Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Конструирование и синтез низкомолекулярных ДНК-связывающих лигандов

ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Содержание диссертации, кандидата химических наук, Никитин, Алексей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Селективные ДНК-связывающие лиганды.

1.1 Дистамщин А и нетропсин.

1.2 Аналоги с большим числом пирролкарбоксамидных звеньев.

1.3 Hoechst 33258.

1.4 Лекситропсины.

1.5Димерные соединения.

1.6 Комплексы со стехиометрией 2:1.

1.7 GC-узнающий лиганд.

1.8 Другие лиганды.2/

2. МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ.

2.1 Модели взаимодействия.

2.1.1 Компьютерный анализ.

2.1.2 Термодинамика связывания лигандов.

2.1.3 Гипотезы о механизме АТ-избирагельности.

2.1.3.1 Геометрическое соответствие.

2.1.3.2 Ван-дер-Ваальсовы контакты.

2.1.3.3 Конформационные изменения в ДНК при связывании лигандов.

2.1.3.4 Водородные связи.

2.1.3.5 Электростатическое взаимодействие.

2.2 Методы изменения избирательности связывания.

2.2.1 Введение акцепторного атома в 3-е положение пиррольного кольца.

2.2.2 Монокатионные лекситропсины.

2.2.3 Удаление СН2-группы.

2.2.4 Замена пептидной связи.

2.2.5 Комплексы со стехиометрией 2:1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

1. СТЕРИЧЕОСИ ЗАТРУДНЕННЫЕ БЕНЗИМИДАЗОЛ-СОДЕРЖАЩИЕ ДНК-СВЯЗЫВАЮЩИЕ ЛИГАНДЫ

2. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЗАМЕЩЕННЫЕ БЕНЗИМИДАЗОЛ-СОДЕРЖАЩИЕ ДНК-СВЯЗЫВАЮЩИЕ ЛИГАНДЫ.

3. ПОИСК НОВЫХ СТРУКТУРНЫХ МОТИВОВ И МОДЕЛИРОВАНИЕ.

4. ЛИГАНДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ НОВЫЙ СТРУКТУРНЫЙ МОТИВ.

5. фталимид-содержащие лиганды.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

ВЫВОДЫ.

МЕТОДИКИ.

1. СТЕРИЧЕСКИ ЗАТРУДНЕННЫЕ БЕНЗИМИДАЗОЛ-СОДЕРЖАЩИЕ ЛИГАНДЫ.

2. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЗАМЕЩЕННЫЕ БЕНЗИМИДАЗОЛ-СОДЕРЖАЩИЕ ЛИГАНДЫ.

3. ЛИГАНДЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ФРАГМЕНТЫ НОВОГО СТРУКТУРНОГО МОТИВА.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Конструирование и синтез низкомолекулярных ДНК-связывающих лигандов"

Изучение механизмов регуляции активности генов в бактериальных и эукариотических клетках является одной из основных задач молекулярной биологии. Большое внимание уделяется проблеме направленного воздействия на функционирование генов с помощью низкомолекулярных соединений, способных избирательно связываться с функционально важными участками ДНК и заданным образом влиять на активность генов.

В этой связи важную роль приобретают проблемы создания новых биологически активных соединений. В последние годы наблюдается значительный прогресс в конструировании и синтезе низкомолекулярных соединений, способных избирательно связываться с различными последовательностями ДНК. В настоящее время известен ряд соединений, которые селективно связываются с определенными последовательностями пар оснований, находящимися в функционально важных участках регуляторных областей генов. Расширение круга узнаваемых последовательностей представляется актуальным, так как проблема конструирования лигандов, способных связываться с любыми заранее заданными последовательностями ДНК, еще далека от решения.

Изучение взаимодействия ДНК с различными специфическими ДНК-связывающими реагентами может привести к более глубокому пониманию механизмов, ответственных за избирательность связывания. В этой связи важны как экспериментальные исследования, так и компьютерное моделирование процессов узнавания.

