= ОБЗОРЫ
УДК 577.323:615.277.3:577.151.042:577.218
G-КВАДРУПЛЕКСНЫЕ ЛИГАНДЫ: МЕХАНИЗМЫ ПРОТИВООПУХОЛЕВОГО ДЕЙСТВИЯ И СВЯЗЫВАНИЯ С МИШЕНЬЮ
© 2014 г. Н. С. Ильинский1,2*, А. М. Варижук1, 3, А. Д. Вениаминов1-2, М. А. Пузанов1,
А. К. Щелкина1, Д. Н. Калюжный1
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук, Москва, 119991 2Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, 141700 3Институт физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства РФ, Москва, 119435
Поступила в редакцию 21.07.2014 г. Принята к печати 25.07.2014 г.
Со времени открытия потенциальной терапевтической ценности квадруплексных вторичных структур нуклеиновых кислот найдено большое количество малых молекул, стабилизирующих эти мишени. Такой прогресс стал возможен благодаря пониманию особенностей строения G-квадруплексов. Квад-руплексные лиганды избирательно замедляют рост опухолевых клеток, опосредованно ингибируя активность фермента теломеразы и подавляя гиперэкспрессию онкогенов. Показанный терапевтический эффект in vivo подкрепляет перспективность таких соединений для разработки направленно действующих противоопухолевых лекарств. В данном обзоре раскрыта значимость G-квадруплекса как терапевтической мишени и описаны биохимические свойства низкомолекулярных квадруплексных лигандов.
Ключевые слова: С-квадруплексные лиганды, конформации С-квадруплексов, противоопухолевые средства, ингибирование теломеразы, регуляция экспрессии онкогенов.
G-QUADRUPLEX LIGANDS: MECHANISMS OF ANTICANCER ACTION AND TARGET BINDING, by N. S. Ilyinsky1,2*, A. M. Varizhuk1,3, A. D. Beniaminov1,2, M. A. Puzanov1, A. K. Shchyolkina1, D. N. Kaluzhny1 (1Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119991 Russia; 2Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Dolgoprudny, Moscow Region, 141700 Russia; *e-mail: ilinsky_nick@mail.ru; 3Institute of Physical-Chemical Medicine, Federal Medical and Biological Agency of RF, Moscow, 119435 Russia). Since the discovery of potential therapeutic value of quadruplex secondary nucleic acids structures, many compounds that stabilize these targets were found. Such progress became possible due to understanding of the structural features of G-quadruplexes. Quadruplex ligands selectively suppress the growth of tumor cells by indirect inhibition of the telomerase activity and/or attenuation of oncogenes' overexpression. Therapeutic effect demonstrated in vivo supports the prospect of such compounds for the development of the targeted anticancer drugs. This review reveals the significance of G-quadruplexes as therapeutic targets and focuses on biochemical properties of the low molecular weight quadruplex ligands.
Keywords: G-quadruplex ligands, G-quadruplex conformations, antitumor agents, telomerase inhibition, regulation of oncogenes expression.
DOI: 10.7868/S002689841406007X
ВВЕДЕНИЕ
В XX веке лекарственное лечение большинства видов опухолевых заболеваний ограничивали цито-токсической химиотерапией, вызывающей значительные побочные эффекты [1]. Некоторую избирательность действия на опухолевые клетки дости-
гали благодаря высокой интенсивности деления таких клеток и, как следствие, их большей уязвимости к нарушению любых клеточных процессов [2].
К началу XXI века появилась картина обязательных отличительных признаков рака [3]. Возникла новая парадигма направленного лечения
Принятые сокращения: PDB (Protein Data Bank) — база данных структур биологических макромолекул; FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) — флуоресцентный резонансный перенос энергии; TRAP (Telomeric Repeat Amplification Protocol) — метод определения ингибирования лигандом теломеразной активности с использованием полимеразной цепной реакции; ППР — метод поверхностного плазмонного резонанса; РСА — рентгеноструктурный анализ; ЯМР — ядерный магнитный резонанс; КД — круговой дихроизм.
* Эл. почта: ilinsky_nick@mail.ru
891
2*
опухолевых заболеваний через воздействие на эти свойства. В ее рамках найдены лекарства, не вредящие здоровым клеткам, ингибирующие рост сосудов и поддержание сигналов пролиферации. Эти препараты действуют на клеточные рецепторы сигналов пролиферации, ингибируют киназы (фосфотрансферазы) [4].
ДНК - одна из главных мишеней противоопухолевого действия химиотерапевтических препаратов [1]. Однако избирательного действия на определенные участки ДНК достичь сложно ввиду высокой однородности ДНК, представленной в клетке главным образом В-формой. Взаимодействие с неканоническими структурами ДНК может повысить избирательность низкомолекулярных соединений к определенным клеточным процессам. Действие на G-квадруплексную вторичную структуру нуклеиновых кислот нарушает процессы, критичные преимущественно для опухолевых клеток. Рассмотрим кратко, что представляет собой данная мишень.
О-КВАДРУПЛЕКС КАК ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ МИШЕНЬ
Уникальная структура G-квадруплекса делает возможным создание селективных препаратов
G-квадруплексная структура может образовываться при связывании гуанинов из четырех разных нитей ДНК или РНК, из двух шпилек, из параллельных участков сложенной вчетверо одной нити. Структурной единицей G-квадруплексов является гуаниновый квартет — циклическое объединение четырех гуанинов Хугстиновскими водородными связями, стабилизируемое координационным взаимодействием с ионами металлов, например К+ (рис. 1а, б) [5].
