PDF《PS W 22 W》

P S

2 2 P D F ( T r i a l V e r s i o n ) W W W .

C C Y T . N E T 小分子与核酸相互作用的研究进展 吴会灵*1 ,

2 杨M原1 张重杰3 何锡文4

1 (复旦 大学化学系, 上海

2 0

0 4

3 3 )

2 ( 第二军医大学药学院, 上海

2 0

0 4

3 3 )

3 ( 山西新华化工有限公司, 太原

0 3

0 0

0 8 )

4 ( 南开大学化学系, 天津300071)摘要评述了小分子 与核酸相互作用的结合模式和研究方法.引用文献

5 9篇. 关键词 小分子, 核酸 , 相互作用, 评述

2 0

0 2 -

1 1 -

1 1收稿;

2 0

0 4 -

0 2 -

1 7接受 本文 系国家 自然 科学基 金( N o .

2 9

9 7

5 0

1 4 ) 资 助项 目1引言分子生物学和分子药理学的发展使人们能够从基因水平理解某些生命现象, 并通过分子设计来寻 找灵敏的核酸探针和有效的治疗药物.一方面, D N A靶向化合物成为很重要的核酸探针选择对象.另 一方面, 临床上使用的许多抗癌药物都以 D N A为作用靶点, 通过与癌细胞 D N A发生相互作用破坏其结 构, 进而影响基因调控与表达功能, 表现出抗癌活性;

一些致癌物也能与 D N A形成加合物, 这种 D N A加 合物也是可能癌变的预警标志物.因此, 小分子与 D N A的相互作用的研究不仅有利于探索和开发新的 核酸探针, 而且有助于从分子水平上了解抗癌药物的作用机理, 阐明有毒物的致癌、 致畸的分子生物学 机理, 为设计临床上更为有效的抗癌药物提供理论指导.

2 作用方式 小分子与核酸的结合区位于核酸的碱基、 磷酸骨架以及戊糖环部分.核酸由平行堆积的碱基、 聚合 的阴离子磷酸骨架以及两条核苷酸链形成的大沟、 小沟组成了小分子的识别位点.作用方式主要有

3 种: 非共价键结合、 共价键结合和剪切作用.非共价键结合又可分为表面结合( O u t s i d eb i n d i n g ) 、 沟槽结 合( G r o o v eb i n d i n g ) 和嵌插结合( I n t e r c a l a t i o nb i n d i n g ) 3种模式( 图1)[1 , 2] .一般认为表面结合的小分子 作用于 D N A双螺旋结构的外壁, 无选择性.沟槽结合是与核酸的大沟或小沟的碱基对边缘直接作用, 大分子蛋白质结合于 D N A的大沟槽中, 而大多数小分子则是在小沟槽区作用.小沟槽内是 A ・T富集 区, 小分子通过与胸腺嘧啶碱基 C - 2上的羰基氧或腺嘌呤碱基 N - 3上的氮形成氢键与 A ・T碱基结合. 嵌插结合是小分子中的平面成分嵌入核酸的碱基之间.因为小分子的结构不同, 嵌插剂又可细分为单 嵌插剂和双嵌插剂[3 ] .与非共价键结合作用相比, 小分子与 D N A的共价键结合的序列特异性识别能力 要强的多.共价键结合的小分子多表现为链内交联或链间交联, 与特定碱基作用形成加和物, 使核酸双 链解旋且产生弯曲.

3 研究方法 人们采用多种现代实验手段如紫外可见吸收光谱、 线二色光谱、 圆二色光 谱、 荧光光谱、 拉曼光谱、 傅里叶转换红外光谱、 核磁共振、 质谱、 电化学、 微量热、 电泳及粘度等方法从不 同角度对小分子与核酸 之间的作用进行了广泛的研究.

3 .

