非经典三铂核药物与DNA作用的理论研究

Vo.l 28高等学校化学学报No .62007年6月CHEM I CAL J OURNAL OF CH I NESE UN I VERSI T I E S1160~1164非经典三铂核药物与DNA 作用的理论研究郝 兰,张 勇,谭宏伟,陈光巨(北京师范大学化学学院,北京100875)摘要 利用分子力学、分子动力学和量子化学等计算方法研究了新型临床二期抗癌药物BBR 3464([{trans -P t C l(NH 3)2}2-L -{trans -Pt(NH 3)2(NH 2(C H 2)6NH 2)2}]4+)与寡聚DNA 片段复合物的几何构型及其电子结构.结果表明,利用分子力学和分子动力学确定的复合物结构与实验的基本吻合.BBR3464为+4价高电荷铂药,与两端的铂相连的两个C l 配体间的距离是2174nm ,这使得药物与DNA 交联速度快,形成远程的1,4-链间交联.计算结果表明,BBR 3464与DNA 识别能力强,结合稳定.所形成的复合物中既有P t -N 7间较强的配位键,也存在许多氢键、弱氢键及静电作用.复合物中结合位点及结合位点外的嘌呤碱基的构象发生了不同程度的改变.复合物结构特征说明,DNA 在键合药物后其构型并未发生定域的链弯曲,而是离域的嘌呤碱基的构象转化,其对DNA 所造成离域性损伤与经典的药物不同.DNA 是铂抗肿瘤药物的靶点,多点键合和离域性损伤的结构特征与BBR3464的独特生物活性和临床表现相关.关键词 BBR 3464([{trans -P t C l(NH 3)2}2-L -{trans -P t(NH 3)2(NH 2(CH 2)6NH 2)2}]4+);DNA 片段;分子力学方法;分子动力学方法;量子化学方法中图分类号 O 641 文献标识码 A 文章编号 0251-0790(2007)06-1160-05收稿日期:2006-09-15.基金项目:国家自然科学基金(批准号:20231010,20673011,20631020)和国家/九七三0计划(批准号:G2004CB719900)资助.联系人简介:陈光巨(1957年出生),男,博士,教授,博士生导师,主要从事量子化学研究.E-m ai:l g j chen@ .cn双核和三核铂配合物为一类新型的抗癌化合物,其中重要的药物之一是BBR3464[1,2].研究结果表明,具有多胺连接物链的二核或三核铂配合物显示出很好的细胞毒素活性及稳定癌症性能,桥联多的多核铂配合物与DNA 形成远程的链间交连,可能跨越4个甚至更多的碱基对,与DNA 发生多点键合,其键合能力强,对DNA 造成离域性损伤.Farrell 等[3]研究了该类多铂核配合物,指出三铂核配合物BB R3464具有独特的生物活性.临床评估结果表明,BBR3464是低毒高效、抗肿瘤谱广和抗耐药性强的非经典抗癌药物[4].DNA 是细胞中铂药作用的靶点,药物对DNA 的损伤与其生物活性相关[5],而生物活性则与复合物的化学结构紧密相关,因此,研究药物和DNA 的结合方式,阐述微观电子结构特征,对探索药物构效关系具有十分重要的意义.Ferrall 等[3]利用NMR 研究了三铂核药物BBR3464(1)与寡聚DNA 片段5c -d (ATATG*TACATAT)2-3c (2)(式中*代表结合了铂的碱基,其结构见Sche m e 1)的复合物(3),但是对其微观电子结构等信息的研究尚未见详细报道.我们曾对顺铂单核抗肿瘤药物ZD0473和反铂双核抗肿瘤药物BBR3005与DNA 相互作用的特性进行了较详细的研究[6,7].本文采用分子力学(MM )和量子化学方法(QM )对复合物(3)的微观几何结构和电子布居等进行了深入研究,以期了解多核铂抗肿瘤药物作用于寡聚DNA 的微观结构特征.S cheme 1 Struc ture of BBR3464and site of the interstrand cross -li nk on a 12-m er dup lex of DNA [5c -d (A 1T 2A 3T 4G 5*T 6A 7C 8A 9T 10A 11T 12)2-3c ]1 计算方法使用H yper Che m (H yperc ube ,I N C .)程序构造药物1和B -DNA 片段2,骨架电荷由钠离子平衡.然后将药物1从DNA 片段2的大沟方向引入,使两个Pt 分别接近DNA 链上的碱基G5与G17上的N7原子,并使药物1中与中心Pt 相连的胺链尽量靠近DNA 的小沟处,形成了复合物3,该体系共包含865个原子,其中重原子数为541个.首先利用分子力学和分子动态学研究BBR3464与DNA 复合物的水体系(在4100nm @4100nm @5161n m 体系中,整个体系共包含8644个原子,2593个水分子).在考虑周期性边界条件的基础上,用分子力学方法对上述体系在Am ber 3力场下用Po lak -R i b iere 共轭梯度优化方法初步确定该体系的能量极小值状态.