體外研究表明，在抑制HL-60細胞株方面，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胞毒活性，而當將硝基還原為胺基或引入羰基時會增加細胞毒活性。熱變性研究顯示，此類化合物對DNA有結合活性[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體系有利于分子嵌入DNA堿基對，同時其所含有的內酰胺基團可以與蛋白或者核酸骨架形成氫鍵，進一步增強了化合物與DNA產生相互作用[9]。考慮到不飽和取代基團的引入可以增強與DNA的靜電作用。Li等[9]將胺基用非堿性的缺電子基團取代，所得苯并[c,d]吲哚酮衍生物增強了DNA嵌插結合能力和抗腫瘤活性，結合常數約為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狀。

考慮到含有功能性側鏈的氨基酸可以與多種類型的DNA堿基發生作用，Zhang等[10]將三肽芐基酯引入到DNA嵌插劑的設計中。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的穩定性，而這種穩定性的增加有助于化合物與DNA的嵌插結合。

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合，插入到DNA堿基對中與DNA相互作用。Janovec等[11]研究結果顯示，吖啶骨架可以嵌插到DNA堿基對中，而烷基側鏈與DNA小溝結合，對ct-DNA的結合常數在104～105M-1之間。對L1210(小鼠白血病)和HeLa(人子宮癌)細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。細胞毒活性研究表明，此類化合物對結腸癌細胞和惡性膠質瘤細胞株具有較高的活性(5.8～58.0 μmol/L)。

5 異惡唑烷基多環芳烴衍生物

Rescifina等[13]通過將異惡唑連接到蒽、菲、芘平面芳環上制備了一系列DNA嵌插劑。異惡唑環上C-5位羥基可以與DNA的骨架形成分子間氫鍵，有助于形成穩定的復合物。紫外光譜分析研究表明，此類化合物能夠與ct-DNA嵌插結合，結合常數約為6×103M-1。細胞毒活性研究表明，此類化合物對MOLT-3細胞株具有顯著的細胞毒和細胞凋亡活性。分子對接模擬表明，芳環嵌插到了堿基對之間，而異惡唑環與DNA的大溝區結合，羥基與磷酸基團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為骨架合成了多個9-(6-氨基己基)氨基吖啶酰胺類化合物。其中吖啶環可以結合到DNA雙鏈，而連接臂的長度對取代基團在DNA上的定位非常重要，同時取代的脂肪體系、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的結合常數可達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小溝區結合并能抑制拓撲異構酶Ⅱ。通過引入不同的取代基團，已得到多個小檗堿的衍生物，其中化合物的9位取代可以改善化合物與拓撲異構酶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的結合能力增強。小檗堿9位酰胺基團的取代可以增強與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。但9位取代基的延長會逐漸降低結合能力。

細菌代謝物教酒菌素可以與DNA結合，抑制拓撲異構酶Ⅱ，引起細胞的凋亡。教酒菌素所含有的發色團可以嵌插到DNA并引起自由基介導的DNA單鏈斷裂。然而這兩個化合物的臨床應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。在光誘導條件下此類化合物對結腸癌細胞株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，細胞開始出現凋亡的征兆，而天然的教酒菌素不受光照的影響。電泳遷移率試驗表明,此類化合物能與DNA形成共價加合物。

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。熒光光譜試驗和紫外-可見吸收光譜試驗表明，HMPAP可以通過嵌插作用與ct-DNA結合。HMPAP的熒光強度會隨著ct-DNA的加入而劇烈增加。EB競爭結合試驗表明，加入HMPAP后DNA-EB復合物能夠與EB競爭性地結合到DNA上。

有機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變為DNA結合配體。利用光照前后分子結構的改變，可將其作為分子光開關用于藥物控制釋放領域。Ihmels等[16]將類似的方法應用于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，但通過光誘導的電環化反應和氧化反應后所得的產物具有DNA嵌插劑的兩個典型特征：增大的芳環π系統，帶有正電荷。喹啉衍生物與DNA相互作用特征明顯，有明顯的減色效應并伴隨著最大吸收峰的紅移(Δλ=14 nm)，結合常數為1.7×105M-1。

7 結語

小分子與DNA的相互作用在許多生物進程中發揮著重要作用。DNA嵌插劑可以通過嵌插結合的模式與DNA相互作用，在抗腫瘤藥物研發及DNA探針研究領域意義重大。全面了解小分子與DNA的相互作用對合理地設計活性更高選擇性更強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展，但對DNA嵌插劑的嵌插機理及其發揮作用的具體過程仍有許多不清楚的環節。此外，對如何減少耐藥性、降低不良作用也是嵌插劑開發中需要進一步研究的方向。

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

國家自然科學基金資助項目(41506169)。

史大永(E-mail:shidayong@qdio.ac.cn)

2017-08-19)