小分子DNA嵌插剂的最新研究进展

许凤，王振虹，陈红华，左安俊，张仁帅，李祥乾，史大永

(1青岛大学附属医院，山东青岛266003；2中国科学院海洋研究所·实验海洋生物学重点实验室·中国科学院大学)

小分子DNA嵌插剂的最新研究进展

许凤1，王振虹1，陈红华1，左安俊1，张仁帅2，李祥乾2，史大永2

(1青岛大学附属医院，山东青岛266003；2中国科学院海洋研究所·实验海洋生物学重点实验室·中国科学院大学)

DNA嵌插剂是一类能与DNA相互作用并与之形成嵌插复合物的多环小分子化合物，在癌症化疗中前景广阔。通过嵌插结合，DNA嵌插剂可以直接抑制DNA的复制与转录，或经过进一步活化裂解DNA进而影响其结构和功能。设计新高效的DNA嵌插剂是一种可以推进临床癌症化疗的可行性方法，已有多个DNA嵌插剂开发用于白血病等肿瘤的治疗。近年新合成的具有代表性的DNA嵌插剂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、异恶唑烷基多环芳烃衍生物、螺纹嵌插剂以及其他骨架嵌插剂等。嵌插剂所具有的嵌插结合性质使其除了可以用作以DNA为靶点的多种肿瘤的直接治疗外，还可以作为DNA结构的诊断探针。

DNA嵌插剂；喹啉；吩嗪；吲哚；吖啶；螺纹嵌插剂

DNA基本骨架由磷酸、脱氧核糖以及连接到核糖上碱基组成。两条DNA链通过嘌呤和嘧啶之间的特异性氢键相互缠绕形成双螺旋结构。作为生物体内遗传信息的携带者，DNA是生物生长代谢、发育和繁殖等重要生命活动的基础，同时与肿瘤以及多种遗传性疾病密切相关。因此，DNA成为设计抗癌药物的最有前景的作用靶点[1]。通过与DNA的相互作用，抗癌试剂可以改变DNA的构象，抑制DNA的复制或转录。

嵌插结合是小分子与DNA作用的重要形式。1961年Lerman首先提出了吖啶可以通过疏水作用、范德华力等非共价作用方式嵌插到双链DNA的碱基对之间。有机嵌插剂一般含有平面或近乎平面的芳环系统，通过将平面芳环发色团插入到相邻的DNA碱基对之间实现嵌插结合。嵌插剂插入到DNA的相邻碱基对后会导致DNA发生一定的结构改变[2]。

嵌插剂不但可以与DNA相互作用，对拓扑异构酶的功能也有一定影响。随着Lerman提出嵌插结合模式，已有大量文献报道了各种高活性的嵌插试剂，如蒽醌类、吖啶类、萘酰亚胺类等。设计新的高效高选择性的DNA靶向抗癌试剂成为药物开发的研究热点。本文重点介绍了近年新合成的具有代表性的DNA嵌插剂及其活性的研究进展。

1 喹啉和喹唑啉骨架衍生物

喹啉环是一种非常重要的结构单元，广泛存在于天然生物碱及合成类似物中。喹啉环能够与DNA碱基对嵌插结合，干扰拓扑异构酶Ⅱ的正常功能。考虑到多肽展现出了良好的药代动力学及生物学性质，Aravinda等设计合成了一系列喹啉多肽类化合物，他们含有一系列氨基酸残基并通过1,2,3-三氮唑与喹啉环相连[3]，最高活性化合物与DNA结合常数为4.6×104M-1。对苯胺喹唑啉骨架的4位N原子进行甲基化修饰是一种设计DNA靶向抗癌药物的有效方法。修饰后的化合物可以与双链DNA相互作用并能选择性地识别DNA特定序列。其中6,7-二甲氧基取代喹唑啉类似物，6,7-亚甲二氧基喹唑啉衍生物可以结合并提高双链DNA的热稳定性[4]。卤素(尤其是氯和溴)和甲基的双取代可显著提高与DNA的结合能力。玫瑰树碱的结构类似物MPTQ是四环的喹诺酮类化合物，也是一种有效的DNA嵌插剂[5]。生物活性评价表明，MPTQ对多个白血病细胞株具有活性。体内研究表明，水溶型的MPTQ单盐酸盐化合物能抑制肿瘤的发展，与对照组的肿瘤小鼠相比寿命延长了4倍。另一种玫瑰树碱的类似物，在四环的喹诺酮类化合物中引入了硒原子，也是一种有效的DNA嵌插剂[6]，BPSQ和PPSQ是两种有机硒类化合物。与PPSQ相比，BPSQ对K562细胞株具有更强的细胞毒性，可以诱导细胞周期停留在S期并引起细胞凋亡。

