Поиск ингибиторов поли(ADP-рибозо)полимеразы-I. Миметики поли(ADP-рибозы) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.03, кандидат химических наук Дреничев, Михаил Сергеевич

• Дреничев, Михаил Сергеевич
• кандидат химических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат химических наук Дреничев, Михаил Сергеевич

Список использованных сокращений Введение

Глава 1. Поли(АОР-рибоза) - важный биополимер. Особенности строения и биологическая роль. Биосинтез и ферментативное расщепление. Дисахаридные нуклеозиды и перспективы химического синтеза. Ингибирование поли(АЭР-рибозо)полимераз. (Обзор литературы)

1.1. Поли(АОР-рибоза)

1.1.1. Структура, биосинтез и функции в клетке

1.1.2. Подходы к искусственному получению Дисахаридные нуклеозиды и синтез фрагментов ПАР

Методы создания пирофосфатных связей и автоматизированный синтез ол игоиуклеот идов (АОР-рибозил)ирование белков

1.2. Ферменты биосинтеза и деградации ПАР

1.2.1. Семейство поли(АОР-рибозо)полимераз (ПАРП). Структура и биологические функции основных представителей

1.2.2. Поли(АОР-рибозо)гликогидролаза (ПАРГ)

1.3. ПАРП как фермент-мишень для создания новых лекарственных препаратов

1.3.1. Основные классы известных ингибиторов ПАРП и их биологическая активность

1.3.2. Ингибиторы ПАРП с улучшенными свойствами: оптимизация структуры и химический синтез

Глава 2. Поиск новых ингибиторов поли(АОР-рибозо)полимеразы-1. Миметики поли(АОР-рибозы). (Обсуждение результатов)

2.1. Синтез дисахаридных нуклеозидов

2.2. Получение миметиков поли(АТ>Р-рибозы)

2.3. Использование «сНск»-реакции для функционализации олигонуклеопгидов и создания разветвленных миметиков ПАР

2.4. Ингибирование ПАРП-1 человека дисахаридными нуклеозидами -производными структурного элемента ноли(АТ)Р-рибозы)

Глава 3. Экспериментальная часть

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поиск ингибиторов поли(ADP-рибозо)полимеразы-I. Миметики поли(ADP-рибозы)»

Поли-АОР-рибозилирование - посттрансляционная модификация белков в эукариотических клетках, катализируемая поли(АОР-рибозо)полимеразами (ГТАРП). Эти ферменты осуществляют превращение никотинамидадениндинуклеотида (NAD+) в поли(АЭР-рибозу) (ПАР) с высвобождением никотинамида [1]. ПАР вовлечена в процессы модуляции структуры хроматина, репликации, транскрипции, репарации ДНК и дифференцировки клеток и представляет собой разветвленный биополимер, в котором остатки 2'-0-а-0-рибофуранозиладенозина соединены между собой пирофосфатными связями [2,3]. Поли(АОР-рибозо)полимераза-1 (ПАРП) относится к числу ключевых белков, осуществляющих регуляцию процесса репарации оснований и одноцепочечных разрывов ДНК, и отвечает за синтез 90% поли(АОР-рибозы) в клетке [3]. До настоящего времени ПАР не синтезирован, что связано как со сложностями синтеза дисахаридных нуклеозидов, так и с образованием пирофосфатной связи. Лишь недавно в нашей лаборатории был впервые получен 2'-0-а-0-рибофуранозиладенозин - мономерное звено ПАР [4]. Детальное изучение внутриклеточных функций поли(АОР-рибозы) продолжается и в настоящее время. Молекулы полимера, как выделенные из природных источников, так и синтезированные in vitro с использованием поли(АБР-рибозо)полимеразы, могут содержать более 200-300 мономерных звеньев. Линейные участки длиной 20-50 звеньев чередуются с разветвленными фрагментами, которые, по-видимому, стабилизируют конформацию поли(АОР-рибозы) [1, 2, 5]. Важную роль в комплексообразовании с белками играют ионные взаимодействия между фосфатными группами ПАР и положительно заряженными остатками аминокислот в белках.