Диссертационная работа посвящена конструированию и синтезу низкомолекулярных лигандов ненуклеотидной природы, связывающихся в узкой бороздке ДНК и оказывающих минимальное влияние на структуру ДНК. Целью работы является изучение факторов, влияющих на узнавание лигандом нуклеотидной последовательности ДНК и создание лигандов, способных избирательно связываться с определенными нуклеотидными последовательностями. Наибольший интерес вызывает создание соединений, способных узнавать уникальные для всего генома участки ДНК, содержащие примерно 15 пар оснований.

С целью создания соединений, способных узнавать любые нуклеотидные последовательности ДНК, представляется перспективным использование набора узнающих структурных фрагментов, которые можно соединять друг с другом в заданной последовательности. Мы изучили возможности конструирования лигандов из регулярных структурных фрагментов различной химической природы.

Обзор литературы

Библиография Диссертация по биологии, кандидата химических наук, Никитин, Алексей Михайлович, Москва

2. А.Л. Шафер, Р., Рурский, Г.В. и Заседателев, A . C . 1996. Новые структурныемотивы взаимодействия лигаидов с ДНК: тримерный тип комплекса биснетропсина с полис1(АТ).-поли[а(АТ)]. Мол. Биол. т.ЗО. с.1107-1114.

3. Глибин, E . H . и Кривцова, М.А. 1993. "Пирролкарбоксамидные комплексоны Д Н К иродственные им соединения". Журнал Прикладной Химии т.бб. вып.б. с.1339-1359

4. Курская, Г.В., Гроховский, С Л . , Жузе, А.Л. и Готтих 1978. "Кристаллическая имолекулярная структура аналога дистамицина А". Д А Н СССР т.243. N 3 . с.645-648

5. Заседателев, A . C . , Жузе , А.Л., Циммер, К., Гроховский, С Л . , Туманян, В.Г., Гурский, Г.В. и

6. Готтих, Б.П. 1976. "Стереохимическая модель молекулярного механизма"узнавания" АТ-пар при связывании с Д Н К антибиотиков дистамицина А и нетропсина". Д А Н СССР т.231. с.1006-1009

7. Иванов, Д.А., Гарабаджиу, A . B . , Ртищев, Н.И., Фомина, Е.И. и Колосова, О.Ю. 1991."Спектральные свойства бисбензимидазолов при их взаимидействии с нуклеиновыми кислотами". Биоорганическая Химия т.17. с.1041-1047

8. Колесникова, Д.В. , Жузе, А.Л. и Заседателев, A . C . 1998. "ДНК-специфичныенизкомолекулярный соединения." Москва. "Диалог-МГУ".

10. Жузе , А.Л. и Готтих, Б.П. 1975. "О структуре комплексов антибиотиковдистамицинового типа и актиномицина D с ДНК: новые эксперементальные данные о локализации антибиотиков в узкой бороздке ДНК. Молекулярная

11. Биология т. 9. вып.К с. 19-27

12. Крылов, A . C . , Гроховский, С Л . , Заседателев А.С. ,Жузе , А.Л., Курский, Г.В. и Готтих, Б.П.1978. "Количественная оценка вклада пирролкарбоксамидных групп антибиотика дистамицина А в обеспечение специфичности его связывания с АТ-парами ДНК".

15. Готтих, Б.П. 1980. "Синтетические лнганды, способные "узнавать"

16. АТ-последовательности ДНК, обладающие осью симметрии второго порядка".

20. Жузе, А.Л., Шафер, Р., Гурский, Г.В. и Заседателев, A . C . Взаимодействие фуранкарбоксамидного аналога дистамицина с ДНК. Мол. Биол. 1997. т .31 . 10021011.

22. Академии Наук т.384. № 3 . с.406-410.

23. Никитин, A . M . и Курский Г.В. Новые структурные мотивы, изоспиральные ДНК. Доклады

24. Академии Наук т.385 в печати.

