Пространственная структура модифицированных нуклеотидов и ее связь с биологической активностью

• Автор: Гурская, Галина Викторовна
• Шифр специальности: 03.00.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1995
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 55 с.; 20х15 см

Актуальность темы. Пространственная структура биологически активных соединений является одним из основных факторов, определяющих особенности их функционального поведения на молекулярном уровне. Поэтому не удивительно, что основные фундаментальные успехи в области молекулярной биологии в значительной степени достигнуты благодаря результатам рентгеноструктурных исследований. В процессе жизнедеятельности биологических систем одна из ведущих ролей принадлежит нуклеиновым кислотам и их компонентам -нуклеозидам и нуклеотидам. Благодаря участию в метаболических процессах и взаимодействию с ключевыми ферментными системами, компоненты нуклеиновых кислот и их многочисленные производные имеют важное значение для поиска новых лекарственных веществ. Среди соединений этого класса обнаружены эффективные противовирусные, противоопухолевые, кардиотонические и иммуномодулирующие агенты.
Разработка научных основ целенаправленного поиска биологически активных соединений с заданным спектром активности является одной из главных задач современной молекулярной биологии, биоорганической химии и фармакологии. Решение этой задачи неразрывно связано со знанием пространственных структур исследуемых соединений и их корреляции с биологической активностью.
Основными химическими подходами при создании новых биологически активных аналогов нуклеозидов и нуклеотидов являются: а) замена или удаление функциональных групп в углеводном или гетероциклическом фрагментах ; б) замена углеводного компонента молекул ациклическим; в) создание конъюгатов с другими биологически активными соединениями; г) введение химически инертных заместителей (например, СНз-групп) вместо атомов водорода в углеводных фрагментах с сохранением всех функциональных групп, характерных для природных соединений.
Проведенные нами серии рентгеноструктурных исследований пространственного строения аналогов нуклеозидов охватывают почти все вышеприведенные типы модификаций. Однако, особое внимание нами уделено изучению закономерностей в строении молекул З'-замещенных 2',3'-дидезоксинуклеозидов, в число которых входят основные лекарственные соединения, используемые в медицинской практике для лечения больных СПИДом.
В настоящее время установлено, что нуклеотидные остатки 5'-трифосфатов некоторых З’-замещенных 2',3’-дидезоксинуклеозидов могут включаться в З’-конец новосинтезируемой цепи ДНК и, из-за отсутствия у них З’-гидроксила или же изменения его реакционной способности, прерывать (терминировать) ее дальнейшую элонгацию. В случае вирусов это влечет ингибирование их репродукции. Такие свойства З'-замещенных аналогов нуклеозидов широко используются для создания новых лекарственных препаратов, а также для ’фундаментальных исследований механизмов функционирования ДНК-полимераз длинного происхожения.
Сродство и специфичность модифицированных нуклеозид-5’-трифосфатов к тому или иному виду ДНК-полимераз зависит как от химического структуры заместителя в З’-положении, так и от пространственного строения молекулы в целом. В- целях выяснения стереохимических аспектов субстратной специфичности ряда ДНК-полимераз нами исследовано пространственное строение молекул конформационно подвижных и конформационно ограниченных, специфичных и неспецифичных терминаторов синтеза ДНК, подавляющих репродукцию ретровирусов, в том числе вирусов иммунодефицита человека (ВИЧ), изучена корреляция пространственных структур этих соединений с их биологической активностью, выявлены структурные закономерности, ответственные за узнавание и специфичность модифицированных нуклеозидов. Последнее крайне необходимо для организации целенаправленного поиска селективных ингибиторов обратных угранскриптаз ретровирусов, включая ВИЧ.
Цель работы. Основной задачей настоящей работы было получение кристаллов и исследование методом рентгеноструктурного анализа пространственного строения молекул семи групп модифицированных нуклеозидов, включая известные антивирусные агенты, выявление основных конформационных закономерностей строения их молекул и установление корреляции между пространственной структурой и биологической активностью исследуемых классов соединений. Особое внимание в работе уделено изучению нескольких групп родительских нуклеозидов терминаторных субстратов ДНК-полимераз различного происхождения с целью получения структурной информации для целенаправленного поиска новых эффективных блокагоров ВИЧ.
Научная новизна и практическая ценность
I. На основе рентгеноструктурных исследований впервые установлены пространственные структуры и получены конформационные параметры нескольких групп соединений:
I. Группы конформационно подвижных З'-замещенных 2',3,-дидезоксинуклео-зидов: блокатора репродукции ВИЧ 3'-азидо-21,3'-дидезокситимидина
(с5<ЗТ(3'№), AZ), 5'-трифосфат которого является специфичным ингибитором обратных транскриптаз, неспецифичного ингибитора биосинтеза ДНК З'-ами-но-2',3'-дидезокситимидина (скЩЗТ'Шг)) , 5'-трифосфат которого проявляет свойства терминаторного субстрата ДНК-полимераз различного происхождения, и его аналога 3'-метиламино-2',3'-дидезокситимидина (сШТ(ЗТ[НМе)), специфичных ингибиторов репродукции ВИЧ 3’-нитро-2',3’-дидезокситимидина (скГЩЗ'ЖЬ)), 3'-гидроксимино-2',3[-дидезокситимидина (ёёТ(З-Ж)Н)) и его метального аналога 3'-метоксимино-2',3'-дидезокситамидина (с!<1Т(3'=МОМе)) , соединений с объемными ациклическими и циклическими заместителями З'-О-метилтиометил-2-дезоксигимидина ((ЩЗ'ОСНгБМе)), З'-О-метилсульфинил-метил-2'-дезокситимидина (сЩЗ'ОСНгБОМе)), 3'-(тетразол-2"-ил)-2',3'-дидезок-ситамидина (с1с1Т(ЗЧе1г)) и 3'-(5"-метилтетразол-2"-ил)-2',3’-дидезокситимидина (сШТ(ЗЧе1г-5"Ме)).
2. Конформационно ограниченных по фуранозному циклу блокаторов биосинтеза ДНК: 2',3'-ликсоангидротимидина (1аТ), 2',3'-рибоангидроаденозина (гаА), 2',3'-дидезокси-2',3'-дидегидротимидина (ЗЛ-), 3'-метил-2'-дезокситимидина (йТЗ'Ме)
3. Конформационно подвижных и конформационно ограниченных соединений
с двойной модификацией по углеводному циклу : 3'-хлор,4'-метил-2',3,-дидезок-ситимидина (<МТ(3'С1,4'Ме)), 4’-гидроксиметал-2’,3’-ликсоангидроцитидина (1аС(4'СН20Н)), 4'-гидроксиметил-2',3'-рибоангидроаденозина (гаА(4'СНзОН)), 3'(5)-метил-3'(11)-фтор-2,,3'-дидезокситимидина(ё<1Т(3'Ме,Р)).
4. Группы диоксолановых аналогов 2’,3'-дидезоксинуклеозидов: цис~А(К,5)-
гидроксиметил-2(8Д)-(тимин-1 -илметил)-1,3-диоксолана (цис-4(11,8)Т -1,3ди-
окс), 1що2(11,8)-гидроксиметил-4(8Д)-(тимин-1 -илметил)-!,3-диоксолана (цис-2 (Д,8)Т-1,Здиокс) и «ранс-4(К,8)-гидроксиметил-2(8Д)-(урацил-1-илметил)-1,3-диоксолана (транс-4(Д,8)С-1 ,Здиокс).
5. Аналогов нуклеозидов, в которых сохранены все функциональные группы природных нуклеозидов, потенциально необходимые для связывания с ферментами биосинтеза нуклеиновых кислот: 2'-метилуридина (и(2'Ме)), З'-ме-тилцитидина (С(З'Ме)), 5’(Д)-метилцитидина (С(5'Д)Ме)), 5'(8)-метилцитидина (С(5'(8)Ме)), 5'(8)-метил-2-дезокситимидина (ёТ(5'(8)Ме)) и Г-гидроксиметил-цитидина (С(ГСНгОН)).
6. Ангидронуклеозидов с закрепленной сш/-конформацией вокруг гликозидной связи: 6,Г-ангидро-6-гидрокси-1-(2-Э-0-псикофуранозил)цитозина (6,Г-0-аСр) и 8,Г-ангидро-8-гидрокси-9-(2-|}-0-псикофуранозил)аденина (8,Г-0-аАр).
7. Ациклических аналогов рибавирина и ацикловира, проявляющих различную степень антигерпесной активности: 1-(2-гидроксиэтоксиметил)-1,2,4-триазол-5-карбоксамида (5-НЕМТ), 1 -(1,5-дигидрокси-3-оксапент-2-ил)-1,2,4-