与单嵌插剂相比，双嵌插剂具有更强的结合能力，更高的选择性以及更低的解离速率。通过将8-羟基喹啉连接到葡萄糖的6位羟基上同时将葡萄糖的1位羟基用不同的连接臂连接设计合成了一系列新的DNA双嵌入剂[7]。单糖所具有的高密度功能团是此类嵌插剂的优势，葡萄糖的存在增强了化合物与ct-DNA的嵌插作用。这类化合物在1 μmol/L浓度下对MDA人乳腺癌细胞株显示出抑制活性。

2 吩嗪骨架衍生物

苯并[a]吩嗪-5-磺酸类似物是经典的DNA嵌插剂，四元平面芳环系统可以嵌入到DNA碱基对之间，同时含有多个N原子，有利于减少无N原子的多环体系特有的致癌性和细胞毒性[8]。在苯并[a]吩嗪环上4,5和9位不同的取代基团影响其药代动力学性质和体内活性。体外研究表明，在抑制HL-60细胞株方面，此类化合物比顺铂活性更高。4位和9位的硝基取代减低了其细胞毒活性，而当将硝基还原为胺基或引入羰基时会增加细胞毒活性。热变性研究显示，此类化合物对DNA有结合活性[8]。

3 吲哚骨架衍生物

苯并[c,d]吲哚酮衍生物所的平面三环体系有利于分子嵌入DNA碱基对，同时其所含有的内酰胺基团可以与蛋白或者核酸骨架形成氢键，进一步增强了化合物与DNA产生相互作用[9]。考虑到不饱和取代基团的引入可以增强与DNA的静电作用。Li等[9]将胺基用非碱性的缺电子基团取代，所得苯并[c,d]吲哚酮衍生物增强了DNA嵌插结合能力和抗肿瘤活性，结合常数约为1.65×105M-1。该类化合物可以将超螺旋DNA切割为松弛的开放环状。

考虑到含有功能性侧链的氨基酸可以与多种类型的DNA碱基发生作用，Zhang等[10]将三肽苄基酯引入到DNA嵌插剂的设计中。所得化合物对HepG2、S180、H22、K562以及B16的IC50值在8.1～154.0 μmol/L。对化合物与DNA嵌插结合的研究表明，随着化合物浓度的增加小牛胸腺DNA的黏度也随之增加。该类化合物可以增加ct-DNA的稳定性，而这种稳定性的增加有助于化合物与DNA的嵌插结合。

4 吖啶骨架衍生物

吖啶衍生物可以通过平面的吖啶骨架嵌插结合，插入到DNA碱基对中与DNA相互作用。Janovec等[11]研究结果显示，吖啶骨架可以嵌插到DNA碱基对中，而烷基侧链与DNA小沟结合，对ct-DNA的结合常数在104～105M-1之间。对L1210(小鼠白血病)和HeLa(人子宫癌)细胞株的抑制活性分别为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。与DNA相互作用的活性研究表明，此类化合物可以引起DNA双链的形变和碱基对的氧化。细胞毒活性研究表明，此类化合物对结肠癌细胞和恶性胶质瘤细胞株具有较高的活性(5.8～58.0 μmol/L)。

5 异恶唑烷基多环芳烃衍生物

Rescifina等[13]通过将异恶唑连接到蒽、菲、芘平面芳环上制备了一系列DNA嵌插剂。异恶唑环上C-5位羟基可以与DNA的骨架形成分子间氢键，有助于形成稳定的复合物。紫外光谱分析研究表明，此类化合物能够与ct-DNA嵌插结合，结合常数约为6×103M-1。细胞毒活性研究表明，此类化合物对MOLT-3细胞株具有显著的细胞毒和细胞凋亡活性。分子对接模拟表明，芳环嵌插到了碱基对之间，而异恶唑环与DNA的大沟区结合，羟基与磷酸基团的氧原子之间有氢键形成。

