DNA-Bindungsstudien neuartiger Analoga des Chinoxalin-Antibiotikums Triostin A
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Triostin A ist ein Naturstoff mit einem symmetrisch aus einem Disulfid-verbrückten Cyclodepsipeptid aufgebauten Rückgrat, das sich aus zwei Tetrapeptiden zusammensetzt. Eine strukturelle Besonderheit dieses Rückgrats ist die Präorganisation und Ausrichtung von zwei über die Seitenketten gebundenen Chinoxalin-Einheiten, so dass diese mit einem Abstand von 10.5 Å in idealer Weise für die Bisinterkalation in doppelsträngige DNA vororganisiert sind. Grundlage für unsere Untersuchungen ist die Verwendung des bicyclischen Triostin A Depsipeptids als Templat für die Organisation von grundsätzlich beliebigen funktionellen Einheiten im Abstand von 10.5 Å. Dieser Abstand ist von besonderer Bedeutung in der Interaktion mit DNA, ist aber auch beim interhelicalen Abstand wechselwirkender Peptid-α-Helices oder im Aufbau eines β-Faltblatts wieder zu finden. Grundlage für dieses Projekt ist, die Verwendung des Triostin-Rückgrats bzw. analoger peptidischer Strukturen zur Präsentation von Erkennungseinheiten oder Funktionalitäten, so dass neuartige DNA-Binder resultieren, oder z.B. Templat-gesteuerte Peptid-/Proteinfaltung eingeleitet werden kann. Das Triostin Rückgrat wurde zur Vereinfachung der Struktur aber auch zur Modulation von konformationeller Anpassungsfähigkeit, Verbesserung der Löslichkeit und zum Adressieren weiterer Funktionalitäten zahlreich modifiziert: Auf N-Methylierung wurde verzichtet, Esterbindungen zum Amid modifiziert, polare Aminosäuren eingeführt, die Disulfidbrücke entfernt oder hinsichtlich einer potentiell konformationell schaltbaren Einheit modifiziert und Alkin-haltige Aminosäuren zur Dimerisierung und weiteren Funktionalisierung z.B. mit Bimetall-Liganden eingeführt. Für die Wechselwirkung mit DNA wurden Nucleobasen an Stelle der Chinoxaline eingebracht, die das Potential mitbringen, die Hoogsteen-Seiten von Basenpaaren in der großen Furche gezielt auszulesen. Es wurden durch N-Alkylierung des Rückgrats Derivate hergestellt, die zusätzlich zwei weitere Nucleobasen tragen, so dass nach Modellvorstellungen vier im Abstand von je 3.5 Å stapelnde Nucleobasen ideal ausgerichtet sind, um als sequenzspezifischer Binder in der großen Furche der DNA zu fungieren. Die Analytik der Interaktion potentieller vom Triostin A abgeleiteter Binder an DNA wurde mit Hilfe von Gelelektrophorese, temperaturabhängiger UV- und CD-Spektroskopie, Kraft-Ausdehnungskurven beim Strecken von DNA sowie fluorescence intercalator displacement vorgenommen. Die in den letzten Jahren als analytische Methode für die thermodynamische Beschreibung der Wechselwirkung von Biomolekülen neu aufgekommene Thermophorese wurde im Rahmen dieses Projekts für die Interaktion von Triostin A und dessen Analoga mit DNA etabliert und validiert. Zur Bestimmung eines Modus in dem der jeweilige Binder mit DNA interagiert, ist eine Co-Kristallisation von DNA und Binder vorgesehen gefolgt von Röntgenkristallographie und Bestimmung der jeweiligen Kristallstruktur. Trotz intensiver Bemühungen ist eine geeignete Co-Kristallisation bisher nicht gelungen. An Stelle dessen konnte die Struktur eines ebenfalls mit Nucleobasen versehenen linearen Octapeptids gelöst werden. Es handelt sich um eine alternierend konfigurierte Alanyl-/Homoalanyl-Peptidnucleinsäure, deren Rückgrat im Kristall eine dreifache β-Turn-Struktur einnimmt und die Nucleobasen auf zwei Seiten ideal gestapelt linear ausrichtet. Es bildet sich als asymmetrische Einheit ein Tetramer aus, in dem alle Nucleobasen Watson-Crick gepaart vorliegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Solution-Phase Synthesis of Nucleobase-Substituted Analogues of Triostin A, J. Org. Chem. 2004, 69, 3917-3927
K. Lorenz, U. Diederichsen
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Structures of complexes between echinomycin and duplex DNA, Acta Crystallogr. D 2005, 61, 442-448
J. A. Cuesta-Seijo, G. M. Sheldrick
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Synthesis of Cyclopeptidic Analogues of Triostin A with Quinoxalines or Nucleobases as Chromophores, Eur. J. Org. Chem. 2005, 147-153
B. Dietrich, U. Diederichsen
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Serendipitous SAD phasing of an echinomycin-(ACGTACGT)2 bisintercalation complex, Acta Crystallogr. D 2006, 62, 417-424
J. A. Cuesta-Seijo, M. S. Weiss, G. M. Sheldrick
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Synthese modifizierter Triostin Analoga zur spezifischen Interaktion mit DNA, Dissertation, Göttingen, 2008
K. Bensmann
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Binding kinetics of bisintercalator Triostin A with optical tweezers force mechanics, Biophys. J. 2009, 97, 2780-2784
C. Kleimann, A. Sischka, A. Spiering, K. Tönsing, N. Sewald, U. Diederichsen, D. Anselmetti
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Syntheses of triostin A antibiotic and of nucleobase functionalized analogs with respect to the development of new DNA-binders, Eur. J. Org. Chem. 2009, 4801-4809
A. Kumar Ray, U. Diederichsen
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Triostin A and Analogues: Synthesis and DNA Recognition, Dissertation, Göttingen, 2009
A. Kumar Ray
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A DNA and Metal Binding Hybrid Based on Triostin A, J. Peptide Sci. 2010, 16, 86
E. F. Sachs, A. Nadler, U. Diederichsen
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DNA-Small Molecule Interaction Analysis – Binding of Triostin Analogs to DNA, Nano Temper Application Note NT008, 2011
E. F. Sachs, U. Diederichsen
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Triostin A derived hybrid for simultaneous DNA binding and metal coordination, Amino Acids, 2011, 41, 449-456
E. F. Sachs, A. Nadler, U. Diederichsen
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Continuous β-turn fold of an alternating alanyl/homoalanyl peptide nucleic acid, Acta Crystallogr. D, 2012, 68, 1067-1070
J. A. Cuesta-Seijo, J. Zhang, U. Diederichsen, G. M. Sheldrick
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Synthese Nucleobasen-funktionalisierter Triostin A-Analoga zur spezifischen Wechselwirkung mit DNA, Dissertation, Göttingen 2012
E. F. Sachs
