Investigation of the formation of binary or ternary comlexes of quadruplex-forming DNA sequences of the insulin-linked polymorphic region (ILPR) with organic ligands and insulin
Organic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
Final Report Abstract
Die "Insulin-gekoppelte polymorphe Region" (insulin-linked polymorphic region = ILPR) ist eine guaninreiche DNA-Sequenz, deren physiologische Funktion unter anderem auf ihre Fähigkeit zurückgeführt wird, Quadruplex-Strukturen auszubilden. Da die Assoziation von Liganden die biologische Aktivität von Quadruplex-DNA (G4-DNA) beeinflussen kann und dieser Aspekt in Studien über ILPR-DNA bislang nur ansatzweise berücksichtigt worden ist, wurden in diesem Forschungsprojekt die Wechselwirkungen von neu entwickelten Liganden mit ILPR-DNA und vergleichend mit anderen G4-DNA-Formen detailliert untersucht. Im Rahmen des Projektes wurden auf Grundlage von Chinolizinium- und Berberinderivaten insgesamt sieben neuartige Typen von DNA-Liganden mit besonderen Strukturelementen (Azoniastilben, 2,7- und 2,8-Diarylchinolizinium, Arylnaphthochinolizinium, 10-O-Arylberberine, 9-O-Berberinphosphat, Berberin-Adenin-Konjugate und Aminoarylberberine) erstmals synthetisiert und auf ihre DNA-bindenden Eigenschaften hin untersucht. Bis auf die Diarylchinoliziniumderivate zeigten alle Verbindungen eine starke Assoziation an G4-DNA (Kb = 105–106 M–1), die in einigen Fällen auch selektiv im Vergleich zur Bindung an native Duplex-DNA ist. Jedoch zeigte keiner der untersuchten Liganden eine ausgeprägte Selektivität gegenüber ILPR-DNA. Darüber hinaus verursachten selbst Liganden mit hohen Bindungskonstanten zu ILPR-DNA nur eine geringfügige Stabilisierung dieser G4-DNA gegenüber thermisch induzierter Entfaltung. Diese allgemeine Beobachtung dürfte ein Hinweis darauf sein, dass die Komplexbildung durch die vergleichsweise instabile Struktur und ein sensibles Gleichgewicht zwischen unterschiedlichen Quadruplexformen insbesondere bei höheren Temperaturen empfindlich gestört wird und nicht wesentlich durch die Strukturvariationen am Liganden kontrolliert werden kann. Insgesamt zeigten Bindungsanalysen, dass auf Grundlage von Chinolizinium- und Berberinderivaten Liganden für ILPR-DNA entwickelt werden können. Allerdings weisen diese Liganden dann ebenfalls auch eine hohe Affinität und häufig auch eine höhere Selektivität gegenüber anderen G4-DNA-Formen auf. Das 9-Aminoarylnaphhthochinolizinium und auch die Berberinderivate haben in wässriger Lösung einen sehr geringe Fluoreszenzquantenausbeute, die bei Bindung an G4-DNA so deutlich ansteigt, dass der entsprechende Aufleuchteffekt der Fluoreszenzintensität spektrometrisch gut detektierbar und selbst mit bloßem Auge sehr gut erkennbar ist. Auch in diesem Fall wurde für ILPR-DNA keine besondere Selektivität entdeckt. Da dieser Effekt jedoch deutlich schwächer bei der Bindung dieser Liganden an Duplex-DNA ausgeprägt ist, stellen sie sehr vielversprechende Ausgangspunkte für die Entwicklung von selektiven und effizienten Fluoreszenzsonden für G4-DNA dar. Weitergehend wurden die bereits in der Literatur beschriebene Assoziation von Insulin an die ILPR-DNA und der Einfluss von Liganden auf diese Komplexbildung untersucht. Orientierende photometrische, fluorimetrische und polarimetrische Titrationen mit dem bekannten G4-DNA- Liganden RHPS4 ergaben jedoch keine Hinweise auf die Bildung eines ternären Komplexes von ILPR-DNA, Insulin und RHPS4.
Publications
- Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 6404–6413. Structural flexibility versus rigidity of the aromatic unit of DNA ligands: Binding of aza- and azoniastilbene derivatives to duplex and quadruplex DNA
H. Ihmels, M. Karbasiyoun, K. Löhl, C. Stremmel
(See online at https://doi.org/10.1039/c9ob00809h) - J. Org. Chem. 2020, 16, 2795– 2806. Synthesis and investigation of quadruplex-DNA-binding, 9-O-substituted berberine derivatives
J. Becher, D. V. Berdnikova, H. Ihmels, C. Stremmel, Beilstein
(See online at https://doi.org/10.3762/bjoc.16.230) - Chem. Eur. J., Selective, pH-Dependent Colorimetric and Fluorimetric Detection of Quadruplex DNA with 4- Dimethylamino(phenyl)-Substituted Berberine Derivatives
P. J. Wickhorst, H. Ihmels
(See online at https://doi.org/10.1002/chem.202100297) - Org. Biomol. Chem. 2021, 19, 878– 890. Synthesis, DNA-binding and antiproliferative properties of diarylquinolizinium derivatives
R. Bortolozzi, H. Ihmels, R. Schulte, C. Stremmel, G. Viola
(See online at https://doi.org/10.1039/D0OB02298E)