6 螺纹嵌插剂

Howell等[14]以3位或4位由酰胺取代的吖啶环为骨架合成了多个9-(6-氨基己基)氨基吖啶酰胺类化合物。其中吖啶环可以结合到DNA双链，而连接臂的长度对取代基团在DNA上的定位非常重要，同时取代的脂肪体系、芳香体系或短链的多肽也可以与DNA相互作用。此类化合物与DNA的结合常数可达3.10×107M-1，大约是9-胺基吖啶的17倍(1.81×106M-1)。

7 其他骨架嵌插剂

小檗碱是一种具有抗肿瘤活性的异喹啉生物碱，最新研究表明其能嵌插到DNA，与DNA小沟区结合并能抑制拓扑异构酶Ⅱ。通过引入不同的取代基团，已得到多个小檗碱的衍生物，其中化合物的9位取代可以改善化合物与拓扑异构酶Ⅱ的相互作用，而12位溴取代的类似物对酶的活性减弱，但对DNA的结合能力增强。小檗碱9位酰胺基团的取代可以增强与ct-DNA的亲和力，可能是与DNA形成了氢键及静电相互作用有关。但9位取代基的延长会逐渐降低结合能力。

细菌代谢物教酒菌素可以与DNA结合，抑制拓扑异构酶Ⅱ，引起细胞的凋亡。教酒菌素所含有的发色团可以嵌插到DNA并引起自由基介导的DNA单链断裂。然而这两个化合物的临床应用因多种不良作用的存在而受到限制。为了克服这种缺陷，Ueberschaar等[15]合成了乙烯基取代的教酒菌素类似物。在光诱导条件下此类化合物对结肠癌细胞株HT-29的活性(IC50=0.6 μmol/L )是无光条件下活性(IC50=7.1 μmol/L)的12倍。在光照2 h后，细胞开始出现凋亡的征兆，而天然的教酒菌素不受光照的影响。电泳迁移率试验表明,此类化合物能与DNA形成共价加合物。

α-(3-羟基-4-甲氧基苯基)-N-苯基-α-胺基磷酸酯(HMPAP)是一种具有抗菌、抗氧化及抗肿瘤活性的α-氨基酸类似物。荧光光谱试验和紫外-可见吸收光谱试验表明，HMPAP可以通过嵌插作用与ct-DNA结合。HMPAP的荧光强度会随着ct-DNA的加入而剧烈增加。EB竞争结合试验表明，加入HMPAP后DNA-EB复合物能够与EB竞争性地结合到DNA上。

有机光致变色分子螺吡喃、二芳基乙烯或苯并吡喃衍生物可以在光照下转变为DNA结合配体。利用光照前后分子结构的改变，可将其作为分子光开关用于药物控制释放领域。Ihmels等[16]将类似的方法应用于DNA嵌插剂的制备。苯乙烯噻唑类化合物本身对DNA的亲和力较低，但通过光诱导的电环化反应和氧化反应后所得的产物具有DNA嵌插剂的两个典型特征：增大的芳环π系统，带有正电荷。喹啉衍生物与DNA相互作用特征明显，有明显的减色效应并伴随着最大吸收峰的红移(Δλ=14 nm)，结合常数为1.7×105M-1。

7 结语

小分子与DNA的相互作用在许多生物进程中发挥着重要作用。DNA嵌插剂可以通过嵌插结合的模式与DNA相互作用，在抗肿瘤药物研发及DNA探针研究领域意义重大。全面了解小分子与DNA的相互作用对合理地设计活性更高选择性更强的抗肿瘤药物具有重要意义。虽然对已有的基于不同骨架的DNA嵌插剂的研究已取得一定进展，但对DNA嵌插剂的嵌插机理及其发挥作用的具体过程仍有许多不清楚的环节。此外，对如何减少耐药性、降低不良作用也是嵌插剂开发中需要进一步研究的方向。

[1] Li L, Cao W, Zheng W, et al. Ruthenium complexes containing 2,6-bis(benzimidazolyl)pyridine derivatives induce cancer cell apoptosis by triggering DNA damage-mediated p53 phosphorylation[J]. Dalton Trans, 2012,41(41):12766-12772.