25. Родин, А., Нисьменский, В.Ф., Никитин, A . M . , Суровая, А.Н. и Курский Г.В. 2000.

26. Двутяжевые и однотяжевые бензимидазольные мотивы для узнаваниянуклеотидных последовательностей ДНК. Тезисы конференции "Горизонты физико-химической биологии" Пущине .

27. Родин, А., Нисьменский, В.Ф., Никитин, A . M . , Суровая, А.Н. и Курский Г.В. 200L

29. Доклады Академии Наук т.379. №2. с.256 260

30. Салманова, Д.В. , Никитин, A . M . , Жузе, А.Л., Гурский, Г.В. и Заседателев, А.С. 1995.

31. Взаимодействие с Д Н К синтетических лигандов, содержащих М,4-дизамещенные

32. MOHO- и дифталимиды. Мол. Биол. т.29. с.848-861.

33. Свешников, П.Г., Гроховский, С Л . , Жузе, А.Л,, Кондратьева, Н.О., Макаров, Б.Л. и

34. Полетаев, А.И. 1978. "Ориентированные комплексы нуклеиновых кислот снизкомолекулярными лигандами. 1. Анизотропия поглощения комплекса дистамицина А и его аналогов с ДНК". Мол. Биол. т. 12. вып.З. с.557-563

35. Турчин, К.Ф., Гроховский С Л . , Жузе, А.Л. и Готтих, Б.П. 1978. "Лиганды обладающиесродством к определенным парам оснований ДНК. П. Изучение стереохимии хромофора дистамицина А методом Ш - Я М Р спектроскопии". Биоорг. Хим. т.4. 1. N8.C.1061-1077

36. Arcamone, F., Penco, S., Orezzi, P., Nicolella, V . and Pirelli , A . 1964. "Structure and synthesis of

37. Distamycin A " . Nature v.203. pp.1064- 1065

38. Bail ly, C . and Chaires, J.B., 1998. "Sequence-specific D N A minor groove binders. Design andsynthesis of netropsin and distamycin analogues." Bioconjugate Chem. v.9(5). pp.513-538

40. A tract structure investigated by N M A and molecular dynamics simulations." Nucleic

46. D N A sequence specificity of DNA-oligopeptide binding ligands related to netropsin:imidazole-containing lexitropsins". Biochimica et Biophysica Acta 1009(1). pp.11-18

47. Caldwell, J. and KoUman, P. 1986. " A molecular mechanical study of netropsin-DNA interactions".

55. Dervan, B . 1986. "Design of sequence-specific DNA-binding molecules." Science, v.232.pp.464-471

58. Festy, B . and Daune, M . 1973. "Hydroxystilbamidine. A nonintercalatiing drug as a probe ofnucleic acid conformation". Biochemistry v. 12. pp.4827-4834

60. Gasgupta, D. , Parrack, P. and Sasisekharan, V . 1987. "Interaction of synthetic analogues ofdistamycin with poly(dA-dT): role of the conjugated N-methylpyrrole system."

63. D N A minor groove-binding peptide". Science v.266. N28. pp.646-650

64. Goodsell, D . and Dickerson, R .E . 1986. "Isohelical analysis of D N A groove-binding drugs". J.

67. Griffin, J. and Dervan, P .B. 1987. "Metalloregulation in the sequence specific binding of syntheticmolecules to D N A " . J. A m . Chem. Soc. v. 109. pp.6840-6842

68. Gurskaya, G .V . , Grokhovdky, S.L., Zhuze, A . L . and Gottikh, B.P . 1979. "DNA-binding antibiotics.

69. X-ray structure of the distamycin A analog". Biochimica et Biophysica Acta v.563.pp.336-342

75. Beabealashvili, R.S. and Gottikh, B.P. 1983. "Synthetic sequence-specific ligands."

76. Cold Spring Harbor Symp. Quant. B io l . V.47. pp.367-378

78. Experimental Data, Additional Computational Data, and Empirical Rules." J. С о т р .

80. Hard, T. and Nilsson, L . 1992. "Free energy calculations predict sequence specificity in DNA-drugcomplexes." Núcleos. Nucleot. v . l 1, pp. 167-173.