Способ сворачивания G-квадруплекса зависит от нуклеотидной последовательности и типа иона, присутствующего в растворе [11, 12]. Например, олигонуклеотид теломерной последовательности формирует антипараллельный квадруплекс в присутствии ионов №+ (рис. 1в) и смешанную конформацию "3 + 1" в присутствии ионов К+ (рис. 1г). ДНК квадруплекс промотор-ной последовательности гена еЫУС в присутствии ионов калия имеет параллельную конфор-мацию (рис. 1д).
G-квадруплексы отличаются от двойной спирали ДНК по своим свойствам настолько, что могут быть узнаны связывающимися молекулами: больший размер квадруплекса; большая поверхность гуанинового квартета, доступная для стэкинг-кон-тактов на внешних сторонах макромолекулы; четыре бороздки неодинаковой, отличной от дуплексной ширины и глубины с другим электростатическим потенциалом, распределением донорно-акцепторных атомов, доноров водородных связей;
наличие петель, по-разному окружающих квартеты и бороздки; присутствие ионов металлов в центральном канале [13—16]. Такие структурные особенности G-квадруплексов обеспечивают возможность специфичного связывания низкомолекулярных соединений.
Существуют ли G-квадруплексы in vivo?
С помощью специфичных антител показано присутствие G-квадруплексов на теломерных концах хромосом в инфузориях [17], в клетках человека (не только в теломерах) [18]. Формирование теломерных квадруплексов в клетках человека установлено также по окрашиванию хромосом селективным флуоресцентным красителем BMVC, меченной тритием малой молекулой PDC 360A (таблица, № 8) [19, 20]. Однако остается открытым вопрос, не является ли показанное существование квадруплексов индуцированным антителами и красителями.
Несмотря на недостаточность свидетельств присутствия G-квадруплексов в живом организме (in vivo), на сегодняшний день собрано большое количество неоспоримых косвенных доказательств при анализе генома (in silico), в модельных экспериментах в растворе (in vitro) и в живой клетке (ex vivo). Найдено около 370000 потенциальных образующих квадруплекс последовательностей в геноме человека [21, 22], большинство из которых находятся в регуляторных областях функционально значимых генов [23, 24]. Существуют клеточные белки (нуклеазы, геликазы, резолвазы, шапероны), избирательно взаимодействующие с G-квадруплексами in vitro, регулируя их сворачивание/разворачивание [25—27]. Участки нуклеиновых кислот, способные образовывать G-квад-руплексы, создают препятствия для синтеза ДНК полимеразами и обратными транскриптазами [28]. Ex vivo показано, что квадруплексы вызывают апоптоз в опухолевых клетках [29] и влияют на экспрессию генов [30].
Биологическое значение G-квадруплексньх структур
Стабилизируя биологически инертные G-квадруплексы, малые молекулы опосредованно воздействуют на необходимые для жизни опухолевой клетки процессы. Во-первых, стабилизируя ДНК-квадруплексы в промоторах онкогенов, лиганды подавляют их гиперэкспрессию [31]. Дезактивация онкогенов лишает клетку белков, необходимых для поддержания патологического состояния [32]. Возможно влияние на экпрессию генов на стадии процес-синга РНК через стабилизацию РНК G-квад-руплексов в 5'-нетранслируемом участке, например для малой гуанозинтрифосфатазы NRAS
h
r
Нт^ n^-N-R
y\n-h„ ы
h o o^n
© h~n-h
/
h-n h
-n
n ov
o h
^JL 28
n N"^ n9 i r
h
д
Рис. 1. Структура G-квадруплекса. а - Химическая структура гуанинового квартета. б - Положение иона калия в центральном канале. в - Антипараллельный теломерный квадруплекс, модель и структура, полученная методом ЯМР в растворе в присутствии ионов Na+, Protein Data Bank (PDB) ID 143D, последовательность d[AG3(T2AG3)3] [6]. г - Гибридный теломерный квадруплекс (конформация "3 + 1"), модель и ЯМР-структура в растворе в присутствии ионов K+, 2JSL/2JSQ, последовательность d[TAG3(T2AG3)3TT] [7]. д - Параллельный квадруплекс из промотора гена cMYC, модель и ЯМР-структура в растворе в присутствии ионов K+, 1XAV, последовательность d[TGAG3TG4AG3TG4AA] [8]. Структуры ДНК построены с использованием базы данных MMDB [9] и программы Cn3D 4.3.1 [10].
[33]. Во-вторых, стабилизируя G-квадруплекс на теломерном однонитевом выступе хромосомы, малые молекулы нарушают способность опухолевой клетки к неограниченному делению через ингиби-рование фермента теломеразы [34—36], активной в 80% иммортализованных клеток [37, 38]. Также G-квадруплекс вытесняет теломерные белки, что ведет
к возникновению нестабильности генома, индуцирует клеточный ответ на повреждение ДНК [39].
КВАДРУПЛЕКСНЫЕ ЛИГАНДЫ
Квадруплексные лиганды — это малые молекулы, обладающие высоким сродством
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.