3'(8)-Метил-3'(Я)-фтор-2',3'-дидезокситимидин
Рис. 13. Строение молекулы ddT(3'(S)Me,(R)F).
уменьшаются возможные пространственные затруднения между атомами названных объемных фрагментов. Эти данные согласуются с результатами изучения ddT(3'Me,F) в растворе методом ЯМР.
В то же время, конформация молекул высокоактивного ингибитора репродукции ВИЧ-1 ddT(3'F) очень близка к конформации молекул ddT(3'F,Me). Усредненные по четырем кристаллографически независимым, но имеющим близкую конформацию, молекулам по работе P. Van Roey et al. (Antiviral Chem. Chetnother., 1990, V.l, p.93) конформационные параметры имеют следующие значения : х=-137.6°, Р=174.0° ( С2'-эндо-СУ-экзо (2Тз>), Фт=32.5°, у = 48.3°, а усредненные по работе N.Camerman et al. (Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 1990, V.87, p.3534) по двум кристаллографически независимым молекулам : х=-13?.4°, Р= 164.0° ( С2'-эндо-СУ-экзо (2Тз)), ¥„,=36.0°, у = 53.0°. Напомним, что ddT(3J) относится к числу конформационно подвижных соединений. Несмотря на конформационное сходство с ddT(3'F), трифосфаты ни одного из исследованных нами З'-метильных аналогов 2'-дезоксинуклеозидов не являются субстратами биосинтеза ДНК, т.е. не включаются в растущую цепь ДНК, а проявляют очень слабые ингибирующие свойства по отношению к различным ДНК-полимеразам и обратным транскриптазам, по конкурентному к dTTP механизму. Однако, у трифосфата З'-метилуридина обнаружены свойства терминаторных субстратов биосинтеза РНК. Следовательно, можно предположить, что либо относительно "жесткая" конформация фуранозных циклов с выводом атомов С21 в эндо-положение в 3'-метил-2'-дезоксинуклеозидах является запретной для продуктив-