[2] Wheate NJ, Brodie CR, Collins JG, et al. DNA intercalators in cancer therapy: organic and inorganic drugs and their spectroscopic tools of analysis[J]. Mini Rev Med Chem, 2007,7(6):627-648.

[3] Wei Z, Bhasin M, Vembaiyan K, et al. Triazole-fused sugars from nitroalkene-containing C-glycosides by a tandem 1,3-dipolar cycloaddition and intramolecular Michael addition[J]. Carbohyd Res, 2009,344(8):1024-1027.

[4] Garofalo A, Goossens L, Baldeyrou B, et al. Design, synthesis, and DNA-binding of N-Alkyl(anilino)quinazoline derivatives[J]. J Med Chem, 2010,53(22):8089-8103.

[5] Sharma S, Panjamurthy K, Choudhary B, et al. A novel DNA intercalator, 8-methoxy pyrimido[4′,5′:4,5]thieno (2,3-b)quinoline-4(3H)-one induces apoptosis in cancer cells, inhibits the tumor progression and enhances lifespan in mice with tumor[J]. Mol Carcinogen, 2013,52(6):413-425.

[6] Shahabuddin MS, Nambiar M, Choudhary B, et al. A novel DNA intercalator, butylamino-pyrimido[4′,5′:4,5]selenolo(2,3-b)quinoline, induces cell cycle arrest and apoptosis in leukemic cells[J]. Invest New Drug, 2010,28(1):35-48.

[7] Li W, Zhang ZW, Wang SX, et al. Synthesis and analysis of potential DNA intercalators containing Quinoline-glucose hybrids[J]. Chem Biol Drug Des, 2009,74 (1):80-86.

[8] Ns HNM, Karthikeyan C, Trivedi P. Synthesis, cytotoxic evaluation and in silico pharmacokinetic prediction of some benzo[a]phenazine-5-sulfonic acid derivatives[J]. Med Chem, 2009,5(6):549-557.

[9] Li X, Wang Q, Qing Y, et al. Novel DNA intercalators without basic side chains as efficient antitumor agents: design, synthesis and evaluation of benzo-[c,d]-indol-malononitrile derivatives[J]. Bioorgan Med Chem, 2010,18(9):3279-3284.

[10] Zhang X, Yang Y, Zhao M, et al. A class of Trp-Trp-AA-OBzl: Synthesis, invitro anti-proliferation/ invivo anti-tumor evaluation, intercalation-mechanism investigation and 3D QSAR analysis[J]. Eur J Med Chem, 2011,46(8):3410-3419.

[11] Janovec L, Kozurková M, Sabolová D, et al. Cytotoxic 3,6-bis((imidazolidinone)imino)acridines: synthesis, DNA binding and molecular modeling[J]. Bioorgan Med Chem, 2011,19(5):1790-1801.

[12] Barros FWA, Silva TG, Pitta MGDR, et al. Synthesis and cytotoxic activity of new acridine-thiazolidine derivatives[J]. Bioorgan Med Chem, 2012,20(11):3533-3539.

[13] Rescifina A, Chiacchio MA, Corsaro A, et al. Synthesis and biological activity of isoxazolidinyl polycyclic aromatic hydrocarbons: potential DNA intercalators[J]. J Med Chem, 2006,49(2):709-715.

[14] Howell LA, Gulam R, Mueller A, et al. Design and synthesis of threading intercalators to target DNA[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2010,20(23):6956-6959.

[15] Ueberschaar N, Dahse HM, Bretschneider T, et al. Rational design of an apoptosis-inducing photoreactive DNA intercalator[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2013,125(24):6305-6309.

[16] Ihmels D, Fedorova O, Gulakova E, et al. Photoinduced in situ generation of a DNA-binding benzothiazoloquinolinium derivative[J]. Chem Commun, 2012,48(38):4603-4605.

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

R979.1

A

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

国家自然科学基金资助项目(41506169)。

史大永(E-mail:shidayong@qdio.ac.cn)

2017-08-19)