Взаимодействие карбоксиметильных порфиринов с ДНК

на правах рукописиКовалёва Оксана АлексеевнаВзаимодействиекарбоксиметильных порфиринов с ДНКСпециальность 03.01.02. – биофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2014Работа выполнена в Лаборатории ДНК-белковых взаимодействий Федеральногогосударственного бюджетного учреждения науки Института молекулярной биологии им.В.А. Энгельгардта Российской академии наук.Научный руководитель:Калюжный Дмитрийматематических наукНиколаевич,кандидатфизико-Официальные оппоненты:Арутюнян Александр Мигранович, кандидат физикоматематическихнаук,заведующийлабораториейгемопротеидов Научно-исследовательского института физикохимической биологии им.

А.Н. Белозерского МГУ имени М.В.ЛомоносоваПозмогова Галина Евгеньевна, доктор химических наук,профессор, заведующая лабораторией искусственногоантителогенеза Федерального государственного бюджетногоучреждения науки «Научно-исследовательский институтфизико-химическоймедицины Федеральногомедикобиологического агентства»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут биохимической физики им. Н.М. ЭмануэляРоссийской академии наукЗащита состоится «18» декабря 2014 г. В 15:30 часов на заседании диссертационного советаД 501.002.11 при Московском государственном университете им.

М.В. Ломоносова поадресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория 5 19С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан «__» _______________ 2014 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.11кандидат технических наук2Сидорова А.Э.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы.Структура ДНК разнообразна и изменчива в различных клеточныхпроцессах. Двойная спираль ДНК является классической мишенью действия многихпротивоопухолевых,противовирусных,противомикробныхлекарственныхсоединений.

Неканонические структуры ДНК играют важную регуляторную роль вжизнедеятельности клеток. Одной из таких неканонических структур является Gквадруплекс. Последовательности, способные образовывать структуры Gквадруплекса, обнаружены в теломерных областях хромосом, промоторныхучастках генов, в том числе онкогенов, а также в регуляторных областях мРНК.Соединения,проявляющиевысокуюаффинностькG-квадруплексам,стабилизируют их структуру, влияют на действие различных белковых факторов иферментов, функционально связанных с ДНК. Образование и стабилизация Gквадруплексов теломерным однонитевым окончанием ДНК сопряжено сингибированием фермента – теломеразы и влияет на регуляцию длины теломер.Изучение аффинности различных соединений к ДНК в разных условияхнеобходимо для выявления молекулярных механизмов их противоопухолевогодействия.Порфирины представляют собой широкий класс природных и вновьсинтезированных соединений, обладающих довольно разнообразными свойствами.Физико-химические характеристики порфиринов позволяют рассматривать этоткласс соединений как перспективный для возможного использования в терапиионкологических заболеваний.

В настоящее время продолжается работа помодификации порфириновых молекул с целью усиления противоопухолевогодействия и повышения селективности к опухолевым клеткам. По даннымисследователей, такие соединения способны вызывать апоптоз, то естьпрограммированную смерть клетки, который играет важную роль в нормальнойжизнедеятельности организма.Производные катионных порфиринов относятся к ряду веществ, для которыхДНК является одной из важных мишеней действия.

Положительные заряды напериферии порфиринового макроцикла обеспечивают высокую аффинностьпорфиринов к ДНК. Высокое сродство к ДНК делает катионные порфириныперспективным классом соединений для поиска и дизайна новыхпротивоопухолевых препаратов. Создание новых препаратов необходимо дляпреодоления множественной лекарственной устойчивости опухолей и уменьшенияорганотоксичности.

Установление влияния модификаций порфиринов на ихаффинность к канонической и неканонической структурам ДНК необходимо длярационального конструирования и синтеза новых соединений.3В работе установлена связь между типом взаимодействия порфиринов с ДНКи их биологической активностью. Исследования открывают перспективы длянаправленного дизайна молекул порфиринов – потенциальных лекарственныхсредств, для которых мишенью могут служить специфические структуры ДНК.Цели и задачи исследования.Цель данной работы – определить особенности взаимодействиякарбоксиметильных порфиринов с ДНК, выяснить структурные аспектыобразования комплексов, а также изучить возможность опосредованногопорфиринами фотоповреждения ДНК в качестве механизма клеточной гибели.В соответствии с указанной целью были поставлены следующиеэкспериментальные задачи.1.

Определить роль различных конформаций ДНК во взаимодействии спорфиринами и установить влияние модификаций порфирина нахарактеристики образующихся комплексов.2. Определить влияние порфиринов на структуру и стабильностьG-квадруплексов.3. Установить эффективность производных порфирина в качестве инструментафотоповреждения ДНК.4.

Выяснить особенности гибели опухолевых клеток,вызываемойфотодинамическим эффектом порфиринов.Научная новизна исследований.Впервые исследованы новые производные карбоксиметильного порфиринаво взаимодействии с биологически важными конформациями ДНК. Впервыеустановлено влияние карбоксиметильных групп на периферии порфириновогомакроцикла и включения ионов металлов Zn(II), Ni(II) в ядро порфириновогомакроцикла на аффинность к ДНК, а также на тип образующихся комплексов.Впервые выявлены предпочтительные места связывания новых производныхпорфириновпривзаимодействиисдуплексомДНК,атакжеспектрофотометрически охарактеризованы места посадки порфиринов нателомерном G-квадруплексе ДНК.

Впервые установлено влияние типаобразующегося комплекса порфирина с ДНК на её способность фотодеградировать.Определены механизмы гибели опухолевых клеток под действием новыхпроизводных порфирина.Научная и практическая значимость.Исследования вносят вклад в понимание влияния модификаций порфириновна особенности образования комплексов молекул с ДНК различной структуры ипоследовательности, на молекулярно-биологическую активность порфиринов.Работа открывает перспективы для направленного дизайна потенциальных4лекарственных средств, мишенью для которых служат неканонические структурыДНК.Положения, выносимые на защиту.1. Карбоксильные группы заместителя на периферии порфириновогомакроцикла обусловливают предпочтительное взаимодействие порфирина сGC-богатыми участками ДНК. Порфириновые производные связываются наGC участках ДНК по интеркаляционному механизму и образуютбороздочный комплекс на участках ДНК, богатых АТ парами.2.

Порфирины в зависимости от модификаций способны при образованиикомплексов с G-квадруплексом ДНК по-разному изменять его структуру истабильность.3. Исследованные производные порфирина обладают сходной способностьюгенерировать синглетный кислород, но различной эффективностьюфотоповреждения ДНК. Связывание порфиринов в бороздки ДНКобеспечивает их фотоповреждающую активность.4. Гибель опухолевых клеток, вызываемая фотодинамическим эффектомпорфиринов, осуществляется в основном путем апоптоза.Личный вклад диссертанта.Автор лично участвовал в анализе литературных данных, постановке задачи,планировании экспериментов.

Все результаты, их интерпретация и выводыполучены автором на основе лично проведенных экспериментов либо при егоучастии. В подготовке публикаций и докладов по теме диссертационной работыавтор принимал личное участие.Апробация работы.Работа представлена на 11 российских и международных конференциях вМоскве, в Пущино, в Сорренто (Италия), в Сингапуре (Сингапур).Публикации.По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и 11 тезисов докладов.Структура и объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы,методического раздела, трех глав, содержащих изложение и обсуждениерезультатов, а также выводы. Работа изложена на 108 страницах, включает 7 таблици 34 иллюстрации.