В настоящей работе впервые предложены миметики ПАР на основе дисахаридных нуклеозидов и их ациклических аналогов, в которых пирофосфатный остаток в природном полимере заменен на фосфатный при сохранении основных важнейшие функциональные группы и расстояния между ними. Такая замена позволяет использовать автоматический олигонуклеотидный синтез с использованием фосфорамидитных синтонов.

Получение миметиков ПАР, имеющих определенный состав и структуру, открывает новые возможности для изучения репарации ДНК и других важных клеточных процессов: а) изучение белков, участвующих в репарации ДНК; б) выяснение регуляторных функций поли(АОР-рибозы) в клетке.

Еще одной группой природных полианионных биополимеров являются сульфированные полисахариды, такие как гепарансульфаты, которые также могут рассматриваться в качестве миметиков ПАР [6-8]. Эти полимеры содержат большое число 0-сульфатных и ./^-сульфатных групп, количество которых в случае гепарансульфата достигает в среднем 2.7 групп на дисахаридный остаток [9-10]

Ингибиторы ПАРП представляют интерес как потенциальные противораковые агенты [11]. Алкилирующие препараты, которые реагируют с гетероциклическими основаниями нуклеиновых кислот и вызывают повреждение ДНК, и ионизирующее излучение, применяют в схемах лечения многих форм онкозаболеваний. Системы репарации ДНК противостоят действию агентов, повреждающих ДНК, поэтому терапевтический эффект зависит от эффективности систем репарации ДНК. Направленное ингибирование репарации ДНК может быть основой очень эффективной сопровождающей терапии. Ожидается, что использование ингибиторов ПАРП в комплексной химиотерапии позволит снизить концентрацию алкилирующих противоопухолевых агентов и, следовательно, понизить общую токсичность лечения.

Целыо работы являлся поиск новых ингибиторов ПАРП-1 в ряду дисахаридных нуклеозидов, а также получение миметиков ПАР, исходя из фосфорамидитных синтонов на основе дисахаридных нуклеозидов и их ациклических аналогов. В ходе исследования решались следующие задачи: оптимизация методов получения дисахаридных нуклеозидов, исследование устойчивости 1,1,3,3-тетраизопропилдисилоксан-1,3-диил (ПРОБ) защитной группы в основных средах и подбор оптимальных условий для удаления ацильных защит (деблокирования);

- разработка синтеза амидофосфитных синтонов на основе дисахаридных нуклеозидов и их ациклических аналогов; получение миметиков ПАР, разработка подходов, позволяющих вводить функциональные группы в олигонуклеотиды и получать разветвленные миметики ПАР;

- синтез пиримидиновых дисахаридных нуклеозидов и изучение их ингибиторной активности в реакции поли(АОР-рибозил)ирования, катализируемой рекомбинантной ПАРП-1, а также в культуре клеток.

Заключение диссертации по теме «Молекулярная биология», Дреничев, Михаил Сергеевич

выводы

1. Впервые синтезирован большой ряд миметиков поли(АОР-рибозы) на основе дисахаридных нуклеозидов и их ациклических аналогов, в которых пирофосфатный остаток в природном полимере заменен на фосфатный. В этих соединениях сохранены основные важнейшие функциональные группы и расстояния между ними.

2. Предложены новые синтоны для получения олигонуклеотидов, содержащих азидоалкильные и бромалкильные группы для постсинтетической модификации, позволяющие вводить в 2'-положение олигонуклеотидной цепи различные заместители.

3. Впервые синтезирован З'-О-Р-Б-рибофуранозиладенозин, который был выделен из листьев Arabidopsis thaliana при бактериальном заражении Pseudomonas syringae. Оптимизирован метод получения дисахаридных нуклеозидов.

4. Исследована стабильность 3',5'-0-(тетраизопропилдисилоксан-1,3-диил)нуклеозидов в основных средах и подобраны оптимальные условия для удаления ацильных защитных групп.

