新型阳离子卟啉化合物的设计、合成及在分子拥挤条件下与多倍体端粒G-四链体的作用研究

The studies on anticancer drugs targeting tolemeric G-quadruplexes located at the termini of the linear chromosomes have attracted more and more attention. However, most research works on G-quadruplexes are focus on monomeric G-quadruplexes under dilute conditions, which do not coincide with the truth in cells. Living cells are crowded with biomacromolecules, and the G-rich single strand overhanging of the telomeric DNA can fold into multimeric G-quadruplex structures containing several G-quadruplex units. In this project, based on our previous work, a series of new cationic porphyrin derivatives and metal porphyrin complexes will be designed,synthesized and structural characterized. Their interactions with multimeric G-quadruplexes under molecular crowding conditions will be studied. Through these works, we hope that 2-3 highly specific G-quadruplex ligands, which can be used under molecular crowding conditions, can be obtianed, and the corresponding structure-function relationship can be elucidated. Such research works will broaden G-quadruplex research area and will make a contribution to the development of G-quadruplex studies. It will also provide important information for the design of drugs targeting tolemeric G-qudruplexes.

以染色体末端的端粒G-四链体为靶的抗癌药物研究是国际上的一个热点。但目前大多数的相关研究都是在稀溶液条件下针对单体G-四链体展开的。这并不符合细胞内的真实情况。细胞内部处于一个非常拥挤的环境，且染色体末端的端粒序列形成的是多倍体G-四链体结构。在本项目中，我们在前期工作的基础上，设计、合成一系列带有大的侧臂取代基的新型阳离子卟啉及金属卟啉化合物，并对其结构进行精确表征。在此基础上，研究这些化合物在分子拥挤条件下对多倍体G-四链体的特异性识别能力、稳定能力及对端粒酶活性的抑制能力。力争得到2-3种适用于分子拥挤条件的、高度特异性的多倍体端粒G-四链体配体，并初步建立该类化合物与G-四链体相互作用的构效关系。本项目的开展，不仅可以丰富和完善G-四链体配体的相关研究，而且有望为优质、高效的端粒G-四链体配体类抗癌药物的进一步设计提供可靠的依据。

G-四链体是由富含鸟嘌呤碱基G的DNA或RNA序列形成的一种特殊的核酸二级结构。由于该结构广泛存在于一些与癌症相关的基因序列当中，因此被认为是抗癌药物研究的一个新靶点。而无论是对基因组内G-四链体结构的生理功能进行研究，还是以此为基础进行新型抗癌药物的设计，都需要借助于高度特异性的G-四链体探针，对该结构进行高效的探测和专一性的识别。本项目立足于核酸G-四链体的特异性识别，有针对性地设计、合成了多种新型的阳离子卟啉及金属卟啉化合物，并系统地研究了它们与G-四链体的相互作用，在总结相应的构效关系的同时，成功地将其应用到了G-四链体的特异性识别、生物传感、癌细胞靶向成像及肿瘤光动力学治疗研究等多个领域。代表性研究成果如下：（1）设计、合成了对多倍体G-四链体具有高度识别特异性的新型阳离子卟啉化合物。推测了作用模式，总结了构效关系，为多倍体G-四链体探针及端粒靶向抗癌药物的进一步设计提供了重要的理论基础。（2）找到了调控卟啉化合物自组装行为的新途径，进而成功地将探针对G-四链体的特异性识别范围从中性及弱碱性条件拓展到了整个生理pH值范围，为肿瘤酸性微环境下G-四链体的相关研究提供了理想的工具。利用合成的探针，成功地实现了不同pH值条件下G-四链体与二倍体的竞争作用研究及肿瘤酸性微环境条件下癌细胞的无标记、免漂洗靶向成像。（3）在证实金属卟啉对G-四链体具有更强增稳作用会的同时，发现金属卟啉在富含AT的DNA序列上显示了与卟啉化合物明显不同的手性聚集行为，并首次利用浓度变化实现了对聚集物手性的可逆调控。这一发现不仅可以为研究化合物在DNA上的手性聚集行为提供一定的信息，而且有望在手性催化和手性分离等多个领域得到应用。（4）实现了卟啉化合物在多个领域内的应用。如pH值的比色/荧光双模态比率检测和活细胞内pH的影像研究；G-四链体DNA的特异性光切割和pH相关的肿瘤细胞高效光杀伤；G-四链体与二倍体的竞争作用研究及多种DNA分子逻辑门的构建等。