新型大环化合物及其构象调控在G-四链体特异性识别中的应用研究

G-quadruplex is a four-stranded structure formed from G-rich overhangs in the human telomere end and the gene promoter regions. The high anti-cancer activity of its specific ligand arouses researchers' interest in the study of highly selective ligands for G-quadruplex. Novel macrocyclic compounds (e.g. heteroatom bridged calix[n]aromatics) have special size of cavity and flexible conformation, which enable them promising highly specific ligand of G-quadruplex. Base on the recognition mechanism study of the macrocycles and G-quadruplexes, this proposal will focus on the recognition of specific G-quadruplexes configurations via specific superior conformations of one macrocycle with conformation regulation. The result will provide new routes for G-quadruplex-related clinics, and open up new application of the G-quadruplex structure.

G-四链体是人端粒末端和基因启动区的富含鸟嘌呤(G)的单链DNA序列形成的四链结构。高特异性G-四链体配体可能具有的高抗肿瘤活性激发了人们对选择性G-四链体配体的探求。杂杯杂芳烃等新型大环化合物以其柔性的构象，独特的空穴结构，可调控的空腔大小等特征很有可能发展成为理想的G-四链体高选择性配体。本项目拟在探索大环分子对G-四链体结构的特异性识别机理的基础上，通过对大环分子的构象调控，实现对特定构型的G-四链体结构的高结合度、高选择性识别，有望应用于G-四链体结构相关的疾病诊疗，同时有望开辟G-四链体结构应用的新领域。

2000年以来，一系列带正电荷的大环化合物以C-H键为作用位点通过分子间氢键作用，在阴离子导向的生物功能分子识别研究中体现出一系列新颖特性。项目负责人之前的工作中，发展了甲基氮杂杯[n]吡啶（MACPn）这一类新型的G-四链体（G4）配体，并发现该化合物可以选择性识别G4。而在本项目执行期间，项目负责人聚焦于G4配体的设计、筛选及其构效关系研究，探讨了MACPn稳定G4的作用机理。研究中发现，MACP6不仅可以稳定G4，其自身的手性可被G4调控，基于此，项目负责人构建了对温度、pH的实时快速响应手性分子开关，这一进展为实现基于小分子特征谱学信号的G4选择性识别提供了新思路。以上研究为开展生物功能阴离子与带正电荷的以C-H为作用位点的新型大环主体化合物相互作用奠定了基础。. 研究中发现，MACPn水溶性差，在应用上受到诸多限制。基于MACPn的部分片段和咪唑盐的C-H键，申请人在研究中引入一系列新型咪唑盐大环化合物（MAC）。这类化合物构象柔顺，其阳离子特性使其更容易与生物功能阴离子相互作用，同时，该类化合物的溶解性可通过抗衡阴离子的种类进行调节，其光谱性能同样易于调控。与MACP相比，MAC对部分G4的稳定性提高了3-6倍，并且其选择性明显提高。同时，MAC与G4的结合后荧光发射较高，并能实现细胞核内G4的标记，这为后续通过MAC选择性识别细胞内G4提供了可能。. 此外，项目负责人将研究体系中的生物功能阴离子从G4进行扩展，包括生物大分子如RNA，DNA以及较小的生物功能阴离子如磷酸腺苷等，并获得了令人兴奋的初步成果。磷酸腺苷类生物分子在细胞的生理过程发挥着重要作用，水体系中磷酸腺苷的识别一直是磷酸腺苷的研究的难点之一。MAC-new可以在水相中选择性识别ATP，气相中的研究同样佐证了MAC-new与ATP之间可形成稳定复合物；这类大环分子容易穿透细胞膜，并通过与ATP的相互作用进行选择性标记，还可影响ATP水解酶的活性。研究还发现此类化合物可以与PTX协同抑制HT1080等肿瘤细胞，抑制率高达93%，Mac-new与PTX的协同可以克服肿瘤细胞的耐药性。