5. В ходе работы синтезировано 60 новых соединений, структура которых подтверждена данными масс-спектрометрии, УФ- и ЯМР-спектроскопии. В ряду синтезированных соединений обнаружены ингибиторы рекомбинантной поли(А0Р-рибозо)полимеразы-1 с IC50 3-5 10"5 М.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Дреничев, Михаил Сергеевич, 2013 год

1. Hassa P.O., Haenni S.S., Elser M., Hottiger M.O. Nuclear ADP-ribosylation reactions in mammalian cells:where are we today and where are we going? // Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2006, 70, P. 789-829.

2. Sugimura T., Miwa M. Poly(ADP-ribose): historical perspective. // Mol. Cell Biochem., 1994,138, P. 5-12.

3. Jagtap P., Szabo C. Poly(ADP-ribose)polymerase and the therapeutic effects of its inhibitors. II Nature Rev. Drug Discovery, 2005, 4, P. 421-440.

4. Mikhailov S.N., Kulikova I.V., Nauwelaerts K., Herdewijn P. Synthesis of 2'-0-a-D-ribofuranosyladenosine, monomeric unit of poly(ADP-ribose). // Tetrahedron., 2008, 64, P. 2871-2876.

5. D'Amours D., Desnoyers S., D'Silva I., Poirier G.G. Poly(ADP-ribosyl)ation reactions in the regulation of nuclear functions. // Biochem. J., 1999, 342, P. 249-268.

6. Seeberger P.H, Danishefsky S.J. Solid-phase synthesis of oligosaccharides and glycoconjugates by the glycal assembly method: a five year retrospective. // Acc Chem Res., 1998. 31, P.685-695.

7. Koeller K.M, Wong C.H. Complex carbohydrate synthesis tools for glycobiologists: enzyme-based approach and programmable one-pot strategies. // Glycobiology, 2000. 10, P. 11571169.

8. Kjellén L, Lindahl U. Proteoglycans: structures and interactions. // Annu Rev. Biochem., 1991,60, P.443-475.

9. Sugahara K, Kitagawa I I. Recent advances in the study of the biosynthesis and functions of sulfated glycosaminoglycans. II Carr. Opin. Struct. Biol, 2000,10, P.518-527.

10. Esko J.D., Lindahl U. Molecular diversity of heparan sulfate. // J. Clin. Invest., 2001,108(2), P. 169-173.

11. Ferraris D.V. Evolution of Poly(ADP-ribose) Polymerase-1 (PARP-1) Inhibitors. From Concept to Clinic. II J. Med. Chem., 2010, 53, P. 4561^584.

12. Schultheisz H. L., Szymczyna B. R., Williamson J. R. Enzymatic Synthesis and Structural Characterization of 13C, 15N-Poly(ADP-ribose). II J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, P. 1457114578.

13. Brown J.A., Marala R. B. Development of a high-throughput screening-amenable assay for human poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors. // J. Pharmacol. Toxicol. Methods., 2002, 47, №3, P.137-141.

14. Keith G., Desgres J, de Murcia G. Use of two-dimensional thin-layer chromatography for the components study of poly(adenosine diphosphate ribose). // Analit. Biochem., 1990,191, № 2, P. 309-313.

15. Ефимцева E.B., Михайлов C.H. Дисахаридные нуклеозиды. // Успехи химии. 2004, 73 (4), С. 435-448

16. A.M.Ferro, N.J.Oppenheimer. Structure of a poly(adenosine diphosphoribose) monomer 2'-(5'-phosphoribosyl)- 5'-adenosine monophosphate. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1978, 75, P. 809-813.