1 紫外可见吸收光谱法 紫外可见吸收光谱是研究小分子与核酸相互作用的一种最方便、 最常用的技术.小分子与核酸的 相互作用会引起吸收带的红移( 蓝移) 现象或增色( 减色) 效应.吸光度减小、 吸收带红移以及等吸收点 的形成是小分子与 D N A发生嵌插作用的光谱标志[4 ] . 热和碱的作用可破坏 D N A双链螺旋结构, 使双链变成单链, 吸光度 A

26 0增大.小分子与 D N A结合 第32卷

2 0

0 4年 9月 分析化学 ( F E N X I H U A X U E ) 评述与进展 C h i n e s eJ o u r n a l o f A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 第 9期

1 2

5 6~

1 2

6 1 P S

2 2 P D F ( T r i a l V e r s i o n ) W W W . C C Y T . N E T 图1小分子和 D N A的作 用模式 F i g .

1 T h eb i n d i n gm o d e sb e t w e e ns m a l l m o l e c u l ea n d d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d( D NA ) 后会给这 种变 性带 来影 响, 进而 可 考察 小 分子 与DNA的作用方式.嵌插 作用对 D N A的双螺旋结构 起稳定作用, 可导致熔链温度 T m 值增大 5~8 ℃, 而 非嵌插作用的小分子不会使 T m 值增大如此明显 [ 5] . G a n e s h等[6 ] 报道了阳离子表面活性剂与寡聚核苷酸 作用后 A

2 6 0随温度的变化曲线为双 s i g m a 曲线, 由此 推断阳离子表面活性剂首先通过静电作用与寡聚核 苷酸结合, 然后在疏水力 的驱动下以协作方式结合 于相同的寡聚核苷酸上, 从而使溶液中同时存在两 种寡聚核苷酸, 即自由和 与表面活性剂结合的寡聚 核苷酸, 最终导致出现两 个熔链温度.跟踪小分子 与DNA作用前后 A

2 6 0随pH值的变化情况, 也可判断 小分子与 D N A之间的 作用方式.文献 [

7 ] 研究了 G e -

1 3 2与DNA的相互 作用, 在Ge-132不存在的情 况下, D N A碱变性的 p Hb为12.27,变性后增色

2 6 %;

而在 G e -

1 3 2存在下, D N A碱变性的 p H b增大为

1 2 .

9 0 , 变性后增色

1 4 %, 因此初步判断: G e -

1 3 2以嵌插方式与 D N A发生了作用.

3 .

2 线二色光谱和圆二色光谱 线二色光谱( L D ) 采用与固定光轴方向平行或垂直的平面偏振光, 能快速区分经典的嵌入结合、 沟 槽结合和表面结合模式, 并能获得小分子结合在 D N A上的准确方向信息及动力学数据[8 ] .圆二色光谱 ( C D ) 以高频变换的左旋或右旋偏振光作为入射光, 为有机化合物的绝对构型、 构象和反应机理的研究 提供了很多信息, 是研究有机化合物和生物大分子的构型、 构象和三维空间结构强有力的工具.一方面 根据 D N A在260n m处的吸收提供有关结构信息, 另一方面对一些本身没有 C D信号, 但与 D N A结合后 能产生诱导 C D信号的分子, 可获得一定的有关其结构的间接信息.F i e l 等[9] 研究了卟啉配体与 D N A 之间的相互作用, 圆二色光谱技术为二者之间的嵌插和非嵌插作用提供了有力的证据.彭小彬等 [1 0] 通 过圆二色光谱等手段研究了手性苏氨酸卟啉锌配合物的超分子聚集体与小牛胸腺 D N A构建的新超分 子, 依据卟啉与 D N A作用时 C D光谱的外型来判断卟啉与 D N A的结合模式, 提出了具有不同构型的手 性苏氨酸卟啉锌配合物聚集体与 D N A构建新的超分子时不同的构建方式.最近, Z i n c h e n k o 等[1 1] 报道 了R(CH3) 2N + ( C H 2) nN + ( C H 3) 2R类化合物与 D N A之间的作用机理.基于 C D光谱的研究发现, 二价 阳离子诱导 D N A由 B型转变成 A型的驱动力大小取决于两电荷间的距离, 而与取代烷基的长度无关.