82. Janssen, S., Durussel, T. and Laemmli, U . K . 2000. "Chromatin opening of D N A satellites bytargeted sequence-specific drugs." Molecular СеИ v.6. pp.999-1011

84. Kers, I. and Dervan, P .B. 2002. "Search for the optimal linker in tandem hairpin polyamides."

85. Bioorg. Med. Chem. v. 10. pp.3339-3349

87. Gottikh, B.P. 1980. " A new type of AT-specific ligand constructed of two netropsin-likemolecules". F E B S Letters v. 118. N2 . pp.311-314

91. DNA-drug specificity in netropsin and distamycin". Proc. Natl . Acad. Sci. U S A v.82.pp.1376-1380

93. Genome Regulation and Structure (BGRS'2002). Novosibirsk.

95. B - D N A : a theoretical study taking into account nucleic acid flexibility". J, Biomol .

96. Biochimica et Biophysica Acta v.782. pp.41-481.ck, G. , Zimmer, Ch. , Reinert, K - E . and Arcamone, F. 1977. "Specific interactions of distamycin

99. Marky, L . A . and Breslauer, K . J . 1987. "Origins of netropsin binding affinity and specificity:

100. Correlations of thermodynamic and structural data". Proc. Natl. Acad. Sei. U S A v.84.pp.4359-4363

102. D N A polymers by volume and heat changes". Biochemistry v.28. pp.9982-9988

104. M O E from Chemical Computing Group, http://www.chemcomp.com/

106. Biomol . Structure & dynamics v . l 1. pp.849-867

108. Mrksich, M . and Dervan, P.B. 1993. "Enhanced sequence specific recognition in the minor grooveof D N A by covalent peptide dimers: bis(pyridine-2-carboxamidonetropsin)(CH2)3-6"

109. J. A m . Chem. Soc. v . l 15. pp.9892-9899

117. Acad. Sei. U S A V.86. pp.5723-5727

118. Pullman, A . and Pullman, B. 1981. "Molecular electrostatic potential of the nucleic acids".

119. Quarterly Reviews of Biophysics v . l 4 . N 3 . pp.289-380

123. Anti-Cancer Drug Design v.5. pp.3-20

126. Sauers, R.R. 1995. " A n analysis of van der Waals Attractive forces in DNA-mino r groove binding".

127. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters v.5. pp.2573-2576

130. J .A. 1993. J. Comput. Chem. v . l 4 . pp.1347-1363

131. Sidorova, N . Y u . and Rau, D .C . 1995. "The osmotic sensitivity of netropsin analogue binding to

132. D N A " . Biopolymers v.35. pp.377-384

135. Steiner, R.F. and Sternberg, H . 1979. "The interaction of Hoechst 33258 with natural andbiosynthetic nucleic acids". Archives of Biochemistry and Biophysics v. 197. pp.580-588

140. Wang, W . and Town, J.W. 1992. "Anti-HIV-1 activity of linked lexitropsins". J. M e d . Chem. v.35.pp.2890-2897

145. Structural Biology, v.7. pp.355-361

152. Biomol . Struct. & Dynamics v.2. pp.737-743

155. Zasedatelev, A .S . 1991. "Geometrical correlations useful for design of sequence-specific D N Anarrow groove binding ligands." F E B S Letters v.281(1,2). pp.209-211

162. Zunino, P., Animati , F. and Capranico, G. 1995. " D N A minor-groove binding drugs". Current

163. Pharmaceutical design v . l . pp.83-94

166. Zasedatelev, A .S . 1997. Role of electrostatic factors in interaction between minorgroove binders and D N A . J. Biomol. Struct. Dyn. v. 14. pp.834 835.