17. A.A.Rodionov, E.V.Efimtseva, S.N.Mikhailov, J.Rozenski, I.Luyten, P.Herdewijn. Synthesis and properties ofO-beta-D-ribofuranosyI-(r'-2')-adenosine-5"-phosphate and its derivatives. // Nucleosides Nucleotides Nucl. Acids, 2000,19, P. 1847-1859

18. Антонов К. В., Есипов Р. С., Гуревич А. И., Чувиковский Д. В., Микулинская Г. В., Феофанов С. А., Мнрошников А. И. Химический и химико-ферментативный синтез а-тиотрифосфатов нуклеозидов. // Биоорганическая химия, 2003, 29, №6, С. 616-622

19. Ahmadibeni Y., Parang К. Selective diphoshorilation, dithiodiphosphorilation, triphosphorylation and trithiotriphosphorylation of unprotected carbohydrates and nucleosides. // Org. Lett., 2005, 7, № 25, P. 5589-5592.

20. Warneke S., Meier C. Synthesis of Nucleoside Di- and Triphosphates and Dinucleoside Polyphosphates with cyc/oSal-Nucleotides. // J. Org. Chem., 2009, 74, P. 3024-3030

21. Ahmadibeni Y., Tiwari R. K., Sun G., Parang K. Synthesis of nucleoside mono-, di-, and triphosphoramidates from Solid-Phase cyc/oSaligenyl Phosphitylating Reagents. // Org. Lett., 2009,11, № 10, P. 2157-2160.

22. Smith. M.; Drumaond, G. I.; Khorana, H. G. The synthesis and properties of ribonucleoside-3',5' cyclic phosphates II J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, P. 698-706.

23. Ikehara, M.; Uesugi, S.; Yoshida, K. Studies on the conformation of purine nucleosides and their 5'-phosphates. // Biochemistry 1972,11, P. 830-836.

24. Kanavarioti A., Lu J.; Rosenbach, M. Т.; Hurley, Т. B. Unexpectedly facile synthesis of symmetrical Pl,P2-dinucleoside-5'-pyrophosphates. // Tetrahedron Lett. 1991, 32, P. 60656068.

25. Zaremba T., Curtin N. J., PARP inhibitor development for systemic cancer targeting. // AntiCancer Agents Med. Chem., 2007, 7, P. 515-523.

26. Wang Z. Q., Auer B., StingI L., Berghammer H., Haidacher, D., Schweiger, M., Wagner, E. F. Mice lacking ADPRT and poly(ADP-ribosyl)ation develop normally but are susceptible to skin disease. // Genes Dev., 1995, 9, P. 509-520.

27. Virag L., Szabo C. The therapeutic potential of poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors. // Pharmacol. Rev., 2002, 54, № 3, P. 375-429.

28. Ruf A.R., de Murcia G., Schulz G. E. The mechanism of the elongation and branching reaction of poly(ADP-ribose)polymerase as derived from crystal structures and mutagenesis. Hi. Mol. Biol., 1998, 278, № 1, P. 57-65.

29. Cosi C. New inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase and their potential therapeutic targets. // Exp. Opin. Therapeut. Pat., 2002,12, № 7, P. 1047-1071.

30. Kinoshita T., Nakanishi I., Warizaya M. et al. Inhibitor-induced structural change of the active site of human poly(ADP-ribose)polymerase. // FEBS Lett., 2004, 556, № 1-3, P. 4346.

31. Shall S. ADP-ribosylation reactions. // Biochimie., 1995, 77, № 5, P. 313-318.

32. Trucco C., Oliver F. J., de Murcia G., Menissier de Murcia J. DNA repair defect in poly(ADP-ribose) polymerase-deficient cell lines. // Nucleic Acids Res., 1998, 26, № 11, P. 2644-2649.

33. Satoh M. S., Lindahl T. Role of poly(ADP-ribose) formation in DNA repair. //Nature., 1992, 356, № 6367, P. 356-358.

34. Germain M., Affar E.B., D'Amours D., Dixit V. M., Salvesen G. S., Poirier G. G. Cleavage of automodified poly(ADP-ribose)polymerase during apoptosis. Evidence for involvement of caspase-7. // J. Biol. Chem., 1999, 274, № 40, P. 28379-28384.