在极小化过程中所采用的RM S 梯度收敛标准是0100004kJ/m o,l 优化的构型在经受400ps 的常温(298K)分子动力学模拟后再进行优化,得到由分子力学和分子动力学确定能量极小的最优构型.在处理Pt 配合物局部构型时尽量模仿H a mb ley 的参数[8].在此基础上,用H F 和B3LYP 方法对复合物3中药物部分及与药物相关联的6对碱基对5c -d (TG *TACA )2-3c [图1(B)]进行计算,以期更细致地了解电子结构并进行能量分析,从而在更高精度的计算水平上了解三核铂抗癌药物与寡聚DNA 链之间的相互作用.采用lanl2dz 赝势基组[5]计算P,t采用6-31G *基组计算与Pt 直接作用的12个N,其余原子采用3-21G *基组计算.F i g .1 Struc tures of th e addu ct 3(A )and the part tak en fro m the adduct 3for quan tum m echan is m calculation(B )2 结果与讨论2.1 DNA 与药物作用的结构特征对体系分子动力学模拟过程的分析结果表明,体系在恒温阶段很快就达到平衡状态[图2(A )],体系温度在29317~30219K 之间波动,平均温度为297198K,标准偏差为1146;体系势能在-1625~F i g .2 Ident ified p rocess of m olecu lar m echan ics(A )Poten tial energy ;(B)d i stance of Pt )N ;(C)angle ofN )Pt )N )N;(D)hydrogen bond ofN )H ,O.1161N o .6郝 兰等:非经典三铂核药物与DNA 作用的理论研究-1575kJ/m o l之间波动,平均势能值为-1591126kJ/m o,l标准偏差44136;各标准偏差与相应的平均值相比均很小,表明体系在恒温模拟过程中处于一个能量较低的平衡状态,这说明复合物3在水溶液中能稳定存在.复合物3的构型基本上反映了药物1与寡聚DNA2的结合情况.表1和表2分别列出了复合物3中与Pt相关的几何构型参数以及药物分子与DNA片段的基团间形成氢键的相关数据.由表1和表2可以看出,复合物3中Pt)N键键长约为012000n m,N)Pt)N键角接近90b,虽然Pt和与之配位的N原子形成平面的二面角值在158b~163b之间,稍微偏离平面,但自然说明Pt原子与DNA发生了强烈的相互作用,并且形成了以Pt为中心的平面正方形的四配位结构,而且DNA片段的双螺旋性以及大部分碱基对之间的氢键得到了较好的保持(图1),结合位点相应的GC碱基对的氢键数据如下:d N)H,O(G5)=013093nm[A(N)H,O)=165b],d N)H,O(G17)=012840nm[A(N)H,O)= 146b].T ab l e1M ain geo m etrical para m eter s abou t Pt of the adductsd(Pt)N7G)/nm d(Pt)N)/nm d(Pt)NH3)/nm A(NH3)Pt)NG)/(b)D(NH2)Pt)NH3)N7G)/(b) 01192301200001200487)90158)163Tab le2M ai n geo m etr ica l para m e ters of hydrogen bond b et w een drug and DNA[bond d istance,d/nm,bond an gle,A/(b)]G5N)H,O(T6)G5N)H,N(T4)G5N)H,O(G5)G17N)H,O(G17)G17N)H,N(T16)G17N)H,O(T18)Pt(cen tral)N)HO(PO4)P t(central)N)HO(P O4)d0129180.28800.30930.28400.32070.29660.29100.3921A160169165146166149163161图2为复合物3的部分结构识别过程.图2(B)和(C)为复合物3中Pt)N键的键长和N)Pt)N)N二面角随时间的变化状态.由此可直观地看到,在模拟过程中Pt)N键的键长在0119~ 0120n m间波动,二面角处在155b~175b之间;图2(D)描述了复合物3中结合位点Pt上配体NH3的N和碱基的氧形成的氢键键长随时间的变化状态,氢键键长在0128~0135n m间波动,且在模拟以后的100ps中,氢键键长的波动振幅减小到0104nm,这进一步说明在体系趋于平衡结构时,形成了氢键和弱氢键.从图1可知,DNA片段的双螺旋性以及碱基对之间的大部分氢键的键长和键角基本保持不变.从复合物3结构分析得到,碱基G5和G17所在平面与相应的碱基C20和C8平面之间的夹角分别约为21b和14b,药物1的Pt所处的两个平面与DNA中碱基G平面的夹角分别为-5011b和4913b,DNA与药物1作用后没有出现明显的变形,作用后的DNA和作用前的DNA的RM S为2195.