3 .

3 荧光光谱法 荧光光谱法是研究小分子与核酸相互作用的主要手段.溴化乙锭( E B ) 是应用最早的荧光探针, 被 广泛应用于抗癌药物的筛选和小分子与 D N A作用的研究 [ 12~14 ] .D N A三螺旋结构的发现, 扩展了溴化 乙锭的应用范围, 使其在检测三螺旋 D N A和研究其与三螺旋 D N A作用等方面发挥了作用[1 5,

1 6] . K I 和K4F e ( C N )

6 为 典型荧光猝灭剂, 通过考察其对小分子荧光的猝灭 作用可以判断小分子与 D N A之间的作用方式.与纯水介质相比, 当小分子与 D N A属于嵌插作用时, I - 或Fe(CN)4-

6 的猝灭作 用减弱 [1

7 ] ;

而当小分子与 D N A属于沟槽作用时, 猝灭作用增强 [5 ] . 小分子与 D N A作用后荧光偏振的变化情况是判断小分子是否与 D N A发生嵌插作用的又一标准. 通常当小分子嵌插到碱基中时, 其转动受阻, 荧光偏振会随之变大, 而非嵌插作 用不会引起荧光偏振的 增大[1

8 ] .文献[

1 9 ] 利用荧光偏振方法研究了小分子与 D N A之间的相互作用, 小分子的荧光偏振随着 D N A浓度的增加而增大, 由此推断小分子与 D N A发生了嵌插作用.花青染料 分子中间为多次亚甲基 桥, 当其与 D N A发生嵌插或沟槽作用时, 因次亚甲基键的扭转受到限制, 可导致其荧光强度的增强, 据 此可判断花青染料是否以嵌插或沟槽作用方式与 D N A结合 [1

8 ,

2 0,

2 1] .

7 5

2 1 第 9期 吴会灵等: 小分子与核酸相互作用的研究进展 P S

2 2 P D F ( T r i a l V e r s i o n ) W W W . C C Y T . N E T

3 .

4 拉曼光谱法 拉曼光谱是一种富含信息的分析技术, 这种特定技术与共振和表面增强现 象相结合使其逐渐成为 一种极具诱惑力的生物医学分析技术.I s o l a 等[2 2] 对HIVD N A进行标记, 并与 表面增强拉曼技术相结 合, 使拉曼信号显著增强, 其灵敏度与荧光标记法相当, 却比后者能提供更多 的结构信息.文献[

2 3 ,

2 4 ] 利用共振拉曼光谱研 究了抗癌药物 A m s a c r i n e 、 A d r i a m y c i n及11-d e o x y c a r m i n o m y c i n与DNA之间的 相互作用, 表明它们均以 嵌插方式与 D N A结合;

而Savoie等[2 5] 借助拉曼光 谱对 C a 2+ 、 M g 2+ 、 Z n 2+ 和Cd2+ 与小牛胸腺 D N A相互作用的构象变化、 结合位点进行了研究.研究表明, 金属离子浓度较低时, 金 属离子与 D N A上的磷酸基团结合, 并导致聚核苷酸结构的微小变化.当Cd2+和Zn2+ 与G・C碱基对 结合时, 二者的亲和力相当, 而当与 A ・T碱基对结合时, C d 2+ 比Zn2+ 表现出更强的亲和力.

3 .

5 红外光谱法 近年来, 傅里叶变换红外光谱法在小分子与 D N A相互作用的研究中得到了广泛应用.文献[

2 6 ] 报道了致癌物质 d i e t h y l s t i l b e s t r o l ( D E S ) 与小牛胸腺 D N A之间的作用模式、 结 合常数、 序列选择性以及 D N A结构和构象的变化情况.当DES浓度较低时, A ・T富集区是 D E S与DNA发生嵌插作用的主要 位点, 伴随着这种嵌插结合过程, D N A逐渐由 B型向 A型转变;

当DES药物浓度较高时, D E S与G・C 碱基发........