35. Green D. R., Reed J. C. Mitochondria and apoptosis. // Science., 1998, 281, P. № 5381, 1309-1312.

36. Smith S., Giriat I., Schmitt A., de Lange T. Tankyrase, a poly(ADP-ribose) polymerase at human telomeres. // Science., 1998, 282, P. 1484-1487.

37. De Rycker M., Price C. M., Tankyrase polymerization is controlled by its sterile alpha motif and poly(ADP-ribose) polymerase domains. // Mol.Cell. Biol., 2004, 24, P. 9802 -9812.

38. Chang W., Dynek J. N., Smith S. NuMA is a major acceptor of poly(ADP-ribosyl)ation by tankyrase 1 in mitosis. // Biochem. J., 2005, 391, P. 177 -184.

39. Bonicalzi M.-E., Haince J.-F., Droit A., Poirier G. G. Regulation of poly(ADP-ribose) metabolism by poly(ADP-ribose)glycohydrolaze: where and when? // Cell. Mol. Life Sci., 2005, 62, P. 539-560.

40. Panda S., Poirier G.G. Key S.A. Tej defines a role for poly(ADP-ribosyl)ation in establishing period length of the arabidopsis circadian oscillator. // Dev. Cell., 2002, 3, P. 51-61.

41. Hanai S., Kanai M., Ohashi S., Okamoto K., Yamada M., Takahashi H et al. Loss of poly(ADP-ribose)glycohydrolaze causes progressive neurodegradation of Drosophila melanogaster. II Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004,101, P. 82-86.

42. Y.Wang, V. L. Dawson, T.M. Dawson. Poly(ADP-ribose) signals to mitochondrial AIF: a key event in parthanatos. // Exp Neurol., 2009, 218, P. 193-202

43. Nottbohm A. C., Hergenrother. The promises and pitfalls of small-molecule inhibition of poly(ADP-ribose)glycohydrolase (PARG). // DRUG DISCOVERY RES. New Frontiers in the post-genomic era. Edited by Z. Huang. San-Diego, 2007, chapter 7, P. 173-184.

44. Ratnam K., Low J. A. Current development of clinical inhibitors of poly(ADP-ribose) in oncology. // Clin. Cancer Res., 2007,13, P. 1383-1388

45. Verbeek В., Southgate Т. D., Gilham D. E., Margison G. P. 06-Methylguanine-DNA methyltransferase in activation and chemotherapy. // British Med. Bull., 2008, 85, P. 17-33.

46. Fauzee N. J. S. et al. PARP and PARG Inhibitors -New Therapeutic Targets in Cancer Treatment // Pathol. Oncol. Res., 2010,16, P. 469-478.

47. Sandhu S. K., Yap T. A., de Bono J. S. Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors in cancer treatment: A clinical perspective. II Eur. J. Cancer., 2010, 46, P. 9-20.

48. Banasik M., Ueda K. Inhibitors and activators of ADP-ribosylation reactions. // Mol. Cell Biochem., 1994,138, P. 185-197.

49. Banasik M, Komura H, Shimoyama M, Ueda K: Specific inhibitors of poly(ADP-ribose) synthetase and mono(ADP-ribosyl)transferase. J. Biol. Chem. 1992, 267, 1569-1575.

50. Rankin P. W., Jaeobson E. L., Benjamin R. C., Moss J., Jacobson M. K. Quantitative studies of inhibitors of ADP-ribosylation in vitro and in vivo. II J. Biol. Chem., 1989, 264, 43124317.

51. Pivazyan A.D., Birks E.M., Wood T.G., Tai-Shun Lin, Prusoff W.H. Inhibition of poly(ADP-ribose)polymerase activity by nucleoside analogs of thymidine. // Biochemical Pharmacology., 1992, 44, 947-953.