由此可知,药物1在与DNA结合后并未造成DNA双链的明显定域弯曲变形,从而使HMG1蛋白对其识别无效,复合物在结构上的这种独特性可能导致了药物与经典顺铂显著不同的抗癌活性[9].2.2DNA与药物作用的结合能表3列出了用H F/G en和B3LYP/G en两种方法计算得到图1(B)所示的复合物的总能量E(A+B),DNA部分5c-d(TG*TACA)-3c-5c-(TG*TACA)-3c的能量E(A)及局部构型[{trans-Pt(NH3)2}2(L-trans-Pt(NH2)2{NH2(C H2)6NH2})6+的能量E(B).在考虑轨道重叠情况下计算出这两部分的结合能E I.计算结果表明,该药物与DNA的作用较强(表3),其化学稳定性很好.与单核药物ZD0473[6]和反式双铂核药物BB R3005[7]相比,较强的相互作用能既是Pt基组的不同导致的差异,还可能源于药物具有较高的电荷、较长链式结构的可伸缩性以及中心铂与DNA识别的相互作用.这种多点键合的药物和DNA的识别方式产生的较强作用能是和复合物难以修复性密切相关的,也许正是其具有好的细胞毒活性的原因所在.T ab l e3En ergy(kJ/mo l)of drug and DNA calcu lated by quan tum ch e m istry m ethods M ethod E(A)E(B)E(A+B)E IH F-4795817615-362000419-5158321411-503217B3LYP-4817536015-364334315-5182386218-5158181162高等学校化学学报V o.l282.3 DNA 与药物作用的电子结构特征2.3.1 Pt 原子与DNA 链上原子之间的电子结构特征 表4列出用H F 和B3LYP 方法计算得到的药物1中的3个Pt 原子分别与DNA 链上各原子的键电荷.由表4可知,药物在与DNA 结合时,不仅与相应碱基G 上的N 原子形成强的配键,同时还与G 上的O6原子之间有较强的相互作用;同时Pt 原子还与相邻的碱基T 上的甲基C 原子以及电负性较大的O 和N 原子之间表现出相互作用,中心铂与DNA 骨架的O 和P 有明显的静电作用.这些作用使三铂核药物(1)能稳定的与DNA 相结合,从而破坏了其解旋复制,抵制癌细胞不断增生而达到抗癌效果.Tab le 4 Bond electron charges(e)be t ween P t a to m s of d rug and DNA ato m sSpecies M et hodHF B3LYP Species M ethodH F B3LYP P t 1)N (G5)0.27140.1218Pt 2)N(G17)0.18840.1682P t 1)O (G5)0.21760.1552Pt 2)O(G17)0.18860.1390P t 1)O (T4)0.07520.0260Pt2)O (T16)0.11520.0918P t 1)N (T4)0.05960.0470Pt2)N (T16)0.11940.0656P t 1)C(T4)0.04100.0434Pt2)O (T16)0.05280.0370P t 3)O (PO 4)0.02260.0126Pt 3)O(PO 4)0.14900.04602.3.2 DNA 与药物的氢键作用的电子结构特征 H F 和B3LYP 方法计算得到的药物1与DNA 之间的氢键和弱氢键作用的键电荷列于表5中.药物1与DNA 的氢键主要由药物1中与Pt 配位的NH 3上的H 原子和与之相邻碱基对G 和T 上电负性比较强的O 原子形成,其键电荷在0104~0110e 之间,有较强的氢键作用,中心Pt 靠近小沟,与其配位的C )NH 2和NH 3上的H 和磷酸根上的O 间有弱氢键形成,键电荷在01003~0102e 之间,氢键和弱氢键的形成是药物与DNA 的稳定结合不可忽视的作用力,在生命大分子中能增强体系的稳定性,提高药物和DNA 的识别能力.Tab le 5 Bond electron charges(e)of m ain hydrogen bondM ethod (Pt1)N )H ,O(G5)(Pt 2)N )H ,O (G17)(Pt 2)N )H ,O (P)(Pt 3)N )H ,O(PO 4)(P t 3)N )H ,O(P O 4)H F 010216010768011056010098010018B3LYP0104300106460105380101580100282.3.3 嘌呤碱基的结构特征 构成B -DNA (2)片段的嘌呤碱基G 和A 中的H 8与H 1c 反向为anti 构象,且H 8)H 1c 的平均距离为0139nm,而Z -DNA 的G 和A 中H 8与H 1c 同向为s yn 构象,且H 8)H 1c 的平均距离为0126n m.追踪复合物3的分子动力学模拟过程可看到,嘌呤碱G5的H 8)H 1c ,A3的H 8)H 1c 和A7的H 8)H 1c 识别距离在0126~0139nm 之间(表6).说明结合位点G5的糖基构象和位点外嘌呤的糖基构象发生改变,G5的H 8-H 2c (H 2d )的距离由214nm (318)变为310nm (415),间距由近变远也支持这一结论.这说明药物和DNA 结合后,糖基构象逐步改变,使其构型由B -DNA 向Z -DNA 转变,药物和DNA 的复合物可认为是syn 和anti 的混合物,此结论与实验结果吻合.跨越4个碱基对的远程1,4-链间交连方式是产生结合位点外嘌呤糖基转化为顺式构象的根本原因.结合位点外嘌呤构象的改变是药物BBR3464结合到DNA 产生的协同作用,DNA 在键合药物后其构型并未出现定域的链弯曲而是离域碱基的构象转化,这对DNA 造成离域性的损伤,有效地扼制了肿瘤细胞DNA 的复制和转录.T ab le 6 D istance(nm )between H8)H 1c of the bases G and AH8)H 1c A1A3G5A7A9A11A13A15G17A19A21A23 Free -DNA 013933013925013926013929013931013933013932013929013933013934013932013929 BBR3464013923013789012565013881013817013910013624013914013917013899013916013903 BBR3005[7]0139270139320137450139320139270139320139340139290139090139240139220139292.3.4 结合方式的比较 与此同时,我们还将药物从大沟导入寡聚DNA,且使中心铂原子处于大沟,用同样的方法MM /M D 优化得到了中心铂原子完全处于大沟中的复合物构象,并同样取与药物相关联的6对碱基5c -d(TG *TAC A )2-3c 用HF 方法进行量子化学计算.用这种结合方式得到的复合物中,中心铂及与其配位的氨基的氢与残基磷酸根上的氧、磷都没有明显的相互作用,与中心铂接近小沟的复1163N o .6郝 兰等:非经典三铂核药物与DNA 作用的理论研究1164高等学校化学学报V o.l28合物相比,药物和DNA相互识别的主要键的键电荷较小,体系能量较高(164910kJ/m o l),药物与DNA间相互作用较弱,相关数据列于表7和表8.这进一步说明,中心铂接近小沟或逼近小沟是热力学有利的结合方式,这与实验结果吻合.T ab le7B ond charge(e)be t ween P t ato m s of d rug and DNA(H F)Pt1)N(G5)Pt1)C(T6)Pt1)O(T6)Pt2)N(G17)Pt2)O(T18)Pt2)C(T18)Pt3)O(P O4)Pt3)O(PO4)M i nor012714010662010752011684010528010520010149010434 M aj or012708010462010548010998010384010290T ab le8B ond e l ec tron charges(e)of ma i n hyd rogen bond(H F)(Pt1)N)HO(G5)(Pt2)N)HO(G17)(Pt1)N)H,O(T4)(Pt3)N)H,O(PO4)(P t3)N)H,O(P O4) M i n or groove010216010768010069010098010018 M aj or groove010134010568010069参考文献[1]K los t erM. B.G.,H a mn is J. C.,M udd i m an D. C.,et al..B i oche m i stry[J],1999,38(45):14731)14737[2]Farrell N.,Appleton T.G.,Qu Y.,et a l..B ioche m istry[J],1995,34:15480)15486[3]Yun Qu,Neel J.S carsdal e,M y-Chau T ran,et a l..J.B i o.l Inorg.Che m.[J],2003,8:19)28[4]Davies M.S.,Tho m as D.S.,H eg m ans A.,e t al..Inorgan ic Ch e m ist y[J],2002,41(5):1101)1109[5]J am ieson E.,L i ppard S.J..Che m.Rev.