52. Geraets L., Moonen H. J. J., Wouters E. F. M., Bast A., Hageman G. J. Caffeine metabolites are inhibitors of the nuclear enzyme poly(ADP-ribose)polymerase-l at physiological concentrations. // Biochem. Pharm., 2006, 72, 902-910

53. Southan G. J., Szabo C. Poly(ADP-ribose)polymeraze inhibitors. // Curr. Med. Chem., 2003, 10(4), P.321-340

54. Ruf A., de Murcia G., Schulz G. E., Inhibitor and NAD+ binding to poly(ADP-ribose) polymerase as derived from crystal structures and homology modeling. // Biochemistry, 1998,37, P. 3893-3900

55. Ефимцева E.B., Куликова И.В., Михайлов C.H. Дисахаридные нуклеозиды важная группа природных соединений. // Молекулярная биология, 2009, 43, 327-338.

56. Zhou J., Shevlin Р. В. A short synthesis of 1-vinyluracil and 1-vinylthymine. // Synthetic Commun., 1997, 27(20), P. 3591-3597

57. Tararov V. I., Kolyachkina S.V., Alexeev C.S., Mikhzilov S.N. A^-Acetyl^'^'^'-tri-O-acetyladenosine. A convenient, "missed-out" substrate for regioselective A^-alkylations. // Synthesis, 2011, №15, P. 2483-2489

58. Steinhagen H., Gerish M., Mittendorf J., Schlemmer K-H., Albrecht B. Substituted uracil derivatives as potent inhibitors of poly(ADP-ribose)polymeraze-l (PARP-1). // Bioorg. Med. Chem. Lett., 2002,12, P. 3187-3190.

59. Drenichev M.S., Kulikova I.V., Bobkov G.V., Tararov V.I., Mikhailov S.N. A New Protocol For Selective Cleavage of Acyl Protecting Groups in 3',5'-0-(Tetraisopropyldisiloxane-l,3-diyl)ribonucleosides. // Synthesis, 2010, №22, P.3827-3834.

60. Drenichev M.S., Bobkov G.V., Tararov V.I., Mikhailov S.N. Selective Cleavage of Acyl Protecting Groups in 2'-0-Modified 3',5'-0-(Tetraisopropyldisiloxane-l,3-diyl)ribonucleosides. // Collection Symposium series, 2011,12, P. 403-404.

61. Kiviniemi A., Virta P., Drenichev M.S., Mikhailov S.N., Lonneberg H. Solid-Supported 2'-O-Glycoconjugation of Oligonucleotides by Azidation and Click Reactions. // Bioconjugate Chemistry, 2011, 22, P. 1249-1255.

62. Беккер Г., Бергер В., Домшке Г., Фангхенель Э., Фауст Ю., Фишер М., Гентц Ф., Гевальд К., Глух Р., Майер Р., Мюллер К., Павель Д., Шмидт Г., Шольберг К., Шветлик К., Зейлер Э., Цеппенфельд Г. // Органикум. М.: «Мир», 1976., том 2, С. 353377.

63. Markiewicz, W. Т. Tetraisopropyldisiloxane-l,3-diyl a group for simultaneous protection of 3 and 5-hydroxy functions of nucleosides. II J. Chem. Res. (5), 1979, P. 24-25.

64. Ogilvie K.K., Beaucage S.L., Schifman A.L., Theriault N.Y., Sadana K.L. The synthesis of oligonucleotides II. The use of silyl protecting group in nucleoside and nucleotide chemistry. // Can. J. ChemAm, 56, P. 2768-2780.

65. Beigelman L.N., Mikhailov S.N. Transient protection in nucleoside synthesis using trityl groups: is it necessary to block hydroxyl groups? // Carbohydrate Res., 1990, 203, P.324-329.

66. Bobkov G.V., Brilliantov K.V., Mikhailov S.N., Rozenski J., Van Aerschot A., Herdewijn P. // Collect. Czech. Chem. Commun., 2006, 71, №6, P. 804-819.

67. Bobkov G.V., Mikhailov S.N., Van Aerschot A., Herdewijn P. Phosphoramidite building blocks for efficient incorporation of 2'-0-aminoethoxy(and propoxy)methyl nucleosides into oligonucleotides. // Tetrahedron, 2008, 64, P. 6238-6251.