[J],1999,99:2467)2498[6]JI A M u-X i n(贾木欣),QU W en-W en(曲雯雯),CHEN Guang-J u(陈光巨),et a l..Che m.J.Ch i neseUn ivers iti es(高等学校化学学报)[J],2004,25(8):1481)1484[7]HUANG Su-Lan(黄素兰),HAO Lan(郝兰),TAN H ong-W ei(谭宏伟),et a l..Che m.J.Ch i n ese Un i versities(高等学校化学学报)[J],2006,27(3):531)534[8]H a m b l ey T.W..Inorg.Ch e m.[J],1988,27:1073)1077[9]K asparkova J.,Zehnulova J.,Farrell N.,et al..J.B i o.l C he m.[J],2002,277(50):48076)48086Theoretical Investi gati on of Interaction Bet w een Uncl assical T ri nucl ear Antitu mor P lati nu m Co m plex and DNA DuplexHAO Lan,Z HANG Yong,TAN H ong-W e,i C H E N Guang-Ju*(Colle g e of Che m istry,B eij i ng N ormal Universit y,Beij i ng100875,China)Abst ract BBR3464([{trans-PtC l(NH3)2}2-L-{trans-Pt(NH3)2(NH2(C H2)6NH2)2}]4+)is c urrently i n phaseⅡc li n ical trials.It is o f consi d erable i n terest to understand the patterns o fDNA da m age.Deta iled stu-dies about t h e geo m etrical and e l e ctrica l configurati o ns o f the adduct of t h e trinuclear platinum co m pound and t h e12-m er dup l e x5c-d(ATATG*TAC ATAT)2-3c w as m ade w ith the m o l e cu lar m echan ics,m o lecu lar dyna-m ics and quan t u m che m istr y m ethods.The i n vestigating results sho w that the coordi n ate bonds bet w een plat-i nu m ato m s o f the tr i n uclear plati n um co m p l e x and t w o N7c s of guan i n es four base apart on opposite DNA strands are the most i m portant i n teraction and hydrogen bond i n teractions are critica l facto rs i n fl u enci n g on the configuration o f the adduc.t The str ong H8-H1c i n traresiding electrostatic interacti o n for puri n e residues(G5, G17,A3,A7,A9,and A13)is consi s tentw ith a syn-confo r m ation o f the nucleosi d e uni,t suggesti n g a de l o-ca lized structure and ex tensive con for m ati o na l changes i n so l u tion.S i n ce DNA is the m ajor phar m aco log ica l tar get o f p lati n um dr ugs,the un ique structura l characteristic m ay be re lated to the i n creased cyto tox ic ity and antitu m o r activ ity o f BBR3464as co m pared to cis-platin(cis-DDP).K eywords BB R3464([{trans-Pt C l(NH3)2}2-L-{trans-Pt(NH3)2(NH2(C H2)6NH2)2}]4+);DNA du-plex;M olecular m echanics m ethod;M o lecu lar dyna m icsm et h od;Quantum che m istry m ethod(Ed.:Q,I)。